實(shí)現(xiàn)MPD技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備及工具

趙增勇

摘要：壓力管理鉆井（management pressure drilling，MPD）技術(shù)，是由欠平衡鉆井和動(dòng)力鉆井技術(shù)綜合而發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它利用閉合、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，以及井下特殊的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和工具使環(huán)空壓力得到精確的控制。該技術(shù)能夠解決復(fù)雜地層鉆井所出現(xiàn)的問題，提高鉆井效率、降低鉆井成本。

關(guān)鍵詞：控制壓力；控制；研究；工具

中圖分類號(hào)：TD3

引 言

目前，采用常規(guī)鉆井裝置和方法進(jìn)行鉆井勘探過程中會(huì)出現(xiàn)諸如漏失、壓差卡鉆、鉆桿脫扣、地層孔隙壓力與地層破裂壓力梯度間壓力窗口狹窄造成井涌井漏等問題，致使非生產(chǎn)時(shí)間增加，從而導(dǎo)致勘探費(fèi)用大幅度提高。MPD技術(shù)的意圖是利用欠平衡鉆井的工具和技術(shù)來控制隨鉆井作業(yè)進(jìn)入井筒的地層流體，避免通過加重鉆井液的方法來解決鉆井中的復(fù)雜問題。用這一技術(shù)可減少套管層數(shù)，提高鉆井效益，降低鉆井成本。MPD的意圖是更加精確的控制井下壓力的變化，所以它需要配備特殊的設(shè)備和工具來實(shí)現(xiàn)對(duì)井下壓力的控制，這些關(guān)鍵的設(shè)備和工具有：

1 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)

在接單根時(shí)可以保持連續(xù)循環(huán)，不需要停泵，可以保持恒定的當(dāng)量循環(huán)密度，這就使我們可以很容易地在地層孔隙壓力與地層破裂壓力窗口很窄的條件下繼續(xù)鉆進(jìn)。不僅減少了卡鉆事故的發(fā)生，減輕了井筒的膨脹效應(yīng)并可避免油氣意外侵入井筒的可能性，攜巖能力和鉆屑清除能力也得到極大的改善。連續(xù)循環(huán)系的技術(shù)特點(diǎn)是：該系統(tǒng)基于單閘板防噴器的工作原理，采用頂部驅(qū)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)的操作和控制采用電液自動(dòng)控制。采用特殊的上卸扣系統(tǒng)完成緊扣、松扣和旋扣。在防噴器的基礎(chǔ)上加一旁路系統(tǒng)，換接單根、鉆桿等操作時(shí)保持泥漿泵注入不停，從而保證鉆井液連續(xù)不斷的循環(huán)。

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的原理是：采用頂驅(qū)鉆機(jī)時(shí)，通過接箍、頂驅(qū)連接工具和鉆井液分流管匯配合實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)，接單根時(shí)，接箍體上下兩個(gè)閘板密封鉆桿周圍，接頭位于全封閘板和下部閘板之間，鉆井流體在循環(huán)壓力作用下進(jìn)入接箍體內(nèi)，平衡鉆柱內(nèi)外壓力。卸扣上提鉆桿，關(guān)閉全封閘板，上部卸壓后將公扣連接部分提出接箍體，此時(shí)鉆井液通過接箍下部不間斷循環(huán)進(jìn)入鉆柱中。連接在頂驅(qū)上的新的單根進(jìn)入接箍體上部，閘板密封鉆桿周圍，循環(huán)系統(tǒng)注入鉆井液恢復(fù)上部壓力。當(dāng)上下兩部分壓力平衡時(shí)，打開全封閘板，新的單根下放，通過鉆桿內(nèi)不間斷循環(huán)接單根。接箍體內(nèi)壓力釋放，密封打開，移開接箍，鉆井再次開始，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的循環(huán)不間斷。

2 自動(dòng)控制壓力系統(tǒng)

用于MPD系統(tǒng)的自動(dòng)控制壓力（Power AMPS）系統(tǒng)利用連續(xù)循環(huán)變化控制壓力鉆井技術(shù)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流器，根據(jù)需要微調(diào)，以補(bǔ)償由排量變化引起的環(huán)空摩擦壓力的變化。該系統(tǒng)可以更好地進(jìn)行井控，更精確地控制井筒壓力，在盡可能不中斷鉆進(jìn)的情況下轉(zhuǎn)換和處理返回的鉆井液。該系統(tǒng)解決了許多長(zhǎng)期存在的和鉆井、井眼穩(wěn)定相關(guān)的問題，消除了停止/開始循環(huán)時(shí)的壓力波動(dòng)。提高了鉆井液的控制水平，增強(qiáng)了ECD控制，改善了井筒條件，最重要的是提高了在井下窄壓力窗口下有效鉆進(jìn)的能力。MPD鉆井系統(tǒng)中的封閉系統(tǒng)依靠連接在位于旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCD）下方的鉆井液返回出口的節(jié)流閥來控制壓力。與此同時(shí)，環(huán)空壓力剖面通過節(jié)流閥回壓的增加或減少，以補(bǔ)償由于環(huán)空流量增加或減少時(shí)產(chǎn)生的環(huán)空摩擦壓力（AFP）。自動(dòng)控制壓力系統(tǒng)的工作原理是：在MPD的封閉循環(huán)系統(tǒng)中，鉆井液從鉆井液池通過鉆井泵進(jìn)入立管下降到鉆桿，通過浮閥和鉆頭上部的環(huán)空，然后從RCD下方的環(huán)形防噴器流出。再通過一系列的節(jié)流閥，到振動(dòng)篩或脫氣裝置，最后回到鉆井液池。環(huán)空中的鉆井液壓力通過使用RCD和節(jié)流管匯控制在鉆井泵出口和節(jié)流閥之間。RCD允許管柱和全部鉆柱旋轉(zhuǎn)，所以，立管、鉆桿和鉆柱能連續(xù)工作。它包括兩種情況：

（1）井的模擬控制 MPD系統(tǒng)通過基于水力油井模型的模擬程序來反饋數(shù)據(jù)，該程序能閱讀和處理包括井深、直徑、地層數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速、鉆井液粘度、鉆井液密度和溫度等，然后預(yù)測(cè)環(huán)空壓力剖面。任一點(diǎn)的環(huán)空壓力由靜鉆井液量、環(huán)空摩擦壓力和地面的回壓3部分組成。靜鉆井液重力在給定的區(qū)間內(nèi)基本上是常數(shù)，其他2個(gè)參數(shù)可快速變化。當(dāng)決定需要調(diào)控壓力剖面時(shí)，為了達(dá)到所需要的環(huán)空壓力剖面，在模擬控制下，節(jié)流閥自動(dòng)調(diào)節(jié)以改變因環(huán)空的鉆井液流速增加或減小而引起的環(huán)空摩擦壓力的變化。用于MPD系統(tǒng)的自動(dòng)控制壓力（PowerAMPS）系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，產(chǎn)生必要的微小調(diào)節(jié)量來維持所需的環(huán)空壓力剖面。

（2）下套管后鉆井 下套管后鉆井時(shí)，靜態(tài)的鉆井液重力、環(huán)空摩擦壓力降和節(jié)流閥回壓曲線是相對(duì)穩(wěn)定的。當(dāng)接鉆桿時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生由MPD系統(tǒng)提供的壓力值，即使鉆井泵因接鉆桿而停泵，也能維持環(huán)空系統(tǒng)所需要的壓力值。在增強(qiáng)功能的MPD系統(tǒng)中，當(dāng)鉆井泵減速且鉆井液流量減少時(shí)，由于環(huán)空摩擦壓力降的減小，會(huì)出現(xiàn)較低的流動(dòng)速度，也就會(huì)產(chǎn)生較低的環(huán)空摩擦力，環(huán)空摩擦壓力降的減小量會(huì)被節(jié)流閥的回壓所代替，井的模擬控制也就連續(xù)不斷地送出新的壓力校正信號(hào)，自動(dòng)控制壓力系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)以保持所需的壓力。

3 動(dòng)態(tài)壓力控制系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)壓力控制（DAPC）系統(tǒng)是一種封閉、承壓的循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效地控制地層壓力，保持井筒壓力恒定。DAPC主要由節(jié)流閥組、旋轉(zhuǎn)控制裝置及精確的水力學(xué)計(jì)算模塊組成。旋轉(zhuǎn)控制裝置用來封閉環(huán)空及允許環(huán)空增壓，通過水力學(xué)計(jì)算模塊計(jì)算所需要的井口回壓，調(diào)節(jié)節(jié)流閥組提供相應(yīng)的井口回壓，保持井底壓力恒定。DAPC與CCS對(duì)于井底當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）控制的相似之處在于，鉆井過程中均可采用低于地層壓力的當(dāng)量靜態(tài)密度，通過循環(huán)壓耗平衡地層壓力。不同之處是，在停泵進(jìn)行起下鉆或者鉆桿連接時(shí)，CCS系統(tǒng)仍然保持循環(huán)，而DAPC系統(tǒng)則通過增加地面回壓來保持井底壓力恒定。該項(xiàng)技術(shù)可以確保在窄密度窗口下安全快速的鉆進(jìn)，有效地解決鉆井過程中遇到的復(fù)雜問題，減少鉆井非生產(chǎn)時(shí)間，提高“邊際”油藏的開發(fā)效益。

4 降當(dāng)量循環(huán)密度工具

利用低密度流體的流變性以降低摩擦損失、利用鉆柱和套管柱提供大一些的環(huán)空間隙、利用可膨脹管增加井眼尺寸、利用鉆井尾管代替套管柱、降低流動(dòng)速率減少摩擦損失、減低機(jī)械鉆速減少在環(huán)空中的巖屑等方式都可以降低當(dāng)量循環(huán)密度?，F(xiàn)在研制出的降低當(dāng)量循環(huán)密度工具（ECD RT），能減輕下部裸眼段的當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度，同時(shí)加重上部套管段的當(dāng)量鉆井液密度，保持井筒上部較高的壓力。降ECD工具主要由3部分組成：上部是1臺(tái)渦輪馬達(dá)，它從循環(huán)液中吸收液壓能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能；中部是由渦輪馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的多級(jí)混合流量泵（部分軸向、部分徑向），它抽吸環(huán)空返回的流體；下部由軸承和密封組成。泵由渦輪驅(qū)動(dòng)，因此無需變速箱。鉆柱和環(huán)空間的高壓流體由一種新型密封機(jī)構(gòu)密封，該密封機(jī)構(gòu)配有備用應(yīng)急密封，可在井控需要高壓差的情況下自動(dòng)開啟。在當(dāng)量循環(huán)密度降低工具的下端有兩個(gè)不旋轉(zhuǎn)的封隔器來提供泵體和套管之間的密封，這些密封可使所有返回流體都順利通過泵。

5 結(jié)論與建議

與常規(guī)鉆井通過控制鉆井流體密度達(dá)到控制井底壓力的單一壓力控制方法不同，MPD技術(shù)是采用連續(xù)循環(huán)控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)，以及降井下當(dāng)量循環(huán)密度工具等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)井筒壓力剖面的精確控制，從而達(dá)到減少井下鉆井事故的目的。