探究微流量控壓鉆井技術(shù)

【摘要】本文介紹了微流量控壓鉆井技術(shù)，從微流量控壓鉆井設(shè)備分析，闡明了微流量鉆壓鉆井原理，列舉了微流量控壓鉆井優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】鉆井 微流量控壓 原理

微流量控壓鉆井技術(shù)(MFC)是通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量微進(jìn)口流量或出口流量，然后對(duì)比兩者的差值，通過(guò)一定的技術(shù)宇段使兩者的差值保持在規(guī)定的范圍內(nèi)浮動(dòng)。它是一種精確確定孔隙壓力和破裂壓力的鉆井方法。采用微流量監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)到小的流失與侵入，通過(guò)一定的方法(回壓泵與節(jié)流閥的共同作用或只調(diào)節(jié)節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn))來(lái)調(diào)整返回流量，結(jié)果使井底壓力平衡地層壓力。因此，基于微流量控壓鉆井技術(shù)(MFC)是通過(guò)對(duì)鉆井液流量的精密控制達(dá)到對(duì)井眼壓力精確控制的目的。

一、微流量控壓鉆井設(shè)備

微流量的含義包括微進(jìn)口流量和微出口流量，對(duì)微流量的精確監(jiān)測(cè)和控制是保證鉆井液閉環(huán)控制和鉆井閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。微流量控制系統(tǒng)能夠滿足快速控制的理論要求是:鉆井環(huán)空中的鉆井液為不可壓縮流體，地面上控制單元的任何微小壓力變化都將在環(huán)空中得到快速響應(yīng)，壓力變化傳輸速度可達(dá)到聲速。一口深達(dá)6000 m的井，地面節(jié)流閥的壓力調(diào)節(jié)可在4.5S內(nèi)傳至井底。為了快速監(jiān)測(cè)到微溢流或微漏失并作出反應(yīng)，要使環(huán)空內(nèi)盡可能地為不可壓縮流體，MFC是維持在選擇的井底壓力下進(jìn)行微過(guò)平衡安全鉆進(jìn)。

圖1 維流量控壓鉆井系統(tǒng)的組成

微流量控制系統(tǒng)的組成主要包括3大部分:鉆井液節(jié)流管匯、傳感器以及數(shù)據(jù)采集與中央控制系統(tǒng)等，該系統(tǒng)組成如圖1所示。鉆井液節(jié)流管匯是鉆井液循環(huán)管道的主體組成部分，上面安裝有鉆井液節(jié)流閥和各種鉆井液傳感器。節(jié)流閥可根據(jù)工作需要調(diào)節(jié)井口上返處的鉆井液流量等參數(shù)，傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、質(zhì)量流量計(jì)等。測(cè)量和釆集到的各種鉆井液流量、壓力、溫度等釆樣值等數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送到中央數(shù)據(jù)釆集與控制系統(tǒng)中處理。中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)再將傳感器采集到的釆樣值與期望值進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)任何細(xì)微差異，立即釆取調(diào)節(jié)節(jié)流閥限流增大回壓或開流減小回壓，使返出的流體量與預(yù)測(cè)值一致。

二、微流量鉆壓鉆井原理

微流量控壓鉆井不同于常規(guī)鉆井之處在于整個(gè)控壓鉆井系統(tǒng)是一個(gè)閉合、循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)鉆井液不能平衡地層壓力，可能導(dǎo)致井漏、井塌甚至井噴時(shí)，回壓泵啟動(dòng)，在井口施加一個(gè)回壓，從而能夠快速的來(lái)平衡地層的壓力，使鉆井作業(yè)安全、快速的進(jìn)行，不至于發(fā)生嚴(yán)重的鉆井事故。微流量控壓鉆井系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同層位和各種工況下鉆井液參數(shù)，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行比較，比較出口值與采樣值的差值足否在規(guī)定的范圍內(nèi)，通過(guò)控制器發(fā)出指令再由井控設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效控制。

圖2 微流量控制系統(tǒng)軟件鉆井中的控制流程圖。

將采集到的實(shí)測(cè)值與期望值進(jìn)行比較，如果兩個(gè)值的差值不在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷是否鉆井液有漏失的情況，如果鉆井液發(fā)生漏失，確定發(fā)生漏失臨界點(diǎn)的井底壓力為地層破裂壓力，井筒內(nèi)壓力大于地層壓力，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大節(jié)流閥開度，使井口回壓減小。如果沒有發(fā)生漏失而發(fā)生了溢流。確定發(fā)生溢流臨界點(diǎn)的井底壓力為地層孔隙壓力，井筒內(nèi)壓力小于地層壓力，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減小節(jié)流閥開度，使井口回壓增大。如果兩個(gè)值的差值在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步比較地面實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)(地面鉆井液壓力、流量及鉆井液池液面變化等)和期望值，來(lái)判斷是否有低于測(cè)量精度的微小漏失或溢流等情況的發(fā)生。如果與期望值不一致時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)自動(dòng)節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié);如果與期望值一致時(shí)，則說(shuō)明鉆井作業(yè)正常。這一整套的控制程序自始至終都在進(jìn)行，在鉆井液的整個(gè)循環(huán)過(guò)程中都在被監(jiān)測(cè)之下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔隙壓力和破裂壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)井口回壓來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井液壓力一直處于大于地層孔隙壓力而又小于地層破裂壓力這一狀態(tài)之下，實(shí)現(xiàn)安全、快速鉆井的目的。

三、微流量控壓鉆井優(yōu)勢(shì)

1.工程方面

⑴井控安全:能夠快速檢測(cè)到溢流或漏失情況并能夠快速改變井口回壓以滿足鉆井工藝要求，降低風(fēng)險(xiǎn)。

⑵鉆井提速：①提高鉆井時(shí)效:通過(guò)施加井口回壓減少加重泥楽所產(chǎn)生的生產(chǎn)輔助時(shí)間，降低生產(chǎn)成本；②提高機(jī)械鉆速:降低鉆井液密度，減小壓持效應(yīng)，降低壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)械鉆速。

2.油氣層發(fā)現(xiàn)與保護(hù):通過(guò)增加井口回壓應(yīng)用較低密度的鉆井液鉆油氣層，從而減輕對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

3.應(yīng)用范圍廣泛:可以在已探清、未知地層壓力的區(qū)域、壓力剖面快速變化的井眼和敏感性地層都可以應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：張建江（1982-），男，河北保定人，鉆井工程助理工程師，2005年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），現(xiàn)任中石化華北石油工程公司西部分公司鉆井隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)，主要從事石油鉆井工作。