張杰 王芷桁 李鑫 李翠楠 李榮鑫 孫瑞濤
(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 3.中國(guó)石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院)
海洋石油天然氣資源的勘探開(kāi)發(fā)是未來(lái)中國(guó)石油天然氣工業(yè)的主要發(fā)展方向。隨著鉆采制造技術(shù)和設(shè)備的不斷改進(jìn),我國(guó)海洋油氣鉆井作業(yè)所能達(dá)到的水深也在不斷增加[1-5]。在深海鉆井中,由于海水和風(fēng)浪載荷等環(huán)境因素的影響,傳統(tǒng)海洋鉆井技術(shù)中使用的隔水管,隨著海上鉆井作業(yè)水深的增加,其投資成本也將增加,同時(shí)孔隙壓力與破裂壓力之間狹窄的安全窗口會(huì)帶來(lái)一系列復(fù)雜問(wèn)題[6-8]。為此,挪威AGR公司研發(fā)了無(wú)隔水管海底泵舉升系統(tǒng)(Riserless Mud Recovery System, RMR),該系統(tǒng)不僅可以解決傳統(tǒng)深海鉆井的局限性,同時(shí)還可以精確地控制井底壓力[9]。
RMR系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)、成本節(jié)約和動(dòng)態(tài)控制等方面都具有不錯(cuò)的表現(xiàn),但受限于深水鉆井作業(yè)技術(shù)和理論的缺乏,難以滿足各項(xiàng)要求,主要表現(xiàn)在以下兩方面:①溢流檢測(cè)和處理存在一定困難,井控操作復(fù)雜;②海底泵技術(shù)原理復(fù)雜,對(duì)海底泵的研究大多停留在理論層面。這些問(wèn)題進(jìn)一步限制了RMR系統(tǒng)在深水和超深水領(lǐng)域的應(yīng)用,但RMR系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的鉆井技術(shù),值得學(xué)者進(jìn)行更深層次的探討。
國(guó)外對(duì)流量調(diào)節(jié)的理論研究相對(duì)較早,主要是以理論分析的方式對(duì)流量的調(diào)節(jié)進(jìn)行研究,提出相應(yīng)的流量調(diào)節(jié)理論。2014年,E.CAYEUX和J.HALKYARD等[10-11]采用改進(jìn)的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng),分析了海底泵出口流量變化對(duì)其入口壓力及井筒內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)的影響情況,得出如下結(jié)論:海底泵流量的調(diào)節(jié)與節(jié)流閥類似,可通過(guò)減小海底泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,降低流量,從而有效地增大海底泵入口壓力。國(guó)內(nèi)對(duì)于流量調(diào)節(jié)的理論研究大多是引入國(guó)外的研究方法,進(jìn)一步分析和完善有關(guān)RMR系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)理論。2016年,彭齊等[12]采用羅斯模式建立了適用于RMR系統(tǒng)的全流態(tài)水力學(xué)分析方法,對(duì)鉆井泵出口流量與水深、井深之間的關(guān)系進(jìn)行了模擬分析,該項(xiàng)研究?jī)?nèi)容為確定RMR系統(tǒng)流量范圍具有指導(dǎo)意義。2018年,李路[13]采用一種基于自適應(yīng)模糊PID調(diào)節(jié)器的壓力轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制策略,利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型,研究了海底泵轉(zhuǎn)速、流量與入口壓力的關(guān)系,研究結(jié)果表明,當(dāng)轉(zhuǎn)速變小時(shí),泵輸出流量變小,入口壓力值增大。
綜上所述,對(duì)于流量調(diào)節(jié)理論的研究,大多是采用PID自動(dòng)控制反饋系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),并沒(méi)有結(jié)合RMR系統(tǒng)的工作特點(diǎn)。因此針對(duì)上述問(wèn)題,本文首先對(duì)正常鉆進(jìn)期間流量調(diào)節(jié)對(duì)環(huán)空壓耗的作用進(jìn)行了適應(yīng)性分析,探究其在何種情況下更有利于流量調(diào)節(jié)的控制作用;其次,根據(jù)不同約束條件下的鉆井液流量,確定了正常工況下流量的調(diào)節(jié)范圍;最后針對(duì)RMR系統(tǒng)在正常工況下井底壓力恒定的情況,對(duì)流量與機(jī)械鉆速之間的變化進(jìn)行了分析,確定了流量與機(jī)械鉆速的變化關(guān)系,提出了在正常工況下隨機(jī)械鉆速變化,流量對(duì)井底壓力的調(diào)節(jié)方法,同時(shí)也證實(shí)了通過(guò)流量調(diào)節(jié)可以控制井底壓力的結(jié)論。
現(xiàn)根據(jù)流體在井筒內(nèi)流動(dòng)的能量平衡方程來(lái)探究如何改變環(huán)空壓耗,以此來(lái)控制井底壓力。對(duì)任何流體流動(dòng)都可以寫出兩個(gè)流動(dòng)斷面間的能量平衡關(guān)系式[14-15]。垂直管路能量平衡示意圖如圖1所示。
圖1 垂直管路能量平衡示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical pipe energy balance
根據(jù)能量平衡方程,垂直管流斷面1和2的流體能量平衡關(guān)系式為:
(1)
式中:m為流體質(zhì)量,kg;L1、L2分別為流動(dòng)斷面1和2沿中心線到參考水平面的距離,m;V1、V2為流體體積,m3;p1、p2分別為流動(dòng)斷面1和2處的壓力,MPa;U1、U2分別為流動(dòng)斷面1和2的流體內(nèi)能,J;q為流體對(duì)外或外界對(duì)流體所做的功,J;v1、v2分別為流體通過(guò)斷面1和2的平均速度,m/s。
井筒內(nèi)壓力梯度分別由位差壓力梯度、加速度壓力梯度和摩阻力壓力梯度組成,摩阻力壓力梯度增大可以使總的壓力梯度變大,從而增加井底壓力。摩阻力壓力梯度與范寧摩阻系數(shù)、流體密度、流體流動(dòng)速度和井眼尺寸等有關(guān)。一般情況下,鉆井液密度等參數(shù)都已確定,可以選擇提高流體流速,即增大循環(huán)流量來(lái)增大井底壓力,從而對(duì)井底壓力進(jìn)行控制。該方法也同樣適用于多相流情況下的井底壓力控制。
在正常工況下,井底壓力由4部分組成,即海底泵入口壓力(海水靜液柱壓力)、鉆井液環(huán)空靜液柱壓力、環(huán)空壓耗和環(huán)空巖屑引起的壓力,其計(jì)算公式為[16-17]:
pbt=pinlet+pa+Δpf,a+Δps=ρwgh+ρdghf(1-Ca)+ρsghfCa+Δpf,a
(2)
式中:pbt為井底壓力,MPa;pinlet為海底泵入口壓力,MPa;pa為鉆井液環(huán)空靜液柱壓力,MPa;Δpf,a為環(huán)空壓耗,MPa;Δps為環(huán)空巖屑引起的附加壓力,MPa;ρw為海水密度,g/cm3;ρd為鉆井液密度,g/cm3;ρs為巖屑密度,g/cm3;hf為井深,m;g為重力加速度,m/s2;Ca為巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
鉆柱內(nèi)摩阻壓耗在層流和紊流狀態(tài)下的計(jì)算公式分別如式(3)和式(4)所示。
(3)
(4)
式中:Δpf,p為鉆柱內(nèi)摩阻壓耗,MPa;μp為鉆井液黏度,mPa?s;hpipe為鉆柱總長(zhǎng)度,m;vpipe為鉆柱內(nèi)鉆井液流速,m/s;τ0為動(dòng)切力,Pa;dpi為鉆柱內(nèi)徑,mm;f為鉆柱與井壁摩阻系數(shù)。
井底鉆頭處壓耗的計(jì)算公式為:
(5)
式中:Δpb為井底鉆頭處壓耗,MPa;C為鉆頭噴嘴流量系數(shù),取0.80或0.95;Qpump為鉆井泵出口流量,L/s;A0為鉆頭噴嘴出口截面面積,cm2。
井眼環(huán)空內(nèi)壓耗在層流與紊流狀態(tài)下的計(jì)算公式分別如式(6)和式(7)所示。
(6)
(7)
在給定鉆井液性能、環(huán)空尺寸和地層條件等情況下,巖屑的滑落速度可以采用較為簡(jiǎn)單的Moore公式計(jì)算,則常用的環(huán)空巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算公式為[23]:
(8)
式中:R為機(jī)械鉆速,m/h;db為鉆頭直徑,cm;dh為井眼直徑,cm;dpo為鉆桿外徑,cm;ds為巖屑直徑,cm;K′為速度修正系數(shù)。
應(yīng)用所建立的方程及計(jì)算方法,探究在不同參數(shù)下流量調(diào)節(jié)的影響情況。現(xiàn)選取某海域1口實(shí)鉆井的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,得到井深、井眼直徑、鉆井液密度、黏度和動(dòng)切力隨流量變化對(duì)環(huán)空壓耗的影響規(guī)律。相關(guān)參數(shù)為:海水深度1 000 m,地層深3 000 m,鉆井液密度1.16 g/cm3,井眼直徑311.0 mm,鉆桿外徑101.6 mm,鉆井泵出口流量25 L/s,鉆井液塑性黏度20 mPa?s,動(dòng)切力 5 Pa。
圖2為所用鉆井液密度和井深對(duì)井底壓力的影響情況。從圖2可以看出,同一海水深度,鉆井液密度對(duì)井底壓力的影響較小,而井深影響較大。由于井深增加使環(huán)空壓耗增大,對(duì)井底壓力的影響更加明顯,也從另一方面驗(yàn)證了通過(guò)控制環(huán)空壓耗來(lái)實(shí)現(xiàn)井底壓力控制可行。
圖2 井底壓力隨鉆井液密度與井深變化圖Fig.2 Variation of bottom hole pressure with density and well depth
環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與井深的變化情況如圖3所示。
從圖3可以看出,當(dāng)井深較淺時(shí),隨著流量的增大,環(huán)空壓耗變化較小,但隨著井深的增加,環(huán)空壓耗的變化范圍也在擴(kuò)大,流量調(diào)節(jié)的作用更加明顯。因此,流量的調(diào)節(jié)更適宜在井深較大的情況下進(jìn)行,這也與前述結(jié)論相符。
圖3 環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與井深變化圖Fig.3 Variation of annular pressure loss with flow rate and well depth
環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與井眼直徑的變化情況如圖4所示。
圖4 環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與井眼直徑變化圖Fig.4 Variation of annular pressure loss with flow rate and borehole size
從圖4可以看出,隨著井眼直徑的增加,流量對(duì)環(huán)空壓耗的作用越來(lái)越小,且當(dāng)井眼直徑大于400 mm以后,即使增大流量,環(huán)空壓耗幾乎不變。因?yàn)榫壑睆皆酱?,摩阻壓力梯度就?huì)越小,相應(yīng)地對(duì)井底壓力的影響效果就會(huì)減弱,因此井眼直徑越小,越有利于流量調(diào)節(jié)的控制。
環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與密度的變化情況如圖5所示。
圖5 環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與密度變化圖Fig.5 Variation of annular pressure loss with flow rate and density
從圖5可以看出:隨著鉆井液密度和流量的增大,環(huán)空壓耗也增大;當(dāng)鉆井液密度較小時(shí),流量的改變所引起的環(huán)空壓耗變化范圍較?。划?dāng)密度較大時(shí),流量的調(diào)節(jié)對(duì)環(huán)空壓耗的變化影響較大。所以流量的調(diào)節(jié)更適宜在鉆井液密度較大且保持井眼穩(wěn)定的情況下進(jìn)行。
環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與黏度的變化情況如圖6所示。
圖6 環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與黏度變化圖Fig.6 Variation of annular pressure loss with flow rate and viscosity
從圖6可以看出:隨著鉆井液流量和鉆井液黏度的增大,環(huán)空壓耗逐漸增大;當(dāng)鉆井液黏度較小時(shí),流量增大所引起的環(huán)空壓耗改變較小;而當(dāng)鉆井液黏度較大時(shí),流量的調(diào)節(jié)作用則愈發(fā)明顯。因此流量調(diào)節(jié)的方式應(yīng)選擇在鉆井液黏度比較大的情況下使用。
環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與動(dòng)切力的變化情況如圖7所示。
圖7 環(huán)空壓耗隨鉆井液流量與動(dòng)切力變化圖Fig.7 Variation of annular pressure loss with flow rate and yield point
從圖7可以看出,在動(dòng)切力和流量越大時(shí),環(huán)空壓耗越大,且在流量相等的情況下,隨著鉆井液動(dòng)切力增大,環(huán)空壓耗快速上升,因此在較高的動(dòng)切力下進(jìn)行流量調(diào)節(jié)能更大地發(fā)揮其對(duì)井底壓力的控制作用。
綜上所述,流量調(diào)節(jié)對(duì)井底壓力的控制適宜在地層較深、井眼直徑較小以及鉆井液密度、黏度和動(dòng)切力較大的情況下進(jìn)行。
選用深海某垂直井的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。三開(kāi)段基本參數(shù)見(jiàn)表1,井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。地層孔隙壓力、破裂壓力分別為80.16、86.56 MPa,機(jī)械鉆速為5 m/h,巖屑直徑為0.4 cm,巖屑密度為2.6 g/cm3,泵壓為25 MPa,泵功率為1 600 kW,泵效為0.8,螺桿鉆具型號(hào)為5LZ197×7Y,鉆井泵型號(hào)為3NB1600,沖次為60~80 min-1。
表1 三開(kāi)段基本參數(shù)Table 1 Basic parameters in third spud section
表2 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 2 Wellbore structure data
變參數(shù)下井底壓力隨流量與機(jī)械鉆速的變化情況如圖8所示。
圖8 變參數(shù)下井底壓力隨流量與機(jī)械鉆速變化圖Fig.8 Variation of bottom hole pressure with flow rate and ROP under variable parameters
從圖8可以看出,各機(jī)械鉆速下井底壓力隨流量的增大而減小,同時(shí)機(jī)械鉆速改變所產(chǎn)生的井底壓力變化要大于流量調(diào)節(jié)所能改變的井底壓力(機(jī)械鉆速?gòu)? m/h增加到10 m/h或更高時(shí),井底壓力的增加量要大于流量從20 L/s調(diào)至35 L/s時(shí)井底壓力的減小量),故在變參數(shù)情況下流量的調(diào)節(jié)不利于井底壓力的控制。
原參數(shù)下井底壓力隨流量與機(jī)械鉆速的變化情況如圖9所示。
圖9 原參數(shù)下井底壓力隨流量與機(jī)械鉆速變化圖Fig.9 Variation of bottom hole pressure with flow rate and ROP under original parameters
從圖9可以看出,各機(jī)械鉆速下井底壓力隨流量的增大而增大,當(dāng)機(jī)械鉆速?gòu)? m/h增大到10 m/h或者更大時(shí),可通過(guò)減小流量來(lái)維持井底壓力的恒定,相反,當(dāng)機(jī)械鉆速變小時(shí),可以增大流量來(lái)控制井底壓力,且可調(diào)節(jié)的范圍較廣,這也證明了流量的調(diào)節(jié)機(jī)制更適用于密度較大、井深較深、井眼尺寸較小、黏度和動(dòng)切力較大的情況。
由所給參數(shù)計(jì)算各約束條件下的流量調(diào)節(jié)范圍,井底壓力的控制應(yīng)在流量調(diào)節(jié)的范圍之內(nèi),正常工況下流量的選擇應(yīng)該與最大水功率下的流量相近,且稍大于孔隙壓力下的流量。計(jì)算的鉆井液流量范圍如表3所示。
表3 各種約束條件下的鉆井液流量計(jì)算結(jié)果 L·s-1Table 3 Calculation results of drilling fluid flow rate under various constraints L·s-1
由表3可得,在最大鉆頭水功率時(shí),其流量為28.8 L/s,再由最低井底壓力原則進(jìn)行計(jì)算,滿足孔隙壓力的最小流量為26 L/s,與最大鉆頭水功率下的流量非常接近。按照井壁穩(wěn)定性要求,井底壓力應(yīng)介于孔隙壓力與破裂壓力之間,所以流量的選擇應(yīng)大于26 L/s而小于42 L/s。綜合考慮所有因素,在鉆頭水功率最大條件下的流量完全滿足其他條件,故優(yōu)選的鉆井液流量為28.8 L/s。
井底壓力隨鉆井液流量與機(jī)械鉆速的變化情況如圖10所示。
圖10 井底壓力隨鉆井液流量與機(jī)械鉆速變化圖Fig.10 Variation of bottom hole pressure with flow rate and ROP
從圖10可以看出,當(dāng)機(jī)械鉆速和鉆井液流量變大時(shí),井底壓力也在不斷增大。這是因?yàn)檫^(guò)快的機(jī)械鉆速會(huì)導(dǎo)致環(huán)空中巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,混合流體密度升高,從而使由于巖屑存在所產(chǎn)生的井底附加壓力增大;另一方面,提升鉆井液流量,增大了鉆井液在環(huán)空中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦壓耗,故井底壓力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。
井底壓力恒定為80.16 MPa時(shí)鉆井泵出口流量與機(jī)械鉆速的關(guān)系如圖11所示。
圖11 井底壓力恒定為80.16 MPa時(shí)流量與機(jī)械鉆速的關(guān)系圖Fig.11 Relationship between flow rate and ROP when bottom hole pressure is constant 80.16 MPa
由圖11可以看出,在井底壓力恒定為地層孔隙壓力時(shí),機(jī)械鉆速與流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。所以如果機(jī)械鉆速發(fā)生變化,可以通過(guò)改變流量來(lái)維持井底壓力恒定不變。但是由于流量調(diào)節(jié)范圍在26~42 L/s之間,所以只能在機(jī)械鉆速為0.0~7.2 m/h時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)械鉆速變小時(shí)可以增大鉆井泵出口流量,而當(dāng)機(jī)械鉆速變大時(shí)可以減小鉆井泵出口流量,以此來(lái)控制井底壓力。
假設(shè)井底壓力分別在80.2、80.3、80.4和80.5 MPa時(shí)保持不變,可得出在各井底壓力下流量與機(jī)械鉆速的變化關(guān)系,如圖12所示。
圖12 各井底壓力恒定下流量與機(jī)械鉆速關(guān)系圖Fig.12 Relationship between flow rate and ROP under constant bottom hole pressure
通過(guò)對(duì)各井底壓力下流量與機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)分析,得到了在保持RMR系統(tǒng)井底壓力恒定情況下兩者之間的擬合關(guān)系。從圖12可知,兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系大致滿足二次方程,即有:
R=aQ2+bQ+c
(9)
式中:Q為鉆井液流量,L/s;a、b、c為方程的常數(shù)項(xiàng),可由目標(biāo)井的相關(guān)參數(shù)得到。
當(dāng)指定機(jī)械鉆速比原機(jī)械鉆速大時(shí),降低流量;如果指定機(jī)械鉆速比原機(jī)械鉆速小,則提高流量,直至井底壓力與所設(shè)定的地層壓力相等。井底壓力控制方法如下:①根據(jù)地層孔隙壓力與地層破裂壓力,確定合適的鉆井液密度;②保持海底泵入口壓力與海水靜液柱壓力相等;③設(shè)定井底壓力值與地層孔隙壓力值相等;④根據(jù)恒定地層孔隙壓力對(duì)應(yīng)機(jī)械鉆速與流量的擬合關(guān)系式對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)機(jī)械鉆速變大時(shí)調(diào)小流量,當(dāng)機(jī)械鉆速變小時(shí)調(diào)大流量;⑤將調(diào)節(jié)后的井底壓力與地層孔隙壓力進(jìn)行對(duì)比,若滿足平衡條件,則此時(shí)流量調(diào)節(jié)值合適,否則重新進(jìn)行調(diào)節(jié)。
根據(jù)RMR系統(tǒng)雙梯度鉆井原理,建立了正常工況下井底壓力控制方程,并將常規(guī)的流量調(diào)節(jié)與海底泵流量調(diào)節(jié)特性相結(jié)合,對(duì)RMR系統(tǒng)在正常工況下井底壓力與流量之間的變化規(guī)律進(jìn)行了分析,提出了RMR系統(tǒng)在正常工況下以流量調(diào)節(jié)方式對(duì)井底壓力進(jìn)行控制的方法,得到以下結(jié)論。
(1)為確保RMR系統(tǒng)在正常工況下進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)能夠安全高效的作業(yè),通過(guò)探究流量調(diào)節(jié)在何種情況下對(duì)環(huán)空壓耗的作用更大,分析了井深、井眼直徑、鉆井液密度、鉆井液黏度和動(dòng)切力下流量變化對(duì)環(huán)空壓耗的影響規(guī)律,流量調(diào)節(jié)對(duì)井底壓力的控制作用更適宜在海水深度1 000~1 500 m、地層深3 000~4 000 m、鉆井液密度1.16~1.21 g/cm3、井眼直徑311.0~ 400.0 mm、鉆桿外徑101.6 mm、鉆井泵出口流量25~28 L/s、鉆井液塑性黏度20~26 mPas及動(dòng)切力 5~8 Pa工況下進(jìn)行。
(2)通過(guò)分別考慮在環(huán)空攜巖、鉆井泵額定壓力、鉆頭水功率、井下動(dòng)力鉆具、最低井底壓力以及零立壓條件下對(duì)流量的選擇情況,確定了井底壓力為80.16 MPa時(shí),流量的可調(diào)范圍為26~42 L/s,機(jī)械鉆速的調(diào)節(jié)范圍為0.0~7.2 m/h。
(3)通過(guò)對(duì)各井底壓力下流量與機(jī)械鉆速之間的變化關(guān)系進(jìn)行模擬,擬合出了恒定井底壓力條件下流量與機(jī)械鉆速間的協(xié)調(diào)方程,為正常工況下保持井底壓力恒定時(shí)的流量調(diào)節(jié)方法制定提供了思路。