国外控制压力钻井新技术及其应用

国外控制压力钻井新技术及其应用摘 要：随着已发现油气资源的日渐衰竭，对更深更复杂地层的勘探开发活动越来越多，而在钻探这些深层复杂地层时，常常出现许多如井涌、井漏、有害气体泄漏、卡钻、起下钻时间过长等钻井复杂问题，根据国内外石油专业人员估计，通过常规钻井方法，不能开发的油气资源达70%左右，因此先进的钻井新工艺新技术是推动油气勘探开发工作快速发展的重要手段之一。对此如果在钻进过程中对井下压力实施有效控制则可以较好地解决这些复杂情况。控制压力钻井(MPD)技术就是可以缓解上述复杂情况的有效方法。本文通过调研分析总结，主要介绍了控制泥浆帽压力钻井技术（CMC），双梯度钻井技术（DGD）和钻井液微流量控制钻井技术（MFC）三种控压钻井技术。并且分析了其技术原理，相应的钻井装备以及各自的技术优越性，给我国压力管理钻井技术提供了较好的理论支持。关键词： 控压钻井，控制泥浆帽压力钻井技术，双梯度钻井技术，钻井液微流量控制钻井技术，优点Foreign Managed Pressure Drilling New Technology and Its ApplicationYuan Jian bo1 (1.China University of Petroleum (Beijing), Changping Beijing 102249)Abstract: With increasing oil and gas resources have been found failure, deeper and more complex formation on the exploration and development activities are more and more complex in the drilling of these deep strata, it is often the emergence of many such wells Chung, circulation, hazardous gas leakage, sticking, drill too long since the complex issues such as drilling, according to professional estimates of oil at home and abroad, by conventional drilling method, not the development of oil and gas resources 70% and therefore the new technology of advanced drilling technology is to promote the rapid development of oil and gas exploration and development one important means. If this process of drilling of the well pressure to implement effective control can better address these complexities. Controlled pressure drilling (MPD) technology can ease the complexity of the situation is an effective method. This paper analyzed and summarized research, mainly introduced to control the pressure mud cap drilling technology (CMC), dual-gradient drilling (DGD) and the fluid flow control micro-drilling technology (MFC) of three controlled pressure drilling technology. And analysis of the technology principle, the appropriate drilling equipment, and their technical superiority, stress management to Chinas drilling technology provides a better theoretical support.Keywords: Managed Pressure Drilling , Controlled Mud Cap ,Dual Gradient Drilling, Micro Flow Control System,Advantage1 引言随着全球经济进入后危机时代，石油工业也开始率先恢复，对石油的产量的需求继续增长，然而目前现有老油田的油气资源日渐衰竭，对更深更复杂地层的勘探开发活动越来越多，而在钻探这些深层复杂地层时，常常会出现许多如井涌、井漏、卡钻、起下钻时间过长等钻井复杂问题。据行业专业人员估计，通过常规钻井方法，不能开发的油气资源达70%左右，因此先进的钻井新工艺新技术是推动油气勘探开发工作快速发展的重要手段之一，为避免上述问题，国外开发了一种更为精确的约束和控制井筒压力的钻井方法压力管理钻井技术，也称为MPD(managed pressure drilling)技术。2利用该技术可以精确地控制整个井眼的环空压力剖面，其目的在于确定井底压力窗口，从而控制环空液压剖面，在钻井过程中能更好地控制压力变化。MPD技术可通过减轻和控制将发生的各种钻井问题，来提高钻井能力，从而有效地开发复杂地层的油气资源。本文通过详细调研，对比分析，主要介绍了国内外运用较新的三种压力管理钻井技术：控制泥浆帽压力钻井技术（CMC），双梯度钻井技术（DGD）和钻井液微流量控制钻井技术（MFC）。并分析了其技术原理，相应的钻井装备以及各自的技术优越性，给我国压力管理钻井技术提供了较好的理论支持。2 控制泥浆帽压力钻井技术（CMC）控制泥浆帽压力钻井(Controlled Mud Cap ，CMC)技术，是压力管理钻井技术（MPD）在深海应用发展的一种新的技术形式，从开始发现到现在，解决了一些关于深水井控难、难以处理井涌的问题等。控制泥浆帽压力钻井系统既可以当作开环循环系统操作，又可以当作闭环循环系统操作。控制泥浆帽压力钻井技术可以应用于深水、“窄”密度压力窗口地层、高压或高温地层、以及多裂缝性地层和压力衰竭较快的地层等。虽然CMC系统的全部功能还没有完全实践于生产当中，但是挪威科学技术研究院已经建立了相应的模拟试验系统，通过实验已经证实了CMC技术基本原理的合理性与其在各种条件下控制井底压力的能力。因此该技术是具有很大的前景和适应性的。22.1控制泥浆帽压力钻井技术的基本原理控制泥浆帽压力钻井技术在钻井与井控操作过程中，隔水管中的泥浆柱液面将保持在海面之下，以形成一个泥浆和空气界面。在该钻井系统中安装有一个水下泥浆泵，通过泥浆泵体系调节泥浆和空气界面的位置，以达到控制井底静水压力的目的。该界面与水下泵安装位置之间的那段环空泥浆液柱被称为“泥浆帽”，CMC系统的基本工作原理是通过利用水下泵的泵压系统来调整“泥浆帽”液柱的高低，从而达到控制防喷器的目的。因此该钻井系统可以补偿由于循环以及调整井底压力而引起的摩擦压耗。CMC钻井工艺要点可以总结为：采用高密度泥浆进行钻井，携岩泥浆经由水下泵系统管线返回钻台，在钻井过程中，隔水管环空始终有段泥浆柱不参加泥浆循环，而是通过高度调节来保持井底压力恒定。该工艺实施的关键在于通过水下泵系统适当调节泥浆和空气界面在隔水管中的位置，如图1和图2所示。3图1控制泥浆帽钻井系统基本配置 图2控制泥浆帽钻井设备安装及工艺流程2.2 控制泥浆帽钻井的主要装备 控制泥浆帽钻井技术（CMC）是在常规控压钻井技术发展的基础上开发的新技术，因此它所采用的主要设备也是其它常规控压技术中的关键设备。如：旋转控制装置、节流器、以及其它已开发并主要用于欠平衡钻井作业的专用设备，这些对于控制泥浆帽钻井技术具有独特的作用。控制泥浆帽钻井的设备装置需要一个小直径高压隔水管、一个分离系统、一个独立的水下泥浆举升泵系统以及一个有效的随钻环空压力测量系统。除了上面讲的主要的设备外，其他的辅助部分也可用于控制泥浆帽钻井系统。如需要一个海水泵作为驱动水下泵的动力源；需要一些数据采集和展示仪器以便工作人员分析研究；需要流量计量装置及压力阀以便对循环流体计量与控制。其它必要的设备还包括火炬管线、合适的泥浆分离器等，具体装备情况见图3所示。图3 控制泥浆帽钻井系统的主要装备3 双梯度钻井技术（DGD）双梯度钻井(Dual Gradient Drilling，简称DGD)技术也是一种控制压力钻井技术，该技术就是采取一定的措施使隔水导管内的流体密度与海水密度接近(所有压力均以海底为参考点),使地层破裂压力和孔隙压力之间的余量相对增大,从而使有关深水钻井的问题迎刃而解。3.1双梯度钻井技术的基本原理双梯度钻井技术的主要思想是：隔水管内充满海水(或不使用隔水管)，采用海底泵和小直径回流管线旁路回输钻井液；或在隔水管中注入低密度介质，如空心微球、低密度流体、气体等，从而降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当，在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系，有效控制井眼环空压力、井底压力，克服深水钻井中遇到的问题,实现安全、经济的钻井。常规钻井与双梯度钻井系统的比较情况如图4所示，该图中a类钻井系统是典型的海底泵双梯度钻井系统示意图，整个钻井循环回路分为三段：首先是从海面钻台到井底，该部分流体通过钻杆内到达井底；然后是从井底到海底，钻井液和钻屑通过钻杆和井筒的环空返回；最后是从海底到海面，钻井液通过独立的管线或隔水管环空返回，采用机械装置分隔并调节海底压力与静水压力相等，于是在钻井液返回环空中，因此双梯度钻井系统只需要重点考虑海底泥线下井筒环空的钻井液压力。4图4常规钻井与双梯度钻井示意图3.2 双梯度钻井技术的水下装备系统 在深水海域中实施双梯度钻井,都是以装备海底泵系统为核心,再与注气系统或注入空心球系统相联合,故按照海底泵所选用的类型不同，水下装备组成可以划分为3大类，分别是水下电潜泵系统装备，水下隔膜泵系统装备以及水下泥浆泵系统装备。三种不同的水下装备系统基本上均是由电潜泵组，分离装置，岩屑处理设备以及隔离工具总成组成。其中水下电潜泵系统装备使用最多。其电潜泵组主要是为了解决在海水中的防腐问题，因此电潜泵将自井筒中返回的泥浆,以及经清除岩屑及分离气体之后,通过单独的一条泥浆返回管线，举升到平台上，再由平台上的普通泥浆泵，将处理的浆经水龙头泵入钻中。而水下隔膜泵系统装备的隔膜泵不仅适用于举升自井筒内返回的泥浆,而且也可用来泵送气体混合物。水下离心泵系统装备的离心泵组可以处理坚硬的黏土、砂砾、硬的石灰石、大的铝块,以及水泥和橡胶等,故而可保证泵不受损坏。由此可见三种不同类型的水下装备组成其适用性是不相同的，因此需要根据具体海洋环境选择相应的海底泵系统。54 钻井液微流量控制钻井技术（MFC）最新的基于钻井液微流量控制钻井技术(MFC)通过对钻井液的精密控制达到对井眼压力精确控制的目的。使用该技术只需对钻机结构做部分改进,在传统的钻井液循环管汇上设置精确的传感器和钻井液节流器,对进出口钻井液的微小压力、质量流量、当量循环密度、流速等参数进行实时监测,司钻可以在地面通过简单的操作即可快速改变钻井液的特性以满足钻井工艺要求预防和解决钻井事故的发生。微流量控制技术是近年来国外提出的新概念,在巴西石油公司和美国雪弗龙公司已经进行了现场应用，从现场实际运用情况来看，该技术能够有效地解决钻井过程中井眼压力管理的难题。64.1钻井液微流量控制钻井技术的基本原理钻井液微流量控制系统主要由3大部分组成:钻井液管汇、传感器以及中央数据采集与控制系统等。系统组成如图5所示。7图5微流量钻井控制系统的组成图6微流量控制系统软件钻井程序流程图 钻井作业时需要连续不断地注入钻井液,以平衡地层中的油、气、水压力和岩石侧的压力,防止井喷、井塌、卡钻以及井漏等事故的发生,不同井段和工况下钻井液参数有不同的期望值。系统控制软件通过传感器将采集到的钻井液流量、压力、温度等采样值通过A/D转换送入到中央数据采集与控制系统中,并与期望值进行比较,当两者存在偏差时,系统进一步判断钻井液是否有漏失。如有漏失,系统可确定压裂压力,改变流量减少回程压力；如无漏失，则确定空隙压力,改变流量增加回程压力,待达到期望的钻井液流量值时,则继续注入钻井液。这种监测与比较将一直进行下去,完成钻井时钻井液的可控循环,实时调节孔隙压力和压裂压力,以满足钻井工艺要求。图6为微流量控制系统软件钻井中的控制流程图。85三种压力管理钻井技术的优势分析根据对国内外相关文献的调研，分别从三种压力管理钻井技术的特点进行分析，从而得出了三种钻井技术的优势和主要面临的问题。具体情况见下表所示，这对我们今后选择压力管理钻井技术是具有很大的指导性。9表1：三种压力管理钻井技术的优势控制泥浆帽压力钻井技术双梯度钻井技术钻井液微流量控制钻井技术主要优点主要缺点主要优点主要缺点主要优点主要缺点减轻和降低了压力瞬变问题需要增加额外的设备，如泥浆控制阀、水下泵等增加了破裂压力和孔隙压力之间的余量需要增加新的设备,在一定程度上会增加钻井成本适用于各种钻井条件国内由于工艺和工具的原因,特别是工具达不到工程实际中对微循环控制压力的要求,暂达不到进行微流量控制压力钻井的技术水平避免了隔水管压力窗口问题减少了套管层数可以自由关闭或者开启微流量控制系统节约了泥浆配置成本节省下套管的和固井时间便于在钻进过程中分离出气体增加了钻进更深井段的能力使隔水导管内、外受力平衡相关技术不成熟,会带来一定的作业风险能够确定最佳的压力梯度范围降低了水合物在井口处生成的可能性避免了泥浆通过隔水导管内的环空,降低了环空流动摩阻减少了发生各种钻井事故的可能性避免了起下钻压力窗口问题可以用更小、更便宜的钻井设备钻更深的深水井节省了套管的种类减少了套管柱的数量可减小隔水管余量检测和处理井涌会有一些困难,会出现井控等安全方面的问题简化了操作缩短了控制井底压力的时间同时可减少泥浆的用量降低了成本双梯度钻井技术对水深没有限制减小了对环境的影响6结论控制压力钻井工艺技术可提高井眼的可钻性，缓解由于地层压力波动引起的一系列钻井问题。由于采用控制压力钻井可以钻常规钻井方法不可钻入的地层，在一定程度上增加了储量，提高了经济效益。控制压力钻井三种不同应用工艺技术都有其特定的适用范围，控制泥浆帽压力钻井适于钻严重漏失地层，双梯度钻井则适于钻破裂压力梯度较低的深水井。而钻井液微流量控制钻井技术分别在巴西石油公司的1台传统钻机和雪弗龙公司配备有自动化操作系统的钻机上进行了现场应用，在2次现场应用中均获得良好效果，说明钻井液微流量控制钻井技术能够在不同井深、不同井段、不同钻机及不同钻井工况下连续使用，具有良好的可靠性和较高的控制精度，且操作简单方便，达到了设计的目的。目前在国内该三种控制压力钻井技术使用尚未形成体系。因此压力管理钻井技术将推动进一步钻井技术的快速发展，这也对我国钻井技术的发展指明了方向。鉴于目前我国油田（尤其是深水油田）开发的实际情况，我国有必要结合实际情况，尽快研发出适合我国油田开发的相关钻井新技术，为我国的油田开发奠定坚实的基础。虽然压力管理钻井技术已经取得了诸多的成果，但作为一项新的钻井技术，尤其是钻井液微流量控制钻井技术应用广泛性尚不明确，它仍然存在很多的不足，仍需要进行大量的测试及试验，找出相应的问题加以改善，使该技术更加完善。参考文献1王春修.国外深水油气勘探动态及经验J.中国海上油气(地质),2002, 16(2): 1411442Borre.Fossli,Sigbjorn Sangesland.Controlled Mud-Cap Drilling for Subsea Applications: Well-Control Challenges in Deep WatersJ.June 2006 SPE,Drillin