（油气井工程专业论文）控制泥浆帽压力钻井工艺技术研究.pdf

s t u d yo fc o n t r o l l e dm u dc a pd r i l l i n gt e c h n o l o g y w a n gz i ji a n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nb a o j i a n g a b s t r a c t a d v a n c e dd r i l l i n gt e c h n i c sa n dt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tm e t h o df o rp r o m o t i n go i l g a s e x p l o r a t i o na c t i v i t yf a s t m a n a g e dp r e s s u r ed r i l l i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yd e v e l o p e d a b r o a d ，a n dt h ea d v a n t a g ea n dt e n d e n c yo ft h i st e c h n o l o g yh a ss h o w e dt h a tm p d w i l lb et h e f i r s tc h o i c eo fd r i l l i n gi nf u t u r e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o n t r o l l e dm u dc a pd r i l l i n g t e c h n o l o g y , w h i c hi so n ef r o n tp o r c ht e c h n o l o g yo fm p d ，t os u p p l ya na d v a n c e dd r i l l i n g m e t h o df o rd e e p w a t e rd r i l l i n gf o ro u rc o u n t r y b ye x t e n s i v el i t e r a t u r er e s e a r c h ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，b a s i ct e c h n i q u ea n d t h er e l e v a n t e q u i p m e n to fc m c i sc o n c l u d e di nt h i sp a p e r t h em a i np r o b l e m sw h i c hc m cc a l ls o l v ei n d e e p w a t e ro p e r a t i o na n dt h e s o l u t i o no fc h a l l e n g e si nc m cw e r ep r e s e n t e d t h eb a s i c w o r k i n gp r i n c i p l ea n df o u n d a t i o ni ss e t t l e di nt h i sp a r tf o rf u t u r er e s e a r c hf o rw e l lp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n a l y s i sa n dc h a r a c t e r i s t i cc a l c u l a t i o n i nv i e wo fu n i q u ef e a t u r eo fc m c ，w e l lt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l i n gi sf o u n d ，a c c o r d i n g t op r i n c i p l eo fe n e r g y , c o m b i n i n gt h ef l u i dp r o p e r t yo fe a c hw e l ls e c t i o n , t h et e m p e r a t u r ef i e l d c o m p u t a t i o n a lm e t h o di se l a b o r a t e df o rc m c ，a n dt h em o d e l i n ge f f o r ti ss h o w e db yw e l l t e m p e r a t u r ec u r v e c o m b i n i n gt h em u l t i p h a s ef l o we f f e c t , t h e d i s t r i b u t i o no fp r e s s u r eo f d i f f e r e n tp a r to fc m ci se s t a b l i s h e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h e 西v e nd e f i n i t ec o n d i t i o n ，t h em e s hc o n f i g u r a t i o na n dt h ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h ec m c c a l c u l a t i n gs o f t w a r ep r o g r a mi sc o m p i l e d ，a n dt h em o d e l i n ge f f o r ti ss h o w e db yt h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o nc u r v e c o n s i d e r i n gw a t e rw e l ld r i l l i n gf e a t u r e ，t h em u dd e n s i t yc h a n g ea l o n gw i t ht h ew a t e r d e p t hi ss u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ec m cd r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h ec k c u l a t i n gp r e s s u r e l o s e ，t h em u dc a ph e i g h ta n dt h ep u m pp r e s s u r ew a sc a l c u l a t e ds e p a r a t e l y f i n a l l y , t h i sp a p e r p r o p o s e st h a tt h ec m cd r i l l i n gt e c h n o l o g yh a st h es u p e r i o r i t yi nd e e pw a t e r w e l ld r i l l i n gb y c o m p a r i n g 、析t l lc o n v e n t i o n a lw e l ld r i l l i n g k e yw o r d s ：c o n t r o l l e dm u dc a p ，p r o c e s s ，p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，m u dc a ph e i g h t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：王墨立一 日期：叫年r 月2 7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学在论文作者签名：亟墨吏 指导教师签名：- = 琴葺毕 日期：矽年t 月习日 日期砷年丞月2 7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究背景及研究意义 原油属于不可再生的战略性资源，涉及到经济的发展和国家的安全。无论油价是高 位运行，还是低位运转，人们普遍认为原油的战略地位是不会改变的【l 】。随着我国经济 的快速发展和资源需求量的进一步增加，油气资源的短缺已经成为阻碍经济发展和国家 安全的主要因素。 图1 - 1 我国进口原油量增长趋势图 f i g 1 1 d o m e s t i co f fi m p o r tq u a n t i t yr i s i n gt e n d e n c yc h a r t 近年来，我国进口原油量逐年增高，据海关统计，2 0 0 5 年我国进口原油1 3 亿吨， 对外依存度达到4 0 ；2 0 0 6 年我国进口原油达到1 4 5 1 8 亿吨，对外依存度达到4 7 ； 2 0 0 7 年我国进口原油1 6 亿吨，对外依存度达到4 6 6 ；2 0 0 8 年我国进口原油1 7 8 8 8 亿吨，与上年相比增长9 6 ，对外依存度达到4 8 8 t 2 ，我国进口原油量增长趋势如图 1 1 所示。鉴于油气资源的日益紧缺，针对油气资源的进一步勘探开发已成为我国可持 续发展战略的需要。 我国屹立于太平洋之滨，海岸线长逾3 2 0 0 0 k m ，属于我国管辖的海域有3 0 0 万平方 千米之多。在这广阔的海域辖区之下蕴藏着极其丰富的自然资源，我国海域将是世界上 又一个新兴的石油天然气资源战略地区。因此，向深水油田进军将成为全球石油行业的 新视点。 然而，由于深水的特点，深水钻井面临着严酷的技术考验【3 1 。所涉及的技术问题包 括深水钻井井底压力的预测与计算，环境温度变化所引起的泥浆流变性问题，深水钻井 井控方法等等。 第一章前言 为了解决深水钻探技术难题，国外将陆上控制压力钻井技术应用到了深水。控制压 力钻井技术被认为是一种有效增加商业开采能力且能降低钻井相关成本的技术，是目前 国际钻井界解决井内复杂情况所采用的一种比较先进的钻井技术。 1 2 控制压力钻井技术 控制压力钻井技术，也称m p d ( m a n a g e dp r e s s u r ed r i l l i n g ) 技术，该技术是在欠平 衡钻井技术基础上发展而来的，是一种可以有效降低钻井风险、减少非生产时间的钻井 技术【4 】。美国自2 0 世纪6 0 年代后期开始应用控制压力钻井技术，该项技术采用一种闭 合承压钻井系统，与单独调节泥浆重度和泥浆泵率的方法相比，它能较为精确地控制井 筒压力剖面，并且闭合承压的泥浆循环系统能够有效降低钻井非生产时间，是应用先进 的井控设备和方法来实现钻井最优化的一种工艺技术。现今，美国陆地钻机配备闭合承 压钻井系统的比例已从1 9 9 5 年的1 0 剧增至目前的7 5 【5 1 。该项技术的优势及其未来 钻井的发展趋势表明，m p d 技术很可能是不远将来深水油气钻探乃至水合物钻探的首 选钻井技术。 1 2 1m p d 技术的定义 控制压力钻井采用的并不是一种新的钻井原理，而是在以往钻井过程中对井筒内压 力的控制的基础上改进后的钻井技术。i a d c ( 国际钻井承包商协会) 对m p d 的定义为： m p d 是一种改进的钻井技术，应用该技术可以精确地控制整个井眼的环空压力剖面。 其目的在于通过准确的控制井底压力，从而控制环空压力剖面【7 1 。， i a d c 同时指出嘲： m p d 是要在不压裂上覆岩层的前提下，在易发生漏失、地层坍塌、卡钻和气侵事故的 地层实施钻进，使得钻进的井深更长。控制压力钻井通过控制泥浆密度、当量循环密度 和套管回压，使井底压力保持恒定。 1 2 2m p d 技术的特点 与常规钻井相比，控制压力钻井技术具有以下特点： ( 1 ) m p d 采用更为精确的井内压力控制来实现更安全、更经济的钻进，提高了钻 进效率，并且减少了套管级数。 ( 2 ) m p d 设计时保持井底压力稍微高于或等于油层孔隙压力( 例如近平衡或平衡 钻井) ，这样能够有效的减少泥浆对地层的损害，并可以利用廉价的、轻流体体系来有 效的减小泥浆漏失成本。 m p d 技术的其它特点也在钻井过程中得到了体现，如提高机械钻速、延长钻头使 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 用寿命、有效预防各种卡钻以及降低循环压耗等。 1 2 3m p d 的基本工艺 m p d 主要考虑的是如何阻止地层流体侵入，其工艺流程和循环系统都是在此基础 上进行的，专业的m p d 地面设备、节流管汇、注入管汇以及四相分离器组成了m p d 循环流程 9 1 。在钻井过程中m p d 使用闭合、承压的泥浆循环系统来控制作业中可能出 现的任何流体侵入。使地层侵入流体在循环过程中与大气( 施工人员) 不接触，因此， 可以安全的钻进可能存在气体的地层，尤其是含有酸性气体的地层。一个闭合承压系统 的主要附加设备结构包括旋转控制器、钻井节流阀和单向钻柱阀【6 】，这样一个系统可以 将循环流体系统视为一个压力容器系统。回压可以应用一个半自动节流阀、或者一个全 自动节流阀来调节。 由m p d 技术的定义可以看出，该技术的本质就是应用闭合、循环的泥浆系统进行 钻进。同时，欠平衡钻井技术中的泥浆循环系统和一些设备也可以应用于m p d 技术。 1 2 4m p d 的应用分类 控制压力钻井技术的实际应用模式多种多样，不同文献对其分类不同，主要有：双 梯度钻井、恒定井底压力钻井、连续循环系统、反循环系统、软管控制压力钻井、压力 泥浆帽钻井、控制泥浆帽压力钻井等。目前，m p d 的许多应用模式已经在工业领域证 实是经济可行的【1 0 - 1 1 1 。 1 3 压力泥浆帽钻井工艺技术 压力泥浆帽钻井技术( p r e s s u r e dm u d c a pd r i l l i n g ，p m c d ) ，也称之为浮动泥浆钻 井技术( f l o a t i n gm u dd r i l l i n g ) ，主要用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气 层，有文献将其归属到欠平衡钻井技术中。随着钻井作业的发展与改进，演化为压力 泥浆帽钻井技术。目前，p m c d 的应用已经由开始的偶然计划变成了制度化的钻井措施， 并且在实施过程中取得了较好的成效【1 3 1 。 1 3 1p m c d 定义 由于生产井开采的原因，衰竭油藏，经常存在循环液漏失现象。如果油藏压力明显 低于井眼压力，泥浆漏失现象会很严重；当泥浆漏到衰竭地层，而井筒内的泥浆得不到 及时的补充，井眼的静水压力将降低，直到与油藏压力相平衡的水平。从钻井成本角度 考虑，无控制的使钻井泥浆漏失到地层是不经济的。为解决此类问题，钻井时采用海水 或者廉价的“牺牲流体”来代替漏失的泥浆，既可以控制井又可以填充流失地层。这个 第一章前言 方法被称为动态泥浆帽钻井或泥浆帽钻井。 13 2p m c d 基本工艺 p m c d 在工作过程中，高密度泥浆由环空注入，海水或“牺牲流体”由钻杆注入。 由于“牺牲流体”密度比较低，需要提供较高的机械钻速，使得“牺牲流体”和岩屑被 迫压入导致漏失的地层。“牺牲流体”与环空注入的高密度泥浆在环空相遇，形成泥浆， 牺牲流体界面，该界面以上的高密度泥浆被定义为“泥浆帽”。当采用低密度、低成本 的流体进行压力泥浆帽钻进的工艺流程如图1 - 2 所示。 国1 - 2 泥浆帽钻井工艺流程图 f 謇1 - 2t h e p r o c e 嚣c h a r to f p r e s s u r e d m u dc a p d r i l l i n g 该技术的工艺要点【l q 为：在钻井、起下钻、电测和下套管等全部的现场作业中，从 环空连续不断地灌入高密度泥浆作为环空压井液，从钻杆内注入清水或海水作为牺牲流 体和清扫液，边漏边钻，并将岩屑挤入到漏失地层。采用该技术需要考虑井控设备的可 靠性以及水源、环空高粘度泥浆的储备。 压力泥浆帽技术可以持续降低环空压力，使作业人员能够继续钻穿裂缝地层或断层 钻达总井深减少发生井下复杂情况的时间与费用，使泥浆漏失最小化。其结果是低密 度泥浆提高了机械钻速，进入衰竭地层的泥浆费用低于常规泥浆。如果发生了严重漏失， 预先配置好的高密度流体将会按照预先设定的体积重度进入环空。如图1 3 所示，该 p m c d 井深一压力示意图表明了p m c d 和常规循环泥浆钻井工程的区别。 中目石油大学( 华东) 硬聿位论文 1 面r 。 图1 0i m c d 的压力井深示意图 f 培1 - 3p ”糟州e p 啦i l l u s t r a t i o no f p m c d 从图中可e 上看出，采用p m c d 钻井时，随着井深的压力梯度出现了变化。目前， 在亚洲近太平洋地区大约有五分之一钻井工程会遇到溶洞，这会导致大量的或者全部的 泥浆漏失，该地区主要应用p m c d 模式进行钻进。 13 3p m c d 的应用实例 图1 一安哥拉海上自升式钻台上p m c d 的装备照片 f i g 1 - 1 p h o t oo f p m c d i e s t a l l a t l o no n j a c k - u pr i g o f f s h o r e a n g o l a 在过去的几十年里，该项m p d 模式已经由陆上钻井引入到了海上钻井。图1 4 显 第一章前言 示的是安哥拉海上自升式钻台上p m c d 的照片【6 1 。在钻井实施中，如果没有发生漏失循 环，套筒上安装的是钻井导向管或钟形导向管。一旦有漏失发生，应立即将钻井导向管 或钟形导向管移开，取而代之，安装上r c d 和防喷器装置，并且由柔性出油管线来显 示环空泥浆帽在管道中的位置。 假如大位移钻井时遇到了压力衰竭地区，或者钻井由横向转向倾斜的断面以及大型 溶洞型地层时而导致严重的泥浆漏失，该方法非常适合现场工作。由于漏失循环而导致 泥浆的成本增高，而采用这样方法可以有效的解决该问题。 但是，压力泥浆帽钻井虽然以最小的泥浆损失平衡了油藏压力，却导致环空流体处 在一个不可控制的水平。该方法的缺点是不允许直接检测井下压力。如果气体在没有任 何先兆的情况下突破泥浆帽将很难被检测到，并有可能导致表面压力超过旋转控制设备 的工作压力【1 3 1 。 尽管压力泥浆帽钻井技术尚不完善，但现场钻井以证实该模式特别适合于处理严重 漏失循环问题。 1 4 控制泥浆帽压力钻井工艺技术 控制泥浆帽压力钻井( c o n t r o l l e dm u dc a p ，c m c ) 技术，是m p d 技术在深海应用 的一种新的技术形式【1 5 1 ，可以解决一些深水井控难题、弥补目前处理井涌的缺点等。 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 压力窗口地层、高压高温地层、 高裂缝性地层以及压力衰竭性地层等。虽然c m c 系统的全部功能还没有完全用于生产， 但是在特隆赫姆的挪威科学技术研究院建立的模拟试验系统，已经证实了c m c 技术的 基本原理的合理性和其在各种条件下控制井底压力的能力【1 5 1 。 c m c 钻井目前还处在测试实验阶段，该系统的泥浆帽液面由一台泥浆泵调节，能 够更好的控制井底压力。在深水井控操作中，该系统的主要目的是用来解决深水钻井的 主要问题。 1 4 1c m c 定义 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，以形成一个泥浆空气界面。在控制泥浆帽压力钻井系统中安装有个水下 泥浆泵，通过泥浆泵体系调节泥浆空气界面的位置，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 ，c m c 系统的基本 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 工作原理是通过采用水下泵的泵压系统调整“泥浆帽液柱的高低来控制b h p ，该系统 将补偿由循环以及调整井底压力而引起的摩擦压耗。目前，在挪威科学技术研究院已经 建立起了c m c 钻井系统的测试循环系统。 1 4 2c m c 基本工艺 首先该技术采用了比常规钻井泥浆密度高的泥浆进行钻井，这样可以在隔水管环空 内保持一个较低的泥浆空气界面。钻井过程中，泥浆由钻井泵泵入钻柱内，经由钻头进 入环空；泥浆进入环空后，携带钻进中所产生的岩屑沿环空返回；当携岩泥浆在环空返 回至至隔水管短节时，由于上部“泥浆帽 与水下泵的共同作用，泥浆通过水下泵系统 管线，最终回到平台。回到平台的携岩泥浆经过分析处理，再次回到泥浆池，进行下次 循环。 c m c 钻井系统选用了小直径隔水管，则隔水管本身可以看作是井控措施之一，既 减少隔水管的重量，又不用重新安装长而重的节流管线。c m c 系统既能当作开环循环 系统操作，又可以作为闭环循环系统操作。在表面b o p 的全封闭闸板完全关闭之前， c m c 系统作为开环循环系统操作。通过最大限度地去除气体膨胀的影响和水下泥浆举 升泵系统调节泥浆帽在隔水管内的位置，就能快速、准确地调节井底压力，从而进行安 全的钻进。 1 5 泥浆帽钻井技术的应用与发展 压力控制钻井( m p d ) 技术从上世纪六十年代中期就在陆上有所发展。然而，该技术 直到最近才在海洋钻井市场得到重视【1 3 1 。2 0 0 5 年j a m sk d o d s o n 的一项研究中指出 m p d 钻井技术克服的海上钻井事故占总事故的3 8 6 - - - 4 0 4 ，大大节约了成本。 泥浆帽钻井技术是在现实应用中逐步发展起来的，所以它的发展和钻井技术改进几 乎是同步的。有文献表明，浮动泥浆帽钻井技术早在二十世纪初就已经应用到钻井作业 中- y t l 6 1 。以下是p m c d 技术成功钻井的一些实例，它们在一定程度上代表了其研究进 展。 ( 1 ) 印度尼西亚n s oa 油田的储层多为孔洞高渗透性地层，钻井过程中，很容易 出现泥浆失返、岩屑进入漏失层的现象，当漏失严重时，井内气体迅速上窜充满整个井 眼，从而引发井涌。1 9 9 3 年，该油田的a 6 井就是因此而报废的。采用泥浆帽钻井工 艺，海水同时注入到管内和环空，并将有害气体始终压在储层内【1 7 1 。 ( 2 ) 1 9 9 3 年，菲律宾南苏禄海s e n t r yb a n kr e e f 油田的n o l 和n o l a 井在井深 7 第一章前言 1 2 4 3 0 m 处遇到了异常高压的裂缝性地层，采用泥浆帽钻井技术进行了成功钻进【l 引。 ( 3 ) 俄罗斯t i m a np e e h o m 盆地a r d a l i n 油田的储层也是大裂缝性地层，由于上覆 岩层压力的作用，钻开的地层在很小的过平衡压力下就能碎裂，进而发生严重漏失。1 9 9 4 年，该油田的b 1 井因泥浆漏失严重被迫提前完钻。而a 3 井以及随后的其他井使用控 制泥浆帽钻井技术后均钻至设计井深，并完成了全部电测作业【1 6 】。 ( 4 ) 1 9 9 6 年，马来西亚s a m w a k 海上m 油田的目的层是还有大量孔洞的碳酸盐储 层，并且含有硫化氢气体。该油田采用了泥浆帽钻井技术，钻进中有意将气体放入井内， 然后通过控制注入泥浆速度，始终将逸出的气体压回到低压漏失地层中【l7 1 。 ( 5 ) 世界上第一次在浮式平台上应用压力泥浆帽技术的钻井作业，于2 0 0 4 年7 月 完成【7 1 。在马来群岛东部s a r a w a k 海域的深水钻井作业中，s h e l lm f l a y s i a 公司应用了主 动型m p d 技术的加压泥浆帽钻井模式。结果是p m c d m p d 作业程序避免了常规泥浆 的大量漏失，显著缩短了非生产时间，钻达目的井深( 以前的几口邻井泥浆费用很高， 而且未能钻达目的井深) 。 ( 6 ) 2 0 0 4 年8 月，在安哥拉海域完成了第一口从带有地面防喷器的自升式平台上 进行的主动型m p d 钻井作业的加压泥浆帽钻井方式r 刀。 ( 7 ) s a nj o a q u i n 油田是1 9 3 0 年代发现的委内瑞拉东部最大的油气田之一【1 9 】。控制 压力钻井技术解决s a nj o a q u i n 油田经历的各种作业问题开始于2 0 0 4 年1 2 月，在s a n j o a q u i n 油田g - 9 2 井8 ”井段，作业和生产效果很好。自此里程碑之后，p m c d 迄今又完 成了其它各井，采用泥浆帽钻井节约了大约1 4 0 万美元【2 0 1 。 ( 8 ) 2 0 0 5 年，t r a n s o c e a n 和s a n t o s 公司将地面防喷器技术与m p d 技术相结合， 在印尼海域水深6 8 3 m 的s e d e c 6 0 1 半潜式平台上进行了应用【2 l 】。c h e v r o n 公司的 t r a n s o e e a n st r i d e n t 自升式平台，在非洲海上遇到漏失问题后采用了p m c d 技术，使用 w e a t h e r f o r d7 1 0 0 控制头在钻井过程中控制环空压力。 ( 9 ) 2 0 0 6 年，f o s s i l 建立了一个用于单相流体测试的c m c 系统比例模型。模型中 设计了水下泥浆泵，在不考虑循环速度、固相浓度以及钻柱转数的情况下通过泥浆泵调 节隔水管内泥浆液面以控制井底压力( b h p ) 。对于多相流，j e n n e r 编制了一个用来计 算井眼环空压力剖面的模拟器。该模拟器可以用来预测钻井隔水管中油气含量并为现场 操作人员提供进行必要井控程序的参考时间。 采用泥浆帽压力钻井技术钻井在国内鲜有报道，即使m p d 技术在国内的应用也只 有2 0 0 7 年s p e s a d c 钻井研讨会议有过陈述。陈述中指出：2 0 0 6 年，在我国四川省实 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 施了九个月的硬岩层和酸性气体层压力控制钻井( 以下简称m p d ) 作业，该作业实践 中，上部井眼和有害气体层段采用了借助压缩空气和泡沫冲击钻进的技术，同时在酸性 气体储集层预先进行了近平衡操作。第一口空气钻井在2 0 0 6 年三月开钻并迅速取得了 成效。接下来的几口井机械钻速提高了9 4 ，在钻井曲线上又减去了6 0 多天，使得钻 井工作能在2 4 0 天内完成f 2 2 】。 1 6 本文研究内容 通过资料调研，给出控制泥浆帽压力钻井技术的具体工艺和主要设备；根据深水 钻井特点，借助数值计算，分析c m c 钻进井筒的温度场；根据井筒多相流流动理论， 借助数值计算，分析c m c 钻进井筒的压力分布规律；结合深水钻井的工艺特点，研究 c m c 钻井中的井筒压力控制方法。 9 第二章控制泥浆帽压力钻井工艺及设备 第二章控制泥浆帽压力钻井工艺及设备 2 1 钻井工艺流程 控制泥浆帽压力钻井系统主要是以小直径高压钻井隔水管、水下防喷器组、一个连 在隔水管上的水下泥浆举升泵以及独立的泥浆返回管线为基础的钻井系统。采用该系统 进行钻进与井控操作时，隔水管中的泥浆液面将保持在海面之下，形成一个泥浆空气界 面。该界面随着泥浆泵体系调节而增高或降低，以此补偿由循环引起的摩擦压耗，从而 使井底压力得到精确的控制。 本节将详细介绍控制泥浆帽钻井技术的钻井工艺及工艺流程。首先，介绍该技术的 应用环境。 2 1 1 应用环境 常规深水钻井经验表明【2 3 1 ，7 5 以上的深水钻井有着地层膨胀、部分漏失和其他井 下问题，而补救过程的费用很昂贵( 时间和财力) 。海底浅地层的破裂压力接近于海水 静水压力，因而使得浅地层的孔隙压力与破裂压力之间的窗口很“窄”，当钻进高压高 温、盐化地层等，也会遇到“窄”窗口问题；在高裂缝性地层、压力衰竭性地层中，漏 失循环现象比较常见；如果井内有天然气存在，海底低泥线温度和高压力可能导致水合 物的形成，水合物堵塞可能引起操作的延迟或引起更为严重的井控问题【2 4 】。 由此可见，在“窄 安全密度窗口地层进行钻井和井控操作时，除非井底压力可以 得到快速、安全和有效的控制，否则，有可能会引起严重漏失循环或井筒稳定性问题。 控制泥浆帽压力钻井技术针对“窄 压力窗口问题，引入了“泥浆帽”概念和水下泵设 备，能够有效地解决因孔隙压力和地层压力间产生的“窄 安全窗口而引起的系列问题。 c m c 钻井系统可以应用在深水、高压高温地层、压力衰竭地层或高裂缝性地层等。 2 1 2 钻井工艺及工艺流程 c m c 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 浆空气界面在隔水管中的位置，如图2 1 所示。 泥浆空气晃面以上的隔水管环空没有泥浆流体，而是充满了空气。也就是说钻井中 即使采用了高密度泥浆，在套管鞋处的环空压力也会比较小，主要是因为隔水管上部的 空气占据了一定的空间，那么管内泥浆柱的有效高度就是有限的，因此泥浆柱在套管鞋 1 0 中国i 油大学( 华东) 士学位论文 处产生的压力会比较小，这就为采用高密度泥浆提供了空间 图2 - 1 控制泥浆帽钻井系统基本配置 f 唔 1 t h eb a s l ee q u i p m e a t s s y s t e mo f c i v i c d r i l l i n g 泥射空气界面以上环空内有段气体柱，该空气柱用来示意地层释放气。当钻井过程 中气体有控制的溢出时，必然有一部分气体穿过泥浆帽，进入隔水管上部环空。在隔水 管上部安装有一组表面防喷器( b l o w o u t p r e v e n t o r , b o p ) ，主要是用来控制地层气体的逸 出。 表面b o p 至少要包括一个旋转控制器( r c d ) 和一个b o p ，在紧急情况下也可以 用来控制隔水管内环空回压，使井底压力保持在一定范围内，避免发生严重井喷。由于 隔水管环空的上部总是充满着气体，因此c i v i c 系统常常作为一个开环循环系统操作的， 直到表面b o p 的一个防喷器关闭。关闭表面b o p 对井底压力的作用会有一定的滞后， 因为要压缩空气需要一段时间。关闭表面b o p 后，节流管线打开，此时循环系统仍为 开环系统，钻井隔水管便可看作一个分离器。气体从隔水管环空中被分离出来，而液体 侗体物都通过水下泵系统被运送到了钻台，地表。通过调节隔水管中的泥浆液面，并除 去气体膨胀的影响，可以快速准确的改变井底压力以达到井控的要求。而隔水管内的气 体将会通过钻台节流管汇进入气体处理采集系统，然后进入自动燃烧系统进行燃烧。如 果说水下防喷器组和泥浆静液压力是井控的两道防线的话，表面b o p 则是c m c 系统的 第二章控制泥浆帽压力钻井工艺及设备 第三道防线。 在隔水管的某一位置处安装一个特别设计的隔水管短节( r i s e r j o i n t ) ，如图2 1 中所 示。返回泥浆经由此短节从钻井隔水管中排出，并进入到一个独立的循环管线。而环空 内从泥浆空气界面到短节这段泥浆柱称为“泥浆帽”( m u dc a p ) ，它不参加泥浆循环。 隔水管短节可以安装在隔水管的任何部位，主要依据水深和孔隙压力等决定，一般最少 要低于海面2 0 0 - - 一3 0 0 m 。隔水管短节也包括高压阀，使得泥浆泵系统与钻井隔水管相互 独立，而且这个短节有压力传感器，可以精确确定隔水管环空的泥浆液面位置。 在隔水管短节的同一个深度，安装一个浸在水中的水下泥浆举升泵。泥浆泵循环系 统有两个并行管线：泥浆返回管线和海水注入管线，两条管线并行的连接在水下泥浆举 升泵上。泥浆返回管线是泥浆通过短节与水下泵返回到钻台的通道，而海水注入管线是 海水驱动水下泵的通道。因此，c m c 系统中的环空的实际泥浆液位是通过水下泥浆泵 系统来控制的。实际操作中，水下泥浆泵系统将会主动调整环空压力剖面，主要是通过 控制和调整管内液面位置来实现。 如图2 1 所示，在井口处安装有水下防喷器组合。水下防喷器组是c i v i c 井控技术 中的第一道防线。s s b o p 的组合包括一个侧管线和几个闸板式防喷器，用来确保隔水 管的安全断开与链接。s s b o p 的侧管线，即旁通，它的一端在低于下闸板防喷器处接 入井口，另一端在高于上闸板防喷器处接入高压隔水管。水下防喷器组合之上安装有下 隔水管总成( 1 0 w e rm a r i n er i s e rp a c k a g e ，l m i 冲) 。 在c m c 系统中采用需要一个实时监测泥浆瞬变流动系统随钻环空压力测量系 统( 如图2 1 中a p w d 所示) 。a p w d 将井内的动态环空压力以电子信号的形式传送到 c m c 控制台，对所测数据进行计算与分析，根据计算结果适当的调整水下泵的泵速， 并最终调整隔水管环空中泥浆液面的位置，从而达到控制井筒压力的效果。 c m c 系统的平台设备布置与钻井工艺简要流程图如图2 - 2 所示。钻台上，返回泥 浆通过水下泵返回管线进入四相分离器，携岩泥浆经处理后回到泥浆池，进行下次循环。 在c m c 钻井中，考虑到隔水管环空内的泥浆液面之上可能有天然气的存在，因此，控 制台需要提供一个保持气相处于爆炸极限之内的应急措施。同时，要考虑循环带出的地 层释放气中可能会存在硫化氢气体，因此，钻台上要考虑对硫化氢气体的检测和处理。 1 2 中雷i 油大学( 华东) 顾士学位论文 图2 - 2c m c 设备安装及工艺简要流程图 f i g 2 - 2 t h ee q u i p m e n t l a y o u ta n d g e n e r a l i z e d f l o wp r o c e s s o f c m c 综上所述，可以看出c m c 钻井工艺不同于常规深水钻井工艺，主要表现在以下几 个方面： 首先，c m c 钻井工艺中采用了小直径高压隔水管。采用小直径隔水管主要是出于 两方面的考虑：一方面，常规深水钻井中采用大直径隔水管系统，当需要采取井控措施 时，流体须通过比隔水管直径小的节流管线进行循环。而c i v i c 中采用小直径隔水管本 身就可以被看作是井控措施之一。另一方面，为了达到携岩要求与井眼清洁要求，常规 钻井中必须保证一定的捧量。而c m c 中，由于小直径隔水管的环空截面积小于常规大 直径隔水管的环空截面积，因此，在相同捧量下，采用c m c 钻井在携岩能力与井眼清 洁方面更具优势。 其次，在c m c 钻井中设计了“泥浆帽”，泥浆帽实际上是一段不流动的泥浆液柱， 主要用来控制井底压力。而常规井控需要用重泥浆替换掉井内原有泥浆，这不仅费时， 而且浪费财力。而c m c 钻井只需要增高或降低泥浆帽的高度即可达到要求。 同时，由于“泥浆帽”概念的引入，c i v i c 钻井系统设计了独立的泥浆泵系统与返 回管线。“泥浆帽”的高度需要通过独立的泥浆泵水下泵来调节，这也是c m c 钻井 第= 章控制坭装帽力钻井i 艺设蔷 技术设计的特别之处。水下泵及泵管线将在设备中详细介绍。 2 2 主要配置设备 c m c 钻井技术是在m p d 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m p d 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c m c 技术具有独特的作用。 c m c 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c m c 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。 2 2i 水下泥浆泵系统 c i v i c 钻井中最特别的设计就在于采用了一个独立的水下泥浆举升泵系统。特隆赫 姆的挪威科技研究所( n o m e g i 蛆i n no f t e c l l i l o l o g y a n ds c i e n c e i n t r o n d h c h n ) 研究表明， 由于泥浆颗粒浓度、泵体的相对磨损和以及用在离心泵上的叶轮类型等的限制，目前在 现有泵的类型中，采用容积式泵作为该系统水下泥浆泵的主体是最合适的，如图2 - 3 所 示。 图2 0 海水驱动容轵式泵工作圈 n 2 0t h e p m c i p l e w o r k d i a g r a m o f s e a w a t e r f l o o dd i s p l a c e m e a t p u m p 图2 - 3 表示的是海水驱动的容积式泵。平台上装有一个高压海水泵，该泵通过一 个5 - i n c h 的导管将海水抽吸上来，并将簿水供应给客积泵。容积泵上安装有控制阀板块， 中国石油大学【华东) 硕学位论文 通过控制板块上的阀门来调节每个缸体的液压从而使容积泵正常工作。当容积泵其中 一个缸体中的泥浆被海水置换循环至钻台时，另一个缸体中将会充满从隔水管流出的泥 浆。符合环境安全排放标准的废液可以直接排放到海中。实验表明，垂直安放泵体，可 以防止或减少密封段沙土的累积。 水下泥浆泵是c i v i c 系统中重要的井涌监测和井控操作工具之一，因此，该泵被设 计为保持恒定的入口压力( 恒压模式) 或者恒定的流速( 恒定流速模式) 。而且能在地 面通过控制线路进行改变，自动开启自动调节。它的速率取决于井筒的压力条件。这样， 钻井工人只需要在平台上操作泥浆泵，跟常规钻井相同。 水下泥浆泵也起着止回阔的作用，如图2 - 3 所示，安装在管路的控制阀均为单向阀。 同时，泥浆泵将泥浆由隔水管泵入返回管线，并保持返回管线中泥浆的静液压力，防止 泥浆再流回到环空。在c m c 钻井中，水下泥浆泵的主要作用是参与泥浆循环返出，以 及调节，控制泥浆帽的高度。钻台上c i v i c 控制台实时计算井筒内动态压力，并将信号传 递给水下泵的操作系统来调整泵速，从而调节泥莉空气界面位置。 2 22 隔水管系统 1 - - 节毓器 2 一卡盘釉节 3 隔水管播头 4 _ 一上罄柔性按头 s 一伸缩接头 十一支 环 7 中间柔性接头 8 上部接头 卜隔水管适配器 l 卜单柔性接头 u 一一防畸器连播器 1 2 井口连接器 圈2 - 4a b b v e t e o g r a y 公司隔水管主要组成部件 f i 9 2 - 4 t h er l 辩r m a j o r u n i te o m l x u e l i o no t a b b v e t e o g r a y 自钻台到海底，一个典型的深水钻井隔水管系统包括卡盘万向节、分流器、上部 挠性接头、伸缩节、隔水管短节、填充阀、隔水管单根、节流与压井管线、液压管线、 泥浆增压管线、浮力块、终端短节、下部挠性接头、下隔水管总成，井口防喷器等，如 渺 第= 章控制浆帽压力钻井工艺厦设备 图2 4 所示。海洋钻井隔水管作为海洋钻井装备的一个重要单元，其技术与产品一直被 国外专业公司所垄断阱】。 ( 1 ) 隔水管主管 隔水管单根是钻井隔水管系统的主体，如图2 7 ( a ) 所示它是大直径，无缝或者 焊接高强度且两端有焊接接头的管线，特殊的管线夹把辅助管线紧固于主管线上。隔水 管单根长度一般为2 28 6 m ( 7 5 英尺) ，虽长不超过2 74 3 m ( 9 0 英尺) 。 ( a ) 隔水管主管( b ) 隔水管短节 图2 - 5 隔水管主管与短节 f i g 2 5 t h e f u n d a m e n t a l c o n d u i t l i n ea n d j o i n t o f r l s e r ( 2 ) 隅水管短节 隔水管系统的隔水管单根之间采用隔水管短节连接，如图2 - 5 ( b ) 与图2 - 6 ( b ) 所 示。一般的，采用隔水管短节可以使隔水管主管与节流压井管线共同承受轴向载荷。 节流压井管线参与轴向载荷分配的优点是设计时可减小隔水管主管的壁厚，进而减小 隔水管单根的质量，一般能够减小隔水管单根质量9 0 7 13 6 0 k g 。在c m c 钻井系统中， 隔水管短节用来连接帑水管与水下泵管线系统。 ( 3 ) 隔水管填充阀 深水钻井隔水管设计与配置必须考虑隔水管的挤毁问题。当内部泥浆压力下降小于 外部海水压力时，就可能发生隔水管挤毁。为防止可能产生的隔水管挤毁，超深水钻井 隔水管系统往往在海平面下4 5 72 m ( 1 5 0 0 英尺) 配置填充阀，如图2 - 6 ( a ) 所示。隔 水管填充阀与隔水管单根结合为一体，在不同的压力下其传感性可增加。一旦压力差达 到了预定值，阀门自动打开一个外部套筒，允许海水进人填充隔水管。除了自动操作之 外，作业人员也可以在表面使用液压控制面板遥控操作填充阀。 中宵i 油大学( 华东) 学位论文 鳓持