（油气井工程专业论文）用于控压钻井的节流压力控制技术研究.pdf

c h o k ep r e s s u r ec o n t r o lt e c h n o l o g yr e s e a r c h f o rm a n a g e dp r e s s u r ed r i l l i n g l a n gg u o q i n g ( 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 e s s o rl i ug a n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r ei n c r e a s i n gd e f e c t si nt r a d i t i o n a lw e l lc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ， e s p e c i a l l yi nn a r r o wp r e s s u r ew i n d o w , d e e po c e a nd r i l l i n g ，c o m p l e xw e l ld r i l l i n g ，s on e w w e l l c o n t r o lt e c h n o l o g y t h e o r y m e t h o d sa r en e e d e d ，w h i c hc a ni m p r o v ed r i l l i n ge c o n o m ya n d s e c u r i t y a sf r o mt h eu n d e r - b a l a n c e dd r i l l i n gd e v e l o p e dd r i l l i n gt e c h n i q u e s ，m a n a g e dp r e s s u r e d r i l l i n gi n h e r i t sa n dd e v e l o p st h ek e yu n d e r - b a l a n c e dd r i l l i n gt e c h n o l o g y , i m p r o v e san u m b e r o fs h o r t c o m i n g s ，c a nb eab e t t e rs o l u t i o ni nal o to fs p e c i a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，w h e r et h e u s eo fc o n v e n t i o n a lw e l lc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa l s ov e r yd i f f i c u l tt os o l v et h ec o m p l e x i t yo f d r i l l i n gp r o b l e m s f o rt h es i t u a t i o n , t h a tp r e v i o u s l yd e v e l o p e dp i dc o n t i n u o u sc o n t r o ls t r a t e g yu s e dt o c o n t r o lt h ec h o k ep r e s s u r ea r i s e sf r o mo v e r s h o o ta n dt h ec o n t r o lo ft h ee f f e c to ff e e d b a c kf o r l o n g e rp e r i o d so ft i m e ，t h ea u t h o ra n a l y s i st h eu s eo fc h o k ep r e s s u r ec o n t r o le q u i p m e n ta n d p i dc o n t r o ls t r a t e g yi nt h e p a s t , f r e d t h ei n h e r e n td i s a d v a n t a g eo ft h e c l a s s i c a lp i d s t e p b y s t e p o r d e rr e s p o n s ea n dp i dc o n t r o lm e t h o d w ep r o p o s ea l li m p u l s ec o n t r o l p r o g r a m ，w h i c h i so nt h eb a s e o fp l ca n dh i g h - s p e e ds w i t c hv a l v eb e l o n g st o e l e c t r o - h y d r a u l i c c o n v e r s i o n c o m p o n e n t s ，t h i sp r o g r a m a st h ec e n t e r , w e p r o p o s e t h e c o n c e p t u a ld e s i g no fc h o k ep r e s s u r ec o n t r o lf o rm a n a g e dp r e s s u r ed r i l l i n ga n dt h e o r e t i c a l l y c o n d u c t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a me v a l u a t i o n i na c c o r d a n c ew i t hd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ，p l cp u l s ec o n t r o lm o d u l e ，h y d r a u l i c m o d u l ea n dp o w e rm o d u l ew ep u tf o r w a r di nt h ec o n c e p td e s i g n ，w eg i v ead e t a i l e d i m p l e m e n t a t i o no ft h em o d u l ef u n c t i o n p l cd a t aa c q u i s i t i o n ，c a l c u l a t i o na n dc o n t r o la r et h e k e yt oa c h i e v et h ec o n t r o lp r o g r a m t h i sa r t i c l e f e a t u r e st h e p r e p a r a t i o no ft h ep l c p r o g r a m ，a n do i lt h eb a s eo fs u n - w e if o r c ec o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，p r o d u c e sc h o k e p r e s s u r em o n i t o r i n gs o f t w a r ef o rm p d w e c o m p l e t eah y d r a u l i cm e c h a n i s m ，t h er e l e v a n tr o a db l o c k ，c o n t r o lb o xd e s i g n i n ga n d l p r o c e s s i n g i nt h el a b o r a t o r y , w ec a l t yo u tt h ee l e c t r i c a le x p e r i m e n t s t ot h er e l e v a n te q u i p m e n t s ， c a r r yo u ts y s t e mf u n c t i o n a lt e s tt h a tp l cc o n t r o lt h ec o n t r o lv a l v e su n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h ea u t o m a t i cc o n t r o la n dm a n u a lc o n t r o ls e p a r a t e l y , i m p l e m e n ta u t o m a t i c ，m a n u a lc o n t r o lo f t h ec o n t r o lf u n c t i o n sa sw e l la ss w i t c h i n gb e t w e e nt h et w o t h ei m p u l s ec o n t r o lp r o g r a mp r e s e n t si nt h i sp a p e ri san e wa t t e m p to nc h o k ep r e s s u r e c o n t r o lm e t h o d s r e s e a r c h i n gf r o mt h e o r i t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a lc i r c u m s t a n c e ss h o w st h a t t h ep r o g r a mi sa b l et oa c h i e v et h es y s t e mr e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o lf u n c t i o n s ih o p et h e s y s t e ma n dc o n t r o lm e t h o d sc a l lb eu s e da n di m p r o v e du n d e rt h er e a lc o n d i t i o n si nt h en e a r k e yw o r d s ：m p d ，p l c ，i m p u l s ec o n t r o l ，c h o k ep r e s s u r e ，a u t o m a t i cc o n t r o l 1 1 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： 里全! 亟盘 日期：p 圹年j 月刃日 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。 学位论文作者签名： ! 垒2 自丝 指导教师签名： 趁：l 鱼：2 日期：叫年f 月旷日 日期：圹年j 、月以日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 井控技术的发展与现状 从有关资料介绍和我们对井控技术发展的了解，认为井控技术在世界范围内已经经 历了两个阶段，现正进入第三个阶段【l 】【2 1 。 第一阶段为经验阶段，时间大约为上世纪5 0 年代及其以前的整个时期。这个时期 由于勘探领域一般限于陆地，海洋勘探刚开始，井控技术没有形成系统理论，行动上带 有较大的盲目性，甚至把井喷作为暴露油气的重要途径，结果使井喷失控。 第二阶段为理论化阶段，时间从6 0 年代初到7 0 年代初。海上石油勘探开发己正式 开始特别是近海石油勘探开发工作发展很快。自1 9 7 0 年以来，钻井船平均每年以9 8 的速度增加，另外，深部油气藏的勘探开发已成为油气产量和储量增加的重要方向，并 打成功了一批深井和超深井。以上形势对井控技术提出了迫切要求。这个时期，井控技 术的文章大量出现，井控理论也逐渐系统，其中以美国w c 高因斯和t b 奥布赖恩写的 “井控机理及控制一一文为代表。这个时期还出版了防喷指南和发表“钻井时如何 检测异常高压 等文章，使井控技术在实践和室内模拟的基础上，达到理论化和系统化。 用这套理论指导实践，收到了明显的效果。如壳牌公司，1 9 7 3 年以前，平均每年失控 2 5 井次。采用这套井控技术后，1 9 7 3 1 9 8 3 年只有2 口浅井井喷。 第三阶段为现代化阶段，时间从7 0 年代中期到现在。这个阶段的主要标志是电子 技术用于井控作业中，特别用于预测和监测地层压力。近十几年来通过计算机技术监测 在钻井过程中的一系列参数，作为快速准确的发现地层压力的变化，并可预测钻头以下 5 0 - 8 0 米地层的压力，实现了平衡地层压力钻井，防止了井喷和井漏事故发生，还可以 提高钻井速度2 3 倍，大大减少了卡钻事故，使世界公认为高风险的石油勘探开发工作 的可靠性增加了。 1 2 常规井控所面临的问题 为了控制井底压力( b o t t o mh o l ep r e s s u r e ，b h p ) 或井内钻井液的环空压力，通常的钻 井方法是要求增加或减少钻井液的密度，即根据地层压力和井壁的稳定条件来调节钻井 液的密度。增加静液压力需要增加钻井液所含化学成分和加重材料，这是一个浪费时间 和增加成本的过程。 随着勘探开发的进一步深入，石油行业慢慢的向海上、深地层、条件复杂的地区发 第1 章前言 展。在这些地层条件复杂的地方进行石油开发，传统的井控理论、技术、装备、方法有 时不能满足要求，甚至会出现严重的后果。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 安全钻井问题 重庆开县特大井喷事故的教训说明，要时刻注意钻井的安全问题。 特别是随着油气开发的不断深入，高温、高压、高产等复杂地层的出现，压差卡钻， 井漏井涌等安全钻井问题就显得尤为重要；同时，高含硫地层的开发越来越引起行业的 重视。例如，塔中6 2 井区奥陶系油气层属凝析气藏，气油比高，裂缝和溶洞发育，钻进 中易发生井漏和溢流，而且普遍含硫化氢气体，对安全钻井造成了一定威胁。 高孔隙度和高渗透率的油气藏，当量钻井液循环密度高于孔隙压力，导致泥浆漏失， 造成油气层污染，无法达到安全钻井的要求。 ( 2 ) 窄压力窗口问题 当钻遇窄压力窗口地层时，采用常规钻井井控技术，通过调整钻井液密度来实现井 底压力控制很难达到控制效果，经常会出现时漏时喷的问题。 在地层孔隙压力与地层破裂压力所造成的窄压力窗口条件下，静态和动态当量钻井 液循环密度或者起下钻引起的压力波动会造成严重的泥浆漏失和井控的事故。 ( 3 ) 海上深水钻井问题 我国海洋面积广阔，海上石油储量丰富。很多国家都已经开展了深海油气的勘探开 发计划，有的国家甚至可以开采3 0 0 0 米的海底油气藏，而我国的深海油气勘探开发尚 处于起步阶段。海上深水钻井遇到的主要问题有以下几个方面【4 】： 1 ) 钻井液的流变性。随水深的增加，海水温度越来越低，3 0 0 0 米水深温度仅为3 4 度，在低温情况下，钻井液的流变性会发生较大变化，黏度、切力大幅上升；过低的温 度也增加了天然气水合物的形成。 2 ) 海底页岩的不稳定性。深水区域远离海岸，风、河水和海水携带的沉积物细小， 沉积速度、压实方式以及含水量与陆地明显不同，因而活性大、欠压实，这样的岩层易 发生漏失现象。这样就导致套管层序的增加，而隔水管的大尺寸和海底低温增加了钻井 液粘度和循环压力的损失。 3 ) 气体水合物的生成。深水钻井可遇到浅层含气砂岩所引起的气体水合物生成问 题。在节流管汇、钻井隔水导管、防喷器，一旦形成气体水合物，就会堵塞导管，隔水 管和节流管线，从而造成严重的事故。 4 ) 欠平衡钻井技术( u n d e r - - b a l a n c e dd r i l l i n g ，u b d ) 在海上钻井所表现出如钻井过 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 程中产生的碳氢化合物的处理、u b d 专有设备对钻机空间和人员的限制等难以解决的 问题。 1 3 井控中压力自动控制 不管是国内还是国外，通过实时控制节流管汇的节流阀开度来实现压力自动控制已 经进行了多年。节流压井管汇是油田钻井过程中控制井涌、实施油气井压力控制技术的 必要设备【3 8 】。该设备通过控制立管压力或者套管压力维持井内压力平衡关系。 目前，国内外普遍采用的控制方案是p i d 和比例伺服阀液压控制系统。系统采集立 管压力或套管压力信号，与目标压力信号进行比较，p i d 控制器对压力偏差进行算法处 理，输出比例伺服阀控制信号，控制液压系统，达到控制节流阀开度的目的【5 1 。 p i d 压力控制有一个致命弱点【5 1 ，就是在井的动态特定发生变化的时候，比如说流 变性，岩屑和温度的影响等等，需要对井的控制参数进行重新整定，这需要花费时间和 精力。 为了克服这个缺陷，人们又开发出自整定p i d 控制器和专家智能p d 控制系统。这两 种控制器有一个共同的特点，就是具有“学习 功能。自整定p i d 根据工况的变化通过 自身的学习，得到适合此工况的p i d 参数，但需要较长的调节时间。专家p i d 控制系统的 实施关键【6 】，就是把熟练操作工或专家的经验和知识总结成p i d 参数选择手册。这种p i d 控制方式，人们的经验知识关系到控制效果的理想与否。随着石油行业勘探开发的延伸， 复杂井况的出现，人们的经验知识往往是不够的。 以上各种p i d 压力控制系统都避免不了一个问题，就是过冲。过冲就是第一个峰值 或谷值超过设定电压。对于节流阀控制来说，就是节流阀阀芯的位移超过目标位 移。在石油行业，有时一点点的过冲，压力的过度调节是不允许的。 1 4 控压钻井节流压力控制系统的提出 既然常规井控出现一些问题，那么就需要一种更好的井控技术来解决，控制压力钻 井技术就是在这样的背景下出现的。控制压力钻井( m p n m a n a g e dp r e s s u r ed r i l l i n g ) 是在国外得到应用的一种先进技术。该技术能够解决复杂地层钻井所出现的复杂问题， 以提高钻井效率、降低钻井成本。 针对目前油气井压力自动控制技术普遍采用p i d 与伺服比例阀的控制方案，p i d 策 略和比例伺服阀存在一定的缺陷和不足的状况，本论文提出采用p l c 和高速开关阀的脉 冲控制系统方案。 3 第1 章前言 1 5 控压钻井节流压力控制系统的内容与创新点 本论文做了如下工作： ( 1 ) 根据控压钻井实现要素中关于控制装置的要求，结合对p i d 和比例伺服阀连续 控制策略优缺点分析，研究i 扫p l c 与高速开关阀构成的电液控制系统的控制理论与控制 方法。 ( 2 ) 建立包括数据采集、显示、处理模块和液压脉冲控制模块在内的节流压力控 制系统模型，从理论上论证此系统的可行性，并详细介绍系统的功能实现方法。 ( 3 ) 编带j j t p l c 数据采集、显示、处理以及脉冲控制程序；制作了节流压力控制 系统监控组态软件。 本论文主要创新点： ( 1 ) 分析p i d 连续控制策略的缺点不足，提出p l c 与高速开关阀脉冲控制策略。 ( 2 ) 完成了节流压力控制系统数据采集、显示、控制模块概念设计和功能实现以 及液压模块、控制箱体的设计与加工。 ( 3 ) 完成 p l c 相关功能程序编制，制作了节流压力监控组态软件。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章控制压力钻井技术 2 1 控制压力钻井技术的定义 国际钻井承包商协会( i a d c ) 欠平衡和控制压力委员会( u n d e r b a l a n c e do p e r a t i o na n d m a n a g e dp r e s s u r ec o m m i t t e e ) 将m p d 定义为【l o 】【1 2 】： 控制压力钻井是一种适用的钻井程序，用于精确地控制整个井眼的环空压力剖面， 目的在于确定井底压力范围，从而控制环空液压剖面。以上定义说明以下几个方面的含 义【蚓： ( 1 ) m p d 工艺的采用可以减少具有狭窄井眼环境限制的、与钻井有关的风险和投 资； ( 2 ) m p d 可以包括对回压、流体密度、流体流变性、环空液面、循环摩擦力和井 眼几何尺寸进行综合分析与加以控制； ( 3 ) m p d 可以更快地纠正作业来处理观察到的压力变化。能够动态控制环空压力， 从而能够完成其他技术不可能经济地完成的钻井作业； ( 4 ) m p d 技术可用于避免流体侵入地层，操作( 包括用适用的工艺) 容易发生的 任何流动都是安全的。 2 2 控制压力钻井的特点 它不同于常规的开式压力控制系统，而是依赖于封闭的循环系统，通过调节井眼的 环空压力来补偿钻井液循环而产生的附加环空摩阻。m p d 技术的一个重要特点就是使用 了一套封闭的系统，可增加钻井液返回系统的钻井液压力，以提供钻进的能力和在保持 适当环空压力剖面的情况下能连续接钻杆。适当的环空压力剖面阻止了钻井液流入地层 造成对地层的伤害。m p d 技术的这种控制压力变化还提供了更好地控制井的能力，以及 取得更精确的井眼压力控制、保持钻井液循环，减少中断。m p d 这种工艺是在地层压力 和破裂压力梯度之间，精确控制环空压力剖面的一项技术。m p d 不是设计来增加油井产 量或最小化地层危害的，而是为了克服一些钻井问题，如提高钻速、循环钻井液漏失、 差压卡钻，简化套管尺寸和获得较大的钻头进尺等。具体的讲，其优点主要有以下几个 方面【1 1 1 ： ( 1 ) m p d 技术可以精确的维持井底常压。 ( 2 ) m p d 钻井避免超过井眼破裂压力，减少发生井塌，井漏等故障，减少处理井 5 第2 章控制压力钻井技术 下事故的时间。 ( 3 ) m p d 钻井能降低钻井液成本。 ( 4 ) m p d 钻井通过控制地层压力能更好的通过窄压力窗口。 ( 5 ) m p d 钻井可以在关井接钻杆的时候应用回压，使井底压力恒定。 ( 6 ) m p d 钻井能控制和处理钻井过程中可能引发的任何形式的溢流。 2 3 控压钻井技术的实现方法 m p d 的应用形式比较多，但是归纳起来，主要有下面几种方法来实现m p d 技术的 应用【1 1 1 。 ( 1 ) 控制井口压力 当环空钻井液静液压力突然变化时，可以通过旋转控制头和节流管汇来控制井眼压 力。一种方法是有控制的把回压加到井眼上。另外的方法是在井筒下方的某个部位安装 一个泵，通过泵来调节环空压力剖面。 ( 2 ) 改变环空循耗 当循环钻井液时，就要把环空循耗附加到钻井液静液柱压力上去。通过改变钻井液 流态，循环速率和环空间隙( 通常是改变钻柱组合的外部直径和长度) ，就可以改变环 空循耗。 ( 3 ) 改变钻井液参数 可以通过直接改变钻井液密度、粘度、排量或者相关联的方式来实现。例如，使用 井口回压来补偿井底压力的不足。采用双密度梯度钻井的方式也是很常见的，例如，在 套管外面附加寄生管，向寄生管内注入气体，减轻寄生管以上环空钻井液密度。真正的 无隔水导管钻井( 海上钻井) ，钻井液上返到海底，也是双密度梯度钻井的其中一种形 式。 ( 4 ) 改变钻井液温度或者固、气控含量 这个处理流程通过改变钻井液温度或者固控含量来作为稳固井眼的目的，以有效的 加宽地层空隙压力和破裂压力之间的窗口，实现快速钻进。这种以保持井眼稳定为目的 方法是应用m p d 技术的一种新形式。 2 4 国内外发展现状 2 4 1 国外发展现状 近年来m p d 技术及其应用在国外取得了重要进展：巴西国家石油公司应用以液流 6 中国i 油丈学( 华东) 顼士学位论文 控制系统为基础的新型控压钻井技术，在4 口井中进行试验，有效地控制了井涌和漏失， 提高了钻井速度和安全性；挪威国家石油公司在某项目中，应用了连续循环系统，有效 地解决了钻井窗口狭窄问题，降低了钻井风险：m p d 技术在墨西哥湾m a r s 平台的应用 中，有效控制了井漏、井涌和井眼不稳定等事故，减少了5 9 的非生产时间；壳牌公司 在墨西哥湾的a u g e rt l p 油田实施m p d 作业，应用动态环空压力控制技术井底压力 控制在03 磅肋口仑之间，实现无漏失、无安全事故的良好效果 1 8 l 目。 早在1 9 6 8 年，通过密闭、承压的钻井液循环系统旆加回压的技术就已经在美国应 用于陆地钻井作业。目前，美国陆地钻机至少配备有一部分闭合、承压钻井液循环系统 的比例已从1 9 9 5 年的1 0 剧增至目前的7 5 ，这些作业方案部分程度上应用了这种 m p d 压力控制技术。目前，在美国所有的陆地钻井作业中，约1 4 的井未使用闭合、承 压的钻井液循环系统；有1 4 的井使用该系统来实现真正的欠平衡钻井；1 4 的井在应 用该系统钻井时，需要使用可压缩流体( 空气、天然气、泡沫、雾h1 “的井正在使用闭 合、承压的循环系统以m p d 的某种形式进行作业。m p d 技术在陆地钻井和海上钻井中， 均获得了良好经济效益。如图2 - 1 显示了控压钻井技术在墨西哥湾的应用社”。 圈2 - 1 控压钻井技术在墨西哥湾的应用 f i 醇1m p d t e c h n o l o g y u s i n g i n t h e m e x i c og u l f s e e m e 钻井公司的s e c u r e 钻井系统是一种新型的控制压力钻井技术，是专门用来钻 简单油井到高压、多压力层系、海上和其他充满挑战性油井的，该系统可以通过自动监 测和控制井涌来提高钻井的安全性。该系统使用了密闭循环系统，可以实时地鉴别微侵 入量和漏失，并能通过自动数据采集系统和计算机压力控制系统来控制井下压力。该系 统在2 0 0 5 年到2 0 0 6 年年初在路易斯安娜大学的井控中心使用水基和油基钻井液体系成 功地通过测试，而在2 0 0 6 年夏季和秋季巴西国家石油公司和雪佛龙公司使用该系统打 第2 章控制压力钻井技术 了第一口井。目的是为了证实测量系统在现场应用时的精确程度，证明该系统在高机械 钻速下的钻井能力以及系统的可靠性和重复性【1 6 1 。2 0 0 6 年年初，巴西石油公司与s e c u r e 钻井公司签订了4 口评价井的钻井合同。第一口井采用s e c u r e 钻井公司的钻井系统完成 了8 + 1 2 i n 井段。8 + 1 2 i n 井段的长度为1 8 2 4 t 1 ，钻该井段耗费了6 天的钻井时间，钻井 系统没有发生任何问题。在钻进期间，进行了3 次取心。另外，s e c u r e 钻井系统的管汇 设有流量表和回压传感器、立管压力传感器。钻这口井采集到的信息包括钻杆运动对流 量和流量测量的影响等。第一口井的钻井结果证明，该钻井系统具有钻井作业的能力， 而且通过少许改造就可以安装在常规钻机上。2 0 0 6 年9 月，使用s e c u r e 钻井系统为雪 佛龙公司在得克萨斯州南部打了一口深井。钻这口井使用的是油基钻井液和大型钻机， 钻机的自动化程度较高并装备了项驱。第二口井的油井设计增加了复杂性和难度。首先， 在1 2 + 1 4 i n 井段有时其机械钻速要接近3 0 0 t v h r ，而排量要达到7 0 0 g p m 。在8 + 1 2 i n 井 段的1 3 0 0 0 f t 处，钻井液密度要达到1 7 p p g 。在钻1 2 + 1 4 i n 井眼对s e c u r e 钻井系统进行 了试验，目的是证明该系统能持续保持大排量和高的携屑能力。在这次试验中，s e c u r e 钻井系统在排量为8 0 0 g p m 和钻速高于2 5 0 f t h r 的情况下没有发生复杂情况。根据取 得的经验他们下一步的打算是：使用s e c u r e 钻井系统所打的头两口井的结果证明，s e c u r e 钻井系统使用油基钻井液和水基钻井液都可以进行钻井作业。巴西国家石油公司已于 2 0 0 6 年1 0 月开始钻第二口井。目前计划于2 0 0 6 年末和2 0 0 7 年年初在欧洲、美国和中 东使用s e c u r e 钻井系统田】。 自2 0 0 4 年至今，全世界已有大约5 0 个海上m p d 项目，在所有类型海洋钻机应用 上都取得了成功。m p d 技术在北海、墨西哥湾和巴西海上已经开始应用，在亚太地区 也具有一定的技术优势，并在安全快速钻井中发挥着越来越重要的作用【2 9 1 。 2 4 2 国内发展现状 与国外发达国家的技术发展水平相比，我国的控制压力钻井技术的研究和发展起步 较晚，整体水平与国际有很大的差距。但是近几年我国在引进国外技术的基础上，不断 地消化吸收再创新。无论在控制压力钻井的理论原理，还是在相关的配套设施的制造以 及现场的使用都取得了显著的进步的和发展。具有代表性的是由中国石油大学陈国明教 授等研发的深水双梯度控制压力钻井技术。我国深水油气资源丰富，仅南沙海域总面积 约11 6 x1 0k m 2 ，蕴藏着丰富油气资源。与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更加复 杂，易于出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难题。如由形成较晚、脆弱的海床引 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 起的钻机开孔问题；增加的波浪和海流载荷以及由大而长的隔水管带来的问题；地层压 力和破裂压力之间较小的余量；海底设备和油井控制设备中的水合物问题：严格的环境 要求和高成本等。深水双梯度钻井技术主要包括海底泵举升钻井液、无隔水管钻井、双 密度钻井等，可以很好地解决深海钻井中的技术难题【1 0 1 。其原理包括： ( 1 ) 测定井下压力数据，传送到海面的中心控制系统； ( 2 ) 海面的中心控制系统经过计算、分析和处理，将控制信号传送到海面低密度 流体流量控制装置和井下随钻注入接头： ( 3 ) 海面低密度流体流量控制装置控制低密度流体的流量和流速，通过双壁钻杆 泵送到井下； ( 4 ) 根据中心控制系统的流量指令，调节随钻注入接头注入口的大小，将随钻注 入接头内、外管之间的低密度流体注入钻杆和井眼之间环空； ( 5 ) 注入井眼环空的低密度流体将稀释从井底返回的钻井液，在井筒环空中形成 至少两个不同的压力梯度； ( 6 ) 经钻井液处理装置处理后的钻井液重新循环利用。本发明方法可以用于海洋 钻井也可以用于陆上钻井。该技术已经在中国海洋石油的开发中逐步得到应用。 我国u b d 和欠平衡完井的技术和装备正在逐渐完善，应该相信，从u b d 发展起来的 m p d 技术在我国也一定会有广阔的应用前景。 2 5m p d 应用形式 m p d 的大多数形式取决于是否能够为钻井液循环系统提供需要的地面回压。该技术 的主要应用方式为【1 2 1 。 2 5 1 井底压力恒定m p d 井底压力恒定控压钻井( c b h p d ) 即“当量循环密度控制”。用略低于常规经验 密度的钻井液进行近平衡钻井，关井接单根时，地面回压与井底压力间保持适当的过平 衡状态，从而控制地层流体的侵入。在井底压力恒定的m p d 作业中，无论是在钻进、接 单根、还是起下钻时均保持恒定的环空压力剖面，在钻进孔隙压力破裂梯度窗口狭窄 的地层或存在涌漏现象时，可实现有效的压力控制。使用补偿水力学模型所绘制的图 表，就可以熟练地控制流体密度、流体流变性能、环空液面、井眼几何尺寸、地面的环 空回压、水力学摩擦阻力等，使得司钻能够精确地控制井底压力，使之接近于恒定，从 而避免压裂地层或发生井涌，这样就可以安全地钻过狭窄的压力窗口。而使用常规钻井 9 第2 章控制压力钻井技术 方式，要么不可能钻过这些地层，要么需要额外下入一层套管。尽管在c b h pm p d 钻井 中，钻井液密度可能低于孔隙压力，但这并非欠平衡钻井，因为总的钻井液当量密度仍 高于地层孔隙压力，属于m p d 技术。在这种情况下，对发生意外侵入的流体应当使用 m p d 井口装置使侵入流体得到适当控制【】1 i 。 f ) h i = 【一p 【_ 一+ a l l 。 “ 图2 2 井底常压b l p o f i g ? , - 2 c o n s t a n t b o t t o mh o l ep r t s u r t 。d 图2 - 3 井底常压m p d 工艺流程 f i 醇- 3 c o n s t a n tb o t t o mh o l ep r e s u r em p d t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 井底常压m p d 的工作原理为： p 。= p h 七p 4 + p b 式中，凡：井底压力，脚a ； 见：静液柱压力，m p a ； 见：环空摩阻，m p a ； ( 2 - 1 ) 仇：地面回压，m p a 。 工艺流程如图2 3 所示。 2 5 2 泥浆帽钻井 泥浆帽钻井( m c d ) 有时称为加压泥浆帽钻井( p m c d ) ，是一种处理严重漏失问 题的方法。一般用于钻进大段裂缝性地层，尤其在采出流体呈酸性时。当遇到漏失时应 用常规井控技术经常会影响钻进，而应用该技术则能够钻穿严重漏失层而不耽搁正常钻 井，有利于提高机械钻速。m c d 作业期间，用旋转控制装置封闭环空，将加重的高粘 钻井液向下泵入还空，将一段“牺牲流体”( 指注入井筒但不返出的低成本流体，一般 为淡水或盐水) 注入钻柱，向上携带岩屑，使岩屑沉入钻头之上的孔洞或裂缝，即钻井 液和岩屑“单向进入一其它易发生复杂情况的地层【1 2 1 。还空“泥浆帽 可起到还空隔离 的作用，避免油气返出地面造成高压。示意图如下【1 1 】： 图2 4 泥浆帽m p d f i 9 2 - 4m u dc a pd r i l l i n gm p d 第2 章控制压力钻井技术 253 双梯度m p d 双梯度m p d 是在预定井深向环空注入惰性气体或其它轻质流体，有效改变井眼部 分的静水压头。应用该方法无需改变基浆密度即可将井底压力降低1 磅，当量加仑或更 多。其目的并非在于将井底压力降低至欠平衡状态而是避免造成过高的过平衡，以免 超出地层破裂梯度。可以通过寄生管或同心套管注入轻质流体( 氮气、低密度流体等) 完成双梯度作业，注入点之上的压力梯度降低而其下的压力梯度保持不变 7 1 。示意图 如下1 1 1 】： 圈2 - 5 取梯度h f i # - sd u a l g r a d i e n t d r i l l i n g m p d 2 5 4 h s e m p d ( 健康、安全、环境) h s em p d 是i a d c 所列举的m p d 形式之一。尽管技术应用可能有所变化，但与敞 开式循环系统相比，h s em p d 应用了闭合、承压的钻井液循环系统，一般在发生危险 而被迫停钻或因此影响开采时，应用该技术。闭合式钻井液循环系统可防止钻屑和气体 从钻台进入大气，因而可降低h 2 s 气体的含量，减少钻台闪火花的危险。由于该技术可 对整个井眼提供精确的压力控制，本身就比常规作业更安全，可以更好地解决前面所说 的由于井下压力忽大忽小所造成的漏失一井涌现象。 26 d 与u b d 2 61m p d 是从u b d 发展起来的一项新技术 欠平衡钻井技术最早产生于2 0 世纪3 0 年代。目前欠平衡钻井技术已越来越多地与大 位移井、分支井、水平井及小井眼钻井技术相结合，应用范围日益广泛。美国和加拿大 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 等国欠平衡钻井技术已作为常规钻井技术广泛用于开发低渗、衰竭、易漏储层，其陆上 油田接近1 3 的井是用欠平衡钻井技术完成的。 为u b d 安全钻井而研制的工具：r c d ( 又称旋转控制头，r c h ) ，是陆地和海上用m p d 最主要的应用装置。r c d 和专用节流管汇在钻井过程中对封闭的、增压钻井液循环系 统的压力起作用。最初研究用于u b d 的其他专用装置也用于m p d 作业，包括钢丝绳可回 收钻柱浮鞋、井下阀、隔膜氮气生产装置、实时压力和温度检测仪、地面封闭系统、套 管柱和套管钻进尾套管。 预计大约有一半的海上油藏( 包括天然气水合物) 用常规的钻井工具和方法正在进 行不经济的钻井。这个比例在水深超过2 2 8 7 m 时的不经济钻井百分比正在增加，并且当 孔隙压力降低时将增加钻井时日。防碍经济的因素包括：损失循环钻井液、差压卡钻、 低渗透率、以过度套管程序为条件的小孔裂缝压力余量、无隔水管而钻上部井眼时造成 的浅地层损害、花费在循环出气体和井涌等问题上的处理时间、用较大的生产管柱而未 能达到地质目的等【1 0 1 。 可见，m p d 技术正是从u b d 发展起来解决上述钻井问题的新技术。 2 6 2m p d 比u b d 更先进和安全 m p d 是目前最安全的钻井方式。m p d 的焦点是更精确地控制井眼压力，而不是像 u b d 依靠通过地层产生压力降。m p d 和u b d 相比，有下列优势【1 0 】： ( 1 ) 在海上环境，m p d 不会像u b d 一样缺乏安装u b d 地面装置的空间； ( 2 ) 不像u b d ，m p d 是唯一适宜于处理被告之超平衡时的井眼不稳定性问题的技 术； ( 3 ) 全过程欠平衡钻井包括u b d 和欠平衡完井( u n d e r b a l a n c e dc o m p l e t i o n ) ，m p d 不需要如u b d 完井工具系统： ( 4 ) 改善了s h e ； ( 5 ) 通过精确控制井眼压力剖面，不同的卡钻风险和循环钻井液的损失在频率和 幅度上都减少了，同时这些钻井风险的减少显著地减少了非生产时间( n o n p r o d u c t i v e t i m e ，n p t ) ： ( 6 ) 增加了渗透率； ( 7 ) 减轻了钻井液和岩屑侵入地层对油井生产的损坏； ( 8 ) 对整个井眼而言，m p d 仅有较小的钻井液粘度变化； 1 3 第2 章“压力镕井技* ( 9 ) 增加了可采储量： ( 1 0 ) 封闭的带压钻井液循环系统能够允许旋转管柱和起下钻：能够在预计将损失 循环钻井液的地层位置减轻钻井液重力；能够在钻井液池( 或其他注入口指示位置) 发 现钻井液渐增时，及时关闭节流阀，并马上增加井眼底部压力； ( 1 1 ) 更简单的套管程序，操作者能用较小的半潜式钻井船钻井，进一步降低成本， ( 1 2 ) 在可能消除套管尺寸的影响时，能采用井眼压力与地层压力之间非常小的压 力差钻深井。 m p d 钻井使用与i u b d 技术相关的装各进行平衡压力钻井，是欠平衡钻井所必须的、 容易接受的突破性技术。欠平衡钻井的需求无法避免，而m p d 技术是走向u b d 阽井的一 个更稳固的、可接受的变化阶段。 2 7m p d 封闭循环系统 8 图2 - 6m p d 地面装置 f i 9 2 - 6m p ds u r f a c e i n s t a l l a t i o n m p d 地面装置如上图所示叫。封闭系统依靠连接到位于旋转控制装置( m cr o t a t i n g c o n t r o ld e v i c e ，r c d ) 下方的钻井液返回出口的节流阀来控制压力。与此同时，环空压力 剖面通过节流阀背压的增加或减少，以补偿由于环空流量增加或减少时产生的环空摩擦 。乒m 巧痢 _ l 匪匠面圃 拶麴 中目石# 学( 华东) 砸学位论文 压力( a n n u l a rf r i c t i o n 口r e s s w e ，a p p ) 。 封闭系统由浮阀( 单向阀( n o n r c t u m lv a l v e ，n r v ) ) 、旋转控制装置、封闭流动管线( 不 同于现有常规钻井的控制管汇) 、脱气装置或钻井液液、气分离系统( 可选) 等组成”1 。 髀黼 圈2 - 7 几种不同的旋转控制头 f 地2 - 7 s e v e r a l k i n d s o f d i f f e n u t r c i t 图2 - 8 分离器和节流管汇 f i 9 2 8s e p a r a t o r a n dc h o c k m a n i f o l d 第2 章控制压力钻井技术 2 8 d 控制系统 除了需要与循环系统相连接的装置以外，还要求具有能够有效实现井口回压精确、 动态控制的m p d 控制装置，可以实现数据的采集、计算，并发出控制信号控制相应的执 行元件，从而实现井1 3 回压的动态控制。这些装置包括：数据采集、显示与计算装置( 传 感器与计算机) ，电液控制系统( p i d 控制器与电液转换元件) ，执行装置( 液压执行 元件) 2 5 , 2 6 ，2 7 捌。 ( 1 ) 数据采集、显示与计算装置 采用传感器采集各种钻井工程参数，可以实现立管压力、套管压力、分离器出口压 力、液动节流阀开度、钻井液泵泵冲数、分离器气体出口流量等钻井参数的实时采集； 可以在钻台上安装智能数显仪表来实现以上各种信号的实时数字显示； 利用环空压力计算软件可以根据实时采集的钻井参数进行环空压力设定值的计算。 ( 2 ) 电液控制系统 先进的控制理论、控制技术和控制手段，是实现井筒压力系统有效控制，实施m p d 控制目的的关键。众所周知，在自动控制经典理论中，自动控制系统中十分重要的组成 部分是调节器、控制器和执行器，因此，作为m p d 控制装置核心的电液控制系统，也应 当