（油气井工程专业论文）附加流速法压井动态模拟分析与配套工艺研究.pdf

d y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i sa n dm a t c h i n g p r o c e s ss t u d y f o ra d d i t i o n a lf l o wr a t em e t h o d w ug u a n g a i ( o i l & g a sw e l ld r i l l i n ge 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 k i l l i n gw e l li nd e e pw a t e rs h o u l db ee x e c u t e dw i t har e l a t i v e l ys l o wc i r c u l a t i n gr a t et o a v o i df o r m a t i o nl e a k i n go rf r a c t u r i n g ，a n ds o m e t i m e si ti se v e nc a n n o tc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y d u et ot h en a l t o ws a f eo p e r a t i n gm u dw i n d o w a d d i t i o n a lf l o wr a t e ( a f r ) m e t h o dc a n o v e r c o m et h i sp r o b l e mb e a u t i f u l l yb yi n j c o tak i n do fl i g h ta n dt h i nf l u i di n t oc h o k el i n et o d r o pi t sp r e s s u r el o s s t h e p r o c e d u r eo fa f r w e l lc o n t r o lm e t h o da n dt h ep r i n c i p l eo fc h o o s i n ga f rf l u i dw e r e d e s c r i b e di nd e t a i li nt h i sp a p e r b a s e do nt h i s ，ac o n c e p t u a ld e s i g nt ot h ea f rf l u i di n j e c t i o n a n dr e t u r n e dm i x t u r ep r o c e s s i n gs y s t e mw a sm a d e t h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i so nt h i sm e t h o d s h o w e dt h a tt h e r ea r en ob a r r i e r so nt e c h n i c a la n de q u i p m e n tt oc a r r yo u tt h i sm e t h o d b y s u m m e du pc o n s t r a i n tc o n d i t i o n si no p e r a t i o nf r o mt h ep o i n to ft h ev i e wo fs a f e t ya n d c o n j u n c tt h e mw i t ht h ep r i n c i p l eo f t h es h o r t e s tk i l lt i m e ”，an o n - l i n e a rp r o g r a m m i n g e q u a t i o n ss e tw a sc r e a t e d ，f o l l o w e db ys o l u t i o ns t e p sa n da ne x a m p l e t w om o d e l sw e r eu s e d t oc a 玎yo u tas i m u l a t i o na n a l y s i so na f rm e t h o d ：b a s e do nt h e “c o n t i n u o u sg a sc o l u m n m o d e l ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a sf o rd r i l lp i p ep r e s s u r e , c a s i n gp r e s s u r ea n dc a s i n gs h o e p r e s s u r ea td i f f e r e n to p e r a t i n gt i m ew e r eg o t ；g r o u n d e do nt h e m u l t i p h a s ef l o w m o d e l ，t h e m u l t i p h a s ef l o wc o n t r o le q u a t i o ng r o u p sw e r ec r e a t e d ，a c c o m p a n i e dw i t hr e l e v a n td e f i n i t e c o n d i t i o n sa n ds o l v i n gm e t h o d r e l i e do nt h e a d d i t i o n a lf l o wr a t em e t h o d s o r w a r e ，t h e i m p a c ta n a l y s i so fs o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so n w e l lk i l l i n gw a sm a d ew i t ht h ee x c e p t i o no f aw e l lc o n t r o ls i m u l a t i o no nas i m u l a t i v ew e l l a ss h o w e df r o mr e s u l t s ，s e tt h ek i l l i n g p a r a m e t e r ss u c ha sa d d i t i o n a lf l o wr a t ep r o p e r l yc a l lb r i n gt h ea f r m e t h o di n t o 觚p l a ys o t h a tt h eo p e r a t i o nt i m ec a nb ec u td o w n ，k e yw o r d s ：d e e p w a t e rk i l l i n gw e l l ，c h o k el i n e ，p r e s s u r el o s s ，s l o wc i r c u l a t i n gr a t e ， a d d i t i o n a lf l o wr a t e l l 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：立芝逸 日期：洳7 年，月矽日 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 和电子舨) ，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： 边之退 指导教师签名： 乒蚺 星呼 日期：o 年 日日 、夕 矽7 月月 j - j f 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文的研究目的及意义 钻井过程中，当钻遇油气层时，如果井底压力低于地层压力，地层流体就会进入井 眼。大量地层流体进入井眼后，就有可能产生井涌、井喷，甚至着火等，酿成重大事故。 因此，在钻井过程中，采取有效措施进行油气井压力控制是钻井安全的一个极其重要的 环节。钻进时，若地层流体侵入过量，则需要关井，并通过更换合理的钻井液密度及控 制井口装置将环空内过量的地层流体安全排除，最终建立新的井底压力与地层压力差， 此过程即为压井作业。 近几年来，世界各地的石油工业继续扩大深水钻井勘探作业的范围。深水钻井时， 由于防喷器组是安放在海底，因此在海底防喷器和钻台设备之间要有一根( 或2 根) 细 长的垂直的压井节流管线来联接。压井时，通过泥浆泵从钻柱注入泥浆，使泥浆从钻 柱返到环空，顶替溢流流体。操作人员在调节节流阀、控制立管压力来保持井底压力不 变的情况下，通过环空和节流管线排出井内溢流。由于有这个压井节流管线的存在， 使得在海洋压井过程中出现了一些在陆地上遇不到的新问题。随着钻井作业水深的增 加，地层破裂压力梯度一般也随之减小，节流管线中钻井液的摩擦压降与静液压力之和 产生的压降对井控作业的影响也越来越大，正确处理该压降是井控过程中需要考虑的一 个重要方面。深水井控的难度要远远大于常规井控，很多情况下常规井控方法不能用于 深水情况，这主要是由以下几个因素所引起【l 】： ( 1 ) 海底地层的孔隙压力高而破裂压力低，泥浆安全密度窗口窄； ( 2 ) 由于钻井液循环排量大，且是采用浮式钻井装置，所以井涌检测比较困难； ( 3 ) 由于检测困难，使得防喷器不能及时关闭，导致井涌量比较大： ( 4 ) 低温使得钻井液的胶凝性增强，流动性变差； ( 5 ) 节流管线的长尺度、小直径以及泥浆的高流变性会产生很大的摩阻损失。 图1 1 为海洋钻井中泥浆静水压力梯度图。上覆的海水以及海底松散的沉积层常使 地层孔隙压力( a ) 和破裂压力( b ) 的差距很小，从而使得将井筒环空压力保持在两 者之间变得很困难。 深水钻井用的节流管线内径通常为6 3 5 - i1 4 3 m m ，长度与水深相当。流体内部以 及管线内壁存在摩擦阻力，管线越长，该摩阻引起的节流效应就越大，这种节流效应增 加了对井壁的额外回压，对此必须予以控制，否则有可能引起地层破裂或是井漏。 第一章绪论 耗线 n 黼恸( 传二 套管 毒 出 ，叁瑟 k 、 ( a ) 孔隙压力 压力呻 图1 - 1 静水压力梯度 f i g 1 - 1h y d r a u l i cp r e s s u r ea saf u n c t i o no f v e r t i c a ld e p t h i m r e z m e r - c o o p e r - 【2 】等人的研究结果表明，由于有高摩阻损失和气侵等因素的影 响，在整个深水井控过程中使用恒定的井口环空最大容许压力( m a a s p ) 是比较危险 的，这容易压裂地层。j o h np j a m e s l 3 建议使用最大允许防喷器压力方法，与前一种方 法相比它的优点是显而易见的：不用考虑控制管线内复杂的压力变化。但是使用该方法 需要一个灵敏的防喷器压力计。d b e r t i n l 4 1 提出的高级司钻法考虑了井控参数间复杂的 交互作用。上述的这些方法都是围绕着同一个问题提出的：控制节流管线的压降。 关井期间井筒及压井节流管线内的流体停止循环，在深水低温条件下很容易发生胶 凝现象。若管内流体的静切力太大，则会导致开泵困难，有时甚至能憋漏地层。而在压 井循环期间，流体流速过快可使井底压力大于地层压力，压漏地层；流速过慢则压井时 间延长，作业费用增加。附加流速法可较好的解决上述井控作业中的难题。 附加流速法在压井过程中通过注入附加流体来达到降低节流管线摩擦压降、减小流 体静液压力的效果，实现在深水环境中进行安全、快速压井作业的目的。本文从生产实 际方面考虑，通过理论推导和计算，对深水压井过程中各个阶段的相关压力进行模拟计 算，从而找出各有关参数与压力之间的关系，并以此为依据来对附加流速法中使用的压 井排量及附加流速比等关键参数进行优化，以尽量增大井控过程中等效泥浆密度安全操 作窗口的宽度，进而减小井控作业的危险性，缩短压井时间。同时，本文还对附加流速 法的配套工艺进行了研究，以争取能给实际生产提供一个参考。 1 2 多相流模型研究进展 多相流的研究在五十年代开始逐渐被人们重视，六十年代开始出现有关多相流的专 著和大量研究文章，在工程实际的强力推动下迅猛发展，并逐渐形成- - 1 7 新的学科。这 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 些研究对解决工程中遇到的实际问题起了很大的作用，并带来了巨大的经济效益。 最早提出的多相流模型为均相流模型，简称均流模型。它是把气液两相混合物看成 为均匀介质，其流动的物理参数取两相介质相应参数的平均值。因此可以按照单相介质 来处理均流模型的流体动力学问题。在均流模型中，采取了两个假定：气相和液相的 速度相等；两相介质已达到热力学平衡状态，压力、密度等互为单值函数。此条件在 等温流动中是成立的，在受热的不等温稳定流动中是基本成立的，在变工况的不稳定流 动中则是近似的。均流模型的使用情况时：对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性； 对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正；对于层状流、波状流和环状流，则误差 较大。但是，大量的两相流动计算图表目前都是用均流模型作出的。 上世纪5 0 年代提出了分相流动模型，简称分流模型。它是把两相流动看成为气、 液相各自分开的流动，每相介质有其平均流速和独立的物性参数。为此需要分别建立每 一相的流体动力特性方程式。这就要求预先确定每一相占有过流断面的份额( 即真实含 气率) 以及介质与管壁的摩擦阻力和两相介质之间的摩擦阻力。分相流动模型建立的条 件：两相介质分别有各自的按所占断面积计算的断面平均流速；尽管两相之间可能 有质量交换，但两相之间是处于热力学平衡状态，压力和密度互为单值函数。分流模型 适用于层状流、波状流和环状流。 朱伯( z u b e r ) 和芬德莱( f i n d l a y ) t 5 】针对均流模型、分流模型与实际两相流动之间 存在的偏差，于1 9 6 5 年提出漂移流动模型。在该模型中，既考虑了气液两相之间的相 对速度，又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布规律，大大降低了计算的误差，在目 前的石油工程计算中得到广泛的应用。 目前一致公认最为完善可靠的模型是双流体模型嘲。它可以用欧拉方法、拉格朗日 方法来描述，每种方法都有其固有的优缺点。两流体模型将每一种流体都看作是充满整 个流场的连续介质，针对两相分别写出质量、动量和能量守恒方程，通过相界面间的相 互作用( 动量、能量和质量的交换) 将两组方程耦合在一起。这种方法只需假设每相在 局部范围内都是连续介质，不必引入其它人为假设，而且对两相流的种类和流型没有任 何限制，适用于可当作连续介质研究的任何二元混合物，所建立的两相流方程是目前最 全面完整的，求得的解中包含的信息丰富完全。但双流体模型包含的变量多、方程复杂， 因此求解比较困难。 在我国，从2 0 世纪8 0 年代以来，随着井控、欠平衡钻井技术的发展，井筒多相流 技术越来越受到重视。范军等人考虑了井筒流体与地层流体耦合时的多相流问题阴；李 3 第一章绪论 相方等人对井涌期间的气液两相流动问题进行了研究【8 l ；孙宝江等人考虑了油气间相变， 发展了七种组分并筒多相流动计算方法，较好的解决了欠平衡钻井井筒多相流计算问 题，并在国内多个油田得到应用。 1 3 海上井控常用压井方法 ( 1 ) 海洋司钻法 海洋司钻法压井是海洋钻井经常使用的压井方法。海上钻井时，由于防喷器组是安 放在海底，因此在海底防喷器和海面阻流器之间要有一根( 或者2 根) 细长的垂直的阻 流管线来联接。压井时，通过泥浆泵从钻柱内注入泥浆，使泥浆从钻柱返到环空，顶替 溢流流体。操作人员调节阻流器控制立管压力来保持井底压力不变的情况下，通过环空 和阻流管线排出并内溢流。 海洋司钻法压井可分为7 个阶段：顶替阻流管内的盐水；气柱顶到防喷器； 气柱项到阻流管顶；气柱底部到防喷器；气柱底到阻流管顶；从开始注入重泥浆 到重泥浆钻头处；重泥浆到阻流管顶。 第到第为第一循环周，第到第为第二循环周，经过以上步骤，重泥浆返到 井口时，井口重新建立压力平衡，可以打开井口循环，压井完毕。 ( 2 ) 海洋工程师法【9 1 海洋工程师法压井，是在一个循环周内完成压井的一种方法。压井时，通过泥浆泵 从钻柱内注入泥浆，再由环空向上顶替溢流流体。操作人员调节节流器控制立管压力， 在保持井底压力不变的情况下，通过环空节流管线排出井内溢流流体。 ( 3 ) 动态压井法【1 0 l 动态压井法是m o b i l 公司于1 9 8 0 年提出的一种新的压井方法，它不同于借助井口 装置产生回压来平衡地层压力的常规压井方法，而是借助于流体循环时克服环空流动阻 力所需的井底压力来平衡地层压力。 动态压井法的环空流动压降均匀地分布在整个井身长度上，常规压井的回压作用在 整个井身的每一点上，也就是说动态压井法将产生较小的井壁压力。如果套管下得越浅， 使用动态压井时套管鞋处的压力就越比使用常规压井方法时小，从而更安全。 ( 4 ) 高级司钻法【l l 】 高级司钻法是埃尔夫公司( e l f e x p l o r a t i o n ) 提出的一种对压井过程进行精确控制的 压井方法。 1 ) 基本原理。该方法具体压井过程与司钻法相同，只是在参数计算时采用的方法 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 不同。其原理很简单，考虑了节流管线的摩阻损失，对低流速循环压井方法进行优化设 计。它的主要特点是在井控施工时采用两种安全余量，在压井过程中采用动态安全余量， 而非循环期间采用静态安全余量。 2 ) 适用条件。高压地层在井底，破裂压力小，安全密度窗口小等需要对井筒压力 进行精确控制以避免发生漏失的地层等。 研究此方法的目的就是为了阐明井控中主要的控制方程，其中考虑了所有的水力学 现象，并且没有做任何假设。方程中的压力值是在压井过程中关键时间段内压力的稳定 值。公式适用于油基和水基泥浆。 1 4 附加流速法的研究及应用现状 ( 1 ) 研究现状 2 0 0 1 年，t h i e r r yb o t r e l ，p a t r i c ki s a m b o u r g 等人首次提出了一种新的深水压井方法一 一附加流速法( a d d i t i o n a lf l o wr a t e ) ，它是一种专为深水环境而设计的压井方法。在 压井过程中，通过使用压井管线在海底防喷器处注入轻质、流动性好的附加流体( a f r 流体) ，使得混合泥浆的密度、流交性及胶凝性得到大大的改善，进而减小节流管线中 的静水压头和摩擦压降。这样，不但井底压力的控制变得容易，还可以使井涌流体能以 较高的流速从管线中排出，从而缩短井控作业时间，降低钻井成本。使用附加流速法时， 通过设定合理的压井泵速s c r ( s l o w c i r c u l a t i n gr a t e ) 可以减小节流管线中的摩阻损失， 甚至可使防喷器处的压力小于原钻井液在静止时产生的静液压力。 在c r i m s s o l 油田的g i r l 0 8 井进行的现场试验表明【1 2 1 ，在较大的流速范围内，使用 附加流速法的摩擦损失远远低于使用常规司钻法的摩擦损失。但是在高流速( 超过 1 2 0 0 f m i n ) 下，节流管线内的流动变成紊流，a f r 法就失去了其优势。 根据调研资料，目前对附加流速法的研究主要体现在试验方面，而理论模型及配套 工艺描述还有待充实和完善，结合当前先进的多相流模型和井控模型对附加流速法进行 分析计算应是其下一步的发展方向。 ( 2 ) 应用现状及分析 附加流速法作为一种比较新型的深水压井方法于2 0 0 1 年提出，2 0 0 2 年在试验井上 取得了成功，但目前还没有见到有现场采用的相关报道。本人认为，造成这种现象的原 因有以下几点： 1 ) 作业公司决策层人员的谨慎态度。深水钻井是一项风险性很高的活动，恶劣的 自然环境、复杂的井下条件这些无法避免的外部因素很容易给钻井作业带来困难，影响 5 第一章绪论 正常钻进。而当发生井涌需要进行压井作业时这一过程的风险性更高，技术决策者们更 倾向于采用已被多次使用证明过的常规的压井方法，如司钻法、工程师法等，而不愿冒 险采用那些相对较新的、虽然试验已取得成功但未被现场作业充分证实的压井方法。同 样，这也是许多技术虽己提出多年但仍停留在试验阶段的原因。 2 ) 宣传力度不够。t o t a lf i r me l f 公司在提出并试验成功了附加流速法后并没有组 织专门的技术培训来宣传推广这一技术，杂志、期刊及网络上相关的资料也非常少，许 多技术人员和现场操作人员可能并不知道或不怎么了解这一技术，当然也就谈不上现场 的应用了。 3 ) 使用范围较窄。附加流速法主要用于深水区的压井作业，尤其是1 0 0 0 米水深以 上的超深水环境。当前，在深水、超深水区进行钻进的井口数相对较少，限制了附加流 速法的应用。 1 5 本文的研究内容 附加流速法虽已提出，但在理论研究上还不够系统、细致，针对这一点，本文制定 研究内容如下： ( 1 ) 基于附加流速法的井筒及管线内多相流分析。结合附加流速法压井工艺，在 压井的不同时刻、不同井段，建立相应的多相流方程组并确定定解条件。 ( 2 ) 压井排量及附加流速比r 的计算。为压井过程中的两个关键参数，直接 影响到压井效果，需重点研究。 ( 3 ) 附加流速法压井动态模拟。在不同的初始条件下，求取井筒内各关键点处的 压力随时间的变化。 ( 4 ) 附加流速法压井配套工艺技术。 1 6 小结 通过对深水井控中面临的问题进行分析可知，增大压井过程中的泥浆安全密度窗口 是解决压井问题的关键，附加流速法即是针对此问题提出。本章介绍了研究附加流速法 的目的及意义，同时调研了用于井控理论研究的多相流模型的研究进展以及当前海上常 用的压井方法，并分析了附加流速法的应用现状，最后针对附加流速法提出了本文的研 究内容。 6 中目石油大学( 华东) 磺士学位论文 第二章附加流速法压井工艺技术及设备 2 1 附加流速法简介 2 1 1 原理 图2 1 为附加流速法压井示意图。该方法包括两个循环周：第循环周，用原钻井 液循环出井侵流体；第二循环周，用压井液替换原钻井液。压井循环开始后，同时向井 内泵八两种流体；一是通过钻杆以压井泵速泵入钻井液，压井液二是利用注入泵( 如 注水泥泵) 通过压井管线或化学注入管线，在海底防喷器组位置以附加流速口腑泵入低 密度流体，即附加流体。这两种流体在防喷器位置棍台后由节流管线返出，返出流速为 q 蝴+ q 懈。 司钻法压井时，节流管线内的压降为，= 九+ 弓j ，附加流速法时对应的压降 为叱帑= 删+ 弓一曲，式中下标d 表示钻井液，下标研螗表示钻井液与附加流体的混 合液。附加流速法就是在较高的压井捧量下，使得屿菲管子闸板 可变芯子闸板 上部和下部剪协盲板 图2 - 9 闸板防喷器的各种闸板结构 f i g 2 - 9 s c h e m a t i c so fd i f f e r e n tr a i n su s e di nr a mb o p 2 4 2 3 防喷器控制系统 防喷器控制系统指用于向防喷器各组件提供关闭能量的装置，包括储能器系统和液 压控制系统等部分。 ( 1 ) 储能器 储能器包括贮能罐( 球形或圆柱形) 、高压油泵、控制器和贮能箱等。储能器是一 个带有将气体和所充液体隔离开的活塞或薄膜的高压容器，其工作原理是利用氮气受压 缩贮存能量，当要操作防喷器时，打开阀门，氮气膨胀，以推动液油完成开关动作。储 能器中充装的气体应采用氮气，不能用氧气。储能器容积设计一般要考虑两个因素：一 个是关闭防喷器组全部液压系统后，储能器内还剩余有5 0 的液体，其压力保持在 1 7 第二章附加流速法压井工艺技术及设备 8 3 m p a ( 1 2 0 0 p s i ) ；另一个因素是关闭井再打开全部液压系统后，还剩余2 5 的液体， 其压力仍保持8 3 m p a ( 1 2 0 0 p s i ) 。不同规范的储能器的要求不同。液压油量有1 5 1 升、 3 0 3 升和4 5 4 升等。 储能器压力经常保持1 8 m p a - - - 2 1 m p a ( 2 6 0 0 - - - 3 0 0 0 p s i ) 。操作防喷器的关闭压力一 般为：闸板防喷器正常为1 0 5 m p a ( 1 5 0 0 p s i ) ，最大为2 1 m p a ( 3 0 0 0 p s i ) 。环形防喷 器正常为4 2 6 2 m p a ( 6 0 0 - - 9 0 0 p s i ) ，最大为1 0 5 m p a ( 1 5 0 0 p s i ) 。泵储液器机组 装置能自动向储液器充灌液体，并保持所希望的压力，以备急用。 为了防止现场全部电源切断后出现的复杂情况，井场上应备用附加储能器( 一组高 压氮气瓶) 。它们与防喷器关闭管汇和空气泵相连，其工作能量与各储能器之和相等， 确保防喷器组关启作业完成。 ( 2 ) 液压控制系统 将管线分别接到每个防喷器和每个液压控制阀，使之与储能器成为一个“闭路系 统”，即输送液体至防喷器，又能回到原供油箱，这一套装置就是液压控制系统。它是 通过调节器，各种单流阀、旁通阀等来完成其控制功能，如图2 1 0 所示。 图2 1 0 液压控制系统示意图 f i g 2 - 1 0 s c h e m a t i co fh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ( 3 ) 控制面板 所有控制功能都通过控制面板的操作来实现。控制面板是遥控操作，一般都有两个 以上遥控操作控制面板。一个安装在钻台上，离井口有一段安全距离，便于司钻操作的 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 地方：另一个遥控面板安装在平台监督房或平台办公室内，当在平台弃船时作为最后的 关井手段。 ( 4 ) 浮式钻井船防喷器控制系统 水下防喷器控制系统是一套对水下防喷器组和一些地面设备进行准确、迅速操作和 控制的装置。它能在几十秒内把水下防喷器打开和关闭，在紧急情况下能将上部防喷器 组与井口及时脱开和回接，能有效控制水下井口连接器、事故安全阀等。 该系统主要由液压动力装置、主控制板、钻台控制板、遥控板、两套液压管线绞盘、 两个绞盘控制板、应急电池直流电源、两个控制盒、地面及水下储能器组和若干梭阀组 成。液压动力装置把配制好的控制液打入储能器。当需要关闭防喷器组时，只要在钻台 控制板或遥控板上操作相应的按钮，电流打开液压动力装置上防爆盒中相应的低压空气 电磁阀，低压气进入主控制板液压四通阀气缸，液压指令信号通过四通阀迅速传递到水 下控制盒，打开控制盒中的s p m 阀( 液压控制阀) ，水下储能器中的有效控制液迅速 准确地通过s p m 阀进入防喷器关闭液缸，使防喷器关闭。同时，当液压指令信号向水 下传递时，防爆盘中的压力开关也接到此信号，压力开关接通控制板指示灯电源，指示 灯通电显示操作完成。 在2 1 m p a ( 3 0 0 0 p s i ) 控制系统中，动力装置向系统提供1 9 - - 2 1 m p a ( 2 7 0 0 3 0 0 0 p s i ) 有效控制液，加压是通过电动泵和气动泵来完成。为保证泵在平台失去动力时仍保持工 作，平台配备有应急电池直流电源供电动泵使用，空气储能瓶的气供气动泵用。泵的启 动和停止是完全自动的。电动泵一般在1 9 m p a ( 2 7 0 0 p s i ) 启动，2 1 m p a ( 3 0 0 0 p s i ) 停 止。气动泵在1 8 m p a ( 2 6 0 0 p s i ) 启动，2 0 m p a ( 2 9 0 0 p s i ) 停止。电、气动泵同时工作 时，一般能在1 5 分钟内使系统由预充压力达到最大额定工作压力。安全阀设置承受 2 3 m p a ( 3 3 0 0 p s i ) 压力。系统控制液由可溶性浓缩防喷器控制液与水按1 ：1 0 0 自动配 制。配制控制液的混合系统由控制液箱的液位开关控制，低位启动，高位断开。整个操 作系统控制液是不可回收的。 泵入的高压控制液储存在具有一定容积的储能器中，这些储能器由气囊和钢瓶组 成。一般情况气囊预充氮气压力7 m p a ( 1 0 0 0 p s i ) 。也有不用气囊的储能器，它通过一 个浮子来隔离液面储能器，但储存的有效控制液必须满足开关所有闸板防喷器和一个环 形防喷器所用液量的两倍。 主控制板、钻台控制板、遥控板被分别安装在防喷器控制室、钻台和高级队长办公 室。主控制板和钻台控制板具有相同的操作功能。当这两个控制板操作有危险时，高级 1 9 第二章附加流速法压井工艺技术及设备 队长或司钻可到队长办公室实施井控操作。有些平台装有应急声纳控制系统，当整个平 台面临危险时，该系统可撤离平台外，在一海里范围内的拖轮上对井口进行遥控操作， 控制井口。我国南海五号、南海六号都装有声纳应急控制系统。 地面与水下的液压连接方法是通过两根胶管束来完成，每根胶管束内有数十根4 7 6 毫米( 3 1 6 英寸) 和一根2 5 4 毫米( 1 英寸) 胶管。1 英寸胶管从地面向水下输送高压 控制液，3 1 6 英寸胶管用来传递指令。在深水作业中，为了迅速控制井口，3 1 6 英寸指 令管可用电缆代替，称电缆控制系统。电缆控制系统由于材料价格昂贵，维持费用高， 一般水深超过一千米时才使用，目前国内外都很少使用，为了保证对井口的控制，平台 设有两套独立的水下控制系统，即两个绞盘和两个控制盒。为便于区分，一般把他们涂 成黄色和蓝色，称黄、蓝盒控制系统。一套使用时，另一套备用，两套系统之间通过梭 阀实现控制液换向，因此工作部件每个液压孔处都有至少一个梭阀。 2 4 。3 节流及压井管汇 节流管汇是指从井口防喷器下钻井四通与节流阀组相连接的管线和节流阀组组合 的一套装置。它的主要功能是在井控作业时，控制一定的井口回压来维持稳定的井底压 力。 压井管汇是指由钻井泵或固井泵到井口钻井四通相连接的高压管线及闸阀组成的 装置。它的主要功能是通过管汇循环排出被污染的井内钻井液，在井控作业期间通过压 井管汇向井内泵入压井液和反循环压井作业。 目前节流、压井管汇根据其连接形式，按额定工作压力划分其规范有：2 0 0 0 p s i 、 5 0 0 0 p s i 、1 0 0 0 0 p s i 和1 5 0 0 0 p s i 等几种。海洋钻井装置多采用1 0 0 0 0 p s i 以上的规范。 ( 1 ) 对节流、压井管汇的要求： 管线的额定工作压力应当与防喷器装置的额定压力一致。对于3 0 0 0 p s i 和以上 工作压力的管汇都要用焊接或法兰连接，管汇焊接后，焊口应作调质处理。管线内径 要一致。节流管汇不应设置在井架底座或钻台下井口区内。通常一条节流管线上的 一个液压阀关闭，其余阀开着。而可调液压节流阀处于半开状态，便于发现溢流时能迅 速控制井口。不允许将节流压井管汇用于日常的油泥浆管线。节流压井管汇冬天 要做好防冻工作，可采用保温或灌入合适的防冻液或用压缩空气扫尽管线内的液体。 ( 2 ) 节流管汇液压控制系统 节流管汇液压控制是通过操作钻台上安装的液压控制箱来实现的。控制系统的所有 气液控制元件都安装在控制箱内，控制仪表布置在控制箱的面板上。液压控制系统的作 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泥羧震动筛 绒除气器 图2 1 1 额定工作压力为1 0 0 0 0 p s i 1 5 0 0 0 p s i 节流管汇安装形式 f i g 2 - 1 1c h o k el i n em a n i f o l d ，w o r k i n gp r e s s u r ei s1 0 0 0 0 p s i - 1 5 0 0 0 p s i 用是在压井作业中，通过控制液动节流阀的打开和关闭，维持稳定的井底压力，并根据 仪表上提供的精确数据，迅速对井眼中的各种变化作出反应，保持井底压力在小范围内 变化直到压井作业完成。该控制系统除钻井泵泵冲程计数器外，都由钻机供气作为动力， 控制节流阀启闭的液压动力来自气动泵，控制箱的气动、液压线路见图2 1 2 。 园操作嚣摄升一i 谭压一软蕾i 控制箱， 压力麦 软警， 控一，回先导控捌冀- 固先导控爿一 图2 - 1 2 控制箱的气动、液压线路图 f 蟾2 1 2 s c h e m a t i co fa i r - p o w e r e ds y s t e m & h y d r a u f i c - p o w e r e ds y s t e mi nc o n t r o lb o x 2 1 第二章附加流速法压井工艺技术及设备 ( 3 ) 通径与额定工作压力【1 5 】 节流和压井系统及其零部件的孔径和额定工作压力应符合中华人民共和国石油天 然气行业标准。 2 4 4 对水下设备的额外要求 绝大多数的压力控制设备，尤其是防喷器，设计的时候考虑的主要是来自内部的高 压，对于外部的压力关注甚少。但在使用附加流速法压井时，若附加流体的密度小于外 界海水的密度，在其进入系统后，压力设备可能就会承受来自外部的压力，当该压力增 大到一定程度时，井口头、防喷器等设备的可靠性安全性将得不到保障，因此，还需考 虑设备承受外压的能力。下面是某艘钻井船上装配的防喷器的性能【1 2 1 ：防喷器外壳可 承受1 0 0 0 p s i 的外压；防喷器闸板承受来自上部压力的能力是其工作压力的三分之一。 2 5 可行性评估 附加流速法虽然在压井过程中引入了附加流速和附加流体的概念，但从本质上讲， 它与海洋司钻法有很多类似之处，可以看成是后者的一种改进和提升。理论上讲，凡是 能采用海洋司钻法的地方都具有实施附加流速法的潜质，也就是说，深水钻井的绝大多 数现场都有条件来进行附加流速法压井作业，下面分条述之。 ( 1 ) 工艺流程与常规方法类似，钻井人员易于掌握。和司钻法一样，附加流速法 压井过程也分为两个循环周：第一循环周，用原钻井液将井侵流体排出井筒：第二循环 周，用压井液替换原钻井液。操作上的不同主要体现在压井的初始阶段和收尾阶段：打 开防喷器循环前需用附加流体替换掉压井管线和节流管线内的流体；压井液抵达防喷器 后应关闭防喷器和节流管线，然后打开压井管线和隔水管环空的u 形管通道，用加重钻 井液替换压井管线和隔水管环空内的液体。虽然附加流速是新添的一个可控参数，但在 整个压井过程中始终保持不变，关井时将注入泵调节至所需排量即可。 ( 2 ) 现有的井控设备即可满足压井要求。压井时需用一台注入泵( 固井泵或化学 注入泵) 通过压井管线或化学注入管线将附加流体从防喷器处注入循环系统，也就是说， 除了需要额外采用一套注入系统外，其它设备都与常规压井方法无异。固井泵等小型泵 及压井管线平台上都会配有，所以采用附加流速法进行压井作业不存在设备上的障碍。 ( 3 ) 附加流体的成本及存取的方便性。选择附加流体时的具体准则在2 2 节中有述， 每一条都能满足时才有可能使用附加流速法。需要有专门的容器用于存放附加流体，容 器的大小取决于附加排量及压井时间，对于甲板空间紧张的平台来说，或许这是应用附 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 加流速法的一个障碍。附加流体为海水时可直接从海洋中取液，此障碍消除。 ( 4 ) 排出的混合液易于处理。在选择附加流体时已考虑到了这一点，混合液经简 单处理后可继续作为钻井泥浆使用，有效降低了泥浆成本，防止了环境污染。 综上所述，在深水压井作业中附加流速法还是非常具有推广应用的潜质的。 2 6 小结 本章叙述了附加流速法压井的原理、优点及工艺流程，阐述了选择附加流体的原则， 对附加流体注入系统及返出液处理系统进行了描述，调研了用于深水压井的压井设备 ( 防喷器，压井节流管汇等) ，评估了附加流速法的可行性( 从工艺流程、压井设备、 压井成本等方面进行评估) 。综合来看，附加流速法具有许多常规方法所没有的优点， 而工艺流程及对设备的要求却与常规的类似，且在满足若干原则的前提下可有效控制成 本，因此具有较光明的应用前景。 2 3 第三章附加流速法压井参数优化设计 第三章附加流速法压井参数优化设计 附加流速法压井优化设计，是指在压井作业前，依据压井的目的和要求( 设备要求、 环境要求、地层要求等) ，对压井过程中所采取的钻井泵工作参数( 排量、泵压、泵功 率等) 、注入泵工作参数、附加流体类型等进行设计和安排。分析压井过程中的各变量 可以看出，当地面机泵设备、钻具结构、井身结构、钻井液性能和钻头类型确定以后， 真正影响压井效果的可控参数乃是附加流体类型、压井排量和附加流速比，而在钻井液 性能确定的情况下，附加流体的选择基本也就没有余地，所以，优化的重点为压井排量 和附加流速比。优化两者时应从以下几个方面考虑： ( 1 ) 在任何情况下都能有效的控制井筒压力。也就是说，在整个压井作业期间， 节流阀的开启程度都不会达到最大。 ( 2 ) 满足井筒内的携岩要求，防止沉砂卡钻。 ( 3 ) 保证地层安全、稳定。 ( 4 ) 缩短压井时间。 3 1 混合流体流变性的研究 定义附加流速比足为附加流体排量与压井排量的比值，即 n r = 逝( 3 1 ) g 孤 r 的取值影响着节流管线内流体的性质及流动型态，进而影响着节流管线内的压 降，是压井过程中的一个重要参数。 ( 1 ) 混合流体流变性 分析数据取自文献 1 】。某一油水比为7 0 ：3 0 的油基钻井液，2 0 c 时密度为1 1 3g e r a 3 ； 基础液为乳状液，2 0 1 2 时密度为0 9 2g e r a 3 。常压条件下，将液体温度分别定为6 、 2 1 c 和4 0 c ，并在该系列条件下依次对油基钻井液、乳状液、两者的混合液( 体积比为 1 0 ：1 ，1 0 ：2 和1 0 ：3 ) 的流变性进行测量，剪切速率取为6 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 ，3 0 0 ，2 5 0 ，2 0 0 ， 1 5 0 ，1 0 0 ，5 0 ，2 3 ，1 4 ，4 ，单位为s 。将测量的结果绘制成曲线，分别如图3 1 ，3 2 ， 3 3 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 5 5 4 5 芒4 0 3 5 r3 0 氆2 5 芸2 0 1 5 1 0 5 o o 图3 - l f i g 3 - 1 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 060 剪切速率d v d x ，1 s 油基泥浆乳状液的流变性( 6 )图3 - 2 r h e o l o g yo fo b m - e m u l s i o n ( 6 )f i g 3 - 2 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 剪切速率d v d x ，l s 油基泥浆乳状液的流变性( 2 l ) r h e o l o g yo fo b m - e m u l s i o n ( 2 l ) 0l z 3 0 04 0 05 0 06 叩 剪切速率d v d x ，1 s 图3 - 3 油基泥浆乳状液的流变性( 4 0 ) f i g 3 - 3r h e o l o g yo fo b m - e m u l s i o n ( 4 0 c ) ( 2 ) 实验结果分析 将测得的流变性曲线分别按石油工业中最常用的宾汉模式和准确度较高的赫巴模 式回归，结果如表3 1 所示。 由以上分析结果可以看出：在温度及剪切速率相同的情况下，油基钻井液的剪切应 力最大，乳状液的剪切应力最小，当两者混合时，随着附加流速比的增大，混合液体的 剪切应力随之降低。也就是说，附加流速比越大，混合液体的粘度越小。但我们同时也 应该看到，在该例中由于油基钻井液本身的密度较小，钻井液与乳状液及混合液的流变 性相差并不是很大。 5；牾；穹弱坫加0 o 它d l r 氆s 氲 弱 筋 垢 m 5 o 口d f r 通零蜜 表3 - 1 不同情况下回归出的流变曲线公式 t a b l e3 - 1 r e g r e s s e dr h e o l o g i c a lf o r m u l a s 温度 流体组分宾汉模式赫巴模式 油基钻井液 f = 1 5 5 6 7 + 0 0 7 0 3 z f = 1 2 4 9 + 0 3 4 6 y o 7 “ 1 0 ：l f = 1 4 4 2 3 + o 0 6 9 4 zf = 1 1 5 2 + 0 3 2 4 9 0 _ 7 6 2 61 0 ：2 f = 1 2 4 2 6 + 0 0 7 0 6 y f = 9 9 3 + 0 2 7 3 y o 。7 9 1 1 0 ：3 f = 1 1 9 7 5 + 0 0 6 9 2 y f = 1 0 1 8 + 0 1 9 8 y o 8 3 7 乳状液f = 1 1 3 8 + 0 0 6 2 7 y f = 9 5 6 + 0 1 9 8 y o 8 2 2 油基钻井液f = 1 2 0 4 4 + 0 0 5 4 6 y f = 1 0 7 8 + 0 1 4 1 ) , o 8 5 2 1 0 ：1 f