压力控制钻井井底压力控制方法.pdf

第 31 卷 第 2 期 2009 年 4 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING pressure control drilling technology 本 减小钻井过程中出现各种钻井事故的机率 最大 限度地实现保护储层的同时 提升钻井效率 它可 使储层实现最经济化的开采 使钻井的经济可行性 得到显著提高 1 压力控制钻井 Manage Pressure Drilling MPD 在 SPE 手册 先进钻井完井技术 中的 MPD 章节中 IADC 关于 MPD 的定义如下 MPD 是一种 为了更精确控制井眼环空压力剖面而采用的钻井方 16石油钻采工艺 2009 年 4 月 第 31 卷 第 2 期 式 其目的是为了弄清井底压力情况极限从而控制 环空水力压力剖面 更好地控制井筒压力 MPD 的 技术要点是 1 通过采用一系列工具和技术 采用主动式的 对环空水力压力剖面进行控制的方法 减少了那些 由于恶劣的井底环境限制而带来的事故风险和经济 上的损失 2 通过对回压 钻井液的密度 钻井液的流变 性 钻井液环空的高度等的控制来控制压力 3 能快速应对可观测的压力变化 这种对于环 空压力的动态控制能力使得 MPD 技术能够在其他 钻井方式不经济的情况下 仍可进行经济上的钻井 和开发 4 MPD 能控制地层流体侵入 对于在操作时 可能发生的井涌等情况能采用相应的设备进行安全 的处理 5 MPD 在钻进和停钻接单根时保持足够的井 口回压 最基本的配置是钻柱单流阀 1 个旋转控 制装置和 1 个专门的截流管汇 一些特殊情况下的 MPD 可能需要更多的安全可靠的技术和设备 2 MPD的技术优势 Technical advantage of MPD 1 在地层破裂和孔隙压力窗口很小的情况下仍 可以进行裸眼钻井 2 处理由于井底环境恶劣带来的大量钻井液漏 失以及井涌和井控问题 3 加深下套管的深度 甚至可能钻完全井都只 需要 1 种尺寸的套管 4 采用比常规钻井液密度更小的钻井液 避免 由于套管循环时破裂导致的钻井液漏失 以及减少 由于钻入空腔地带而导致的部分或者全部钻井液漏 失带来的钻井液损失 5 有更高的机率在钻到目标深度时保持足够的 井径 6 闭环钻井液循环系统使钻井作业更安全 更 健康 更环保 5 提高钻速 缩短整个工程的作业时间 3 陆上油田MPD控制回压系统 MPD control back pressure system inland on land oil field 陆上油田不同于海上油田 受工程条件 设备 经济上的限制 MPD 地面设备的安装与一般的地面 钻井装置大体类似 其主要核心装置 井口到防喷 器这一区间段见图 1 MPD 的陆上体系结构分成两 部分 一是带 CCD 不间断循环钻井 的 MPD 循环 系统 二是不带 CCD 的循环系统 使用 CCD 的主 要目的在于 保持井底恒压的同时实现 MPD 方法 和途径繁多 根据不同的施工环境 设备 工程要求 MPD 实施方法各不相同 图 1 井口压力控制装置 Fig 1 Wellhead pressure control equipment 图 1 为相关文献中 MPD 的井口装置图 现将该 井口设备类型归结为微流量控制类 回压控制范围 有限 但在需要微小调节压力就能满足工艺要求的 情况下 此种装置能够满足现场施工作业的要求 其 优点是在现场钻井设备的基础上 不需要再装配其 他更多的特殊设备 只是在现有的装置基础上增设 特定的设备 就可以实现对压力的控制 达到精确控 制压力的目的 其难点是 对现场操作的要求高 要 求操作人员根据相关信息 数据 迅速 准确地操作 设备 把该套装置控制压力的特点发挥出来 从而满 足工艺要求 回压控制管汇 RCD chock 流量计 回压泵 见图 2 图 2 井口回压控制管汇 Fig 2 Wellhead back pressure control manifold 17柳贡慧等 压力控制钻井井底压力控制方法 图 2 装置属于回压控制装置 在保持原井控装 置的基础上 在流出管线上添加必要的回压泵 节 流设备来有效控制井底压力 回压控制方法是通 过对比分析 PWD 所测得的数据和计算所得的数 据来调节回压泵以及相关的节流设备 达到控制井 底压力的目的 在控制方位以及控制范围上能满 足工程作业的需要 通过节流方法控制回压是控 制井眼压力剖面方法中的一种 回压泵注入的方 法是 通过 MPD 地面流通循环管汇 利用回压泵 注入的方式控制地面回压 该方法比单一使用节 流阀控制回压精确 控制范围更广 一般现场应用 的钻井装置都是通过节流阀来控制回压 控制能力 有限 但是通过回压泵 能够及时 迅速并且能在 更大范围内控制回压 达到精确控制井底压力的目 的 图 1 反映了 MPD 钻井回压控制的基本特点以 及基础框架 但是 在实际应用中应根据所要求的 回压控制量来设计相应的回压控制装置 4 海上MPD钻井压力控制系统 Marine MPD well drilling pressure control system 在海上进行钻井作业 由于其复杂的情况和特 殊的要求 井底压力的控制要求相当高 一是预防钻 井过程中由于压力控制不当而出现的各种各样的钻 井事故 二是要考虑到以后的储层开发 尽量好地保 护储层 提高后期的采收率 提高储层开发的经济效 益 海上压力控制方式主要分为以下 2 种 1 同心管不间断循环 作为 MPD 钻井 其中 最主要的一条是不间断循环 在陆上油 气井钻井 使用 CCD 将面临设备 工艺 费用上的考验 但是 在海上钻井时 采用同心管注入方式 能有效地控制 循环效果 在很大程度上 可以实现 CCD 的效果 实际上 目前南海流花油田引进的国外石油公司的 MPD 技术 其中最重要的一项设备就是 CCD 费用 之高 让陆上油田望而止步 如图 3 所示 其中流体 1 模拟的是钻井液 钻井液从钻杆中下入井底 图中 黄色箭头所示 经过钻头后携带岩屑返回地面 图 中绿色箭头所示 从图 3 中最外层环空返回钻井平 台 其调节井底压力的原理就是通过在同心环空中 如图 3 中黄色虚线箭头所示 注入流体 2 来调节井 筒中钻井液的液面 通过注入的流体流速和体积来 调节井底压力 图 3 同心管装置钻井液运动模拟图 Fig 3 Drilling fluid flow simulation in concentric pipe 该项技术在钻开高压储层 均质厚产层时能够 起到较好的效果 通过控制同心管高度 注入排量 来提高同心管下部压力 并且能在起下钻过程中对 井底压力进行很好的控制 2 LRRS 水下立管钻井液返回系统 图 4 为 一海上钻井平台 其中应用到了 MPD 技术 其中的关 键技术如图 4 中紫色的虚框部分所示 此管段在图 4 中用红色的管线表示 当需要调节井底压力时 可以 通过调节 LRRS 系统 进而改变高压隔水管中的液面 高度 达到调节井底压力的目的 实现对井底压力的 控制 在海洋环境中可以利用从海床表面到海平面 这一空间安装 LRRS 系统 实行 MPD 钻井 调节原 理见图 5 通过控制隔水管中流体液面的高度和正常 压力情况下的高度差来调节压力 压力调节度通过液 面高度差体现出来 图 4 海上 MPD 钻井系统 Fig 4 MPD ocean drilling system 图 5 压力调节示意图 Fig 5 Sketch of pressure adjust 18石油钻采工艺 2009 年 4 月 第 31 卷 第 2 期 5 MPD的应用 MPD application 近 5 年来 控制压力钻井的发展对石油工业产 生了巨大的吸引力 最近巴西国家石油公司在 4 口 井的钻井中试验了控制压力钻井 前 2 次试验计划 在 2006 年第 1 季度进行 是 2 口陆地井 另 2 口井 是海上油井 继陆地试验后 海上钻井计划在 2006 年下半年进行 于 2006 年下半年在巴西东北部的海 上进行了 2 口井的钻井试验 采用的循环控压系统 克服了钻高温高压层所遇到的问题 过去钻这种井 通常要消耗大量的非钻井时间 其原因是井涌 井下 漏失和下套管等问题 由于循环控压系统能节省大 量的非生产时间 因而大幅度提高了钻井效率 同时 创造了巨大的经济效益 6 结论及认识 Conclusion and understanding 1 随着经济社会持续高速发展 对能源的巨大 需求正在刺激和推动着钻井技术的迅猛发展 从国 内外石油工程技术市场来看 国际经济形势的进一 步好转对油气需求比较旺盛 对于钻井工艺的要求 也越来越高 2 MPD 作为一种先进的钻井形式 与钻井 液密度和钻井液泵转速单独调整来控制压力相比 MPD 具有更强和更精确的井筒压力控制能力 能够 更加有效地开发油藏 3 目前压力控制钻井中仍然有很多需要完善的 地方 在各种环境 各种地质条件下怎样更加精确地 控制环空压力剖面以及深海压力和温度的控制理论 还不够成熟 为此还应该进一步的深入研究这一钻 井新技术 参考文献 References 1 HANNEGAN DON M Managed pressure drilling marine environment case studies R SPE 92 600 2005 02 2 IVERSEN F GRAVDAL J E DVERGSNES E W et al Feasibility study of Managed Pressure Drilling with automatic choke control in depleted HP HT field R SPE 102 842 2006 12 3 BORRE Fossil Managed pressure drilling for subsea applications well control challenges in deep waters R SPE IADC 91 633 2004 4 SAPONJA J et al Managed Pressure Drilling MPD field trials demonstrate technology value R IADC SPE 98 787 2006 5 BELTRAN J C et al Case Studies practive managed pressure drilling and underbalanced drilling application in San Joaquin Wells Venezuela R SPE 100 927 2006 6 HANNEGAN D Case studies offshore managed pressure drilling R SPE 101 855 2006 7 FINLEY Doug et al Reservoir knowledge and drilling benefits comparison for underbalanced and managed pressure drilling operations R SPE IADC 104 465 2006 8 CHEN Shen et al Managed pressure drilling reduces China hard rock drilling by half R SPE IADC 105 490 2007 9 严新新 陈永明 燕修良 MPD 技术及其在钻井中的应 用 J 天然气勘探与开发 2007 30 2 62 66 YAN Xinxin CHEN Yongming YAN Xiuliang MPD and its application to dril