控制压力钻井技术应用研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 石 油 钻 探 技 术 收 稿 日 期 改 回 日 期 作 者 简 介 王 果 男 河 南 邓 州 人 年 毕 业 于 武 汉 理 工 大 学 电 子 信 息 工 程 专 业 年 获 长 江 大 学 油 气 井 工 程 专 业 硕 士 学 位 中 国 石 油 大 学 北 京 油 气 井 工 程 专 业 在 读 博 士 研 究 生 主 要 从 事 井 眼 压 力 控 制 技 术 钻 井 信 息 计 算 机 处 理 等 方 向 的 研 究 联 系 电 话 钻 井 与 完 井 控 制 压 力 钻 井 技 术 应 用 研 究 王 果 樊 洪 海 刘 刚 公 培 斌 李 勇 石 春 林 中 国 石 油 大 学 北 京 石 油 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 北 京 昌 平 中 国 石 油 大 学 华 东 石 油 工 程 学 院 山 东 青 岛 北 京 强 度 环 境 研 究 所 北 京 摘 要 控 制 压 力 钻 井 是 已 在 国 外 得 到 应 用 的 一 种 先 进 钻 井 技 术 该 技 术 能 够 解 决 复 杂 地 层 钻 井 中 出 现 的 复 杂 问 题 提 高 钻 井 效 率 降 低 钻 井 成 本 介 绍 了 钻 井 技 术 的 目 标 优 点 和 实 现 方 法 加 深 了 对 技 术 的 特 征 及 相 关 概 念 的 理 解 为 研 究 和 发 展 这 一 技 术 提 供 了 理 论 基 础 介 绍 了 技 术 的 多 种 应 用 形 式 及 其 适 用 条 件 为 一 口 井 设 计 与 实 施 技 术 的 应 用 提 供 了 可 筛 选 的 方 案 技 术 的 应 用 需 要 配 套 的 设 备 监 控 系 统 和 水 力 学 程 序 相 互 配 合 才 能 完 成 其 中 配 套 的 设 备 是 应 用 技 术 的 首 要 条 件 对 技 术 的 相 关 设 备 进 行 了 介 绍 为 技 术 的 应 用 提 供 了 装 备 基 础 关 键 词 压 力 控 制 控 制 压 力 钻 井 井 口 压 力 井 底 压 力 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 文 章 编 号 目 前 采 用 常 规 钻 井 装 置 和 方 法 进 行 勘 探 有 时 是 不 经 济 的 尤 其 是 在 复 杂 地 层 情 况 下 由 于 孔 隙 压 力 和 破 裂 压 力 之 间 的 窗 口 通 常 比 较 小 常 会 遇 到 喷 漏 卡 和 塌 等 井 下 复 杂 情 况 不 但 会 延 长 钻 井 周 期 而 且 还 会 带 来 健 康 安 全 环 境 方 面 的 问 题 这 表 明 常 规 钻 井 方 法 在 这 些 条 件 下 不 适 用 为 了 保 证 在 各 种 条 件 下 都 能 安 全 钻 进 需 要 研 究 新 的 压 力 控 制 技 术 对 井 眼 压 力 进 行 精 确 控 制 和 保 持 控 制 压 力 钻 井 简 称 技 术 是 钻 井 过 程 中 进 行 压 力 控 制 的 一 个 较 新 方 法 应 用 该 技 术 能 很 好 地 解 决 上 述 问 题 欠 平 衡 钻 井 作 业 委 员 会 将 定 义 为 一 种 适 用 的 钻 井 程 序 用 于 精 确 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 压 力 剖 面 技 术 的 特 征 技 术 使 用 封 闭 承 压 的 钻 井 液 循 环 系 统 或 使 用 与 欠 平 衡 钻 井 技 术 相 关 的 装 备 进 行 平 衡 压 力 钻 井 主 要 用 来 解 决 与 钻 井 有 关 的 复 杂 问 题 或 与 可 钻 性 有 关 的 经 济 问 题 犕 犘 犇技 术 的 目 标 采 用 技 术 钻 井 的 首 要 目 标 是 解 决 一 系 列 与 钻 井 相 关 的 问 题 或 者 障 碍 增 强 可 钻 性 降 低 钻 井 成 本 美 国 近 来 使 用 闭 合 承 压 的 钻 井 液 循 环 系 统 钻 井 这 已 成 为 陆 地 钻 井 技 术 的 一 个 发 展 方 向 该 技 术 的 主 要 优 势 在 于 用 较 短 的 钻 井 时 间 较 低 的 费 用 提 高 了 井 控 能 力 从 而 使 陆 上 钻 井 技 术 更 加 完 善 技 术 的 最 终 目 标 是 最 优 化 钻 井 缩 短 非 生 产 时 间 和 减 少 钻 井 事 故 实 现 安 全 经 济 钻 进 由 于 应 用 技 术 能 缩 短 的 非 生 产 时 间 使 以 前 经 济 效 益 不 佳 的 油 气 井 或 者 没 有 经 济 效 益 的 油 气 井 开 始 具 有 工 业 开 发 价 值 犕 犘 犇技 术 的 优 点 技 术 可 以 精 确 控 制 整 个 井 眼 压 力 剖 面 避 免 地 层 流 体 的 侵 入 应 用 技 术 时 使 用 封 闭 承 压 的 钻 井 液 循 环 系 统 能 够 控 制 和 处 理 钻 井 过 程 中 可 能 引 发 的 任 何 形 式 的 溢 流 应 用 技 术 钻 井 可 以 在 关 井 接 单 根 时 加 回 压 确 保 关 井 压 力 非 常 接 近 循 环 和 钻 进 时 的 井 底 压 力 使 井 底 压 力 恒 定 采 用 技 术 钻 井 能 顺 利 通 过 窄 压 力 窗 口 层 段 采 用 技 术 钻 井 能 避 免 井 眼 压 力 超 过 地 层 破 裂 压 力 减 少 发 生 井 塌 井 漏 等 事 故 减 少 处 理 井 下 事 故 的 时 间 采 用 技 术 钻 井 能 优 化 井 身 结 构 应 用 技 术 钻 井 能 降 低 钻 井 成 本 犕 犘 犇技 术 控 制 的 变 量 控 制 井 口 压 力 当 井 底 压 力 发 生 变 化 时 可 通 过 旋 转 控 制 头 和 节 流 管 汇 来 控 制 井 眼 压 力 控 制 方 法 有 两 种 一 种 是 通 过 控 制 井 口 回 压 来 平 衡 井 底 压 力 另 外 一 种 是 在 井 筒 的 某 一 位 置 安 装 一 个 泵 通 过 泵 来 调 整 井 底 压 力 改 变 环 空 压 耗 当 循 环 钻 井 液 时 井 底 压 力 等 于 钻 井 液 静 液 柱 压 力 和 环 空 压 耗 之 和 通 过 改 变 钻 井 液 流 态 流 速 和 环 空 间 隙 通 常 是 改 变 钻 柱 组 合 的 外 径 和 长 度 就 可 以 控 制 环 空 压 耗 改 变 钻 井 液 参 数 可 通 过 改 变 钻 井 液 密 度 黏 度 排 量 或 者 相 关 联 的 方 式 来 实 现 例 如 低 密 度 钻 井 液 井 口 加 回 压 的 作 业 方 式 双 密 度 梯 度 钻 井 的 方 式 等 改 变 钻 井 液 温 度 或 固 相 含 量 通 过 改 变 钻 井 液 温 度 或 固 相 含 量 来 达 到 稳 固 井 眼 的 目 的 以 加 宽 地 层 孔 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 的 方 法 是 应 用 技 术 的 一 种 新 形 式 技 术 的 应 用 形 式 技 术 是 为 了 更 好 地 控 制 井 底 压 力 其 压 力 控 制 的 目 标 是 在 整 个 钻 井 作 业 过 程 中 无 论 是 否 钻 进 是 否 循 环 钻 井 液 都 能 精 确 控 制 井 底 压 力 使 其 维 持 恒 定 实 现 技 术 钻 井 的 形 式 有 多 种 下 面 介 绍 几 种 常 见 的 技 术 的 应 用 形 式 井 底 常 压犕 犘 犇 井 底 常 压 又 称 为 当 量 循 环 密 度 控 制 设 计 时 使 用 低 于 常 规 钻 井 方 式 的 钻 井 液 密 度 进 行 近 平 衡 钻 井 循 环 时 井 底 压 力 等 于 静 液 柱 压 力 加 上 环 空 压 耗 当 关 井 接 钻 杆 时 循 环 压 耗 消 失 井 底 压 力 处 于 欠 平 衡 状 态 在 井 口 加 回 压 使 井 底 压 力 保 持 一 定 程 度 的 过 平 衡 防 止 地 层 流 体 侵 入 理 想 的 情 况 是 静 止 时 在 井 口 加 的 回 压 等 于 循 环 时 的 环 空 压 耗 其 原 理 如 图 所 示 图 井 底 常 压犕 犘 犇基 本 原 理 井 底 压 力 恒 定 的 作 业 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 通 过 综 合 分 析 井 下 测 量 数 据 和 水 力 学 模 型 的 计 算 结 果 及 时 调 控 的 控 制 参 数 流 体 密 度 流 体 流 变 性 能 环 空 液 面 井 眼 几 何 尺 寸 井 口 回 压 水 力 学 摩 擦 阻 力 等 从 而 精 确 控 制 井 底 压 力 使 之 接 近 于 恒 定 避 免 压 裂 地 层 或 发 生 井 涌 双 梯 度犕 犘 犇 当 井 眼 内 有 两 种 密 度 不 同 的 钻 井 液 时 称 之 为 双 梯 度 这 种 技 术 的 典 型 实 现 方 式 是 通 过 往 双 壁 钻 杆 的 环 空 附 着 在 套 管 外 面 的 寄 生 管 或 者 隔 水 导 管 内 注 入 低 密 度 钻 井 液 来 完 成 的 从 连 接 点 处 开 始 注 入 空 气 惰 性 气 体 低 密 度 钻 井 液 或 固 体 添 加 物 以 降 低 从 这 一 点 到 地 面 之 间 的 钻 井 液 密 度 应 用 双 梯 度 的 目 的 不 是 降 低 当 量 钻 井 液 密 度 或 者 有 效 的 井 底 压 力 使 其 低 于 地 层 压 力 相 反 这 样 做 的 目 的 是 避 免 严 重 的 过 平 衡 使 其 不 超 过 破 裂 压 力 其 原 理 如 图 所 示 图 双 梯 度犕 犘 犇基 本 原 理 第 卷 第 期 王 果 等 控 制 压 力 钻 井 技 术 应 用 研 究 对 海 上 钻 井 而 言 有 两 种 实 现 方 式 第 一 种 是 在 隔 水 导 管 的 指 定 深 度 注 入 低 密 度 的 介 质 来 调 整 井 底 压 力 而 不 用 改 变 下 部 钻 井 液 的 密 度 这 些 低 密 度 介 质 包 括 惰 性 气 体 轻 质 流 体 玻 璃 小 球 或 轻 质 固 体 添 加 物 例 如 塑 料 小 颗 粒 等 第 二 种 是 为 了 实 现 深 水 钻 井 双 梯 度 通 过 附 加 在 钻 井 隔 水 导 管 上 的 钻 井 液 上 返 管 线 把 钻 井 液 和 岩 屑 从 海 底 泵 送 到 地 面 第 二 种 实 现 方 式 钻 井 隔 水 导 管 内 填 充 的 是 海 水 这 两 种 实 现 方 式 井 眼 内 都 存 在 两 种 不 同 密 度 的 钻 井 液 其 中 高 密 度 的 钻 井 液 在 泵 入 注 入 点 以 下 低 密 度 的 钻 井 液 在 这 点 之 上 加 压 钻 井 液 帽犕 犘 犇 加 压 钻 井 液 帽 是 一 种 处 理 严 重 井 漏 的 钻 井 方 法 把 预 先 设 计 好 的 高 密 度 钻 井 液 通 过 旋 转 控 制 头 泵 入 到 环 空 上 部 这 段 钻 井 液 帽 起 到 封 隔 环 空 的 作 用 使 用 相 对 密 度 较 小 并 且 无 害 的 钻 井 液 例 如 海 水 来 钻 开 压 力 衰 竭 地 层 岩 屑 和 通 过 钻 杆 注 入 的 低 密 度 钻 井 液 漏 进 目 的 层 的 裂 隙 中 这 样 不 但 提 高 了 机 械 钻 速 而 且 进 入 衰 竭 地 层 的 钻 井 液 费 用 低 于 常 规 钻 井 液 应 用 常 规 钻 井 技 术 会 发 生 完 全 漏 失 或 接 近 完 全 漏 失 但 应 用 该 技 术 不 但 提 高 了 井 控 能 力 而 且 对 储 层 伤 害 也 比 较 小 其 基 本 原 理 如 图 所 示 图 加 压 钻 井 液 帽犕 犘 犇基 本 原 理 无 隔 水 管犕 犘 犇 使 用 海 水 进 行 无 隔 水 导 管 钻 井 时 为 了 建 立 水 下 井 位 需 要 使 用 水 下 旋 转 控 制 头 和 遥 控 潜 水 器 使 用 或 者 水 下 自 动 节 流 装 置 来 调 整 海 底 井 口 的 回 压 通 过 减 小 水 下 节 流 阀 开 度 来 提 高 井 底 压 力 看 起 来 就 好 像 在 水 下 井 位 使 用 了 充 满 钻 井 液 和 岩 屑 的 隔 水 管 钻 进 结 果 是 控 制 压 力 的 能 力 比 使 用 钻 井 液 时 还 大 并 且 能 有 效 避 免 水 下 流 速 对 隔 水 管 的 影 响 其 原 理 如 图 所 示 图 无 隔 水 管犕 犘 犇基 本 原 理 井 眼 强 化犕 犘 犇 在 世 纪 年 代 的 早 期 已 经 通 过 实 验 开 始 研 究 钻 井 液 中 的 固 相 含 量 对 井 眼 的 强 化 加 固 作 用 当 提 高 钻 井 液 密 度 时 这 些 固 相 能 有 效 堵 塞 薄 弱 地 层 产 生 的 微 裂 缝 这 给 人 的 感 觉 好 像 不 是 应 用 技 术 因 为 应 用 技 术 是 需 要 封 闭 的 加 压 的 钻 井 液 上 返 系 统 但 是 它 通 过 加 宽 井 下 地 层 孔 隙 压 力 和 破 裂 压 力 之 间 的 窗 口 实 现 了 相 似 的 目 标 现 在 人 们 已 重 新 开 始 加 强 该 技 术 的 应 用 研 究 井 下 泵 送犕 犘 犇 井 下 泵 送 的 应 用 形 式 是 在 钻 杆 上 安 装 一 个 钻 井 液 动 力 泵 使 用 这 个 泵 给 环 空 内 上 返 的 钻 井 液 增 加 动 力 这 样 会 在 泵 送 点 产 生 突 然 的 压 力 改 变 从 而 降 低 环 空 压 耗 对 井 底 压 力 的 影 响 其 原 理 如 图 所 示 图 井 下 泵 送犕 犘 犇基 本 原 理 石 油 钻 探 技 术 年 月 应 用 技 术 需 要 的 装 备 控 制 压 力 钻 井 技 术 尽 管 有 几 种 不 同 的 作 业 形 式 但 要 保 证 该 技 术 成 功 应 用 一 般 要 满 足 个 条 件 一 套 封 闭 承 压 的 钻 井 液 循 环 系 统 与 装 置 相 连 钻 前 水 力 学 优 化 设 计 训 练 有 素 且 熟 悉 这 一 概 念 的 工 程 技 术 人 员 其 中 配 套 的 装 备 是 应 用 技 术 的 基 础 主 要 包 括 旋 转 控 制 装 置 地 面 压 力 控 制 装 备 连 续 循 环 系 统 多 相 分 离 装 置 以 及 其 他 已 开 发 并 应 用 的 专 用 设 备 等 旋 转 控 制 头 在 钻 井 作 业 中 旋 转 控 制 头 在 井 眼 环 空 与 钻 柱 之 间 起 密 封 作 用 以 提 供 安 全 有 效 的 压 力 控 制 同 时 还 能 将 井 眼 内 的 返 出 流 体 导 离 井 口 另 外 密 封 胶 心 还 能 随 钻 杆 或 方 钻 杆 旋 转 承 压 钻 进 时 靠 旋 转 控 制 头 胶 心 封 住 方 钻 杆 或 钻 杆 在 井 口 有 一 定 压 力 的 情 况 下 钻 井 液 不 能 喷 上 钻 台 只 能 沿 旁 侧 出 口 流 出 实 现 带 压 钻 进 作 业 从 而 可 以 在 地 面 控 制 环 空 回 压 使 井 底 压 力 精 确 地 保 持 在 一 定 范 围 内 避 免 发 生 井 喷 连 续 循 环 系 统 连 续 循 环 系 统 简 称 能 够 建 立 一 个 易 于 控 制 的 稳 定 的 钻 井 液 体 系 尤 其 是 有 气 体 存 在 的 时 候 使 用 新 型 连 接 器 能 够 设 定 钻 机 入 口 压 力 钻 井 液 流 量 及 出 口 压 力 并 保 持 连 续 控 制 使 用 新 型 连 接 器 在 接 单 根 时 不 必 使 用 单 向 阀 来 防 止 钻 井 液 从 钻 柱 内 上 返 井 口 现 已 证 明 单 向 阀 作 业 费 事 重 新 建 立 循 环 时 会 产 生 过 大 的 压 力 波 动 连 续 循 环 系 统 能 够 在 钻 井 中 获 得 最 佳 井 下 压 力 和 压 力 梯 度 连 续 循 环 系 统 的 工 作 原 理 为 采 用 顶 驱 钻 机 时 通 过 接 箍 顶 驱 连 接 工 具 和 钻 井 液 分 流 管 汇 的 配 合 实 现 连 续 循 环 接 单 根 时 接 箍 体 上 下 两 个 闸 板 密 封 钻 杆 周 围 接 头 位 于 全 封 闸 板 和 下 部 闸 板 之 间 钻 井 流 体 在 循 环 压 力 作 用 下 进 入 接 箍 体 内 平 衡 钻 柱 内 外 压 力 卸 扣 上 提 钻 杆 关 闭 全 封 闸 板 上 部 卸 压 后 将 公 扣 连 接 部 分 提 出 接 箍 体 此 时 钻 井 流 体 通 过 接 箍 下 部 循 环 进 入 钻 柱 中 连 接 在 顶 驱 上 的 新 的 单 根 进 入 接 箍 体 上 部 闸 板 密 封 钻 杆 周 围 循 环 系 统 注 入 钻 井 液 恢 复 上 部 压 力 当 上 下 两 部 分 压 力 平 衡 时 打 开 全 封 闸 板 新 的 单 根 下 放 释 放 接 箍 体 内 压 力 打 开 密 封 移 开 接 箍 钻 井 再 次 开 始 整 个 过 程 循 环 不 间 断 当 量 循 环 密 度 降 低 工 具 当 量 循 环 密 度 降 低 工 具 简 称 由 三 部 分 组 成 上 部 是 一 涡 轮 马 达 从 循 环 液 中 吸 收 液 压 能 并 将 其 转 换 成 机 械 能 中 部 是 一 台 由 涡 轮 马 达 驱 动 的 多 级 混 输 泵 下 部 由 轴 承 和 密 封 装 置 组 成 配 有 备 用 应 急 密 封 的 密 封 装 置 密 封 钻 柱 和 井 眼 之 间 的 环 空 在 需 要 压 力 差 的 情 况 下 自 动 开 启 当 工 作 时 随 钻 柱 下 入 井 内 泵 由 涡 轮 驱 动 吸 取 环 空 返 回 的 钻 井 液 减 轻 下 部 井 段 的 当 量 循 环 密 度 降 低 井 底 压 力 同 时 提 高 上 部 套 管 段 的 当 量 密 度 保 持 井 筒 上 部 的 较 高 压 力 可 控 钻 井 液 帽 钻 井 系 统 可 控 钻 井 液 帽 系 统 简 称 与 类 似 通 过 一 个 钻 井 泵 调 节 钻 井 液 帽 的 液 面 高 度 来 更 好 地 控 制 井 底 压 力 系 统 的 基 本 原 理 如 图 所 示 隔 水 管 单 根 通 过 高 压 阀 与 钻 井 液 举 升 泵 相 连 泵 系 统 通 过 回 流 管 线 和 灌 浆 液 输 送 管 线 与 钻 井 液 池 相 连 泵 可 以 增 加 或 减 小 隔 水 管 中 钻 井 液 的 体 积 调 节 隔 水 管 中 钻 井 液 的 液 面 高 度 实 现 井 底 压 力 控 制 图 可 控 钻 井 液 帽 钻 井 基 本 配 置 监 测 控 制 系 统 技 术 采 用 封 闭 的 加 压 的 钻 井 液 循 环 系 统 使 用 计 算 机 自 动 控 制 才 能 实 现 井 底 压 力 的 精 确 第 卷 第 期 王 果 等 控 制 压 力 钻 井 技 术 应 用 研 究 控 制 实 时 监 控 系 统 要 能 完 成 数 据 采 集 数 据 存 储 数 据 监 测 数 据 分 析 数 据 处 理 压 力 控 制 和 实 时 报 警 等 功 能 监 控 系 统 主 要 由 测 量 控 制 模 块 和 水 力 计 算 模 块 两 部 分 构 成 测 量 和 控 制 模 块 可 以 分 开 设 计 测 量 模 块 用 来 测 量 节 流 阀 位 置 同 时 还 可 作 为 传 感 器 接 口 来 使 用 控 制 模 块 用 来 进 行 压 力 控 制 对 井 口 设 备 的 可 控 门 阀 进 行 逻 辑 开 关 控 制 包 含 自 动 开 关 辅 助 节 流 支 路 并 行 双 路 压 力 控 制 的 功 能 同 时 还 要 提 供 详 细 的 系 统 诊 断 功 能 水 力 学 计 算 模 块 是 井 下 测 量 数 据 的 一 个 非 常 重 要 的 补 充 手 段 井 下 测 量 工 具 传 回 的 数 据 通 常 不 能 直 接 应 用 并 且 容 易 受 井 下 复 杂 情 况 的 影 响 因 此 使 用 水 力 计 算 模 型 对 井 眼 环 空 压 力 进 行 校 正 计 算 是 非 常 有 必 要 的 水 力 模 型 通 过 使 用 描 述 井 眼 状 况 的 数 据 集 合 并 综 合 地 面 和 井 下 实 时 测 量 数 据 等 参 数 来 计 算 环 空 压 力 的 大 小 以 获 得 所 期 望 的 井 底 压 力 结 论 与 认 识 技 术 具 有 诸 多 优 点 和 实 现 方 法 通 过 深 入 理 解 技 术 的 特 征 及 其 相 关 概 念 对 该 技 术 的 发 展 组 织 和 实 施 至 关 重 要 同 时 对 其 研 究 应 用 也 提 出 了 更 高 的 要 求 技 术 的 应 用 有 多 种 形 式 就 具 体 的 某 一 口 井 而 言 有 多 种 的 应 用 形 式 可 以 采 用 因 此 需 要 进 行 更 多 更 详 细 的 研 究 来 决 定 采 取 何 种 应 用 形 式 以 最 大 程 度 地 发 挥 技 术 的 优 势 技 术 的 应