控制压力钻井在沙特气田的应用

第 3 1 卷 第 5期 2 0 0 9年 1 0月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG P R0DUCT1 0N TECHNOLOGY V0 1 31 No 5 Oc t 2 0 0 9 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 0 9 0 5 0 0 3 6 0 4 控 制压力钻 井在沙特气 田的应用 张洪杰 张德友 刘亚斌 1 威德福亚太有限公 司 北京 1 0 0 0 2 0 2 中海油田服务股份 有限公 司 天津3 0 1 0 2 9 摘要 控制压力钻井 Ma n a g e d P r e s s u r eD r i l l i n g 在国际上得到了广泛的应用 其原理是通过控制井1 7 回压控制井底压力 从而达到整体控制钻井过程的 目的 这种钻井工艺可 以解决复杂地质 问题造成的影响 避 免发 生井涌与井漏 尤其对钻 井液密 度窗口小的地层优势更为突出 介绍了控制压力钻井的一种 恒定井底压力钻井的原理 优点 主要设备 在沙特气田的现 场应用表明 恒定井底压力钻井技术可以保持 当量循环密度在动态和静态时恒定 缩短了作业时间 减少了对储层的损害 关键词 控制压力钻井 恒定井底压力 环空摩擦力 回压 当量循环密度 沙特气田 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 B The fi e l d a pp l i c a t i o n o f ma na g e d pr e s s ur e d r i l l i n g i n Sa udi Ar a b i a g a s fi e l d Z H A N G H o n g i ie Z H A N G D e y o u L IU Y a b in 1 W e a t h e rf o r d A s i a P a c ific P t e L t d B e j i n g1 0 0 0 2 0 C h i n a 2 C h i n aO i lfie MS e r v i c e s L i mi t e d T ia n j i n 3 0 1 0 2 9 C h i n a A b s t r a c t D u r i n g Ma n a g e d P r e s s u r e D ri l l i n g MP D B HP B o t t o m H o l e P r e s s u r e c a n b e c o n t r o l l e d t h r o u g h a d j u s t i n g s u r f a c e b a c k p r e s s u r e S O d r i l l i n g o p e r a t i o n i s a l wa y s u n d e r c o n t r o 1 W i t h t h i s a d v a n t a g e M P D c a n s o l v e t h e c o mp l i c a t e d g e o l o g i c p r o b l e ms a n d a v o i d l o s s k i c k s c e na r i o b y us i n g s ur f a c e ba c k p r e s s ur e a n d i t i s a goo d s o l ut i o n f o r d r i l l i n g na r r o w o pe r a t i o n a l wi nd ow f o r ma t i o n M P D c a n b e d i v i d e d i n t o 4 t y p e s o f s u b d ril l i n g me t h o d b u t t h i s p a p e r wi l l f o c u s o n o n e wh i c h i s Co n s t a n t Bo t t o m Ho l e P r e s s u r e Dri l l i n g CB HP T h i s p a p e r p r o v i d e s t h e d e fi n i t i o n o f MPD a n d a n a l y z e s t h e t h e o r y b e n e fi t s a n d e q u i p me n t n e e d e d for CBHP o p e r a t i o n a n d a l s o t h e fi e l d a p p l i c a t i o n o n t h e F r a s s 一 0 0 0 1 W e l l i n S a u d i Ar a b i a Ke y wo r d s ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g C BHP a n n u l a r f r i c t i o n p r e s s u r e s u r f a c e b a c k p r e s s u r e ECD 国内大多数 油气 田进入开发中晚期后 越来越 多地将勘探开发作业转移到难钻探 的复杂地层 随 之出现 了很多钻井难题 使钻井作业越来越具有挑 战性 控制压力钻井是对常规钻井技术的改进 可 以解决不同的钻井难题 恒定井底压力钻井作为控 制压力钻井技术 的一种 已经越来越多地应用在地 层孔隙压力 地层坍塌压力 和破裂压力接近 作业 窗 口窄的区域 并取得 了较好的应用效果 1 控制压力钻井技术简介 Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g i n t r o d u c t i o n 控制压力钻井是一种改进的钻井工艺 利用特 殊的地面设 备和工程方法 精确控制整个井筒的环 空压力剖面 其 目的是对井下压力状况做到胸中有 数 并据此控制环空液柱压力 从而控制井底压力 在常规的过平衡钻井 中 任何时候井底压力都大于 储层压力 而井底压力为环空静液柱压力 环空摩擦 力及地面回压之和 在控制压力钻井过程 中 对地 面 回压进行控制 从而对井底压力进行调节 使井底 压力等于或稍大于储层压力 在常规钻井过程 中 由于井控的需要 要保证任 何情况下 包括停泵环空摩擦力为 0时 井底压力 都大于储层压力 所以需要使用较高密度的钻井液 而在正常钻进过程中 由于引入环空摩擦力 井底压 作者简介 张洪杰 2 0 0 6年毕业于中国石油大学 北京 石油工程专业 欠平衡钻 井工程师 电话 0 1 0 5 8 2 8 0 5 0 0 E ma i l z h a n g h o n i e 1 9 8 4 y a h o o c o rn 张洪杰等 控制压力钻井在沙特气田的应用 3 7 力将远高于储层压力 造成储层伤害 在一些作业窗 口窄 的区域 还 可能出现边喷边漏等 问题 如图 1 所示 的钻井作业 窗 口 1 图 1中绿色线为常规钻井 过程 中井底压力变化趋势 可以看出 井底压力不是 恒定 的 而是在一定范围内 如果作业窗 口足够大 则不会出现井漏或井涌 钴趔j 时 l剐 图 1 常规钻井与控制压力钻井作业对 比 Fi g 1 Op e r a t i on a l wi n do w ofc o nv e nfio na l d r i l l i n g 在恒定井底压力钻井过程 中 因停泵而消失 的 环空摩擦力可以通过调节地面设备 施加适 当的地 面回压进行补偿 从而保证井底压力恒定 图 1 通 过设计使其维持在作业窗 口内 接单根时施加地面 回压来弥补消失 的环空摩擦 力 循环 时降低地面 回 压或不施加地 面回压 由此避免漏失或井涌等钻井 问题 的出现 2 技术优点及所需设备 The a p pl i c a t i o n m e t h o d a d va n t a g e s a nd e q u i p me n t r e q u i r e d f o r c o n s t a n t b o t t o m h o l e pr e s s u r ed r i l l i n g 2 1 技术优点 Th e a p pl i c a t i o n me t h o d o f CBHP 1 解决作业窗 口小 地层孔 隙压力和破裂压力 接近等地质问题 2 允许使用较低密度的钻井液 节约钻井液材 料 3 减少对储层的伤害 4 提高机械钻速 5 避免井底压力波动 提高井眼稳定性 6 更灵活 快速地控制不可预见的井涌 7 避免假井涌的发生 2 2 主要 设备 Th e a d va n t a g e s o f CBHP 多数控制压力钻井不需要对井队现有设备进 行较大改变 需要做 出的最大改变就是井 口返 出至 振 动筛的接头 和管线 对 于不 同的施工作业 可能 还需要在立管管汇处做一些改动 任何一项欠平 衡钻井项 目或控制压力钻井 项 目都需要考虑 的问 题是井 队防喷器与钻 台之 间距 离是否足够安装旋 转控制头 2 2 1 旋转控制头 主要作用是封闭环空的同时将 环空返出的流体导流至节流管汇 其原理是将密封 胶芯置于钻杆或方钻杆周围 从而对环空有效密封 允许钻杆或方钻杆转动或上下活动 旋转控制头本 体置于防喷器之上 胶芯磨损后可 以将其起 出转盘 面进行更换 2 2 2 控制压 力钻井节流管汇这是恒定井底压力 钻井过程 中最重要 的设备之一 可 以通过调节节流 器开关大小来调节 回压 从而保证静态和动态 的井 底压力恒定 此项 目使用 的控制压力钻井节流管汇 是半 自动控制节流管汇 通过在控制柜上设定需要 的回压 节流管汇可以 自动调节压力 不受返出流量 大小的影响 2 2 3 流动 管线恒定 井底压力钻井 中使用 的节 流管汇之前 的主流动管线都是 01 5 2 mm承压 3 4 5 MP a的管线 连接后需要进行试压 压力需试到旋转 控制头的工作压力 2 2 4 井下套管阀 与套管一起下人井内的井下阀 门 两条控制管线 回接至地面控制柜 可以通过控制 柜在地面控制套管 阀的开关 从而保证作业的安全 和减小抽吸压力的影响 起钻过程 中维持需要 的回 压 当钻头起到套 管阀之上时 关 闭套管阀 将套管 阀以下的井筒隔离 卸掉套管阀之上的回压 将旋转 控制头轴承卸掉 继续起钻 下钻至套管阀之上 安 装旋转控制头轴承 打开套管阀后施加需要 的回压 继续下钻 2 2 5 钻杆单流阀 可以防止任何流体在钻杆内由 井底流至地面 2 2 6 控压钻井 多相分离器如果预计有较大量井 涌 则推荐使用多相分离器 控制压力钻井分离器 与井队分离器 比较 有 以下优点 1 可以通过一个 带压槽来处理井涌和地层侵入 2 带 1 个有液柱的 罐 防止气体 流至振 动筛 使用井队分离器经常会 发生可燃性气体流至振动筛 2 2 7 数据采集 系统 由于恒定井底压力钻井相当 于近平衡钻井 需要进行较严格 的压力控制 因此对 影响 当量循环密度 的参数进行 实时监控是必要 的 建议使用可 以监测泥浆罐容积 立压 套压以及泵排 3 8 石油钻采工艺2 0 0 9年 1 0月 第 3 1 卷 第 5期 量 的数据采集系统 井队采集 的深度 扭矩 转速和 其他参数也是必须的 3 作业概况 Fi e I d o p e r a t i o n o f CBHP i n S a u d i Ar a b i a x井是中石化与沙特阿美公司合作 的沙特气田 的一口井 设计产层在 O 2 1 2 7 mm和 01 4 9 2 mm井 眼段 但后来通过地质取心分析 确定下 01 7 7 8 mm 尾管完钻 完钻井深 5 2 0 2 m 3 1 钻前设计 Pr e dr i l l i ng d e s i g n 此井设 计 为直 井 4 6 0 0 5 2 0 2 m 的 02 1 2 7 mm 井段应用恒定井底压力钻井 在接单根或起下钻等停止循环 的情况下 需要 施加地面 回压来维持井底压力恒定 回压大小等于 消失的环空摩擦力 环空摩擦力用软件模拟后得出 接单根时 停泵需分几步进行 在分步降低泥浆泵泵 冲时 需要 同时增加施加的地面回压弥补减少的环 空摩擦压耗 直到完全停泵后摩擦压耗完全消失 回 压达到设计值 接完单根开泵时 同样分步进行 其 方法与停泵相反 甲方根据邻井资料预测此井在 4 6 0 0 m处孔隙 压力 当量密度为 1 4 2 1 4 6 g c m 因此设计使用密 度为 1 4 4 g c m 的钻井液 循环时加上环空摩擦力 静止时通过施加地面回压来保持井底压力稍大于地 层孑 L 隙压力 避免井涌和井漏的发生 现场设备布置见 图 2 正常钻进过程 中 没有气 体产出 用泥浆泵循环 返 出流经威德福控制压力钻 井节流管汇流至振动筛 接单根时通过压井泵循环 以施加 回压 图 2 恒 定 井底 压 力钻 井 设备 布置 图 Fi g 2 E q u i p me n t l a y o u t o f CBHP 3 2 现场施工 Fi e l d a p pfi c a fio n 开始使用密度 为 1 4 4 g c m 的钻井液 当量循 环密度为 J 4 6 8 g c m 但是观察 到气体产 出量持续 增加 提高钻井液密度 使 当量循环密度达到 1 4 7 8 g c m 气体产出量减少 表 1 为软件模拟的接单根时分步停泵程序 2 3 号泵为泥浆循环泵 1 号泵为压井泵 正常钻进或循 环时 使用的泵冲数为 8 4冲 mi n 回压为 0 9 MP a 接单根时分 6步停泵 降低泵 冲数的同时将回压提 高至对应值 以维持井底压力恒定 关闭 2 3号泵时 开启 1 号压井泵 维持井 V 1 循环 以施加 回压 完全 停止循环时 环空摩擦力完全消失 需要施加的回压 为 5 2 MP a 接完单根需要重新开泵钻进肘 J 相反 的步骤逐步提高泵冲数 逐步降低 回压至正常钻进 所需数值 即 0 9MP a 表 1 接单根停泵程序 T a bl e 1 Ra mp do wn p r oc e du r e be f o r e c on n e c t i o n 起下钻过程中 设计使用威德福井下套管阀 无 需压井 但由于在将套管 阀下入井 内过程 中 井 口 处的两根软管线磨损 使套管阀无法正常工作 所以 每次起下钻需要泵人一定量重浆以平衡地层压力 随着井深的增加 地层压力上升 需要提高钻井 液密度来平衡地层压力 完钻时使用的钻井液密度 为 1 6 g c m 3 3 应用效果对比 Ap pfi c a fio n pe r f o r ma n c e Y井为同区块井身设计相 同但未实施恒定井底 压力钻井的邻井 在钻穿同一地层时 由于气体 的存 在 随着井深增加 所使用的钻井液密度 由 1 5 g c m 升至 1 8 4 g c m 在钻进过程 中经常发生遇阻现象 每次接单根之前都至少需要进行两次划眼 Y井作 业时间为 6 5 d 非生产时问 7 6 d X井作业时间 4 0 d 非生产时问为 1 1 d 4 结论 Co n c l u s i o ns 1 控制压力钻井作为欠平衡钻井技术 的一种 张洪杰等 控制压力钻 井在 沙特 气田的应用 3 9 上接 第 3 5页 采用 现 场 的 喷嘴 组合 钻 头压 力 降 仅为 0 3 1 MP a 远不能满足喷射钻井 的条件 但是 如果采取 降低一定流量 的方法 流量 降低 2 3 L s 立管压力变 化不大 但管内压耗降低 2 2 3 MP a 钻头压力降增加 近 3 MP a 钻头水力能量利用效率 由原来的不足 2 增加到 1 7 可 以设 想 如果按 照最小流量法设计 水力参数 必将大幅度地提高水力能量的利用效率 进而提高超深井的钻井速度 3 结论与建议 Co n c l us i o n s a n d s u g g e s t i o n s 1 充分利用水力能量可提高超深井钻井速度 减小压力损失 2 在保证正常钻进前提下 可通过尽量采用大 尺寸钻杆 降低黏度 减小密度和流量达到降低循环 压耗及增加水力能量利用效率的目的 3 建议超深井钻井中采用最小流量法设计水力 参数 以实现喷射钻井条件 提高钻井速度 参考 文献 Re f e r e n c es 1 MAUR E R W C Ad v a n c e d d r i l l i n g t e c h n o l o g y M Tul s a Th e Pe t r ol e u m P ubl i s h i n g Co mpa n y 1 98 0 2 孟祥玉 陈越 杲传 良 钻井参数优选技术在胜利油田 深 井中的应