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控压钻井技术优化开发非常规页岩气 作者：Brain Grayson, Bhavin Patel, Huub Gans, 翻译：曾静摘要：非常规能源如页岩油或页岩气的快速发展促使钻井和完井技术采用装配线方法。由于需要钻大量的井开发有潜力油藏，有必要采用新方法优化钻井过程，这需要工业工程方法，减少安装过程中的非生产时间，也降低了不可见的时间或未被察觉的低效的操作过程，本文讨论了如何应用MPD通过优化钻井参数实现钻井效率最大化，从而降低钻井过程中的平均比能（Mean Specific Energy）MPD技术应对钻井技术难点已经获得了工业的广泛认可，同时其能降低井控难度和环空漏失风险。研究发现页岩气钻井的建井施工过程比一些深水或其它具有挑战性的环境如更容易，应用MPD来将最大化页岩气开发的钻井效率可以通过减少油田开发时间来将成本最小化。由于消除了已知和未知的低效钻井，MPD可以减少50%的钻进时间。相比浪费多余时间处理井下事故，MPD特性是全部的钻进方案只快速识别和控制压力变化、并持续钻进。MPD通过优化泥浆比重、当量循环密度等钻井参数从而影响钻井过程。 平均比能是定量描述钻井效率的重要方法，本文讨论将不同的泥浆比重、钻压、扭矩钻井参数对平均比能的影响。在钻进中，MPD的应用对MSE有重要影响，本文将阐述如何在页岩气开发中应用MPD，与其它非常规开发方密林共同提高全过程钻进效率，实现允许快速、安全的建井和油田开发。它同时指出MPD的其它优势是通过更好的了解产层和裂缝特征来提升油田产量。前言：页岩油或页岩气在北美和世界各地已成为勘探开发的主要因素。钻页岩油藏可以等同于在与建井施工过程有关的地质环境已经非常了解和开发难度降低的情况。很少有需要强化井身结构设计、增加非生产时间和不利于钻进效率的意外出现，因此，在非常规页岩中钻井可以认为是装配线方法。与常规油藏比较，需要在具有低渗等地质特征的岩层每英亩上布一口无钻井资料井，绝大多数页岩油气藏需要用水力压裂技术，但却增加了生产成本，因此提高页岩层中钻进效率非常关键。页岩气开发井项目需要不同的前景加强每口井的钻井特性来降低油田开发成本。即使钻井效率增加量很小，也会因大量进尺而节省大量的成本。钻勘探井时由于窄地层-破裂压力窗口、小井涌余量、套管柱设计、井壁稳定的原因，面临大量的工程技术挑战。行业已认同控压钻井是能缓解这些挑战的有效方法。控压钻井的常规概念是这项技术能钻以前不能钻的井。应用控压钻井衍生了其它优点，例如，应用MPD钻井可以优化泥浆比重、泥浆流变性来提高钻井效率和减少不确定因素。本文将祥述其优势及在非常规油藏应用MPD优化钻进效率。机械比功（MSE）与岩石破碎有关的比功概念是破碎或钻进单位体积的岩石所需要的能量（Teale,1965），公式1简单描述了MSE方程，Teale指出钻穿岩石所需的最小比能等于岩石的抗压强度，Teale的试验环境是在常压下进行的 （1）Pessier证实在液柱静压力作用下钻进特性（drilling characteristics）及对MSE的影响有大幅变化，钻进时由于液柱静压力作用，岩石的强度增加。这表明破碎岩石所需要的单位比功是增加的，从而降低了钻进效率，图1分别是机械钻速与泥浆液柱压力和不同压差下的机械钻速。图1 泥浆静液柱压力和破裂压力密度与泥浆密度差对机械钻速的影响图2井底压力对破碎比功和钻井效率的影响Bourgoyne( Bourgoyne et al,1974)完成了对短层段钻进数据的多元回归分析，他们推导出公式2的表达式，这有利于关联泥浆密度变化与机械钻速的变化。 （2）公式3是公式2的简化形式，证明了过平衡对机械钻速的影响。它表示压差越小，机械钻速显著增加，也解释了欠平衡条件下能达到高机械钻速的原因。MPD的定义不允许在钻进过程中井底压力低于地层压力。减小过平衡值能提高机械钻速。 （3）提升空间（scope of improvement）作业商和服务公司为实时监测MSE提高钻进效率相当大量的工作。主要是通过控制钻压、转速、扭矩、钻头水力参数等钻进参数优化MSE。（Dupriest et al,2005 & Armenta, 2008）这些参数有利于提高钻进效率，不过受到井控、井壁稳定的需要引起的过平衡条件固有特征限制，如前文所述，井底过平衡条件对机械钻速有很大的影响。在过平衡钻井中，泥浆比重有两方面的作用：井控、井壁稳定，泥浆流变性对优化钻井水力特性有很大的作用。由于井控和井壁稳定要求，泥浆密度提供了必要的静液柱压力维持过平衡条件,它同时对MSE和ROP有重要的影响。泥浆比重降低将缓和井底过平衡条件从而通过提高钻进效率使机械钻速增加。在得克萨斯东部和路易斯安那西北地区Haynesville组成功应用MPD技术。MPD另一个应用在得克萨斯南部页岩气田，与常规钻井相比，成功的使用低密度钻井液。使用低比重泥浆能提高排量，促进井眼净化，提高机械钻速。与常规钻井10-20ft/hr相比，MPD技术机械钻速能达到50-80ft/hr。MPD-强化控制IADC的UBO和MPD委员会定义MPD是自适应钻进过程用来精确控制井眼环空压力剖面。任务是确定井底压力限制、控制相应环空水力压力断面。MPD倾向于防止地层流体持续涌进地面。由于使用合理的过程，任何作业过程中的附加流动都是安全的。MPD包含控制地表回压、流体密度、钻井液流变性、环空液面高度和井眼几何参数或上述综合因素。图3 P&I图是MPD在油田的应用的简化方案。增加了两个主要部件到常规钻井过程中。图 1 simplified managed pressure drilling P&I diagram MPD简化图旋转控制头（RCD）RCD是能使在正常钻进和起下钻作业中形成一个封闭井眼的技术。事实证明采用RCD在提高安全性和加强井眼控制非常重要的优势。陆地或海洋等作业环境决定了RCD的型号。市场上有多种不同的RCD可供使用。密封件和旋转部件的设计相应根据制造商的不同而变化。主要作用是用来分隔井眼环空和大气、也可以钻进过程中产生部分回压、旋转钻杆和起下钻。简单形式的MPD由RCD和手动或半自动节流阀组成。先进MPD的结构可能使用了水下串联全自动RCD组合系统和全自动节流阀。微流量控制系统、节流管汇（Microflux Control System/Choke Manifold）如图3所示，由于RCD的应用，钻井液流经MPD节流管汇（封闭井眼）而不是钻机的防喷管线（与大气连通）。这使钻进和起下钻过程中产生回压。使用自动控制系统，钻进参数的实时监测实现了对井底压力和当量循环密度的先进控制。采用Criolis流量计实时测量泥浆流速和密度数据。Weatherford的专利微流量控制技术使用主体平衡方法识别井涌或漏失等井底压力事故。应用修正方法设计自动系统反馈井涌或漏失等井底事故。节流阀由全自动PLC控制，允许高精确度和可靠的压力控制，能对潜在事故进行持续修正。多种类型的MPD技术回流控制钻进技术（HSE）这是使用RCD和MPD节流管汇的简化的MPD，为维持井控，井底压力总是保持在地层流体之上，在正常钻井作业前，消除了任何意外的井涌或漏失并应用修正措施。闭环系统结合正确程序确保恰当地缓和了对人、装备、环境的风险。恒定井底压力（CBHP）此类型MPD，采用环空摩擦压力（动态条件）和地面回压（静态条件）维持井底压力高于地层压力。泥浆单独产生的静液柱压力可能小于地层压力。压力主要由摩擦阻力损失、地面回压、或两者的综合作产生。MPD技术的一个很好例子是钻窄密度窗口井，井涌、井漏同时发生是常见的现象。增压泥浆帽钻井（PMCD）多种M PD促进持续钻进避免受遭受大量钻井液漏失，这项技术在井涌和漏失同时发生时可在井眼顶部维持一个恒定的压力。为维持井眼稳定，需要向环空中注入一段牺牲液（sacrificial fluid）双梯度钻井现场应用这项技术采用两种不同环空流体密度，低密度钻井液通过寄生管串或同心套管注入。核心目标是综合使用两种不同密度的钻井液来获得期望的井底压力。泥浆比重对进尺速率的影响以钻进效率分析的观点看，钻井液流变性、物理性、化学成分是关键因素。泥浆密度制约机械钻速，钻头水力特性、钻头水功率都受泥浆比重影响。图1是Berea砂岩层机械钻速与泥浆静液柱压力的对比。低井底压力下钻进速度或机械钻速非常高。由于压实作用的影响，深地层的岩石抗压强度较高，需要用高泥浆密度维持井壁稳定和井底压力，在钻深部岩层或高压地层时，过高的井底压力导致较低的机械钻速。图4是倾斜页岩层ROP与井深和泥浆密度与井深的对比。C=0.000666。公式3可计算不同泥浆比重下的机械钻速。状况1、钻15000ft至18000ft地层需将泥浆密度从14.1ppg提高至17.1ppg。状况2假定用14.1ppg泥浆密度钻相同井深间隔。第二个Y轴是不同深度的泥浆密度的数据。如图4所示，随泥浆密度增加，ROP显著减少。相反，在恒定14.1ppg下，在钻相同井深间隔时可以达到较高ROP。图4 plot showing effect of increase in mud weight on rop, rop vs drilling depth &mud weight vs. drilling depth实时ECD控制与优化MPD的CBHP方法利用地面回压来改变BHP或ECD，利用先进的水力参数模拟提供实时精确的BHP计算结果。井底工具传回的随钻压力数据是水力模拟方法的很好的基准点校正。PLC自动控制由地面回压大幅变化处理得到的BHP值精确控制地面回压。因此相对于常规钻井，实时监测和控制BHP或ECD值是钻低泥浆密度重要的方法。它有利于达到更高的机械钻速。结论：1. 北美和世界和地已经为勘探和开发页岩气钻了大量的井。装配线方法在钻完井技术中有得要的作用。即使很小的钻进效率提高也能节省油田开发成本。2. 提高页岩气钻进效率需减少可见和不可见的非生产时间（NPT due to slow ROP），提高机械钻速需优化MSE和提高钻进效率。3. 通过监测和控制钻井参数实时优化MSE是提高钻进效率和机械钻速的有效方法。钻压、扭矩、旋转速度实时调整有利于优化MSE。4. 井底压力对机械钻速有重要的影响，通过控制泥浆密度、地面回压、和泥浆组分优化BHP/ECD，从而优化MSE 提高机械钻速。5. 控压钻井技术能实时监测和优化井底压力，与常规钻井相比，MPD的CBHP技术能降低泥浆密度。6. 自动MPD系统实时监测和控制ECD/BHP可以降低过平衡值，大幅提高机械钻速和钻进效率。7. MPD技术在常规油藏中能有效开发高难井，在页岩层同样可以复制MPD技术。术语牙轮处泥浆密度，ppg机械钻速，ft/hrA井底面积，in2