石磊 陳平 胡澤 黃萬志

“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學

井下微流量控制方法

石磊 陳平 胡澤 黃萬志

“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學

近幾年,國外在常規(guī)鉆井和欠平衡鉆井技術的基礎上發(fā)展出了一種被稱為控壓鉆井(MPD)的新技術,該技術主要用于解決窄鉆井液密度窗口地層的安全鉆井問題,其核心是要求精確控制井眼環(huán)空壓力剖面。但作為一種新的鉆井技術,控壓鉆井現(xiàn)有的方法理論和硬件系統(tǒng)尚存在一定的不足,有待于完善。文中介紹的井下微流量控制方法屬于控壓鉆井技術中的一種,是對現(xiàn)有地面微流量控制方法的改進,能夠隨鉆監(jiān)測井下環(huán)空流量的變化,及早發(fā)現(xiàn)溢流或井漏等井下復雜情況,與地面返出環(huán)空流量監(jiān)測相配合,進而調節(jié)井口回壓閥的開度,通過改變井底壓力來控制溢流或井漏的大小,從而實現(xiàn)對環(huán)空流量的精確控制。該方法能夠顯著提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性,從而提高鉆井的安全性并降低鉆井成本。

控壓鉆井 井下微流量控制 隨鉆測試 環(huán)空流量 井口回壓閥開度 溢流 井漏 安全性

隨著油氣勘探開發(fā)難度的加大,人們相繼發(fā)展了雙梯度鉆井、泥漿帽鉆井、井底恒壓鉆井等各種控壓鉆井(M PD)方式來滿足復雜地區(qū)鉆井的需要[1-3]。目前控壓鉆井按照控制對象,可分為環(huán)空壓力剖面控制和環(huán)空流量控制兩類,上述幾種M PD都屬于環(huán)空壓力剖面控制,而微流量控制方法則屬于環(huán)空流量控制。相較于監(jiān)測環(huán)空壓力,對環(huán)空流量的監(jiān)測能極大地提高溢流、井漏等井下復雜情況監(jiān)測的準確性和靈敏性。而對于環(huán)空流量監(jiān)測本身(尤其針對氣井),在地面監(jiān)測和在井下監(jiān)測也存在著很大的差別,直接影響到一口井后續(xù)井控的能力,甚至關系到鉆井作業(yè)的成敗。本文介紹的井下微流量控制方法能夠隨鉆監(jiān)測井下環(huán)空流量的變化,進而調節(jié)井口回壓閥的開度,通過改變井底壓力來控制溢流或井漏的大小,從而實現(xiàn)對環(huán)空流量的控制。

1 井下環(huán)空流量測量裝置設計

為了及時準確的監(jiān)測由溢流或井漏引起的井下環(huán)空流量的變化,必須安裝井下環(huán)空流量測量裝置。然而由于環(huán)空流體的多相混合特性以及鉆鋌壁厚、鉆柱振動等因素的限制,使得超聲波、電磁等測量方法很難應用于此處。筆者介紹了采用節(jié)流壓差法進行井下環(huán)空流量測量的方法,其測量裝置結構如圖1所示。

圖1 井下流量測量裝置結構示意圖

該測量裝置內置壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡,并通過多芯接頭與隨鉆測井(MWD)裝置連接。可實時采集壓力傳感器的信號并進行簡單處理,之后把采集的壓力數(shù)據(jù)通過MWD傳至地面進行分析,即可得到井底實時的環(huán)空流速(流量)。

該方法能夠成功實施的關鍵是節(jié)流元件的設計。由于節(jié)流法測量流量需要在節(jié)流元件兩端產生一個壓力差來反映通過節(jié)流元件的流量大小,這就會增大節(jié)流元件下部的環(huán)空壓力值,使得環(huán)空壓力剖面發(fā)生變化,從而影響鉆井設計及施工的各個方面。為了降低對鉆井的影響,該壓差值應選擇盡可能小,但又必須保證目前能夠用于井下環(huán)境的壓力傳感器測量精度的需要。

基于井下安全的考慮,這里選擇被廣泛應用于鉆井現(xiàn)場的井下穩(wěn)定器作為節(jié)流元件的參考結構。在產生需要壓差的前提下,為了保證鉆井液(包括巖屑)能夠沿流道順利通過節(jié)流元件而不發(fā)生阻塞,這里使用多級節(jié)流的方法來達到預期的節(jié)流效果,如圖2所示。

圖2 節(jié)流元件結構示意圖

井下流量測量裝置能夠檢測出最小1 L/s的溢流或井漏量,并且是在井底進行的實時監(jiān)測。這較之于現(xiàn)有通過井口流量變化、含氣量及泥漿池液面變化等方式進行的監(jiān)測,是一種極大的提高,為鉆井安全提供了更為可靠的保證。

2 井下微流量控制系統(tǒng)

井下微流量控制系統(tǒng)主要由以下幾部分構成:井下流量測量及信號傳輸系統(tǒng)、地面參數(shù)測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、專用地面節(jié)流管匯和中央控制系統(tǒng)[4-5]。該控制系統(tǒng)的組成如圖3所示。

井下環(huán)空流量測試系統(tǒng)及地面參數(shù)(包括進、出口流量,井口回壓,井口溫度等)測量系統(tǒng)是該控制系統(tǒng)的核心部分,通過分析其實時采集的各種數(shù)據(jù),可以及早判斷井下復雜情況;專用節(jié)流管匯是鉆井液循環(huán)管道的地面主體組成部分,其上面安裝有2個可控電動節(jié)流閥,一個正常工作,一個作為備用;中央控制系統(tǒng)則主要負責對所采集的各路信號進行處理及分析,并發(fā)出控制信號來調節(jié)節(jié)流閥的開度[6-8]。

圖3 微流量控制系統(tǒng)組成示意圖

圖4 井下微流量控制系統(tǒng)流程圖

鉆井過程控制流程圖如圖4所示。在鉆井過程中實時監(jiān)測井下環(huán)空流量,并通過MWD把數(shù)據(jù)輸送至地面與環(huán)空流量期望值進行比較,不同井段和工況下環(huán)空鉆井液流量有不同的期望值。當兩者存在偏差時,系統(tǒng)進一步判斷鉆井液是否有漏失。如有漏失,系統(tǒng)可確定破裂壓力,并減小井口回壓;如無漏失或產生溢流,則可確定孔隙壓力,并適當增大井口回壓;當兩者一致時,為了判斷井下是否存在其他單靠井下流量測試裝置無法發(fā)現(xiàn)的復雜情況(例如低于井下流量測試裝置測量精度的微小溢流或漏失),中央控制系統(tǒng)則通過把地面鉆井液流量、壓力、溫度以及泥漿池液面變化等數(shù)據(jù)與期望值進行比較來判斷,若與期望值相符,則表示鉆井作業(yè)正常,否則就要采取相應控制措施。這種監(jiān)測與比較將一直進行下去,實現(xiàn)鉆井作業(yè)時鉆井液的可控循環(huán),實時監(jiān)測孔隙壓力和破裂壓力,并根據(jù)需要調節(jié)節(jié)流閥的開度來控制井口回壓,以滿足鉆井工藝要求。圖4為井下微流量控制系統(tǒng)流程圖。

3 系統(tǒng)優(yōu)缺點

井下微流量控制作為一種新技術,有其獨特的優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿?但也不可避免地會存在一些問題,有待繼續(xù)改進和提高。

1)由于裝置采用壓差法進行環(huán)空流量測量,需要測量節(jié)流元件兩端的絕對壓力值,并根據(jù)兩者壓差來計算流量。因此其中任意一個壓力測量值還可反映實時井底壓力的大小,等效于APWD的功能,為微流量控制系統(tǒng)提供了另一可靠的參考數(shù)據(jù),這也增加了裝置的應用價值。

2)能夠大幅度提高溢流、井漏的監(jiān)測能力。井下環(huán)空流量測量裝置的測量精度為1 L/s,較大的溢流或井漏能夠立即發(fā)現(xiàn)并采取措施進行控制,較小的溢流或井漏則可以通過結合地面鉆井液參數(shù)的實時監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn),從而把總溢流或井漏量控制在很小的范圍內,降低鉆井風險,節(jié)約鉆井成本[9-11]。

3)控制系統(tǒng)結構簡單。只需在現(xiàn)有各種類型鉆機上安裝傳感器和專用節(jié)流管匯,在近鉆頭處接上流量測量裝置和MWD即可,操作簡單,占地面積小,應用時只需對作業(yè)人員進行簡單培訓;在控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,還可以立即轉換為常規(guī)鉆井方式繼續(xù)鉆進[12]。

4)在鉆井過程中,由于鉆頭破碎巖層、鉆井液沖蝕和巖石物性引起的井眼直徑變化會導致測量結果受到一定影響,為了排除這一干擾,需要結合地質資料及現(xiàn)場工況對測量數(shù)據(jù)的規(guī)律進行詳細分析,以避免漏判、錯判等情況的發(fā)生。

4 結論

微流量控制鉆井是一種新的控壓鉆井技術,與其他控壓鉆井方法相比,微流量控制技術可以有效地監(jiān)測地層孔隙壓力和破裂壓力,及時準確地判斷并控制井下復雜情況。而本文介紹的井下微流量控制技術是對現(xiàn)有技術的一種改進,其核心即要求能夠實時監(jiān)測井下環(huán)空流量的微小變化,而不必通過監(jiān)測地面流量的變化來反推井下流量的變化,極大地提高了流量控制的實時性和準確性,為安全、合理、有效、低成本開發(fā)油氣田提供了有效保障。

[1]SAN TOS H,LEUCHTENBERG C,SHA YEGIS.M icroflux control:the next generation in drilling p rocess[C]∥paper 81183-MS p resented at the SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference,27-30 Ap ril 2003,Port-of-Spain,Trinidad and Tobago.New York:SPE, 2003.

[2]SANTOS H,LEUCHTENBERG C,SHA YEGIS.M icroflux control:the next generation in drilling p rocess for ultra-deepwater[C]∥paper 15062-MS p resented at the Offsho re Technology Conference,5-8 May 2003,Houston, Texas,USA.New York:SPE,2003.

[3]SANTOS H,LEUCHTENBERG C,REID P,et al.Opening new exp lo ration frontiers with the micro-flux control method[C]∥paper 16622-MS p resented at the Offshore Technology Conference,3-6 May 2004,Houston,Texas, USA.New York:SPE,2004.

[4]柳貢慧,胡志坤,李軍,等.壓力控制鉆井井底壓力控制方法[J].石油鉆采工藝,2009,31(2):15-18.

[5]姜建勝,李奔,林立,等.國外鉆井液微流量控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].石油機械,2008,36(2):71-74.

[6]SANTOS H,CA TA K E,KINDER J,et al.First field app lications of microflux control show very positive surp rises [C]∥paper 108333-MS p resented at the IADC/SPE Managed Pressure D rilling&Underbalanced Operations,28-29 March 2007,Galveston,Texas,USA.New Yo rk:SPE, 2007.

[7]SANTOS H,REID P,LEUCHTENBERGC,et al.M icroflux controlmethod combined w ith surface BOP creates enabling oppo rtunity for deepwater and offsho re drilling[C]∥paper 17451-MS p resented at the Offshore Technology Conference,2-5 May 2005,Houston,Texas,USA.New York:SPE,2005.

[8]SAN TOS H,REID P,JONES J,et al.Developing the micro-flux controlmethod - part 1:system development,field test p reparation,and result[C]∥paper 97025-MS p resented at the SPE/IADC M iddle East D rilling Technology Conference and Exhibition,12-14 Sep tember 2005,Dubai, United A rab Emirates.New York:SPE,2005.

[9]孫曉峰,李相方,齊明明,等.溢流期間氣體沿井眼膨脹規(guī)律研究[J].工程熱物理學報,2009,30(12):2039-2042.

[10]SAN TOS H,REID H,MCCASKILL J,et al.Deepwater drilling made more efficient and cost-effective:using the microflux controlmethod and an ultralow-invasion fluid to open themud weightw indow[J].SPED rilling&Comp letion,2007,22(3):189-196.

[11]SAN TOS H,CA TAK E,KINDER J,et al.Kick detection and control in oil-based mud:real well-test results using microflux control equipment[C]∥paper 105454-MS p resented at the SPE/IADC Drilling Conference,20-22 February 2007,Am sterdam,The Netherlands.New York:SPE/ IADC,2007.

[12]SANTOS H,MU IR K,SONNEMANN P,et al.Op timizing and automating p ressurized mud cap drilling w ith the micro-flux controlmethod[C]∥paper 116492-MS p resented at the SPE A sia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,20-22 October 2008,Perth,Australia.New York:SPE,2008.

A method of bottom-holem icro-flux control

Shi Lei,Chen Ping,Hu Ze,Huang Wanzhi
(State Key L aboratory of Oil&Gas Geology and Exp loration∥Southw est Petroleum University,Chengdu, Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.79-81,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In the past few years,a new technique called managed p ressure drilling(MPD)has been developed abroad on the basisof conventional drilling and underbalanced drilling.M PD ismainly used for safe drilling through fo rmations w ith narrow drilling fluid w indow and its core point is to p recisely control the annulus p ressure p rofile.But as a brand new technique,M PD still has some sho rtcomings in theo ry and hardware system to be overcome.The dow nholemicro-flux controlmethod mentioned here in this paper is a new kind of M PD,w hich is an imp rovement of the existing surfacemicro-flux controlmethods.By use of this new method,we can detect the dow nhole annulus flow rate variation w hile drilling so as to observe the overflow and lost circulation as early as possible.In combination w ith the annulus flow ratemonito ring at the surface and the wellhead back-p ressure valve opening adjustment, the bottomhole p ressure can be changed acco rdingly to control the size of overflow and lost circulation,the drilling safety can thus be imp roved and the drilling cost can be reduced.

managed p ressure drilling,dow nholemicro-flux control,testing w hile drilling,annulus flow rate,wellhead backp ressure valve opening,overflow,lost circulation,safety

國家“十一五”重大科技專項子課題“低滲氣藏特殊復雜地層高效鉆井關鍵技術”(編號:2008ZX05022-005)。

石磊,1983年生,博士研究生;主要從事油氣井工程測量與過程控制方向的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學博士08級。電話:13880919871。E-mail:shilei0627@hotmail.com

石磊等.井下微流量控制方法.天然氣工業(yè),2011,31(2):79-81.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.019

(修改回稿日期 2010-12-02 編輯 居維清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.019

Shi Lei,bo rn in 1982,is studying for a Ph.D degree,focusing his interest on oil and gaswell engineeringmeasurement and p rocess control.

Add:Docto r Grade 2008,Southwest Petroleum University,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Mobile:+86-13880919871 E-mail:shilei0627@hotmail.com