曾凌翔 李黔 梁海波 孫凱 代峰

西南石油大學(xué)

控制壓力鉆井技術(shù)與微流量控制鉆井技術(shù)的對(duì)比

曾凌翔 李黔 梁海波 孫凱 代峰

西南石油大學(xué)

深井、復(fù)雜井目前主要面對(duì)的鉆井難題是如何在窄鉆井液密度窗口中安全鉆進(jìn),而控制壓力鉆井技術(shù)則可以解決上述難題?？刂茐毫︺@井主要包含控壓鉆井(Managed Pressure D rilling,縮寫為M PD)技術(shù)與微流量控制(M icro-Flux Control,縮寫為M FC)鉆井技術(shù)。為促進(jìn)國內(nèi)引進(jìn)、吸收、應(yīng)用以上新技術(shù),從鉆井技術(shù)原理和鉆井設(shè)備及特點(diǎn)這兩個(gè)方面,將M PD與M FC進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。結(jié)論認(rèn)為:①M(fèi) PD可以精確控制井底壓力,實(shí)現(xiàn)平衡或近平衡鉆井,設(shè)計(jì)的鉆井液密度低于常規(guī)鉆井液密度,當(dāng)循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)需要通過液柱壓力與循環(huán)壓耗來平衡地層壓力,當(dāng)停止循環(huán)時(shí)井底壓力則為液柱壓力與回壓之和,需要回壓來彌補(bǔ)循環(huán)壓耗以達(dá)到平衡狀態(tài);②M FC是在M PD基礎(chǔ)上研制出來的一種新鉆井技術(shù),它不僅滿足了M PD技術(shù)的核心功能,而且還擁有了自己獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)——微流量(微進(jìn)口流量和微出口流量)控制,能探測到早期的侵入與漏失,更精確地預(yù)見和控制有關(guān)事故的發(fā)生;③與M PD相比,M FC能探測到更小的井內(nèi)總體流量的波動(dòng)范圍;④國內(nèi)有必要盡快引進(jìn)和吸收以上先進(jìn)技術(shù),用以提高鉆井技術(shù)水平和解決窄鉆井液密度窗口安全鉆進(jìn)問題。

控壓鉆井技術(shù) 微流量控制鉆井技術(shù) 對(duì)比 原理 設(shè)備 窄鉆井液密度窗口 井底壓力 總體流量

控壓鉆井(Managed Pressure D rilling,縮寫為M PD)技術(shù)于2004年IADC/SPE阿姆斯特丹鉆井會(huì)議上被提出[1]。M PD技術(shù)能精確控制環(huán)空壓力剖面,安全鉆進(jìn)窄鉆井液密度窗口。該技術(shù)具有減少套管數(shù)量、安全起下鉆、減少NPT、減小抽吸效應(yīng)等特點(diǎn)。微流量控制(M icro-Flux Control,縮寫為M FC)鉆井技術(shù)是基于M PD發(fā)展起來的一種新技術(shù),具有一些獨(dú)特的能力(能探測到早期的侵入與漏失)。M FC可以有效地?cái)U(kuò)大鉆井液密度窗口,使鉆井液密度在安全的情況下盡可能接近孔隙壓力。Weatherfo rd與 Halliburton較先研發(fā)了M PD與M FC并取得了成功。國內(nèi)需要盡快吸收和利用M PD與M FC來達(dá)到高效率、安全鉆井。因此將M PD與M FC進(jìn)行技術(shù)對(duì)比,可以加深對(duì)其優(yōu)勢的認(rèn)識(shí),加快引進(jìn)步伐。

1 鉆井技術(shù)原理

與傳統(tǒng)鉆井、欠平衡鉆井(UBD)相比,M PD是微過平衡鉆井,可以在窄鉆井液密度窗口安全鉆進(jìn),有效地阻止流體侵入、地層破裂與坍塌等事故的發(fā)生,如圖1所示。M PD技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)使用低于常規(guī)鉆井方式的鉆井液密度進(jìn)行近平衡鉆井,當(dāng)停止循環(huán)時(shí),循環(huán)壓耗消失,井底壓力減小,不滿足鉆井平衡(圖2)。此時(shí)需要用回壓彌補(bǔ)循環(huán)摩阻以達(dá)到平衡地層的目的。

圖1 3種鉆井技術(shù)對(duì)比圖

圖2 鉆井平衡基本原理圖

M PD主要是通過對(duì)回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合精確控制,使整個(gè)井筒的壓力精確的維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間,進(jìn)行平衡或近平衡鉆井,如圖3所示。

圖3 控壓鉆井(M PD)技術(shù)原理示意圖

M FC鉆井是通過監(jiān)測微進(jìn)口流量或出口流量,來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測鉆井液總流量的微小波動(dòng)范圍,也是一種精確確定孔隙壓力與破裂壓力的鉆井方法。探測到小的流失與侵入,然后通過一定的方法來調(diào)整返回流量(通過回壓泵與節(jié)流閥的共同作用或只調(diào)節(jié)節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)),結(jié)果使井底壓力平衡地層壓力。

微流量控制系統(tǒng)能夠滿足快速控制的理論要求:鉆井環(huán)空中的鉆井液為不可壓縮流體,地面上控制單元的任何微小壓力變化都將在環(huán)空中得到快速響應(yīng),傳輸?shù)乃俣瓤蛇_(dá)到聲速。

M FC是維持在選擇的井底壓力下進(jìn)行微過平衡安全鉆進(jìn)。為了快速監(jiān)測到微溢流或微漏失并作出反應(yīng),要使環(huán)空內(nèi)盡可能地為不可壓縮流體。

M FC的操作系統(tǒng)也具有其顯著特點(diǎn)。操作系統(tǒng)含有侵入與漏失的探測、趨勢分析等。閉循環(huán)系統(tǒng)有利于探測微溢流。因此能很早的發(fā)現(xiàn)問題。循環(huán)流體經(jīng)過節(jié)流閥時(shí),通過改變流量調(diào)節(jié)回壓來阻止侵入等情況。當(dāng)發(fā)生侵入時(shí),0.007 95 m3的侵入量在井眼中都可以被探測到,發(fā)現(xiàn)后立即控制,當(dāng)控制住侵入后再檢測總的侵入量將會(huì)少于0.079 5 m3[2]。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將侵入循環(huán)出井眼,井控操作也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行,包括壓井鉆井液的循環(huán)。與常規(guī)循環(huán)相比,早期探測漏失的能力歸功于閉循環(huán)系統(tǒng),因而不會(huì)出現(xiàn)誤判漏失的情況。

許多情況可以用趨勢來分析判斷。如:在高溫高壓的井中,判斷是發(fā)生井涌還是井眼的膨脹效應(yīng),這種情況就可以利用M FC;但如果是常規(guī)鉆井的條件下,兩者的結(jié)果都是排出量增加就會(huì)使施工人員感到困惑。

M FC在任何時(shí)間都可以很容易安裝在傳統(tǒng)鉆井系統(tǒng)上,簡易方便。許多情況下,回壓盡量要小,可以達(dá)到更加安全的目的。如果遇到很高的孔隙壓力,可以提高靜泥漿柱,使得回壓減小。M FC的好處是適應(yīng)許多類型的井,無論是在海上(包括超深水井),還是陸地[3]。M FC也可以適應(yīng)具有挑戰(zhàn)的環(huán)境:高溫高壓、深井和超深水地區(qū)、探井、不知地層壓力的區(qū)域、壓力剖面快速變化的井眼、敏感性地層等,基本上可以解決目前鉆遇的難題。

2 鉆井設(shè)備及特點(diǎn)

從表1可以看出,M PD因其原理與常規(guī)鉆井不同,致使井口的管線連接也有所不同,不僅多了一套M PD節(jié)流管匯,而且還有一個(gè)具有特別要求的回壓泵等[1-6]。M PD節(jié)流管匯中的節(jié)流閥的精度特別高,流量計(jì)可以精確測量多相態(tài)的數(shù)據(jù)和檢測到溢流等。

表1 M FC與M PD設(shè)備對(duì)比表

總的來說地面的管線布置大致相同,回壓的變化通過類似的方法來實(shí)施。不同的工況下,都是通過回壓泵與節(jié)流管匯的作用來達(dá)到平衡或近平衡井底壓力狀態(tài)。圖4為M PD鉆井工藝簡易流程圖。

圖4 MPD鉆井工藝簡易流程圖

鉆進(jìn)循環(huán)過程:泥漿泵—鉆柱—環(huán)空—控制旋轉(zhuǎn)頭—節(jié)流管匯—泥漿池。

接單根循環(huán)或起鉆過程:回壓泵(旋轉(zhuǎn)控制頭)—節(jié)流管匯。

M FC鉆井技術(shù)的工藝流程[5]分為兩種類型:常規(guī)鉆井與M FC鉆井。常規(guī)鉆井時(shí)通過鉆機(jī)泵、立管、溫度與壓力傳感器、流量計(jì)、井口、鉆柱、井下設(shè)備、防噴組、旋轉(zhuǎn)控制頭、振動(dòng)篩,最后到達(dá)泥漿罐。M FC鉆井是通過鉆機(jī)泵、立管、溫度、壓力傳感器、流量計(jì)、井口、鉆柱、井下設(shè)備、防噴組、壓力控制設(shè)備、流量計(jì)、傳感器、節(jié)流管匯、分離器、振動(dòng)篩,最后到達(dá)泥漿罐。圖5為M FC鉆井工藝簡易流程圖。

圖5 M FC鉆井工藝簡易流程圖

值得注意的是:比較圖4與圖5可以看出,注入時(shí)M FC鉆井技術(shù)應(yīng)用了先進(jìn)的質(zhì)量流量計(jì)與體積流量計(jì),它們比出口的質(zhì)量流量計(jì)和體積流量計(jì)要先進(jìn),這也是實(shí)現(xiàn)微流量控制的一個(gè)重要配置。

3 結(jié)論

1)控壓鉆井技術(shù)與微流量控制鉆井技術(shù)大體上是一致的。

2)控壓鉆井技術(shù)能精確控制井底壓力,自動(dòng)、安全的鉆進(jìn)窄鉆井液密度窗口,同時(shí)對(duì)設(shè)備的要求也需要很精確。

3)微流量控制鉆井技術(shù)不僅具有控壓鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),而且能更早地探測和更精確地控制各種事故的發(fā)生。

[1]MALLOY K,STONE R,M EDLEY G,et al.Managed-Pressure drilling:w hat it is and w hat it is not[C]∥paper 122281-MS p resented at the IADC/SPEManaged Pressure D rilling and Underbalanced Operations Conference&Exhibition,12-13 February 2009,San Antonio,Texas,USA. New Yo rk:IADC/SPE,2009.

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

[4]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 SPEAsia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,20-22 October 2008,Perth,Australia.New York: SPE,2008.

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Comparison between managed pressure drilling(M PD)and m icro-flux control(M FC)drilling

Zeng Lingxiang,Li Qian,Liang Haibo,Sun Kai,Dai Feng
(Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.82-84,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The major drilling challenge in deep and comp licated wells nowadays is how to perform safe drilling through fo rmations w ith narrow drilling fluid density w indow and themanaged p ressure drilling(M PD)technology can solve this p roblem and it includes M PD and M FC(micro-flux control)drilling.For getting more know ledge of those two drilling technologies fo r their further p romotion and w ide app lication,comparison ismade between them from aspectsof the p rinciples,drilling equipment and features.The follow ing results are concluded.First,M PD can p recisely control the bottomhole p ressure to realize balanced drilling o r near-balanced drilling,the designed drilling fluid density is lower than the conventional drilling fluid density.When the circular drilling is running on,the hydraulic column p ressure and circulation p ressure losswill be considered to balance the formation p ressure;w hile the circular drilling stops,the bottomhole p ressure w ill be equal to the hydraulic column p ressure p lus backp ressure.Thus,the backp ressure is exerted to setoff the circulation p ressure loss to achieve the balance.Second,M FC is further developed from MPD,it can notonly meet the requirements fo r themain functionsof M PD,but has itsow n unique features,that is,micro-flux(both influx and out-flux) control,being able to detect the intrusion and loss at the early stage and mo re p recisely fo resee and control po tential accidents. Third,Compared w ith M PD,M FC can detectminor flux variation in the wellbo re.Fourth,it is necessary to introduce those technologies into China to imp rove drilling technology and to perform safe drilling through formations w ith narrow drilling fluid density w indow.

M PD,micro-flux control drilling,comparison,p rincip le,equipment,narrow drilling fluid density w indow,bottomhole p ressure,to tal flux

“十一五”國家油氣重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(編號(hào):2008ZX05000-021-006)的部分研究結(jié)果。

曾凌翔,1985年生,碩士研究生;研究方向?yàn)橛蜌饩こ獭５刂?(610500)四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)碩09級(jí)3班。電話:15982068102。E-mail:zenglingxiang94@126.com

曾凌翔等.控制壓力鉆井技術(shù)與微流量控制鉆井技術(shù)的對(duì)比.天然氣工業(yè),2011,31(2):82-84.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.020

(修改回稿日期 2010-12-04 編輯 居維清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.020

Zeng L ingxiang,bo rn in 1985,is studying for an M.S degree,w ith his interest in oil and gas well engineering.

Add:No.8,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Mobile:+86-15982068102 E-mail:zenglingxiang94@126.com