燕修良 朱煥剛 李宗清 陳永明 王樹江

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

控制壓力鉆井氣體溢流處理方法分析與改進

燕修良 朱煥剛 李宗清 陳永明 王樹江

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

控制壓力鉆井（MPD） 發(fā)生氣體溢流后，如果處理不當有可能會造成進一步的溢流或者井漏，甚至會發(fā)展成為井噴。為解決以上問題，分析了控制壓力鉆井過程中影響井底壓力穩(wěn)定和井控安全的主要因素，給出了控制壓力鉆井最大允許氣體溢流量的計算公式，并提出了一種控制壓力鉆井補液、排氣新方法。通過數(shù)值模擬以及全尺寸井筒實驗，證明了補液排氣新方法的可行性，完善了控制壓力鉆井氣體溢流的處理方法。

控制壓力鉆井；氣體溢流量；補液排氣法；數(shù)值模擬；全尺寸井筒

控制壓力鉆井（MPD）過程中，當發(fā)現(xiàn)并確認氣體溢流后，通常利用控制壓力鉆井系統(tǒng)直接進行排氣體溢流的作業(yè)［1］，該方法造成井控安全事故；導致節(jié)流套壓變化劇烈，造成井底壓力的波動，有可能會造成進一步的溢流或者井漏，甚至會發(fā)展成為井噴。因此，為了保證排氣體溢流過程中的井控安全和井底壓力恒定，文中給出了直接排氣體溢流時的最大允許井底氣體溢流量以及改善氣體到達地面節(jié)流閥時井底壓力控制精度的方法——補液排氣法。

1 氣體溢流處理方法分析與改進

控制壓力鉆井系統(tǒng)由于采用了高精度的質(zhì)量流量計，可以及時地發(fā)現(xiàn)溢流，當確認溢流后，能自動并快速控制節(jié)流閥、增加套壓，從而增加井底壓力，停止溢流；溢流停止后，能夠?qū)崟r計算得出地層壓力和氣體溢流的總量?？刂茐毫︺@井排氣體溢流的改進方法為：當井底氣體溢流量大于所允許的最大氣體溢流量時，氣體滑脫到井口時會超過旋轉(zhuǎn)控制頭的承壓能力，必須關(guān)閉井口防噴器，再利用節(jié)流管匯進行壓井和排溢流作業(yè)，井筒內(nèi)氣體排干凈后，采用新的鉆井液密度進行鉆進；當井底氣體溢流量小于所允許的最大氣體溢流量時，可以采用補液排氣新方法直接進行排溢流作業(yè)，井筒內(nèi)氣體排凈后采用當前立壓或者新的鉆井液密度進行鉆進。

1.1 最大允許井底氣體溢流量計算

控制壓力鉆井設備進行直接排氣體溢流時，必須限定最大允許井底氣體溢流量。其計算公式如下

式中，Vk為最大允許井底氣體溢流量，m3；Rc為井口套管內(nèi)徑，m；Rd為鉆桿外徑，m；prcd為井口旋轉(zhuǎn)控制頭可以承受的最大動壓，Pa；ρ1為地層孔隙壓力預測上限值，kg/m3；ρ2為實際使用的鉆井液密度，kg/m3；H為井眼垂深，m；g為重力加速度，m/s2。

1.2 補液排氣新方法

補液排氣新方法是指井底溢流停止后，逐漸降低鉆井泵排量，井侵氣體與鉆井液在環(huán)空內(nèi)不斷上升，啟動回壓泵，回壓泵排出的流體注入專用節(jié)流管匯的上游，與井筒內(nèi)返出的流體混合，依次通過專用節(jié)流管匯到達分離器，分離后的鉆井液到達振動篩，而氣體通過排氣管線到達點火裝置，整個過程中通過專用節(jié)流管匯自動控制套壓，從而維持立壓不變、直到井內(nèi)侵入的氣體排除干凈，然后再轉(zhuǎn)入新的鉆井程序?？刂茐毫︺@井的控制流程圖見圖1。

圖1 控制壓力鉆井控制流程示意圖

2 數(shù)值模擬與全尺寸井筒實驗

利用補液排氣法進行排氣體溢流過程中，排溢流初期（氣侵鉆井液到達地面節(jié)流閥前），節(jié)流閥在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生節(jié)流套壓，由于此時經(jīng)過節(jié)流閥的流體是單相鉆井液，其流體特性比較單一，控制壓力鉆井可以很好地控制目標立壓，并維持井底壓力的恒定。排溢流后期（氣侵鉆井液到達地面節(jié)流閥），利用節(jié)流閥控制套壓從而保持立壓穩(wěn)定的情況就比較復雜，為了驗證補液排氣方法的有效性，對侵入氣體的鉆井液經(jīng)過節(jié)流閥時的套壓變化情況進行了數(shù)值模擬和全尺寸井筒現(xiàn)場實驗。

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 求解方法和邊界條件

（1）氣體與水同時經(jīng)過節(jié)流閥時，采用可壓縮的多相流模型（氣液兩相流中氣相設置為可壓縮氣體）、壓力基的隱式求解方法以及相應的湍流模型；

（2）節(jié)流閥入口鉆井液假設為清水、氣體為空氣；鉆井泵注入流量25 L/s，回壓泵注入流量為6.7 L/s；

（3）取井筒內(nèi)返出氣液兩相流中含氣率為100%的極限狀態(tài)。

2.1.2 計算結(jié)果分析 分別對利用和不利用補液排氣法的2種情況進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 相應閥位下補液與不補液所形成的套壓

通過圖2可以看出：井筒內(nèi)返出流體含氣量為0時（氣體到達節(jié)流閥前），生成的目標套壓值分別為1.5 MPa、3.5 MPa和5.9 MPa；井筒內(nèi)返出流體含氣量為1時（氣體到達節(jié)流閥且不補液），相應的套壓值為0.48 MPa、1.46 MPa和3.0 MPa；井筒內(nèi)返出流體含氣量為1時（氣體到達節(jié)流閥且補液），相應的套壓值為1.21 MPa、2.75 MPa和4.7 MPa。

因此，不補液時氣體單獨經(jīng)過節(jié)流閥時，形成的套壓值相對于目標套壓值降低較大，導致立壓變化較大，同時由于節(jié)流閥反應時間的限制，利用節(jié)流閥進行套壓控制將非常困難；當采用補液排氣的方法后，混合相經(jīng)過節(jié)流閥時形成的套壓值相對于目標套壓值的降低幅值大大減小，立壓變化值變小，而且由于套壓差值變小，縮小節(jié)流閥調(diào)節(jié)的開度區(qū)間，增加了節(jié)流閥控制套壓的可控性。

2.2 全尺寸井筒實驗

2.2.1 實驗井的基本情況 全尺寸實驗井筒位于勝利職業(yè)技能培訓中心；井口裝置：套管頭+FZ35-35單閘板+四通+2FZ35-35雙閘板+ FH35-35環(huán)形防噴器+旋轉(zhuǎn)控制頭；井身結(jié)構(gòu)：?244.5 mm× 1 100 m 內(nèi)層套管+?339.7 mm×1 100 m外層套管（底部為篩管結(jié)構(gòu)）；鉆具結(jié)構(gòu)：?215.9 mm鉆頭+?165 mm箭型止回閥+ ?158.8 mm PWD短節(jié)×1根+?127 mm鉆桿×100根+ ?127 mm（18°）斜坡鉆桿×10根+下旋塞+六方鉆桿+上旋塞；鉆井泵：SL-3NB-1300A鉆井泥漿泵（沖程長度305 mm，缸套直徑170 mm）；鉆井液：清水。

2.2.2 實驗流程及方法 全尺寸井筒實驗的井場設備連接情況如圖3所示，圖3在控制壓力鉆井技術(shù)組成設備的基礎上增加了氣源、地層模擬系統(tǒng)、外環(huán)空壓力傳感器和隨鉆測壓工具等實驗設備。其實驗方法為：啟動空氣增壓機進行鉆桿內(nèi)注氣→氣體達到預定壓力后→啟動鉆井泵從鉆桿內(nèi)注入水→水攜帶氣體到達鉆頭進入環(huán)空→排氣體溢流。其中排氣體溢流過程中，節(jié)流閥自動控制來維持目標當量循環(huán)密度（ECD），分別進行了回壓泵補液和不補液2種情況的實驗。

圖3 全尺寸井筒實驗的井場設備連接示意圖

2.2.3 實驗結(jié)果 實驗結(jié)果見表1。

表1 全尺寸井筒實驗數(shù)據(jù)

從表1可以看出：（1）排溢流初期，氣體在井筒內(nèi)不斷上升，節(jié)流閥在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生節(jié)流套壓，由于此時經(jīng)過節(jié)流閥的流體是單相鉆井液，其流體特性比較單一，井底壓力控制誤差小于0.3 MPa?？刂茐毫︺@井系統(tǒng)可以很好地控制目標立壓，并維持井底壓力的恒定；（2）排溢流后期，當不采用補液排氣法時，井口套壓和節(jié)流閥閥位的調(diào)節(jié)范圍（41%）比較大，當量循環(huán)密度（ECD）的波動范圍為（–0.03~+0.12），即井底壓力變化值為（–0.32~+1.3）MPa（垂深1 100m）；而采用補液排氣法時，井口套壓和節(jié)流閥閥位的調(diào)節(jié)范圍（16%）都相對減小，當量循環(huán)密度（ECD）的波動范圍為–0.02~+0.04，即井底壓力變化值為（–0.22~+0.44）MPa（垂深1 100 m）。

由此可見，補液排氣法應用于控制壓力鉆井的排氣體溢流過程中，可以顯著降低套壓波動范圍，改善節(jié)流閥調(diào)節(jié)過程，從而達到維持恒定井底壓力目的。

3 結(jié)論及建議

（1）分析了控制壓力鉆井排氣體溢流過程中存在的問題，給出了直接進行排氣體溢流作業(yè)時的井底最大允許氣體溢流量計算公式，并給出了出現(xiàn)氣體溢流后相應的處理方法。

（2）通過全尺寸井筒實驗證明了控制壓力鉆井過程中的補液排氣新方法的可行性，該方法可以降低套壓波動范圍，改善節(jié)流閥調(diào)節(jié)的過程，維持井底壓力恒定，井底壓力的控制誤差小于0.5 MPa。

（3）建議對大氣量和高壓氣體侵入井筒時的套壓控制特性進行進一步的研究，為補液排氣法在常規(guī)井控中進行應用的可行性進行理論分析和實驗驗證。

［1］DAVOUDI Majid,SMITH John Rogers,et al.Evaluation of alternative initial responses to kicks taken during managed pressure drilling［R］.IADC/SPE 128424,2010.

［2］唐守寶.控制壓力鉆井技術(shù)在頁巖氣鉆探中的應用前景［J］.石油鉆采工藝， 2014，36（1）：14-17.

［3］紀承印.最大允許溢流量的計算 ［J］.石油鉆采工藝，1992，14（5）：41-42.

（修改稿收到日期 2014-08-20）

〔編輯 薛改珍〕

Analysis and improvement of gas overflow treatment in managed pressure drilling

YAN Xiuliang,ZHU Huangang,LI Zongqing,CHEN Yongming,WANG Shujiang
（Drilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying257017,China）

In case of occurrence of gas overflow during managed pressure drilling,improper handling may lead to further overflow or lost circulation,or even blowout,so in order to solve the above problem,the main factors were analyzed which affected bottom hole pressure stability and well control safety during managed pressure drilling,and presented the calculation formula for maximum allowable gas flow volume during managed pressure drilling and also provides a new method for fluid supplementing and gas bleeding during managed pressure drilling.Numerical simulation and full-size wellbore experiment proves the feasibility of this new method,hence improving the handling method for managed pressure drilling gas flow.

managed pressure drilling;gas overflow volume;fluid supplementing and gas exhausting method;numerical simulation;full-size wellbore

燕修良，朱煥剛，李宗清，等.控制壓力鉆井氣體溢流處理方法分析與改進［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：62-64.

TE242

：A

1000–7393（2014） 05–0062–03

10.13639/j.odpt.2014.05.015

國家科技重大專項—薄互層低滲透油藏開發(fā)示范工程 “薄互層低滲透油藏水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)” （編號：2011ZX05051-002）。

燕修良，1966年生。1988年畢業(yè)于石油大學鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事欠平衡鉆井、氣體鉆井和控制壓力鉆井等方面的研究工作，高級工程師。電話：0546-8702380。E-mail：yanxiuliang.slyt@sinopec.com。