三参数自动控压钻井系统的研制与试验.pdf
第 4 卷第 6期 2 O 1 2年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETR I EUM I Rl I I I N F E CH I QUE S Vo 1 . 4 0 No . 6 NOV ., 2 l 2 . . 钻采机械 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 0 8 9 0 . 2 0 1 2 . 0 6 . 0 2 1 三参数 自动控压钻 井系统 的研制与试 验 李 宗清,燕修 良,陈永 明,朱焕 刚,曹 强 中国石化胜利石 油管理局钻井工艺研究 院, 山东东营 2 5 7 0 1 7 摘要 为避免钻井过程中出现井漏、 井涌、 压差卡钻等井下故障, 尤其是解决窄密度窗口地层钻进过程中出 现的又涌又漏的技术难题 , 在深入研究国内外现有控压钻井技术的基础上, 研制了三参数 自动控压钻井系统。该 系统根据 U形管原理, 在钻井过程中不断检测套压、 立压和流量等钻井参数, 并利用节流阀自动控制 系统对各参数 做到 了组合控 制、 无缝 隙转换控制 。利 用全尺 寸模 拟井对三参数 自动控压钻井 系统进 行 了模拟 试验 , 结果表 明 立 压或套压控制时, 整个控制过程平稳, 没有出现超调、 震荡和发散问题 , 控制误差≤O . 2 MP a ; 在发生溢流和漏失时, 流量的监测灵敏 , 控制及时, 溢流和漏失总量小于8 0 0 I 就得以完全控制。试验证明, 采用套压、 立压和流量 3种参 数作 为控 制 目标 的控 压钻井技 术 , 弥补 了单纯利用套压控 制的不足 , 提供 了更为全 面的控 压钻 井解决方案。 关键词 控制压力钻井 套管压力 立管压力 流量 节流阀 井控 中图分类 号 T E 9 2 1 。 。 . 5 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 2 0 6 0 0 9 9 0 5 De v e l o pme nt a nd Te s t o f Thr e e - Pa r a m e t e r Au t o m a t i c Pr e s s u r e Co n t r o l Dr i l l i ng S y s t e m L i Z o n g q i n g , Y a n X i u l i a n g , C h e n Y o n g mi n g , Z h u Hu a n g a n g , C a o Q i a n g Dr i l l i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e, S h e n gl i Pe t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n, Si n o p e c , Do n g y i n g, S h a n d o n g, 2 5 7 0 1 7, Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e ms i n c l u d i n g c i r c u l a t i o n l o s s , we l l k i c k, d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e s t i c k i n g , e s p e c i a l l y s i mu l t a n e o u s k i c k a n d l o s s i n n a r r o w d e n s i t y wi n d o w f o r ma t i o n , e n c o u n t e r e d i n t h e p r o c e s s o f c o n v e n t i o n a l d r i l l i n g r e l a t e d t o we l l b o r e p r e s s u r e , t h r e e p a r a me t e r a u t o ma t i c p r e s s u r e c o n t r o l d r i l l i n g s y s t e m h a s b e e n d e v e l o p e d o n t h e b a s i s o f s t u d y i n g t h e c u r r e n t t e c h n o l o g i e s a t h o me a n d a b r o a d . Ac c o r d i n g t o t h e U t u b e p r i n c i p l e ,t h e s y s t e m g a t h e r s d r i l l i n g p a r a me t e r s i n c l u d i n g c a s i n g p r e s s u r e , d r i l l p i p e p r e s s u r e a n d f l o w r a t e , e t c , a n d c o n t r o l s t h e s e p a r a me t e r s j o i n t l y b y c h o k e v a l v e a u t o ma t i c c o n t r o 1 , r e a l i z i n g s e a ml e s s c o n t r o 1 s h i f t , t h e f i e l d e x p e r i me n t wa s c a r r i e d o u t i n f u l l s c a l e s i mu l a t e d we l 1 . Du r i n g t h e c o n t r o l o f d r i l l p i p e p r e s s u r e o r c a s i n g p r e s s u r e , t h e e n t i r e c o n t r o l p r o c e s s wa s s t e a d y , n o o v e r s h o o t , o s c i l l a t i on a n d di ve r ge n c e o c c ur r e d, a nd pr e s s u r e c ont r ol e r r o r wa s no m o r e t h a n 0 . 2 M Pa .I n t he c a s e o f ki c k a n d l os s o f c i r c u l a t i on, s e n s i t i ve f l o w mo ni t o r i n g a nd t i m e l y c o nt r o l c a n r e s t r i c t t he v ol u m e o f o v e r f l o w a n d l e a k a g e t o l e s s t h a n 8 0 0 l i t e r s t o t a 1 . Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h e p r e s s u r e c o n t r o l t e c h n i q u e o f t a k i n g c a s i n g p r e s s u r e , d r i l l p i p e p r e s s u r e a n d f l o w r a t e a s c o n t r o l t a r g e t o v e r c o me s t h e s h o r t a g e i n c a s i n g p r e s s u r e c o n t r o l d r i l l i n g, o f f e r i n g a b e t t e r s o l u t i o n f o r p r e s s u r e c o n t r o l d r i l l i n g . 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 a s i n g p r e s s u r e ; s t a n d p i p e p r e s s u r e ; f l o w r a t e ; c h o k e v a l v e ; we l l c o nt r o 1 1 概述 控制压力钻井 MP D 技术于 2 0 0 4年在 I AD C / S P E阿姆斯特丹钻井会议上提 出Ⅲ, 国际钻井承包 商协会 I AD C 对其定义是 MP D是一种 自适应 收稿 日期 2 O 】 2 一 4 2 / 1 ; 改回 日期 2 0 1 2 - 1 0 0 8 作者简介 李 宗清 1 9 6 3 , 男, 山东 日照人 , 1 9 8 5年毕业 于华 东石油 学院矿场机械专业, 2 0 0 2年 获上海 交通 大学机械工程 专业硕 士 学位 。 教授级 高工 , 主要 从事石油工程技 术装备和工 艺研究工作。 联 系方式 0 5 4 6 8 7 7 3 3 0 2 , l z q i n g 也 s lo f . C O H I 。 基金项 目 中国石油化工集 团公 司重点科技攻 关项 目“ 控制压力 钻 井技术先导试验” 编号 s ; 1 1 0 1 0 部分研 究内容 。 石 油 钻 探 技 术 钻井过程 , 用来精确控制整个井眼的环空压力剖面。 MP D的主要技术思路是 , 通过对井 口回压 套 压 、 流体密度 、 流体 流变性 、 环空液位、 水力摩 阻和 井眼几何形态的综合控制, 使整个井 眼的压力维持 在地层孔隙压力和破裂压力之间, 进行平衡或近平 衡钻井 , 有效控制地层流体侵入井眼, 减少井涌、 井 漏 、 卡钻等多种钻井复杂情况E 引。 随着 MP D技术的兴起 , 国外 已逐渐形成 了系 统 的工艺理论 , 发展了不同的工艺技术 , 如恒井底压 力 MP D技术、 微流量控制 MP D技术、 加压泥浆帽 MP D技术 、 双梯度 MP D技术以及 HS E 健康 、 安全 和环境 MP D技术等 ; 研发了不 同的节流控压钻井 系统 , 如 Ha l l i b u r t o n公 司的 g e o b a l a n c e控制 系统、 We a t h e r f o r d公司的安全钻 井系统 微流量控制 系 统 和 S c h l u mb e r g e r公 司 的 b a l a n c e控 制 系 统 DA P C精细控压钻井系统 _ 4 ] 。而且 , 以上各控制 系统都进行了现场试验 , 并取得了良好的应用效果。 其 中, 恒井底压力 MP D技术采用井底压力略 高于地层孔隙压力进行微过平衡钻井 , 井底压差 比 常规的近平衡钻井低 。接单根时 , 利用在地面施加 的井 口回压补偿环空摩擦压力使井底压力保持在微 过平衡状态, 从而控制地层流体侵入。在实施该技 术时, 有时会使用低 于地层孑 L 隙压力系数的钻井液 密度 , 但不能称其为欠平衡钻井 , 因为钻井液当量循 环密度仍高 于地层 孔隙压力 。DAP C控压 钻 井 系 统与 g e o b a l a n c e 控压钻 井系统均利 用 了恒 井底压 力控制 的原 理 , 是完 全 自动 化 的 回压 控 制 系统 。 利用专用节流管汇 、 回压 泵、 水力学模型 和压 力控 制器协同工作 , 完成不 问断的精确压力控制 , 将井 底压力控制 在允许 的范 围之 内。因此 , 恒井底 压 力控制 MP D技 术 主要 应用 于地层压 力较 为清楚 和准确 的地层。 微流量监测控制 MP D技术是一种新颖 的钻井 技术 , 它以检测井眼流体 的增加和漏失为基础 , 保持 流入和流出的流体体积尽可能小E 8 - 9 。在大多数钻 井条件下微流 量控制 MP D技术 都能改 善钻进 性 能 , 从简单井到复杂井 、 窄密度窗 口井以及海上和陆 上具有挑战性的井 , 通过 自动检测和控制井涌和漏 失 , 可极 大提高 钻井 作业 的安全 性。We a t h e r f o r d 公司的微流量控制系统就是一种 以微流量控制为基 础 的新型钻井系统 , 可 以用于地层压力不确定地层 的控压 钻井 。 但是 , 目前 的控压钻井 自动控制系统均以套压 作为控制 目标 , 由于地层压力具有不确定性且 环空 可能有天然气侵入等情况 , 仅 以套压作 为控制 目标 不能完全解决压力控制问题 。为此 , 笔者在前人研 究的基础上 , 分析 了钻井各个工序 的特点 , 研制了一 种三参数 自动控 压钻 井系统 , 完成 了全 尺寸 井筒 试验 。 2 三参数 自动控压钻井系统 2 . 1自动控压钻井原理 钻井过程 中, 钻柱内部通道通过钻头水 眼与钻 井环空形成一个连通体系 , 犹如一个 U形管 , 如图 1 所 示 。 力 图 1 U形管示意 Fi g .1 Gr a ph o fU t ub e 套压和立压是控压钻井 的关键参数。控压钻井 系统依据 U形管原理来控制环空压力剖面 , 控制井 底压力 , 使井底压力与地层压力之间保持恒定关系。 通过进出口流量的对 比来判 断溢流或漏失 , 一旦发 现溢流或漏失 , 会 自动升高或降低井底压力来维持 进出 口流量平衡 , 这就是流量控制 。所谓 三参数是 指控制系统 的控 制 目标分别为套压 、 立压 和流量。 虽然控制 目标不 同, 但执行机构都是节流 阀。需要 指出的是 , 回压控制与节流控制的概念是不同的 , 回 压控制指以回压作为控制 目标操作节流阀, 而节流 自动控制泛指节流阀操作 , 控制 目标可以是套压、 立 压或流量 。三参数 自动控压钻井系统的工艺流程见 图 2 , 控制原理如图 3所示 。 三参数 自动控压钻井系统 的核心是压力控制和 流量控制 。套压控制时 , 井底压力 由环空钻井液流 动模型计算得 出; 立压控制时, 井底压力 由钻柱内钻 井液流动模型计算得出; 流量控制时 , 井底压力可以 同时采用 环空和钻柱 内的钻井液流动模 型计算得 出。三参数 自动控压钻井系统可 以选用随钻测压工 具 P WD, 以校正计算结果 。实现钻井全过程控制就 是要实现套压控制 、 立压控制 、 流量控制 的组合控 制 , 无缝隙转换控制 。 第 4 O卷第 6 期 李 宗清等. 三参数 自动控 压钻井 系统的研制与试验 图 2 三参数 自动控压钻井 系统工艺流程 Fi g . 2 Dr i l l i n g pr o c e s s o f t hr e e - pa r a me t e r a ut o mat i c pr e s s ur e c o nt r o l s ys t e m 图 3 三参数 自动控压钻 井系统 控制原理 Fi g . 3 Co nt r o l l i n g pr i n c i p l e o f t h r e e - para me t e r a u t o ma t i c pr e s s ur e c on t r o l dr i l l i n g s y s t e m 2 . 2 井底 压力 组成 与控 制 依据 U形管原理 , 常规钻井过程 中的井底 压力 表达式为 Pb Pl 1 式中 为井底压力 , MP a 为环空静液柱压力 , MP a ; P 】 为环空循环压耗 , MP a 。 控压钻井过程 中的井底压力表达式为 b一 I 2 式中, P 。 为井 口回压 , MP a 。 钻井过程 中, 在任何工况下 , 一旦井底压力小于 地层孔隙压力 , 则地层产 物就会侵入井筒 , 发生溢 流 ; 当井底压力大于地层孑 L 隙压力时, 一旦超过地层 破裂压力或漏失压力 , 则钻井流体就会漏入地层 , 发 生井漏 。有效控制一 口井钻井 的正确方法 , 一是使 井底压力与地层压力保持恒定关 系; 二是根据质量 守恒原理 , 对于不可压缩流体 , 单位时问内通过控制 面流人的流体质量等于单位时间控制体 内流出的流 体质量 , 也 即保持进 出井筒流量 的稳定 。这是三参 数 自动控压钻井技术 的基本指导原则。 常规钻井中 , 计算井底压力只考虑钻井液静液 柱压力和环空摩阻 , 有时环空摩 阻也可忽略不计 。 井底压力调节困难 , 因为井底压力与钻井液排量、 钻 井液性能、 井身结构 、 钻具组合等有关 , 调节排量需 要几分钟 , 而调节钻井液性能则需要 几小 时。由于 钻井液排量受携带岩屑的制约 , 调节范围较窄 , 钻井 液性能调节时间滞后 , 因此一般仅在设计阶段考虑 钻井液流变性。 MP D技术采 用 了闭合 、 承压 的钻井液循 环系 统 , 井 口可以施加一定的压力 , 采用静液柱压力、 环 空摩擦压力 或钻柱内摩阻和钻头压降 和地面回压 的综合控制方法 , 环空摩 阻取决于钻井液排量和流 变性 。钻井环空中的钻井液为不可压缩流体 , 地面 上控制单元的任何微小压力变化都将在环空中得到 快速 响应 , 传 输 的 速 度 可 达 到 声 速 。一 口井 深 4 5 0 0 m的井 , 地面节流阀的压力调节将在 3 s内传 至井底 , 这是节流控制 系统能够满 足快速控制性能 的理论基础l 4 ] , MP D技术一 般控制 的就 是井 口回 压 。通过设计时控制钻井液密度和性能 , 实际操作 时控制环空压耗和 回压 , 使井底压力几乎保持恒定 且稍高于地层压力 , 因此不会诱导地层流体侵入 。 MP D技术 的解决方法是钻井液设计密度低于 地层压力 当量钻井液 密度 , 在循环条件下控制钻井 液当量循环密度接近地层压力当量钻井液密度 , 在 接单根 、 起下钻条件下施加 回压等于环空摩阻 , 因此 可以保持井底压力恒定 。 2 . 3 流 量检 测及控 制 三参数 自动控压钻井系统的进 口流量采用钻井 泵泵冲换算的方法计量 , 出 口流量采用高精度质量 流量计监测计量。这样提高了井筒 出口流量的检测 精度 , 与进 口流量对 比, 一旦发现异常 , 可 随时调整 井底压力以有效控制溢流或井漏。在停止循环 、 起 出钻柱或下人钻柱时 , 回压泵通过节流管汇循环始 终保持井 口有一定压力 , 确保井底压力恒定 , 高精度 石 油 钻 探 技 术 流量计能根据起 出或下人钻柱 的体积以及 回压泵的 排量实时判断流量是否正常, 从 而判 断是否有溢流 或 漏失 发生 。 2 . 4 遵循的井控原则 三参数 自动控压钻井系统实际上是从常规井控 技术衍生出来的, 可以提高钻井 的控制能力 , 更快捷 、 更经济、 更安全地钻至设计井深 。由于采用了高精度 的质量流量计, 该系统可在侵入量小于 8 O L时检测 到溢流 , 可在 1 2 0 S 内控制溢流, 使地层流体的总溢流 体积小于 8 0 0 L时便得到控制, 遵循了井控技术中的 “ 早发现” 原则。 与常规钻井使用的开式循环 系统不同, 该系统 配备了钻柱单向阀和旋转控制头 , 钻井过程 中一直 通过专用节流管汇循环, 使井 口始终处于类似关井 状态 , 遵循 了井控技术 中的“ 早关井” 原则 。 该系统能够早期发现溢流和漏失 , 当判断需要 进行流量控制时 , 能 自动 、 快速发出控制信号并快速 实施控制 , 控制溢流或井漏。井底溢流停止后 , 能够 实时计算得出地层压力 , 并且能在保持新的井底压 力不变 的情况下 自动转入排溢流过程 。如果井 口控 制压力过大 , 则会计算出下 步施工应采用的钻井液 密度 , 并且能在保持井底压力不变 的情况下 自动控 制替换井 内钻井液 , 遵循了井控技术 中的“ 早处理” 原则 。 三参数 自动控压钻井 系统遵循了“ 三早” 原则 , 使其较常规井控技术发现溢流更早 , 关井 时间更短 几乎为 0 , 处理溢流更准确更方便 , 提高了钻井的 安 全性 。 3 全尺寸模拟井试验 为模拟正常钻进及钻井过程 中的各种复杂情况 井漏 、 溢流及排溢流等 , 了解钻井全过程对 自控系 统的技术要求 、 三参数 自动控制钻井 系统控制系统 的调节特性 , 验证控制流程、 控制方案和控制方法的 有效性, 水力计算软件、 控制软件和管理软件的性 能 , 及其在井场使用时的可操作性和可靠性 , 在胜利 油 田全尺寸模拟井筒进行 了试验 。 试验模拟了恒定当量循环密度 E C D 条件下钻 穿设计井段的过程 。将 E C D维持在 1 . 2 2 3 k g / L钻 穿 了窄密度窗 口井段 井深 9 9 0 1 0 0 0 m , 试验发 现 当井深增加 、 排量波动时, 水 力计算软件能够根 据恒定 的 E C D迅速反算出所需要的压力值, 进行立 压或者套压控制 。整个控制过程没有超调 、 震荡和 发散问题 , 压力控制误差≤0 . 2 MP a 。恒 E C D钻穿 设计井段过程曲线如图 4所示 。 套压 一 实 时E C D 一 入 口流量 一 实测井 底压力 一 主回路流景 回压 一 主节流 阀阀位 { 图 6井漏控制 过程 曲线 Fi g . 6 Cur v e o f l o s s c i r c u l a t i o n c on t r o l 一泵冲 立压 一 实 时Ec D 一 入 口流 量 ⋯ 出 口流体密度 套压 一 一实测井底压力 一 主 回路 流量 _目 _ 目 f f 5 f fl J ⋯ 一 { £ ; I I 【 f 1 镯 } { 一 一 图 7气 体 排 溢 流 控 制 过 程 曲线 Fi g . 7 Cu r v e o f c o nt r o l l i n g g a s ki c k 试验进一步研究 了缓慢改变柴油机转速对控制 过程的影 响 将柴油机转速 8 0 0 r / mi n缓慢提高至 1 2 0 0 r / mi n 用时 9 0 s , 进行套压控制 , 然后再缓慢 降低至 8 O O r / mi n 用时 9 O s 。试验表明 缓慢改变 钻井泵排量过程 中, 能很好地保持套压 目标值 , 套压 的控制误差≤O . 2 MP a 。改变柴油机转速时的控制 过程曲线如 图 8所示 , 从该控制过程及效果可以看 出, 如果钻井泵为电驱动钻机 , 可以通过缓慢停泵和 缓慢开泵来实现恒井底压力 的控制。 泵冲 套压 14 u 一 入 口流量 回压 一 实测井底压 力 一 主节流阀 阀位 \ 、 f 1 l j I l 5 图 8 缓慢改变泵冲 时的控制 过程 曲线 Fi g . 8 Cu r v e o f c ha ng i ng pu mp s t r o ke r a t e 4 结论与建议 1 三参数 自动控压钻井系统 因其具有套压、 立 压和流量 3种参数组合控制 , 无缝 隙转换控制 的优 势和有效性 , 比常规的回压控制 自控系统更为可靠 。 2 模拟井试验流程配套简单 , 能较好地模拟钻 井的各个过程 , 能够满 足钻井工况对井筒压力及流 量 自动控制的要求 , 能够减少钻井复杂情况 , 提高井 控安 全性 。 3 为了推动该技术 的进一步发展和进步 , 建议 对柴油机驱动的钻机钻井时产生的井底压力波动做 进一步的研究 , 以推动控制压力钻井技术在所有 钻 机上的适用性 。 4 国外应用已证明, MP D技术可以缩短 2 0 ~ 4 O 的非生产 时间, 建议 国内加快 MP D技术 的研 究和设备研发。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 朱 丽华. 控制压力钻井技术 E J ] . 钻采工艺 , 2 0 0 8 , 3 l 3 4 . 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