控压钻井技术筛选及评价方法.pdf

2 0 1 1 年第3 9卷第 l 2期 石油机械 CHI NA PE TRO【 正UM MACHI NERY ～9 一 ． 一 钻井新技术 控压钻井技术筛选及评价方法 王 倩 韦海涛 周英操 杨 慧4 1 ．中国石油勘探开发研究院研究生部2 ．中国石化国际石油勘探开发公司 3 ．中国石油集团钻井工程技术研究院4 ．北京华油油气技术开发有限公司 摘要控压钻井技术 由于其类型较多且工作原理 、适用 范围各不相 同，建立一个 系统评价标 准来衡量控压钻井技术的适用性显得尤为重要。在讨论控压钻井分类及总结各种控压钻井方式优 缺点的基础上，给出了微流量控制钻井技术、动态环空压力控制系统、H a l l i b u r t o n 控压钻井系统、 充气控压钻井技术、加压钻井液帽控压钻井技术、双梯度钻井技术以及连续循环系统等 7 种控压 钻井方式的适用范围，并提出了一套评价方法，为控压钻井适应性研究提供了一种新的思路。 关键词控压钻井筛选评价 0 引 言 控压钻井的目的在于确定井底压力窗口， 从而 控制环空液压剖面⋯。对一 口井来说最大的问题 在于它是否适合控压钻井作业 ，或者说适合哪一种 控压钻井方式。尽管技术和装备都有了很大的提 高，工业上还是缺少一种控压钻井技术及其应用的 筛选模型，用来考虑给定井的工程和经济方面的可 行性问题。国外如 T e x a s A M大学已着手建立控 压钻井实验室 ，并联合各大钻井服务公司试 图解决 这一难题。但并未将控压钻井技术进行细致的划 分，仅有的4种方式也无法满足该技术在国内发展 的需要 。在 国内控压钻井技术处于初步研究的情况 下，为理清科研思路、加强重点攻关，笔者根据国 内科研发展的实际情况 ，探讨 了一种新 的控压钻井 方法筛选模型，该模型在考虑现有的所有工程信息 基础上对待钻井是否适合控压钻井作出评价，这对 国内控压钻井技术的应用发展提供 了可靠的基础。 1 控压钻井技术的分类 控压钻井技术起初是用来钻窄密度窗 口或裂缝 地层的。国外传统的方式将其应用形式分为4种 ①井底恒压控压钻井，使用地面回压或质量流量计 来帮助钻过窄密度地层；②双梯度控压钻井，主要 用于窄密度的深水或超深水钻井，通过采用合适的 套管直径和最少的套管层数来钻达 目的层位；③加 压钻井液帽控压钻井 ，主要用于钻井液完全或近乎 完全漏失的高裂缝／ 大溶洞地层；④H S E或密闭控 压钻井， 用来隔离含 H s和 C O 的地层，是其他 传统控压钻井在钻井历史上的不同应用 J 。 装备 、技术以及解决钻井问题手段的进步也引 导了控压钻井技术应用形式的发展 ，进而产生了一 种改进的井底恒压控压钻井 C B H P 任意点 恒压控压钻井 P O C P 。这 种方式致力 于控制井 眼中任一点的环空压力，包括井底压力，进一步扩 展了井底恒压控压钻井的优势。 随着控压钻井技术的持续向前发展，技术变得 更为多元化 ，这使得国内学者对这项技术产生了一 定的分歧及争议 ，明确定义及各种技术之间的关系 有助于更好地理解 、应用和发展这项技术。一般可 将控压钻井技术分为以下 3类 J 。 1 ． 1 精细控压钻 井技术 鉴于钻井从始至终都是一个压力控制 的过程 ， 根据控制精度的不同，提出了精细控压钻井技术的 概念，即在地层流体涌入量小于 8 0 L时检测到溢 流，并可在 2 m i n内控制溢流， 使总溢流体积小于 8 0 0 L ；或者对井口回压自动控制达到0 ． 3 5 M P a的 碍 c基金项 目国家科技重大专项 “ 窄密度窗口安全钻完井技术及装备” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 1 3 。 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 2期 精度 。目前该技术 主要包 括微流量控制钻井技术 、 动态环空压力控制技术和井底恒压控压钻井技术。 1 ． 2 其他控压钻井技术 其他控压钻井技术是指达不到精细控压钻井的 效果和能力 ，但就 目前的技术水平而言 ，可以在现 场应用 ，并达到控压钻井 目的、解决常规钻井技术 无法克服 的钻井难题 的其他控压钻井技术 ，包括简 易导流控压钻井技术、流量监测控压钻井技术 、手 动节流控压钻井技术、充气控压钻井技术 ，双梯度 钻井技术、加压钻井液帽钻井技术 、H S E M P D技 术 、井 口连续循环系统和降 E C D工具等 。 1 ． 3 控压钻井相关配套技术 控压钻井相关配套技术是指配合精细控压钻井 技术和其他控压钻井技术使用的特殊技术或工具 ， 包括井身结构优化技术 、膨胀管和波纹管技术、井 下压力测量装置 、优质钻井液技术 、化学方法提高 地层承压能力技术 、防漏堵漏固井技术 、地层压力 预测与分析技术、井筒多相流分析技术和控压钻井 设计与分析软件等。 2 各类控压钻井技术的适用性分析 2 ． 1 微流量控制钻井技术 MF C 微流量控制钻井 系统是 We a t h e r f o r d公 司开发 的一种先进的、自动的闭环系统，其工作原理如图 1 所 示 一 。 钻井 液注 入量返 出量 实时数据采集包括质量 流量、压力和钻井参数 将采集数据送往数据采集和控制系统中心 质量守恒原理，数据收集和控制 中心设 定预期 返 回钻井 液质 量 数据采集控制中心对比预期 返回钻井液量和实际返回量 是l 破裂压力l 钻井液漏失l l 钻井液溢流 控制开度l J 孔隙压力 降低回压l厂 图 1 微流量控制钻井 系统工作原理 钻井时需要连续不断地注入钻井液 以平衡地 层中的油、气、水压力和岩石应力，防止井喷、井 塌、卡钻以及井漏等钻井事故的发生，不同井段和 工况下钻井液参数有不同的期望值 。系统控制软件 通过传感器将采集到的钻井液流量、压力和温度等 采样值通过 A ／ D转换送 到中央数据采集与控 制系 统中，并与期望值进行 比较 ，当两者存在偏差时 ， 系统进一步判断钻井液是否漏失。若系统判断发生 漏失 ，则改变流量减少井 口回压；若判断发生溢流 ， 则改变流量增加井 口回压 ，直至达到期望的钻井液 流量值。这种监测与 比较将一直进行下去，完成钻 井时钻井液的可控循环 ，以满足钻井工艺要求。 2 ． 2 动态环 空压力控制系统 D A P C D A P C系统是 由 A t b a l a n c e公 司研发 的一种 自 动调节回压、动态控制常规钻进过程 中的井底压力 稳定性 ，以及控制由于泵排量变化 、钻杆转动或起 下钻引起压力波动的系统 。 D A P C系统主要 由自动节流管汇 、旋转控制装 置 、回压泵、流量计 、井下压力随钻测量及精确的 水力学计算模块等部分组成。旋转控制装置用来封 闭环空及允许环空承压 ，通过水力学计算模块计算 所需要的井 口回压 ，调节节流阀组提供相应的井 口 回压 ，保持井底压力恒定。在停泵起下钻或者接单 根时 ，D A P C系统则通过增加地面回压来保持井底 压力恒定。可以确保在窄密度窗 口安全快速钻进 ， 有效地解决钻井过程中遇到的复杂问题 ，减少钻井 非生产时间，提高 “ 边际”油藏的开发效益 J 。 2 ． 3 H a l l i b u r t o n控压钻井系统 H a l l i b u r t o n控压 钻井 系统 原 理、参 数指 标 与 D A P C系统大致相同，在回压泵上加 了 1个入 口流 量计、在节流管汇中增加 1 条钻井液直流通道 ，并 改变 了安 全 溢 流管 线 ，在 微 流 量监 测方 面 优 于 D A P C系统。该技术能有效解决裂缝、孑 L 洞发育出 现 “ 喷漏同层 、喷漏 同存” 的钻井复 杂问题 ，显 示 了良好的应用前景 ，其原理如 图2所示 。 图 2 Ha l l i b u r t o n 控 压钻 井 系统原理 示意图 以上 3种控压钻井技术是 目前国际上最为先进 的控压钻井技术 ，也是国内科研需要重点攻关进行 突破 的地方 ，特别适合于解决 目前窄密度窗 口问题 2 0 1 1年 第3 9卷第 1 2期 王倩等控压钻井技术筛选及评价方法 比较突出的区块 。 2 ． 4 充气控压钻井技术 与常规控压钻井相 比，充气控压钻井则是在钻 达储层后，利用调节注气量改变井底压力，使井底 处于不 同的欠压差 ，根据产气量和井底压力的关 系 来实测储层压力。得到储层压力后 ，调节钻井液密 度，设计合理注气量。循环时注气 ，利用注气减小 液柱压力抵消循环动压 E C D ，从而实现动 E C D 近似到等于静 E C D，使 井底压力变化 窗 口缩窄为 “ 一 条线” ，以适应 “ 漏喷一条线” 的特窄窗1 5 E 6 ] 。 充气控压钻井中压力影响因素包括 环空两相 流模型选择 、井筒压降模型和井底流体侵入过程等 等。其中环空两相流模型的选择对计算与控制井底 压力起到至关重要的作用 。 2 ． 5 加压钻井液帽控压钻井技术 P MC D 加压钻井液帽控压钻井技术是一种处理严重漏 失问题的方法。一般用于钻进大段裂缝性地层 ，尤 其在采 出流体呈酸 性时。当钻遇漏失时应用常规井 控技术经常会影响钻进 ，而采用该技术则能够钻穿 严重漏失层而不耽搁正常钻井 ，有利于提高机械钻 速 。其工作原理为 作业期间，用旋转控制头封 闭 环空 ，将加重的高粘钻井液向下泵人环空，将一段 “ 牺牲流体” 指注入井筒但不返出的低成本流体， 一 般为淡水或盐水注入钻柱并返出向上携带钻屑 ， 使钻屑沉入钻头之上 的孔洞或裂缝 ， 即钻井液和钻 屑 “ 单 向进入”漏层。环空 “ 钻井液帽”可起到环 空隔离的作用 ，避免油气返出地面造成高压l 。 2 ． 6 双梯度钻 井技术 D G D 双梯度钻井技术是国外近年来提出的一种深水 钻井技术新概念，其基本原理是在同一井筒内控制 2种密度的流体 ，作业时井眼上部井段加入低密度 钻井液，下部井段加入高密度钻井液，通过双钻井 液密度体系 ，使井底压力维持在地层孔隙压力和破 裂压力之间。可采用水下泵系统或灌注海水等方法 降低隔水管中钻井液的密度实现双梯度。 双梯度钻井能够有效钻人海底上部承压能力低 的地层 ，其作业 目的并不是将井底压力降低至欠平 衡状态 ，而是为了防止 因环空钻井液柱密度过大而 导致上部地层漏失 。作业时，钻井液按常规方法打 人钻柱内，返出时 ，钻井液并不是通过海洋隔水管 环空返出 ，而是通过 1 根寄生管线将钻井液和钻屑 从海底返出到地面。随后钻井液管线之上的环空被 注满海水，其 目的是使临界井深保持一个适当的静 水压力。钻井液仍然会通过环空 ，但是流程较短 ， 仅从井底流到海底泵 ，从而减少了下至总井深的套 管数量l 2 J 。 2 ． 7连续循环系统 C C S 连续循环系统是一个可以实现不用停止钻井液 在井 内的循环来完成钻杆 的上／ 卸扣等连接工作 的 系统 。该系统以钻台为基础 ，适用于任何带有顶驱 钻井装置的井架。该系统由连续循环连接器、钻井 液分流及输送装置 、顶驱连接工具 、控制系统和液 压动力系统组成。采用顶驱钻机时，通过接箍 、顶 驱连接工具和钻井液分流管汇配合实现连续循环 ， 接单根时 ，接箍体上 、下 2个 闸板密封钻杆周 围， 接头位于全封闸板和下部闸板之间，钻井流体在循 环压力作用下进入接箍体内，平衡钻柱内外压力。 卸扣时上提钻杆 ，关 闭全封闸板 ，上部卸压后将外 螺纹连接部分提出接箍体，此时钻井流体通过接箍 下部不间断循环进入钻柱 中。连接在顶驱上的新单 根进入接箍体上部 ，闸板密封钻杆周 围，循环系统 注入钻井液恢复上部压力 ，当上 、下 2部分压力平 衡时 ，打开全封闸板，新 的单根下放 ，通过钻杆内 不问断循环接单根。接箍体内压力释放，密封打开， 移开接箍 ，钻井再次开始 ，整个过程循环不问断L 8 ] 。 3 控压钻井技术评价方法 全球范围采取上述各类控压钻井技术可以有效 达到其不同的钻井施工目 标，随着技术的进步，特 别是井下随钻测量工具 、高速计算机和先进 的水力 学计算软件等控压钻井配套技术的发展 ，控压钻井 技术的应用会越来越广泛。但是 ，对于某 口井是否 采取控压钻井技术是一个 比较复杂的问题。 3 ． 1 控压钻井评价前期研究 要判断一 口井是否适合采取控压钻井方式 ，利 用现有的资料可能不能完全得到解决 问题的答案 ， 但是 ，尽可能分析现有资料有助于判断是否采取控 压钻井 。对于要钻的一 口井 ，首先耍弄清楚采用控 压钻井技术要解决的钻井难题以及预期要达到的工 程 目的，尤其是要摸清这 口井什么问题最突出，该 问题具体在哪个地层 ；在弄清上述问题后要考虑设 备是否到位 以及 操作人员是否具备足够 的专业 知 识 ；在确保所有准备工作都就绪后，对控压钻井技 术的成本作出评估，并与如果不采用控压钻井技术 可能造成的损失进行对比；在对一整套方案作出评 估后考察是否存在备选方案，并对备选方案进行同 样的评估。 3 ． 2 控压钻井技术评价和筛选 控压钻井技 术评价过程如 下确定工程 的 目 一 l 2一 石 油机械 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 l 2期 的；通过水力学分析获得必需的数据 ；确定合适的 控压钻井方式 ；能达到设计 目的的所有办法并进行 比较 ；寻找要求 的设备。至少要认真考虑 以下 3个 方面的问题 ①首先 明确钻井 中可能出现 的问题 ， 这些问题产生的影响 ，以及如果采取常规钻井方式 可能造成的时间和经济上的损失；②考虑各种不同 控压钻井方式在解决该井中的钻井难题能达到的效 果 ；③考虑控压钻井专有设备 、培训 、钻井工程设 计 、控压钻井专家等带来 的附加费用。 弄清楚上述 问题后 ，应进行 以下具 体筛选分 析，具体分析的内容如下 ①确定作业目的，即确 定目标和确定作业者； ②资料分析，首先要获得邻 井数据 、地质数据 、设备和设计资料 ，预期前景和 可能出现的钻井问题，分析不同控压钻井的应用形 式及其选择；③评价分析，要进行常规水力学和控 压钻井水力学分析 ，并确定重要的参数 。 3 ． 3 系统分析并做 出决策 控压钻井技术筛选系统主要由 2部分组成 ，即 控压钻井筛选方法 、控压钻井筛选与评价软件 ，同 时需要世界范围内控压所钻井的数据库资料作为数 据支撑 。在这套筛选系统中，为了判断一 口井是否 适合控压钻井 ，首先要搞清上述提到 的相关问题 。 具体思路是 排除掉所有不可能的，剩下的就成为 可实施方案。假设一 口井并不要求使用控压钻井 ， 从常规钻井方式开始 ，对每一种可能性进行尝试 ， 在得到最终 的结果之前，一旦某一步失败 ，试着改 变设计参数 。当所有的尝试都失败后 ，如果控压钻 井能解决问题并最终达到工程 目的 ，就采取控压钻 井模式，其流程图如图 3所示 J 。 图3 控压钻 井技术 筛选流程 该流程图有 3种可能的结果 1 控压钻井不是必需的。并非所有的井都 必须使用控压钻井 ，修改工程设计参数即可解决钻 井中的问题 ，包括钻井液流变性 、钻井液密度 、钻 井液循环速度 、改变钻柱和底部钻具组合 、套管设 计 、井眼轨迹设计 。如果这些参数的修正能解决钻 井难题 ，就不需要使用控压钻井。 2 控压钻井是无效 的。当所有参数 的修 正 都无法满足钻井要求 ，这时就可以考虑将控压钻井 作为一种备选方案。但是控压钻井也无法解决问题 或者达到预期的目的，这时控压钻井就不能作为解 决方案 。 3 控压钻井是适 用的。当修正所有参 数都 失败后 ，发现控压钻井可以解决钻井难题或能达到 工程 目的，这时控压钻井就是适用的。 任何一 口井都处于这 3种情况之中，首先要进 行常规水力学分析 ，再进行控压钻井水力学计算 ， 具体过程如下。 3 ． 3 ． 1 常规水力学分析 如果静态和动态压力都在安全窗 口范围内并且 所有的工程 目的都能达到，控压钻井就不必要；如 果设计中任何一步不符合要求 ，试着改变设计参数 ， 重复这个过程直到所有的要求都满足 ；如果常规钻 井参数的改变不能满足要求 ，就认为这 口井可能适 合采取控压钻井 ，此时结束常规钻井部分的流程。 3 ． 3 ． 2 控压钻井水力学分析 首先确认是否有合适 的控压钻井方式 ，如果有 则进行控压钻井水力学计算 ；测试是否能达到所有 的工程 目的 ，满足要求则认 为控压钻井 是合适 的， 并进行相关的控压钻井参数评价 ；如果不满足要求 则改变参数 ，直到水力学计算完全满足要求 ；在上 一 步中，如果没有合适的控压钻井方式 ，则控压钻 井无效 ；当重复水力学分析和参数修改过程后还是 不能满足要求 ，则 同样表明控压钻井是不合适的。 控压钻井技术筛选软件是在上述方法的基础上 发展起来 的，主要包括 2部分 ①控压钻井方式选 择 ；②控压钻井水力学计算。 控压钻井方式选择模块 控压钻井方式选择部 分能帮助决策者确定能解决待钻井难题的最合适的 控压钻井方式。决策者可提供与钻井难题有关的信 息 ，还可同时选择多个钻井难题或工程 目的。该模 块 自动评价所给 的信息并给 出合适 的控 压钻井方 式 ⋯，窄密度窗口且井口无承压设备时可采用井 底恒压控压钻井 ，存在多个漏失层采用加压钻井液 帽控压钻井 ，海上异常压力层位不太深 ，存在异常 低压且钻台有足够空间可采用双梯度钻井技术 ，存 在 H ， S等有毒有害气体可采用 HS E控压钻井方式。 2 0 1 1 年 第3 9卷第 1 2期 王倩等 控压钻井技术筛选及评价方法 一 1 3一 当得到合适的控压钻井方式后 ，必须进行控压 钻井水力学计算 ，以保证满足工程上的要求。控压 钻井水力学计算 ，水力学计算模块需要输入以下数 据①定向数据；②井眼／ 套管设计；③底部钻具 组合和钻柱组合；④井眼稳定和破裂压力信息；⑤ 钻井液信息 流变性 、密度和循环排量 ；⑥其他 与钻井相关的信息、钻机性能及水深等。输入这些 数据后 ，软件 自动分析常规钻井方法是否适用 ，如 果适用则不需要使用控压钻井 ，如不适用则进一步 分析是否存在合适的控压钻井方式 ，如不存在则表 明控压钻井是无效的，如存在则确定合适的控压钻 井参数来满足工程 目的。 4 结 论 1 控压 钻井是 现在 最为 先进 的钻 井方 式 ， 包括了诸多方式 ，弄清这些方式的不同原理和应用 范围能帮助决策者更好地解决钻井过程中过去不能 解决的问题 。 2 尽管钻井设备 、工艺 、高处理 能力 的计 算机和先进的水力学计算软件等控压钻井配套技术 得到不同程度的发展，但钻井工程还是缺乏一套供 非控压钻井专家使用 的综合性控压钻井评价 系统 ， 笔者提 出的评价方法为控压钻井适应性研究提供 了 一 种新 的思路。 3 控压钻井 在 国内还处 于起步 阶段 ，建立 全 国乃至全球范围内的控压钻井数据库有助于更好 地发展并推广这一技术。 参考文献 [ 1 ]H a n n e g a n d ．C a s e s t u d i e s o f f s h o r e m a n a g e d p r e s s u r e d r 一 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] i l l i n g[ R]． 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M U n i v e r s i t y ， 2 0O 9 ． 第一作者简介王倩 ，女 ，生于 l 9 辱 3年，2 0 0 8年毕 业于中国石油大学 北京并获硕士学位，现为中国石油 勘探开发研究院油气井工程专业博士研究生，主要从事欠 平衡 钻 井、定 向井 和 控压 钻井 技术 研究 工作。地 址 1 0 0 1 9 5 北京市海淀区。电话 0 1 05 2 7 8 4 8 0 5 。E ma i l w an g q i a n d r i c n p c ． c o n． c n o 收稿 日期 2 0 1 1 0 71 2 本文编辑赵连禄 信 息广角 新 型膨胀 悬挂器在海上 油气 田应用 中获得成功 近日，胜利石油管理局钻井工艺研究院自主创新研发的 2 4 4 ． 5 mm0 1 7 7 ． 8 m m膨胀悬挂器在中海油上海石油天然气 有限公司平湖油气田B B 5井应用中获得成功。 B B 5井是一 口加深井，该井 2 4 4 ． 5 m i l l 套管射孔井段 P 1一 P 3 层及加深过程中钻遇的 P 4一P I O层均为低压易漏地层，目的 层 P l l 层是高压层。该井设计采用 0 2 1 2 ． 7 m m钻头打开 P I O层后下 1 7 7 ． 8 I B I n尾管固井封堵 P 1一 P 1 0层。由于地层压力低 ， 固井过程中存在水泥浆漏失和不能上返至喇叭口的风险，而常规悬挂器不能有效对套管重叠段实施气密封。与此同时，该井 井况较为复杂，完钻井深达 3 9 7 0 m，倒扣困难；井眼间隙小，最大井斜达到 7 0 。 ，每 3 0 m的最大狗腿度 8 ． 9 1 。 ，下入困难； 首次使用 0 1 2 7 I B m钻杆施工，钻杆胶塞行程达3 0 0 0 m，胶塞复合、碰压困难；若胶塞不碰压， 则存在膨胀困难等多个技术难 点。对此，制定了详细施工预案。施工后，膨胀悬挂器坐挂位置 2 9 9 8 ． 7 1 m，井斜 2 2 ． 5 。 ，尾管下深 3 9 7 0 m，累长 9 7 1 ． 5 6 m， 成功封堵 0 2 4 4 ． 5／ ／ I n ／ 套管射孑 L 井段 P 】 ～ P 3 低压层，为下一开次 1 5 2 ． 4舢 分支井井眼钻井的顺利实施提供了保证。 目 前 ， 该技术已在胜利油田推广应用 6 0 余 口 井 ， 有效地解决了钻、完井中套管重叠段漏失以及修井中小套管无法悬挂 的难题，同时也为膨胀筛管防砂技术提供了悬挂及承载工具。 赵华