控压钻井系统特性分析与关键工艺实现方法.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 0期 石 油机械 CHI NA P ETROL EUM MACHI NERY 钻 井新技术 控压钻 井 系统特性分析与关键工艺 实现方法 杨雄文 周英操 方世 良 纪荣 艺 刘 伟 中 国石 油 集 团钻 井 工程 技 术研 究 院 摘要 在系统总结和对 比分析 国外控 压钻井装备特 点和技术特 征后，重点介绍 了国 内首 台 P C D SI 精细控压钻井系统研制进展，阐述 了装备结构组成和功能特点，同时开发 了一套控压钻 井钻进 、接单根 、重浆压井和起下钻等控压关键工艺实现方法。现场应用表明，该工艺方法动态 压力控制精度高 ，钻进过程系统 回压控制精度 达到 0 ． 2 MP a ，接单根、起下钻过程 系统 回压控制 精度达到 0 ． 5 MP a ，能满足现场控压作业要求。 关键词 控压钻井 特性 压力控制 工艺 0 引 言 控压钻井是为解决复杂钻井 问题 、提高钻井效 率及保 障钻 井作 业 安 全 而发 展起 来 的。国外 自 2 0 0 3年第 1次提出控压钻井概念 ，到 2 0 0 5年样机 试验成功 ，再到 2 0 0 7年 的工业 化应用 ，控压 钻井技术 已发展了各种不同的钻井形式 ，包括恒定 井底压力控压钻井 、钻井液帽钻井以及双梯度钻井 等。目前 ，全世界已有 1 0 0多个控压钻井项 目成功 应用 ，在北海 、墨西哥湾和巴西海上正逐步扩大应 用 ，在亚太地区也优势明显 ，并在安全快速钻井 中 发挥着越来越重要的作用 。国内控压钻井还属于起 步阶段 。下面系统总结国外控压钻井装备特点 和技术特征 ，重点介绍 国内首 台 P C D SI 精细控 压钻井系统研制进展 ，包括装备组成和功能 、工艺 实现方法 ，并给出现场应用实例。 1 控压钻 井系统特性分析 1 ． 1 国外控压钻井系统特征 目前国际上成功应用于控压钻井实践 的装备主 要 有 3 大 类 一 1 2 J We a t h e r f o r d 的 MF C 系 统 ， S c h l u m b e r g e r的 D A P C 系 统 和 H a l l i b u r t o n公 司 的 MP D系统。不 同控压 钻井系统 的技术 特点如表 1 所示 。从表可 以看 出， We a t h e r f o r d侧重于流量监测 与控 制 ，提前 预 知 和处 理 微 溢 微 漏是 其 技 术 要 点 ； S c h l u mb e r g e r 公 司和 H a l l i b u r t o n公 司都侧重于压力 控制 ，保持井底 某一深 度位置压力 或 E C D恒定 。 归纳起来看 ，控压钻井装备系统各有侧重点 ，但流 量和压力控制都是其控制关键 ，自动化 、快速响应 和精确控制都是其技术 目标 ，自适应控制是其发展 方 向。控压钻井 的概念清晰地表 明了装备是关键 、 工艺是核心的技术理念。 表 1 不 同控压钻 井系统的技术特点 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 0 0 3 。 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9誊第 1 0期 1 ． 2 P C D SI 控压 钻井 系统组成 与特点 巾同石油集 团钻 井 I 程技 术研 究 院开 发了 以流 量和压力控制为目标的井底恒 P C D SI 精细控压 钻井 系统 。如图 1 所示 ，系统主要 由 自动节 流系统 、 同压 泵 系统 、液气 控制 系统 、自动控 制 系统 以及控 制 L { J 心等 部分构成 ，围绕升简 力控 制 ，可实现 钻 进 、起下钻 以及接单根过程中的压力平稳衔接。 图 1 P C DSI 精 细控 压钻 井 系统 组 成 1 ． 2 ． 1 自动 节流 系统 如图2所示 ，自动节流系统 由3个节流通道组 成 ，具备 自动节流其冗余节流切换 、安全报警及出 口流量监测等功能。其性 能指标 为额定压力 3 5 MP a ；节流 压力精 度 4 - 0 ． 5 MP a ；工 作』 上力 1 0 M P a 。 其中，节流阀 A、B为大通径的节流阀，供正常钻 升大排量 时使， 【 _f { 。A为主节流 阀，正 常钻井 时使 用 ，只有在节 流 阀 A 工 作 异 常或 发 生堵 塞 时 才 自 动启动节流阀 B，并关闭节流阀 A的通道。节流阀 C为辅 助 节流 阀 ，通 径 较 小 ，在 钻 井 泵停 止 循 环 时 ，由回 泵启动后节流加回压用。流量计可以精 确计量钻井出【 _ _】 流量，判断井下溢漏情况。同时为 水力模型提供实时数据 ，及时调整回压 。 图 2 P C DS一1自动 节 流 系统 总装 图 1 ． 2 ． 2 回 压 泵 系统 如 3所示 ，同压 泵 系统 为一 个小排 量 的三缸 泵组 ，由软起动器控制交流电动机驱动启停。额定 压力 3 5 M P a ，额定流量 7 ． 5 l Js 。回压泵的主要作 用是 流量补偿 。它 能够 在循 环或停 泵 的作业 过程 中 进行流量补偿 ，提供节流阀一 【 作必要的流量 ；在整 个工作 期 间当排量 过小 时 ，也 能对 系统进行 流量 补 偿 ，维持井 口节流所需要的流量 ，以维持节流阀有 效的节流功能。回压泵的循环是地面小循环，不通 过井 底 图 3 P CDSI回 压 泵 系统 总装 图 1 ． 2 ． 3液 气控 制 系 统 液气 控制 系统是 P C D SI系统 的执行系统 ， 接收 自动控制系统的工作指令并进行处理 ，同时向 下位机发送指 令，来实现对各节流阀和平板 阀的 自 动控制。动态响应时间小于 1 s ，能实现地 面压力 控制装置手／自一体 的安全互锁控制 ，以及钻井各 工况动态切换的高精度控制。 1 ． 2 ． 4 自动控 制 系统 自动控制系统由硬件 、软件 2部分构成。系统 硬件主要 由地面压力 、温度传感器 、泵冲传感器 、 流量 计 、P WD井 下 仪 器 和 录井 传 感 器 等构 成 。采 用现场装置一 控制器一 上位计算机控制的 3层递阶控 制结构。系统测量精度 0 ． 2 ％ ，动态 响应时间小于 1 s 。系统软件主要 由参数采集 与监测 、实时水力 学计算以及远程 自动控制软件等构成 。A动控制系 统具有较强的可靠性及抗干扰性。 1 参数采集与监测。实时采集并 向钻井参 数监测系统发送套管压力 、节流管汇出口流量 、节 流管 汇 闸板 阀 r 作状 态 、节 流 阀开度指 示 、同压泵 流量 、回压泵压力和回压泵 ] 二 作状态等参数，同时 接收 工况 、目标 套 压和入 口钻 井液流 量 等参数 。 2 实 时 水 力 学 计 算 。根 据 输 入井 身 结 构 、 下部 钻具组 合 、井 眼轨迹 和钻 液性 能 等非实 时基 础数据以及钻井参数监测系统得 到的相关钻井参 数 ，进行 实 时水 力计 算 ，得 到 压力 控 制 的 目标 目标井 口回压 ，同时将 日标 井 口回压传输 给远 程 自动控 制软件 。 3 远程 A动控制软件 。远程 自动控制 系统 根据井下 P WD、钻井参数采集与监测系统以及 实 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 0期 以下 3种控制方案。 1 井 底 压 力 模 式 。 在 钻 井 液 循 环 过 程 中， 随钻压力测量装置 P WD正常采集井底压力传送到 地面，地面 自动控制系统依据 P WD传送的数据 ， 根据水力模型分析井口压力，自动调节节流阀，调 节井 口压力保持井底压力稳定。 2 井 口压 力 模 式 。在 钻 井 液 不 能 循 环 的情 况下，P WD不能将井底压力数据送 到地 面，地 面 自动控制系统将根据 P WD最后传送上来 的测量数 据，根据水力模 型计算井 口回压 ，自动调 节节流 阀，保持井口压力稳定 。 3 手动工作模式 。在设 备控制系统 失效的 应急情况下 ，采用手动方式控制 ，以保持井 口压力 稳 定。 罐 l II△PlK设定值，l 图 7控 压 钻 井 正 常 钻进 控 压 流 程 3 ． 2 接 单根控 压钻 井工艺 接单根控压钻井工艺其实就是停泵 、停止循环 和开泵、正常循环的动态切换过程。在准备接单根 过程中，控压钻井 回压泵系统要提前运转起来待 命 ，回压泵系统运转正常后可通知 司钻停井场大 泵 。大泵 停止过 程 中 ，井筒循 环摩 阻减小 ，此时要 不 断增 加 井 口 回 压 来 弥 补 井 筒 循 环 阻 力 的损 失 见 8停 泵 期 问 泵 速 与 井 口回 压 关 系 ；反 之 ， 当接单根 完 成 ，开泵 循 环 时 ，井 筒循 环 摩 阻增 加 ， 此时要不 断减小 井 口回压来保 持井底 压力 恒定 。 接单根具体操作流程如下①准备接单根 ，如 图 9所示 ，提前 开启 回压泵 系统 ，经 红色辅 助节流 通道流 出 ；② 开始停 大泵 ，关闭 主节流通 道 ，切换 到辅助 节 流通 道 ，切 换 过 程 中 根据 环 空 摩 阻 的损 失 ，及 时调 整辅 助节流 阀开 度大小 ，保持 设定 点压 力恒定 ；③大泵完全停止 ，井口回压完全 由红色辅 助节流通道提供 ，此时正常接单根；④开启大泵， 打开 主节 流通道 ，及 时调 整 辅 助节 流 阀 开度 大 小 ， 保持设定点压力恒定 ，同时关闭辅助节流通道 ，接 单根程序完成。 9 O 8 0 ， 7 0 6 0 50 4 o 蚓3 0 2O 1 0 0 图 8 停 泵期 间泵速与井 口回压关 系曲线 图 9控 压 钻 井接 单根 、起 下 钻 控 压 流 程 3 ． 3重浆 压井控 压工 艺 重浆压井控压工艺包括重浆注入与重浆驱替 ， 主要是为了解决在较高井 口压力下控压起下钻的问 题 。通过设定深度位置的重浆压井可以完全卸掉环 空井 口压力 ，敞 口起下钻。其具体流程如下 ①准 备好降低井 口压力步骤表和通过 自动节流管汇的顶 替体积量；②上提钻头 至设 定深度，开始注入重 浆 ；③观察 P WD测压，保持井底压力连续 ，按井 口压力降低步骤表调整井 L I 压力，直至为 0 ，重浆 注入程序结束 ，重浆驱替程序亦然。 3 ． 4 起 下钻控 压工 艺 起下钻过程 的井筒压力控制与接单根程序类 似 ，采用 回压泵配合 的方式完成。先停泵 ，参照接 单 根 中停 泵压 力控 制方法 。通 过旋转 控制头起 钻至 预定深 度 ，按重浆 驱替 T艺 ，替入重 浆压井 ，直 至 井 口回压为 0 。在起下钻过程 巾，由节流阀控制井 口套压 ，回压泵实时提供压力补偿 ，维持 目标井底 压力 连续稳定 。另外 ，控 压起 下钻 要保 证起下 钻速 度不太快 ，避免出现较大的抽汲激动压力。 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 0期 杨雄文等 控压钻 井 系统特性 分析 与关键工 艺实现方法 4 应用实例 为 了实 现 以上 关 键 控 压 工 艺环 节 ，验证 P C D S I 控 压钻 井 系统 的功能 、稳 定性 和可 靠性 ，2 0 1 1 年 4月 8 3 0日在四川蓬莱 9井进行了钻进 、接单 根 、起下钻 、井涌 、井漏 、涌漏 同存 等 9类 l 8项 控压钻井现场试验 。钻进过程系统 回压控制精度达 到 0 ． 2 MP a ，接单根 、起下钻过程系统回压控制精 度达到 0 ． 5 MP a ，圆满实现预期现场试验 目的，技 术性能指标达到国际先进水平。 1 钻进工况 。图 1 0为钻进工况下 的压力控 制实时曲线 日期为 2 0 1 l 一 0 4 2 3 。在正常钻进 时 ，设定压力即井 口计算压力 ，通过实时水力校正 模型计算 得到 ，为 0 ． 5 0～0 ． 7 5 MP a 。当检测到 出 口流量从 2 8 ． 7 L ／ s 降低至 2 3 ． 4 L ／ s ，那么相应 的 井 口计算压力增加到 0 ． 7 1 MP a ，调整节流阀开度 ， 实际测量压力与井 口压力逼近 ，直至达到 0 ． 2 MP a 误差 范 围。 7 O 2 0 1 o 。 1 8 图 1 0钻 进 工 况 下 压 力控 制 买时 曲线 2 接单根工况。图 1 1为接单根工况下 的压 力控制实时曲线 13 期为 2 0 1 1 0 42 2 。准备接 单根时 ，回压泵启动，此时大泵 尚未停止 ，出口流 量增加 ；当大泵停止时 ，井内循环停止 ，出口流量 等于回压泵流量 7 ． 2～ 7 ． 8 L ／ s ，井 口设置压力升高 到 3 ． 0 7 MP a ，弥补环空压力损失 1 ． 8 9 MP a ；接单 根作业完成后 ，大泵开启 ，井 口压力降至原来正常 钻进压力值 1 ． 1 8 M P a ，并切换 回主节流通道 ，此 时再关 闭 回压 泵 ，退 出 回压 补 偿 系 统 ，接 单 根 完成 图 1 1 接单根 工况下压 力控制 实时曲线 3 起 下钻 工 况 。图 1 2为起 下 钻 工况 下 的压 力控制实时曲线 日期为 2 0 1 1 0 4 2 3 。上提钻 具时 ，由于抽汲作用的存在 ，一部分钻井液进入井 筒填补上提的钻具体积 ，出口流量 由 7 ． 5 L ／ s 减小 到 4 ． 2 I fs 左右 ，节流阀 自动调整开度大小，保持 井 口压力稳定 ；下放 钻具时 ，由于激动作用 的存 在 ，一部分钻井液溢出井筒，出口流量增加 ，井口 设定压力 自动降低 ，消除激动压力的影响。整个上 提和下放钻 具过程 中压 力控 制误差 在 0 ． 5 MP a 以内 。 图 1 2起 下钻 工况下压力控 制实时曲线 5 结 论 1 系统分析总结了国外 3类控压钻井 系统 ， 并对 比其技术特征和实现方法。 2 介绍 了国 内 自主研 制 的井底 恒 压 P C D S I 精细控压钻井系统装备组成和工艺特征。 3 开发 了一种基于开泵 、正常循环 、停泵 和停止循环 4个单一程序组 合 的控压钻井工 艺方 法 ，并给出钻进 、接单根、重浆压井和起下钻等控 压关键工艺实现方法。 4 开展了现场试验与效 果检验 ，钻进 过程 系统 回压控制精度达 到 0 ． 2 MP a ，接单根 、起下钻 过程系统回压控制精度达到 0 ． 5 MP a ，动态压力控 制精度高。 参考文献 [ 1 ] 周英操 ，崔猛 ，查永进 ．控压 钻井技术 探讨 与展 望 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 8 ，3 6 4 1 4 ． [ 2 ] 严新新，陈永明，燕修 ． MP D技术及其在钻井中 的应用 [ J ]．天然气勘探与开发，2 0 0 7 ，3 0 2 6 26 6． [ 3 ] 杨雄 文 ，周英操 ，方世 良，等 ．国 内窄窗 口钻井 技 术应 用 对 策 分 析 与 实 践[ J ]．石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 0 ，3 9 8 71 1 ． [ 4 ] 杨雄文，周英操，方世良，等 ．控压钻井分级智能 控制 系统 设计 与 室 内试 验[ J ]．石 油 钻 探 技 术 ， 2 01 1 ，3 9 4 71 2 ． 害～ R醴 8 7 6 5 4 3 2 0 轴 ∞ ∞ m 0 ～ 土 ￡I _ ∞ ． 1 J 一 苫～ R出 8 7 6 5 4 3 2 l 04 ～ 4 4一 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 0期 [ 5 ] [ 6 ] l 7} [ 8 ] [ 9 ] 『 1 0] 周英操 ，杨雄 文 ，方世 良，等 ． P C D SI 精细 控压 钻井系统 研 制 与现 场 试 验 [ J ]，石 油 钻 探 技 术 ， 2 0 1 1 ，3 9 416 ． 杨雄文 ，周英操 ，方世 良，等 ．地 面节流压 力控制 系统关键 技术探讨[ c]／ ／ 第 二届 中国石 油集 团钻 井工程技术研究院青年论文报告集 ，2 0 0 9 ． 刘伟 ，蒋宏伟 ，周英操 ，等 ．控 压钻井 装备及技 术研究进展 [ J ]．石油机械 ，2 0 1 1 ，3 9 9 8一 l 2 ． 王果 ，樊洪海 ，刘 刚 ，等 ．控 制压力钻井 技术 应用研究 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 9 ，3 7 1 3 4 3 8． Ma r t M D．Ma n a g e d pr e s s u r e d r i l l i n g t e c h n i q u e s a nd t o o I s[ D]． T e x a s A M U n i v e r s i t y ，2 0 0 6 ． S a n t o s H ， Ca t a k E．Fi r s t fie l d a pp l i c a t i o n s o f mi c r o flu x c o n t r o l s h o w v e r y p o s i t i v e s u r p r i s e s[ R]． I A D C ／ S PE 1 08 3 33，2 0 0 7． [ 1 1 ] [ 1 2 ] S a p o n j a J ， A d e l e y e A， Hu c i k B ． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g MP Df i e l d t r i a l s d e mo n s t r a t e t e c h n o l o g y v a l H e[ R ]． I A D C ／ S P E 9 8 7 8 7 ，2 0 0 6 ． Va n R i e t E J ， Re i t s ma D，Va n d e c r a e n B ． De v e l o p me - nt a nd t e s t i ng o f a f u l l y a u t o ma t e d s y s t e m t o a c c u r a t e l y c o n t r o l do wn h o l e pr e s s ur e d unn g d r i l l i n g o p e r a t i o ns [ R]． I A D C ／ S P E 8 5 3 1 0 ，2 0 0 3 ． 第一作者简 介杨 雄文 ，高 级工 程师 ，生 于 1 9 7 9年 ， 2 0 0 2年毕业于石油大学 华东 石油 工程专业 ，2 0 0 8 年 获 中国石油大学 北京 油气 井工程专业 博士学位 ，现从 事 控压钻井 、水力学模拟和井 筒压力 控制相关 研究工 作。地 址 1 0 0 1 9 5 北京 市 海 淀 区。 电话 0 1 0 5 2 7 8 4 8 2 9 。E ma i l y a n g x i o n g we nd r i e n pe ． c o n．e n。 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 3 0 本文编辑谢守平 上接 第 3 1页 改后使之适用于作业机的情况。所做修改为 ①每 次作业循环 中包括 6次 南直变弯和 F } j 弯变直 的过 程 ，弯曲半径不完全相同；②注入头提供的轴向拉 力 。从网 7可以看 出，连续管在不同内压作用下的 寿命预测曲线与试验样品的趋势是一致的。同样绘 出 3 5 MP a内压下 的累积损伤 曲线 ，如 图 8所示 。 从冈可以看出，累积损伤也是在最后急剧增大。 图7 作业机连续管寿命预 测曲线 循 环 次 数 图 8作 业 机 连 续 管 累积 损 伤 曲线 综 上所述 ，可得 如下结论 1 连续管在起下作业过程 中的塑性 弯曲是 导致其失效的主要原因。 2 预测模型仅仅是不含 缺陷连续管 的寿命 预测模型，实际情况下还应对缺陷和腐蚀进行处理 后再做预测。 3 虽然损伤分析是按 Mi n e r 线性累积损伤进 行的 ，但随着循环次数的增多 ，连续管的直径也在 增大 ，平均应变水平随之增大 ，而壁厚在减小 ，最 终表现为连续管越接近损伤极限，每次的损伤值也 越大。 4 用所建立的公式对试验样品进行预测，平 均误差为 1 2 ％，说明预测模型是可行的，可以用在 连续管作业机上对连续管寿命进行分析和预测。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 介升旗 ．宝鸡钢管首根连续油管顺利下线 [ J ]．焊 管 ． 2 0 0 9 ，3 2 7 2 9 ． Ti p t o n S M．Mul t i a x i a l p l a s t i c i t y a n d f a t i g u e l if e p r e di e t i o n i n c o i l e d t u b i n g [ J ]． F a t i g u e L i t i m e P r e d i c t i v e Te c h n i q ue s， AS TM S TP 1 2 9 2，1 9 962 833 0 4． Ne wma n K R， Br o wn P A．De v e l o pme n t o f a s t a n d a r d c o i l e d t u b i n g f a t i g u e t e s t[ R]． S P E 2 6 5 3 9 ，1 9 9 3 ． A v a k o v V A． F o s t e r J C． S mi t h E J ． C o i l e d t u b i n g l i f e p r e d i c t i o n 『 C]． 0 T C 7 3 2 5 ，1 9 9 3 6 2 7 6 3 4 ． 第一作者简 介 冀 亚锋 ，博士 研究 生 ，生于 1 9 8 4年 ， 主要从事管 道力学 分析 和石 油石 化安 全研 究工 作 。地址 1 0 2 2 4 9 北京市 昌平 区。电话 0 1 0 8 9 7 3 1 2 3 9 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 1 1 本文编辑谢守平