压力控制钻井井底压力控制方法.pdf

第 3 1 卷 第 2期 2 0 0 9年 4月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI LLI NG PRODUCT1 0N TECHN0LOGY Vo 1 ． 31 No ． 2 Ap r ．2 0 0 9 文章编 号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 0 9 0 2 0 0 1 50 4 压 力控 制钻 井井底压 力控 制方法 柳贡慧 胡志坤 李 军 陶 谦 中国石 油大学石 油工程教 育部 重点 实验 室， 北 京1 0 2 2 4 9 摘要 针对常规过平衡钻井和欠平衡钻井 UB D 在实际的钻井工程作业 中有许多需要克服和完善的地方， 近几年国外在 实际生产中为了完善钻井工艺和技术， 在常规过平衡钻井和欠平衡钻井的基础上发展 了压力管理钻井 MP D ， 国内称为压力 控制钻井， 并在一些地区得到了实际的生产应用， 效果很好， 其实际生产应用前景很广阔。压力管理钻井中的核心部分就是对 于井底 压力的控 制 ， 不 同的钻 井工艺对 于压 力的控制 方式不同， 介绍 了几种 井底压 力的控制 方式 ， 分析 了其优劣 势， 为其现场的 进 一步应用提供 了借鉴 。 关键词 MP D； 压力控制； 钻井技术 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 A Bo t t o mh o l e pr e s s ur e c o n t r o l me t ho d i n pr e s s ur e c o n t r o l d r i l l i ng L I U G o n g h u i， H U Z h ik u n ， L I J u n ， T A O Q ia n MO EKe yL a b o r a t o r yo f Pe t r o l e u mEn g i n e e r i n g , C h i n a Un i v e r s i O l o fP e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a A b s t r a c t T h e r e a r e ma n y p r o b l e ms i n c o n v e n t i o n a l o v e r b a l a n c e d r i l l i n g a n d u n d e r b a l anc e d ri l l i n g UB D i n t h e a c t u a l we l l d r i l l i n g e n g i n e e ri n g ． T o i mp r o v e t h e d ri l l i n g t e c h n o l o g i e s u s e d i n a c tua l p r o d u c t i o n ， the p r e s s u r e ma n a g e me n t d r i l l i n g MP D h a s b e e n d e v e l o p e d o n the b a s i s o f c o n v e n t i o n a l o v e r b a l a n c e d r i l l i n g a n d UBD a b r o a d i n t h e p a s t f e w y e a r s ， wh i c h i s n a me d a s p r e s s u r e c o n t r o l d r i l l i n g i n Ch i n a an d h a s b e e n a p p l i e d t o a c tua l p r o d u c t i o n ． Go o d r e s u l t s h a v e b e e n o b t a i n e d ， i n d i c a t i n g t h a t i t h a s b r o a d p r o s p e c t f o r a c tua l p r o d u c t i o n ． Th e c o r e o f M P D i s t o c o n t r o l the b o t t o mh o l e p r e s s u r e ． T h e p r e s s ure c o n t r o l me tho d s v a r y f r o m d i ffe r e nt d r i l l i n g p r o c e s s e s ． I n t h i s p a p e r , s e v e r a l me t h o d s t o c o n t r o l the b o t t o mh o l e p r e s s ur e a r e e mp h a t i c a l l y i n t r o d u c e d ． Ad v an t a g e s a n d d i s a d v an t a g e s o f t h e m a r e an a l y z e d a s we l 1 ． Th i s c a n b e g o o d r e f e r e n c e t o t h e i r f u r t h e r a p p l i c a t i o n t o the fi e l d ． Ke y wo r d s M P D； p r e s s u r e c o n t r o l ； d r i l l i n g t e c hn o l o g y 对于常规过平衡钻井来说 ， 在钻井过程 中， 一般 是通过调整钻井液 的密度来保持井筒 中的液柱压力 大于地层压力 ， 但是 由于难 以得到精确的地层压力 数据 ， 常规钻井作业通常会对油气储层造成较大的 伤害 ， 不利于后期的生产开采 ， 甚至导致实际采收率 远远低于预期 的效果 ， 造成较大的经济损失 。在特 定 的工艺要求和生产要 求情况下 ， 通过配置特定的 MP D钻井装 置 ， 能够很 好地控制压 力。MP D作业 是通过降低非生产时间 N P T 、 减少钻井过程中出 现的各种事故、 优化钻井工艺， 从而达到降低钻井成 本 ， 减小钻井过程中出现各种钻井事故 的机率 ， 最大 限度地实现保护储层 的同时 ， 提升钻井效 率。它可 使储层实现最经济化的开采 ， 使钻井 的经济可行性 得到显著提高。 1 压力控制钻井 M a n a g e P r e s s u r e Dr i l l i n g 在 S P E手册 先进钻井完井技术 中的 MP D 章节中， I A DC关 于 MP D的定义如下 MP D是一种 为了更精确控制井眼环空压力剖面而采用的钻井方 基金项 目 受 国家 自然科 学基金 8 6 3重大项 目 “ 压力管理钻井技术研究 编号 2 0 0 6 AA0 6 Z 2 3 9 ” 资助。 作者简介 柳贡慧， 1 9 6 3 年生。主要研究方向 气体钻井， 压力控制钻井， 教授、 博导。E - ma i l l g h _1 0 2 9 1 6 3 ．t o m， 电话 0 1 0 6 4 9 0 0 0 5 8 。 l 6 石油钻采工艺 2 0 0 9 年 4月 第 3 1 卷 第 2 期 式。其 目的是为了弄清井底压力情况极限从而控制 环空水力压力剖面， 更好地控制井筒压力。MP D的 技术要点是 1 通过采用一系列工具和技术 ， 采用主动式的 对环空水力压力剖面进行控制 的方法 ， 减少 了那些 由于恶劣的井底环境 限制而带来 的事故风险和经济 上的损失。 2 通过对 回压 、 钻井液 的密度 、 钻井液 的流变 性 、 钻井液环空的高度等的控制来控制压力。 3 能快速应对可观测的压力变化。这种对于环 空压力的动态控制能力使得 MP D技术能够在其他 钻井方式不经济 的情况下 ， 仍 可进行经济上的钻井 和开发。 4 MP D能控制地层流体侵入 。对于在操作时 可能发生的井涌等情况能采用相应 的设备进行安全 的处 理 。 5 MP D在钻进和停钻接单根时保持足够的井 口回压 。最基本 的配置是钻柱单 流阀、 1 个旋转控 制装置和 1 个专门的截流管汇。一些特殊情况下的 MP D可能需要更多的安全可靠的技术和设备 。 2 MP D的技术优势 Te e l mi c a la d v a n t a g eo fM PD 1 在地层破裂和孔隙压力窗 口很小的情况下仍 可 以进行裸眼钻井 。 2 处理由于井底环境恶劣带来的大量钻井液漏 失以及井涌和井控 问题 。 3 加深下套管的深度 ， 甚至可能钻完全井都只 需要 1 种尺寸的套管。 4 采用 比常规钻井液密度更小 的钻井液 ， 避免 由于套管循环时破裂导致的钻 井液漏失 ， 以及减少 由于钻人空腔地带而导致 的部分或者全部钻井液漏 失带来的钻井液损失。 5 有更高的机率在钻到 目标深度时保持足够的 井径。 6 闭环钻井液循环系统使钻井作业更安全、 更 健康 、 更环保 。 5 提高钻速 ， 缩短整个工程的作业时问。 3 陆上油田MP D 控制回压系统 M PD c o n t r o l ba c k p r e s s ur e s y s t e m i n l a n d o n l a n do Hfi e l d 陆上油 田不 同于海上油 田， 受工程条件 、 设备、 经济上的限制 ， MP D地面设备的安装与一般 的地面 钻井装置大体类似 ， 其主要核心装置一井口到防喷 器这一区间段见图 1 。MP D的陆上体系结构分成两 部分 一是带 C C D 不间断循环钻井 的 MP D循环 系统； 二是不带 C C D 的循环系统。使用 C C D的主 要 目的在于 保持井底恒压的同时实现 MP D， 方法 和途径繁多， 根据不 同的施工环境 、 设备 、 工程要求 ， MP D实施方法各不相同。 图 1 井 口压 力 控 制 装 置 F i g ． 1 We l l h e a d p r e s s u r e c o n t r o l e q u i p me n t 图 1 为相关文献 中MP D的井 口装置图， 现将该 井 口设备类型归结为微流量控制类 。回压控制范围 有 限， 但在需要微 小调节压力就能满足工艺要求的 情况下， 此种装置能够满足现场施工作业的要求， 其 优点是在现场钻井设备的基础上 ， 不需要再装配其 他更多 的特殊设备 ， 只是在现有的装置基础上增设 特定的设备， 就可以实现对压力的控制， 达到精确控 制压力的目的。其难点是， 对现场操作的要求高， 要 求操作人员根据相关信息 、 数据 ， 迅速、 准确地操作 设备 ， 把该套装置控制压力 的特点发挥出来 ， 从而满 足工艺要求。 回压控制管汇 R C D c h o c k 流量计 回压泵， 见 图 2 。 旋转控制头 回压控器 瓣环 怖 溯 向 平板阀 平板 阀 平板 阀 去泥浆池 四通 四通 泥浆池 泥浆池 图2 井口回压控制管汇 F i g ． 2 We l e a d b a c k p r e s s u r e c o n t r o l ma n i l d 泄 柳贡慧等 压力控制钻井井底压力控制方法 l 7 图 2装置属于 回压控制装置 ， 在保持原井控装 置 的基础上 ， 在流 出管线上 添加必要 的回压 泵 、 节 流设备来有效控 制井底压力。 回压 控制方法是通 过对 比分 析 P WD所 测得 的数据 和计算 所得 的数 据来调节 回压泵 以及相关的节流设备 ， 达到控制井 底压力 的 目的。在控制方位 以及控制 范围上能满 足工程 作业的需要 。通过节 流方法控制 回压 是控 制井 眼压力剖面方法 中的一种 。回压泵 注入 的方 法是 通过 MP D地面流通循环管汇， 利用回压泵 注入 的方式 控制地面 回压 。该 方法 比单一使 用节 流 阀控制 回压精确 ， 控制范 围更广 。一般现场应用 的钻井装置都是通过节流阀来控制 回压 ， 控制能力 有 限。但是通过 回压泵 ， 能够及时 、 迅速并且 能在 更大范 围内控制回压 ， 达到精确控制井底压力 的 目 的。 图 1 反映了 MP D钻井 回压控制的基本特点 以 及基础框架。但是 ， 在实 际应用 中应根据所要求 的 回压控制量来设计相应 的回压控制装置。 4 海上MP D 钻井压力控制系统 M a r i n e M PD we l l dr i l l i n g p r e s s ur e c o nt r o l s y s t e m 在海上进行钻 井作业 ， 由于其复杂 的情况和特 殊的要求 ， 井底压力 的控制要求相当高， 一是预防钻 井过程 中由于压力控制不当而出现的各种各样 的钻 井事故 ， 二是要考虑到以后的储层开发 ， 尽量好地保 护储层 ， 提高后期的采收率 ， 提高储层开发的经济效 益。海上压力控制方式主要分为以下 2种。 1 同心管不问断循环。作为 MP D钻井 ， 其 中 最主要的一条是不间断循环 。在陆上油 、 气井钻井 ， 使用 C C D， 将 面临设备 、 工艺 、 费用上 的考 验 ， 但是 在海上钻井时， 采用同心管注入方式 ， 能有效地控制 循 环效果 ， 在很大程 度上 ， 可 以实 现 C C D的效果。 实际上 ， 目前南海流花油 田引进 的国外石油公 司的 MP D技术 ， 其 中最重要 的一项设备就是 C C D， 费用 之高 ， 让陆上油 田望而止步。如图 3所示 ， 其中流体 1 模拟的是钻井液 ， 钻井液从钻杆中下人井底 图中 黄色箭头所示 ， 经过钻头后携带岩屑返回地面 图 中绿色箭头所示 ， 从 图 3中最外层环空返 回钻井平 台， 其调节井底压力的原理就是通过在 同心环空中 如图 3 中黄色虚线箭头所示 注入流体 2 ， 来调节井 筒中钻井液的液面， 通过注入的流体流速和体积来 调节井底压力。 钻井液 返 网的钻井液 同心 管 钻 杆 井壁 图 3 同心 管装 置 钻 井液 运 动 模 拟 图 F i g ． 3 Dr i l l i n g fl u i d fl o w s i mu l a t i o n i n c o n c e n t r i c p i p e 该项技术在钻开高压储层 、 均质 厚产层 时能够 起到较好的效果。通过控制同心管高度、 注入排量 来提高同心管下部压力 ， 并且能在起下钻过程 中对 井底压力进行很好 的控制。 2 L R RS 水下立管钻井液返回系统 。图 4为 一 海上钻井平台， 其中应用到了 MP D技术 ， 其中的关 键技术如图 4中紫色的虚框部分所示 ， 此管段在图 4 中用红色的管线表示 ， 当需要调节井底压力时， 可以 通过调节 L R RS系统 ， 进而改变高压隔水管中的液面 高度 ， 达到调节井底压力的 目的， 实现对井底压力的 控制。在海洋环境 中可以利用从海床表面到海平面 这一空间安装 L R R S系统， 实行 MP D钻井。调节原 理见图5 ， 通过控制隔水管中流体液面的高度和正常 压力情况下的高度差来调节压力 ， 压力调节度通过液 面高度差体现出来。 控制 系统 下 泥 浆 泵 噌 海 面 防 商 压 隔 水 管 臣 _ 单 井 口 系 统 ＼ i 鼠 _ 2 个 声 j i F - 存取存 广 导管 井径相同＼ f 表层套 技术 图 4 海上 MP D钻井 系统 Fi g． 4 M PD oc e a n dr i l l i n g s y s t e m 图 5 压力调节示意 图 F i g ． 5 S k e t c h o f p r e s s u r e a d j u s t 1 8 石油钻采工艺 2 0 0 9年 4月 第 3 1 卷 第 2期 5 MP D的应用 ⅣI ] } ’ D a p p l i c a t i o n 近 5年来 ， 控制压力钻井 的发展对石油工业产 生 了巨大的吸引力 ， 最近 巴西国家石油公司在 4口 井的钻井中试验 了控制压力钻井 。前 2次试验计划 在 2 0 0 6年第 1 季度进行 ， 是 2口陆地井 ， 另 2口井 是海上油井。继陆地试验后 ， 海上钻井计 划在 2 0 0 6 年下半年进行 ， 于 2 0 0 6 年下半年在巴西东北部 的海 上进行了 2口井的钻井试验 。采用的循环控压系统 克服 了钻 高温高压层所遇到 的问题 ， 过去钻这种井 通常要消耗大量的非钻井时问 ， 其原因是井涌 、 井下 漏失和下套管等问题 。由于循环控压系统能节省大 量的非生产时间， 因而大幅度提高了钻井效率 ， 同时 创造了巨大的经济效益。 6 结论及认识 Co n c l u s i o n a n d u n d e r s t a n d i ng 1 随着经济社会持续高速发展 ， 对能源的巨大 需求正在刺激和推动着钻井技术的迅猛发展 。从 国 内外石油工程技术市场来看 ， 国际经济形势 的进一 步好转对油气需求 比较旺盛 ， 对于钻井工艺 的要求 也越来越高。 2 MP D作 为一 种 先 进 的钻 井 形 式 ， 与钻 井 液密度和钻井液泵转速单独调整来控制压力相 比， MP D具有更强和更精确的井筒压力控制能力 ， 能够 更加有效地开发油藏。 3 目前压力控制钻井中仍然有很多需要完善的 地方 ， 在各种环境 、 各种地质条件下怎样更加精确地 控制环空压力剖面 以及深海压力和温度 的控制理论 还不够成熟 ， 为此还应该进一步的深入研究这一钻 井新技术。 参考文献 Re f e f e nc es [ 1 ] H AN N E G AN D ON M． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g ma ri n e e n v i r o n me n t c a s e s t u d i e s[ R]． S P E 9 2 6 0 0 ， 2 0 0 5 0 2 ． 1 2 J I VE R S E N F ， GR A V DAL J E ， D VE R GS NE S E w， e t a 1 ． F e a s i b i l i t y s tud y o f M a n a g e d P r e s s u r e Dr i l l i n g wi t h a u t o ma t i c c h o k e c o n t r o l i n d e p l e t e d HP ／ HT fi e l d [ R]． SPE 1 0 2 8 42， 20 0 6- 1 2． [ 3] B OR R E F o s s i l ． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g f o r s u b s e a a p p l i c a t i o n s ； w e l l c o n t r o l c h a l l e n g e s i n d e e p w a t e r s[ R] ． S P E ／ I ADC 9 1 6 3 3 ． 2 0 0 4 ． [ 4] S AP O NJ A J ， e t a 1 ． Ma n a g e d P r e s s u r e D r i l l i n g MP D fi 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 u e[ R]． I A DC ／ SPE 9 8 78 7 ，2 00 6． [ 5] B E L T R A N J C ， e t a 1 ． C a s e S t u d i e s p r a c t i v e ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g a n d u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g a p p l i c a t i o n in S a n J o a q u i n we l l s ， V e n e z u e l a l R J． S P E 1 0 0 9 2 7 ， 2 0 0 6 ． [ 6 j H AN NE GA N D． C a s e s t u d i e s o ff s h o r e ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g[ R]． S P E 1 0 1 8 5 5 ， 2 0 0 6 ． [ 7] F I NL E Y Do u g ， e t a 1 ． R e s e r v o i r k n o wl e d g e a n d d r i l l i n g - b e n e fi t s c o mp a r i s o n for u n d e r b a l a n c e d a n d ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g o p e r a t i o n s[ R J． S P E ／ I AD C 1 0 4 4 6 5 ， 2 0 0 6 ． [ 8 ] C HE N S h e n ， e t a 1 ． Ma n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g r e d u c e s Ch i n a h a r d - r o c k d r i l l i n g b y h a l f l R J． S P E ／ I A DC 1 0 5 4 90 ，2 00 7． [ 9] 严新新， 陈永明， 燕修良． 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 2 ． 6 6 ． Y AN Xi n x i n ， CHE N Yo n g r n i n g ， YAN Xi u l i a n g ． M P D a n d i t s a p p l i c a t i o n t o d ri l l i n g【 J J． Na t u r a l G a s E x p l o r a t i o n De v e l o p me n t , 2 0 0 7 ， 3 0 2 6 2 舶 ． [ 1 0] 辜志宏， 王庆群， 刘峰， 等 ． 控制压力钻井新技术及其 应用 [ J ]． 石油机械 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 6 8 7 2 ． G UZ h i h o n g ， WAN GQ i n g q u n ， L I U F e n g ， e t a 1 ． MP Dn e w t e c h n o l o g y a n d a p p h e a t i o n[ J ]． C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n - e r y , 2 0 0 7 ． 3 5 1 1 6 8 - 7 2 ． 修 改稿收到 日期2 0 0 9 一 O 1 ． 1 8 [ 编辑薛改珍 ]