微流量控制钻井自动节流管汇的设计及应用.pdf

第 3 4卷 第 6期 2 0 1 2年 1 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L L I NG P R0DUC T 1 0N T EC HN0L OGY Vo 1 ． 3 4 No ． 6 NO V ．2 01 2 文章编号1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 2 0 60 0 5 30 4 微流量控制钻井 自动节流 管汇 的设计及应用 张奎 林 夏 柏如 1 ． 中国地质大学工程技术学院， 北京1 0 0 0 8 3 ；2 ． 中国石化石油工程技术研究院， 北京1 0 0 1 0 1 引用格式张奎林， 夏柏如 ． 微流量控制钻井 自动节流管汇的设计及应用 [ J ]． 石油钻采_ r - E， 2 0 1 2 ， 3 4 6 5 3 ． 5 6 ． 摘要微流量控制钻井技术具有能够探测早期微小溢流和漏失、 精确控制井底压力的优势。该技术的核心部件是地面自 动节流管汇， 其节流敏捷度和准确度直接关系到能否实现微流量控制和其控制精度。为了打破国外对该技术的垄断， 降低钻井 成本， 开发具有 自主知识产权的微流量控制钻井技术， 综合考虑节流流量与井筒压力分布的关系， 基于流体动力学与 自动控制 理论， 设计了一套适用于微流量控制钻井的地面自动节流管； r - 。现场试验证实其具有较好的自动节流控制功能， 能在 3 0 S 内实 现井筒微流量控制， 地面检测压力误差低于0 ． 1 MP a 。该节流管汇的设计与现场成功应用为微流量控制钻井技术在我国的推广 和设备的国产化进行 了积极探索。 关键词微流量；控压钻井 ；节流管汇；设计；试验 中图分类号 T E 9 2 1 ． 5 文献标识码 A De s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f a u t o ma t i c t h r o t t l e ma n i f o l d i n Mi c r o F l u x Co n t r o l MF C Z H A N G K u i l i n ， XI A B a i r u 1 ． S c h o o l o f E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y ， C h i n a U n i v e r s i ty o fG e o s e i e n c e s ， Be ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． S i n o p e c R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m En g i n e e r i n g T e c h n o l o gy， B e O i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a A b s t r a c t Mi c r o F l u x C o n t r o l MF C d r i l l i n g t e c h n o l o g y h a s a d v a n t a g e s o f d e t e c t i n g e a r l y s ma l l o v e r fl o w a n d l e a k a g e a n d c o n - t r o l l i n g t h e b o s o m h o l e p r e s s u r e p r e c i s e l y ． T h e c o r e c o mp o n e n t i n t h i s t e c hn o l o g y i s g r o u n d a u t o ma t i c t h r o t t l e mani f o l d ， wh o s e a g i l i t y a n d a c c ura c y i s d i r e c t l y r e l a t e d t o wh e t h e r p r e s s u r e c o n t r o l c a n b e a c h i e v e d a n d i t s a c c ura c y ． T h i s t e c hn o l o g y h a s b e e n wi d e l y u s e d b y s e v e r a l f o r e i g n c o mp a n i e s ， wh o d o n o t s e l l r e l e v an t e q u i p m e n t a n d t o o l s ， b u t o n l y p r o v i d e t e c hn i c a l s e r v i c e wi t h e x tre me l y h i g h p ri c e ． To b r e a k the mo n o p o l y o f for e i g n t e c h n o l o gy an d t o r e d u c e d r i l l i n g c o s t a s we l l a s t o d e v e l o p MFC d r i l l i n g t e c h n o l o g y wi th i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y r i g h t ， a s e t o f g r o u n d a u t o ma t i c t hro t t l e ma n i f o l d wa s d e s i g n e d b y c o mp r e h e n s i v e l y c o n s i d e rin g t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n we l l b o r e p r e s s ure d i s t r i b u t i o n s a n d thr o ttl i n g fl o w c a p a c i ty a n d b a s e d o n fl u i d d y n a mi c s a n d a u t o ma t i c c o n tro l t h e o r y , Th e fi e l d t e s t c o n f i r me d t h a t t h i s s e t o f e q u i p me n t h a s a n e x c e l l e n t f u n c t i o n o f a u t o ma t i c t hro t t l e c o n t r o 1 ． T h e MFC o f we l l b o r e c a n b e a c h i e v e d i n 3 0 S a n d t h e p r e s s u r e e r r o r i s l e s s t h an 0 ． 1 M P a ． De s i gn a n d s u c c e s s fu l fi e l d a p p l i c a t i o n o f t h i s t hr o tt l e man i f o l d p a v e d the wa y f o r the p r o mo t i n g o f M F C d r i l l i n g t e c h n o l o gy i n C h i n a a n d e q u i p me n t l o c a l i z a t i o n ． Ke y wo r d s mi c r o fl u x ； ma n a g e d p r e s s ure d r i l l i n g ； t hro tt l e ma n i f o l d ； d e s i gn ； t e s t 近年来， 国外在控压钻井的基础上研制开发出 一 种基于钻井液微流量控制的钻井技术， 该技术在 钻井液循环管路上安装了传感器和节流器， 钻井过 程中油气井的进口流量和出口流量在差值很小的情 况下就能够被检测出， 因此能够及时发现微小的溢 流或井漏， 以便迅速做出节流操作， 保证井底压力处 于安全窗 口之内 。 常规控压钻井主要是通过对井 口回压 、 流体 密 度、 环空水力摩阻等参数的综合控制， 从而控制整个 井眼环空压力剖面[ 5 -9 ] o然而， 当钻井过程中发生气 侵时， 由于气体密度很小， 即使气侵量很大， 也不会对 环空压力剖面产生很大影响， 以至于当气体上升很 基金项目中国石油化工集团公司项 目 “ 川西地区控压钻井技术研究” 编号J P 0 9 0 0 2 。 作者简介张奎林， 1 9 7 6 年生。 1 9 9 8 年毕业于长春地质学院勘察工程专业， 现主要从事钻井工艺研究及科研管理工作， 高级工程师。 电话 0 1 0 5 9 9 6 8 8 1 0 。E - m a i l z h a n g k l s i n o p e c ．c o m。 石油钻采工艺2 0 1 2 年 1 1 月 第 3 4 卷 第6 期 长一段距离时， 仍无法检测出环空压力的变化。微流 量控制钻井 以环空流量控制为对象 ， 避免 了常规控 压钻井井底压力监测不准的弊端， 简化了装备配置， 流量控制精度高， 具有较大的推广优势。但在遇到井 眼直径变化时， 需要结合地质资料及现场工况对测 量数据的规律进行详细分析， 以避免漏判、 错判。 微流量控制钻井系统 ” 核心部件为地面节流 管汇 2 ， 其上安装有节流阀和多种传感器。节流阀能 够根据中央数据采集与控制系统发出的指令进行节 流操作 ， 实时调整节 流阀开度 ， 从而控制 回程压力。 因此， 要能够安全高效地实现微流量控制钻井， 地面 节流管汇的布置和节流 阀的 自动控制 至关重要 ， 笔 者设计 出一套适用于微流量控制钻井 的国产化地面 自动节流管汇， 并于现场进行了试验测试以验证其 自动控制功能 ， 为我国微 流量控制钻井技术 的推广 和配套设备的国产化提供了一定的参考。 1 节流理论 节 流管汇的关键部件是节流阀 ， 通过调节节流 阀的开度可以控制其两端的压差， 满足 p 一 7 l_ [ ] c 式 中， p 为节流阀前压力 ， P a ；P 为节流阀后压力 ， P a ； ∞为节流 阀全开时 开度 为 1 0 0 ％ 的局部 阻 力系数；P 为通过节流阀的流体密度， k g ／ m ；Q为 通过节流阀的流体流量 ， m ／ s ；A为节流阀后端过 流截面积， m ； f f ／ f m 为节流阀开度的函数， 由阀 芯和阀座形状决定 ， 实际工程 中一般分为快开特性 、 直线特性、 抛物线特性和等百分 比特性；， 为节流 阀阀杆位移， m；l m 为节流阀阀杆可移动的最大位 移 ， m。 节流阀前压力与环空井底压力间满足 P 。 P P a f p w h p b 2 式 中， P 为环空井 底压力 ， P a ； P 为环 空静液柱 压 力 ， P a ；P f 为环空循环压耗 ， P a ； P 为环空循环波动 压力 ， P a 。 然而， 发生井漏或溢流等复杂情况时， 井筒环空 中的流体可能是气液油固多相流体， 这时的井底压 力满足多相流动控制方程组 O p g V g a g A O p g o g A 0 f 1 dZ t 一 O p l Vl a l A O P l a lA 0 f 4 1 O P o V o Ol oA O p o o l oA 0 5 8 Z 8 t O p , o q A 0 6 Z bt p JD - 。 p 。 。 2 v 2 a l P o V 2 O Z．s O P “ F p lO ll -[- P oO o -F p sO Ls g c o s 0 -4一 0 7 其 中 P p g O l g P l O q Q 。 P s a 8 P c 9 式中， P g “,P 。 、 P 。 、 P 分别为环空某一深度气相、 液相、 油 相和固相的密度， ／ m ；V g 、 、 11o 、 1， 分别为环空某 一 深度气相、 液相、 油相和固相的速度， m ／ s ；V m 为 昆 合流体速度， m ／ s ；。 [ 、 。 、 。 、 6 c。 分别为环空某一深度 处的含气率、 含液率、 含油率和固相含量； A为环空 截面积， m 2 ； 为沿程阻力系数；T 为温度， K； 。 为标准状态温度， K；z为气体压缩因子；Z s 为标 准状态时的气体压缩因子； 为标准状态时的气 体密度， ／ m 。 ； P 为标准状态压力， P a 。 离散上述控制方程组， 沿井筒深度分段计算后 结合式 1 即可得到节流管汇流量与井底压力之间 的关系。可见， 微流量控制钻井表面上是通过监测 井筒进 出 口流量变化后 ， 发出指令给节流阀调节开 度 ， 从而控制流量， 实质上是通过调节阀门开度改变 阀前压力的大小 ， 从而改变井 口环空回压 ， 影响井底 压力 ， 达到控压钻井的目的 ， 即最终还是控制压力。 2 节流管汇设计 根据上述节流理论和微流量控制钻井技术 的现 场适用性要求， 设计了图 1 所示的节流管汇流程图。 该节流管汇有 3 条节流支路和 1 条回压泵管路组成。 3 条节流支路分别为主控节流通道、 辅助节流通道和 备用节流通道， 每条节流支路均有一自动节流阀， 正 常控压钻井时只需使用 1 条主控节流通道；当主控 节流通道需要检修时， 则启用备用节流通道；若不 需要控压时 不通过节流阀 ， 可让流体直接通过辅 助节流通道。起下钻时， 则启用回压泵和回压泵节 流通路， 用于补充钻井液以平衡井底压力。节流管 汇前端安有一压力表， 用于监测套压 p 毗。3 条节流 支路和回压泵管路末端装有压力传感器， 监测节流 5 6 石油钻采工艺2 0 1 2 年 1 1 月 第3 4 卷 第6 期 次设定套压为 0 ．8 MP a 、 1 MP a 、 0 ． 8 MP a 进行控压试 验。 整个试验过程历时7 6 ．5 h ， 平均机械钻速4 ． 1 m ／ h ， 施工周期 1 ． 9 5 d 。正常钻井压力实时曲线如图 4所 示。由图可见， 节流调节后的实际套压与设定套压 基本一致， 管汇流量波动较小， 压力平稳衔接， 且该 套设备能在 3 0 s 以内把压力控制到设定套压， 压力 趋于稳定后的误差在 0 ． 1 MP a 以内， 满足了现场微 流量控制的速度和精度要求。 一 室 图4 正常钻进控压实时曲线 4 结论 1 分析了微流量控制钻井地面节流管汇流量监 测实现控制井底压力 的基本原理 ， 建立 了节流管汇 流量与井底压力之间的关系式， 并结合节流管汇的 水力特性， 基于流体动力学与自动控制理论， 设计了 一 套适用于微流量控制钻井的地面自动节流管汇。 2 流管汇分 3 条节流支路和 1 条回压泵管路， 实现了正常钻进时主控、 辅助及备用节流的选择切 换和起下钻时回压流量的控制功能。开发的远程配 套控制系统方便了终端控制， 实现了人机交互。 3 现场试验验证了该节流管汇具有较好的自动 调节控压功能 ， 节流阀反应迅速 ， 能在 3 0 s 内实现井 筒微流量控制 ， 且地 面检测压力控制 在 0 ． 1 MP a以 内。该套国产化节流管汇的设计与现场应用是我国 微流量控制钻井技术的突破性尝试， 有较好的参考 价值 。 参考文献 『 1 ] S A NT OS He l i o S HA YE G I S a r a ． Mi c r o ． fl u x c o n t r o l t h e n e x t g e n e r a t i o n i n d r i l l i n g p r o c e s s f o r u l t r a - d e e p w a t e r C j ． Pa p e r OTC 1 5 0 6 2 p r e s e n t e d i n Of f s h o r e T e c h n o l o g y Co n f e r e n c e ， 5 8 M a y , 2 0 0 3 ， Ho u s t o n ， T e x a s ． 『 2 ] S A NT 0S He l i o ， C A T AK E r d e m， KI NDE R J o e ， e t a 1 ． F i r s t fie l d a p p l i c a t i o n s o f mi c r o fl u 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 ri s e s[ C j． P a p e r S P E 1 0 8 3 3 3 p r e s e n t e d i n I ADC／ S P E M a n a g e d P r e s s u r e Dr i l l i n g Un d e r b a l a n c e d Op e r a t i o n s ， 2 8 2 9 M a r c h ， 2 0 0 7 ， Ga l v e s t o n ， T e x a s ． [ 3 ] 曾凌翔， 李黔， 梁海波， 等 ． 控制压力钻井技术与微流量控 制钻井技术的对比 [ J ]． 天然气工业， 2 0 1 1 ， 3 l 2 8 2 ． 8 4 ． [ 4 ] 郭元恒， 曾桂元， 李勇 ． 微流量控压钻井系统的研制与 现场试验 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 3 1 1 2 1 1 4 ． [ 5 ] MAL L O Y K S T ONE C R ， ME DL E Y G H， e t a 1 ． M a n a g e d p r e s s u r e d r i l l i n g wh a t i t i s a n d wh a t i t i s n o t[ C]． P a p e r S P E 1 2 2 2 8 1 p r e s e n t e d i n I A DC ／ S P E M a n a g e d P s s ure Dri l l i n g a n d Un d e r b a l a n c e d Op e r a t i o n s Co n f e r e n c e Ex h i b i t i o n ，1 2 1 3 F e b r u a r y ，2 0 0 9 ，S a n An t o n i o ， Te x a s ． [ 6] O AK L E Y Do u g ， C O NN L e e ． Dri l l i n g fl u i d d e s i g n e n l arg e s t h e h y d r a u l i c o p e r a t i n g wi n d o ws o f 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 l C j． P a p e r S P E 1 3 9 6 2 3 p r e s e n t e d i n S P E／ I ADC Dr i l l i n g Co n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n ，1 - 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