控制壓力鉆井技術與微流量控制鉆井技術的對比

曾凌翔 李黔 梁海波 孫凱 代峰

西南石油大學

控制壓力鉆井技術與微流量控制鉆井技術的對比

曾凌翔 李黔 梁海波 孫凱 代峰

西南石油大學

深井、復雜井目前主要面對的鉆井難題是如何在窄鉆井液密度窗口中安全鉆進,而控制壓力鉆井技術則可以解決上述難題。控制壓力鉆井主要包含控壓鉆井(Managed Pressure D rilling,縮寫為M PD)技術與微流量控制(M icro-Flux Control,縮寫為M FC)鉆井技術。為促進國內引進、吸收、應用以上新技術,從鉆井技術原理和鉆井設備及特點這兩個方面,將M PD與M FC進行了詳細對比。結論認為:①M PD可以精確控制井底壓力,實現平衡或近平衡鉆井,設計的鉆井液密度低于常規鉆井液密度,當循環鉆進時需要通過液柱壓力與循環壓耗來平衡地層壓力,當停止循環時井底壓力則為液柱壓力與回壓之和,需要回壓來彌補循環壓耗以達到平衡狀態;②M FC是在M PD基礎上研制出來的一種新鉆井技術,它不僅滿足了M PD技術的核心功能,而且還擁有了自己獨特的技術特點——微流量(微進口流量和微出口流量)控制,能探測到早期的侵入與漏失,更精確地預見和控制有關事故的發生;③與M PD相比,M FC能探測到更小的井內總體流量的波動范圍;④國內有必要盡快引進和吸收以上先進技術,用以提高鉆井技術水平和解決窄鉆井液密度窗口安全鉆進問題。

控壓鉆井技術 微流量控制鉆井技術 對比 原理 設備 窄鉆井液密度窗口 井底壓力 總體流量

控壓鉆井(Managed Pressure D rilling,縮寫為M PD)技術于2004年IADC/SPE阿姆斯特丹鉆井會議上被提出[1]。M PD技術能精確控制環空壓力剖面,安全鉆進窄鉆井液密度窗口。該技術具有減少套管數量、安全起下鉆、減少NPT、減小抽吸效應等特點。微流量控制(M icro-Flux Control,縮寫為M FC)鉆井技術是基于M PD發展起來的一種新技術,具有一些獨特的能力(能探測到早期的侵入與漏失)。M FC可以有效地擴大鉆井液密度窗口,使鉆井液密度在安全的情況下盡可能接近孔隙壓力。Weatherfo rd與 Halliburton較先研發了M PD與M FC并取得了成功。國內需要盡快吸收和利用M PD與M FC來達到高效率、安全鉆井。因此將M PD與M FC進行技術對比,可以加深對其優勢的認識,加快引進步伐。

1 鉆井技術原理

與傳統鉆井、欠平衡鉆井(UBD)相比,M PD是微過平衡鉆井,可以在窄鉆井液密度窗口安全鉆進,有效地阻止流體侵入、地層破裂與坍塌等事故的發生,如圖1所示。M PD技術設計時使用低于常規鉆井方式的鉆井液密度進行近平衡鉆井,當停止循環時,循環壓耗消失,井底壓力減小,不滿足鉆井平衡(圖2)。此時需要用回壓彌補循環摩阻以達到平衡地層的目的。

圖1 3種鉆井技術對比圖

圖2 鉆井平衡基本原理圖

M PD主要是通過對回壓、流體密度、流體流變性、環空液位、水力摩阻和井眼幾何形態的綜合精確控制,使整個井筒的壓力精確的維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間,進行平衡或近平衡鉆井,如圖3所示。

圖3 控壓鉆井(M PD)技術原理示意圖

M FC鉆井是通過監測微進口流量或出口流量,來實現監測鉆井液總流量的微小波動范圍,也是一種精確確定孔隙壓力與破裂壓力的鉆井方法。探測到小的流失與侵入,然后通過一定的方法來調整返回流量(通過回壓泵與節流閥的共同作用或只調節節流閥來實現),結果使井底壓力平衡地層壓力。

微流量控制系統能夠滿足快速控制的理論要求:鉆井環空中的鉆井液為不可壓縮流體,地面上控制單元的任何微小壓力變化都將在環空中得到快速響應,傳輸的速度可達到聲速。

M FC是維持在選擇的井底壓力下進行微過平衡安全鉆進。為了快速監測到微溢流或微漏失并作出反應,要使環空內盡可能地為不可壓縮流體。

M FC的操作系統也具有其顯著特點。操作系統含有侵入與漏失的探測、趨勢分析等。閉循環系統有利于探測微溢流。因此能很早的發現問題。循環流體經過節流閥時,通過改變流量調節回壓來阻止侵入等情況。當發生侵入時,0.007 95 m3的侵入量在井眼中都可以被探測到,發現后立即控制,當控制住侵入后再檢測總的侵入量將會少于0.079 5 m3[2]。系統會自動將侵入循環出井眼,井控操作也會自動進行,包括壓井鉆井液的循環。與常規循環相比,早期探測漏失的能力歸功于閉循環系統,因而不會出現誤判漏失的情況。

許多情況可以用趨勢來分析判斷。如:在高溫高壓的井中,判斷是發生井涌還是井眼的膨脹效應,這種情況就可以利用M FC;但如果是常規鉆井的條件下,兩者的結果都是排出量增加就會使施工人員感到困惑。

M FC在任何時間都可以很容易安裝在傳統鉆井系統上,簡易方便。許多情況下,回壓盡量要小,可以達到更加安全的目的。如果遇到很高的孔隙壓力,可以提高靜泥漿柱,使得回壓減小。M FC的好處是適應許多類型的井,無論是在海上(包括超深水井),還是陸地[3]。M FC也可以適應具有挑戰的環境:高溫高壓、深井和超深水地區、探井、不知地層壓力的區域、壓力剖面快速變化的井眼、敏感性地層等,基本上可以解決目前鉆遇的難題。

2 鉆井設備及特點

從表1可以看出,M PD因其原理與常規鉆井不同,致使井口的管線連接也有所不同,不僅多了一套M PD節流管匯,而且還有一個具有特別要求的回壓泵等[1-6]。M PD節流管匯中的節流閥的精度特別高,流量計可以精確測量多相態的數據和檢測到溢流等。

表1 M FC與M PD設備對比表

總的來說地面的管線布置大致相同,回壓的變化通過類似的方法來實施。不同的工況下,都是通過回壓泵與節流管匯的作用來達到平衡或近平衡井底壓力狀態。圖4為M PD鉆井工藝簡易流程圖。

圖4 MPD鉆井工藝簡易流程圖

鉆進循環過程:泥漿泵—鉆柱—環空—控制旋轉頭—節流管匯—泥漿池。

接單根循環或起鉆過程:回壓泵(旋轉控制頭)—節流管匯。

M FC鉆井技術的工藝流程[5]分為兩種類型:常規鉆井與M FC鉆井。常規鉆井時通過鉆機泵、立管、溫度與壓力傳感器、流量計、井口、鉆柱、井下設備、防噴組、旋轉控制頭、振動篩,最后到達泥漿罐。M FC鉆井是通過鉆機泵、立管、溫度、壓力傳感器、流量計、井口、鉆柱、井下設備、防噴組、壓力控制設備、流量計、傳感器、節流管匯、分離器、振動篩,最后到達泥漿罐。圖5為M FC鉆井工藝簡易流程圖。

圖5 M FC鉆井工藝簡易流程圖

值得注意的是:比較圖4與圖5可以看出,注入時M FC鉆井技術應用了先進的質量流量計與體積流量計,它們比出口的質量流量計和體積流量計要先進,這也是實現微流量控制的一個重要配置。

3 結論

1)控壓鉆井技術與微流量控制鉆井技術大體上是一致的。

2)控壓鉆井技術能精確控制井底壓力,自動、安全的鉆進窄鉆井液密度窗口,同時對設備的要求也需要很精確。

3)微流量控制鉆井技術不僅具有控壓鉆井技術的優點,而且能更早地探測和更精確地控制各種事故的發生。

[1]MALLOY K,STONE R,M EDLEY G,et al.Managed-Pressure drilling:w hat it is and w hat it is not[C]∥paper 122281-MS p resented at the IADC/SPEManaged Pressure D rilling and Underbalanced Operations Conference&Exhibition,12-13 February 2009,San Antonio,Texas,USA. New Yo rk:IADC/SPE,2009.

[2]SANTOS H,REID P,MCCASKILL J,et al.Deepwater drilling made more efficient and cost-effective:using the microflux controlmethod and an ultralow-invasion fluid to open the mud weight w indow[J].SPE D rilling&Completion,2007,22(3):189-196.

[3]SANTOS H,REID P,LEUCHTENBERGC,et al.M icroflux controlmethod combined w ith surface BOP createsenabling oppo rtunity fo r deepwater and offsho re drilling[C]∥paper 17451-MS p resented at the Offsho re Technology Conference,2-5 May 2005,Houston,Texas,USA.New York:SPE,2005.

[4]SANTOS H,MU IR K,SONNEMANN P,et al.Op timizing and automating p ressurized mud cap drilling w ith the micro-flux controlmethod[C]∥paper 116492-MS p resented at the SPEAsia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,20-22 October 2008,Perth,Australia.New York: SPE,2008.

[5]CHUSTZM J,SM ITH L D,DELL DWA YNE.M anaged p ressure drilling success continueson Auger TLP[C]∥paper 112662-MS p resented at the IADC/SPE Drilling Conference,4-6 March 2008,O rlando,Flo rida,USA.New York:IADC/SPE,2008.

[6]SANTOS H,LEUCHTENBERG C,SHA YEGIS.M icroflux control:the next generation in drilling p rocess[C]∥paper 81183-MS p resented at the SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference,27-30 Ap ril 2003,Po rt-of-Spain,Trinidad and Tobago.New York: SPE,2003.

Comparison between managed pressure drilling(M PD)and m icro-flux control(M FC)drilling

Zeng Lingxiang,Li Qian,Liang Haibo,Sun Kai,Dai Feng
(Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.82-84,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The major drilling challenge in deep and comp licated wells nowadays is how to perform safe drilling through fo rmations w ith narrow drilling fluid density w indow and themanaged p ressure drilling(M PD)technology can solve this p roblem and it includes M PD and M FC(micro-flux control)drilling.For getting more know ledge of those two drilling technologies fo r their further p romotion and w ide app lication,comparison ismade between them from aspectsof the p rinciples,drilling equipment and features.The follow ing results are concluded.First,M PD can p recisely control the bottomhole p ressure to realize balanced drilling o r near-balanced drilling,the designed drilling fluid density is lower than the conventional drilling fluid density.When the circular drilling is running on,the hydraulic column p ressure and circulation p ressure losswill be considered to balance the formation p ressure;w hile the circular drilling stops,the bottomhole p ressure w ill be equal to the hydraulic column p ressure p lus backp ressure.Thus,the backp ressure is exerted to setoff the circulation p ressure loss to achieve the balance.Second,M FC is further developed from MPD,it can notonly meet the requirements fo r themain functionsof M PD,but has itsow n unique features,that is,micro-flux(both influx and out-flux) control,being able to detect the intrusion and loss at the early stage and mo re p recisely fo resee and control po tential accidents. Third,Compared w ith M PD,M FC can detectminor flux variation in the wellbo re.Fourth,it is necessary to introduce those technologies into China to imp rove drilling technology and to perform safe drilling through formations w ith narrow drilling fluid density w indow.

M PD,micro-flux control drilling,comparison,p rincip le,equipment,narrow drilling fluid density w indow,bottomhole p ressure,to tal flux

“十一五”國家油氣重大科技攻關項目(編號:2008ZX05000-021-006)的部分研究結果。

曾凌翔,1985年生,碩士研究生;研究方向為油氣井工程。地址:(610500)四川省成都市新都區西南石油大學碩09級3班。電話:15982068102。E-mail:zenglingxiang94@126.com

曾凌翔等.控制壓力鉆井技術與微流量控制鉆井技術的對比.天然氣工業,2011,31(2):82-84.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.020

(修改回稿日期 2010-12-04 編輯 居維清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.020

Zeng L ingxiang,bo rn in 1985,is studying for an M.S degree,w ith his interest in oil and gas well engineering.

Add:No.8,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Mobile:+86-15982068102 E-mail:zenglingxiang94@126.com