控压钻井技术及其应用

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控压钻井技术及其应用姓名：XX班级：序号：学号：摘要：控压钻井是利用封闭的钻井液循环系统，通过液力井的模拟程序来反馈数据，预测环空压力剖面，从而使自动控制压力系统自动调节节流阀，产生微小调节量来精确控制整个井眼的环空压力剖面。本文介绍了控压钻井的概念和原理及其应用和发展。关键词：控压钻井；MPD；钻井技术；应用控压钻井是目前世界上最先进的钻井技术之一，能够对井底压力进行实时精确的控制、解决现场遇到的井下复杂钻井问题；理论研究与应用实践均表明，它可以有效的解决国内外普遍遇到的窄密度窗口安全钻井难题。为了更好的掌握和运用该技术，从宏观角度将控压钻井看作为一项较复杂的系统工程，既要保证系统内任一组成部分能够正常运转，又要提高系统内各部分之间的协调能力，从而发挥其最大效率。为此，提出了控压钻井系统工程（MPDSE）的概念——控压钻井系统工程就是将系统工程理论应用到控压钻井技术中的一种研究方法。其主要内容是研究系统内部各组成部分的精确设计，系统分析各组成部分之间的相互关系和内部地位，优化处理各组成部分之间的相互制约性，实现系统的最优化。一、MPD的系统组成和工作原理[1]1、定义和技术特点(1)MPD的定义：国际钻井承包商协会(LADC)欠平衡和控制压力委员会(Underba1ancedOperationandManagedPressureCommitee)将MPD定义为：MPD是用于精确控制整个井眼压力剖面的适宜钻井程序，其目的是确定井下压力的环境限制，并以此控制环空液压剖面。(2)技术特点：它不同于常规的开式压力控制系统，而是依赖于封闭的循环系统通过调节井眼的环空压力来补偿钻井液循环而产生的附加摩擦压力。MPD技术义个重要特点就是使用了一套封闭的系统，可增加钻井液返回系统的钻井液压力，以提供钻进的能力和在保持适当环空压力剖面的情况下能连续接钻杆。适当的环空压力剖面阻止了钻井液流人地层造成对地层的伤害。MPD技术的这种控制压力变化还提供了更好地控制井的能力，以及取得更精确的井眼压力控制、保持和返回钻井液的导流，较少中断钻井过程。MPD这种工艺是在地层孔眼压力和裂缝压力梯度之间，完全允许“工作管线”通过精确控制环空压力剖面的一项技术。MPD不是设计来增加油井产量或最小化趋肤危害的，而是为了克服一些钻井问题，如低渗透率、循环钻井液损失、差压卡钻，简化套管尺寸和获得深层开孔井眼等。对MPD的技术注解如下：①、MPD工艺的采用可以减少具有狭窄井眼环境限制的、与钻井有关的风险和投资；②、MPD可以对包括回压、流体密度、流体变性、环空液面、循环摩擦力和井眼几何尺寸或这些因素的组合进行控制；③、MPD可以较快地靠纠正作业来处理观察的压力变化，它动态控制环空压力的能力容易完其他技术不能很好完成的钻井作业； ④、MPD技术可用于避免流体侵入地层，操作(包括用适当的工艺)容易发生的任何流动都是全的。2、工作原理在MPD的封闭循环系统中，钻井液从钻井液池通过钻井泵进入立管下降到钻杆，通过浮阀和钻头上部的环空，然后从RCD下方的环形防喷器流出。再通过一系列的节流阀，到振动筛或脱气装置，最后回到钻井液池。环空中的钻井液压力通过使用RCD和节流管汇，被保持在钻井泵出口和节流阀之间。RCD允许管柱和全部钻柱旋转，所以，立管、钻杆和钻柱能连续工作。(1)井的模拟控制：MPD系统通过液力井的模拟程序来反馈数据，该程序能阅读和处理包括井身和直径、地层数据、钻柱转速、渗透率、钻井液粘度、钻井液密度和温度等数据，然后预测环空压力剖面。任一点的环空压力由静钻井液量、环空摩擦压力和地面的背压3部分组成。由于静钻井液重力在给定的期间内基本上是常数，所以，能快速变化的其余2个参数是环空摩擦压力(适当改变钻井泵速度)和地面的背压(通过自动的节流系统控制)。当决定需要调控压力剖面时，为了达到所需要的环空压力剖面，在模拟控制下，节流阀自动调节以改变因环空的钻井液流速增加或减小而引起的环空摩擦压力的变化。用于MPD系统的自动控制压力(PowerAMPS)系统能自动调节节流阀，产生必要的微小调节量来维持所需的环空压力剖面。(2)下套管后钻井下套管后钻井时，静的钻井液重力、环空摩擦压力和节流阀背压的曲是相对稳定的。当接钻杆时，就会产生由MPD系统提供的压力值，即使钻井泵因接钻杆而停泵，能维持环空系统所需要的压力值。在增强功能的MPD系统中，当钻井泵减速钻井液流量减少时，由于AFP的减小，会出现低的流动速度，也就会产生较低的环空摩擦力。AFP的减小量一定会同时被节流阀的背压所代替，井的模拟控制也就连续不断地送出新的压力校正号，并且自动控制压力系统就会调节并保持所需压力。二、MPD的应用与发展由于MPD的技术特点，目前在现场有如下几方面的应用。1、开采天然气水合物[2]天然气水合物具有非常高的商业价值。全世界天然气水合物的资源量相当可观，仅美国探明的几块水域的最终可采水合物储量中的天然气含量就高达“4.25×1013--5.66×1013”，这虽接近美国目前国内天然气可采量，但可能还不足美国地下天然气水合物总储量的1％。与常规油气钻井相比，在开采天然气水合物的钻井过程中，会打破水合物依存的平衡条件，由于压力的降低或温度的增加会造成水合物的分解并释放出游离气和水，由此会加重井眼的不稳定、井底压力的波动、水合物在井眼外的分解，以及在海洋开采时会有潜在的涌流和海床下沉。这就要求在钻井过程中，必须精确控制井眼压力和温度，以维持易碎水合物储存的应力和条件，在钻井过程中防止其分解。MPD系统能使储层保持规定的井底压力，以减少因压力降低而导致的水合物的分解；同时使用339．725mm(13％英寸)的隔热隔水管和冷却钻井液体系，使井底温度保持在11℃以下以避免水合物因温度升高而分解。2、在委内瑞拉、挪威、加拿大和墨西哥解决钻井中的技术问题已证实，将近有14种MPD系统可用于深水钻井。在委内瑞拉San Joaquin油田5口井MPD的成功应用表明，MPD没有循环钻井液损失，增加了渗透率，减少了钻头使用数量，优化了井身结构，减少了NPT，常规钻井问题也减少了。在挪威近海的Gulfaks油藏，用欠平衡和压力平衡技术，于2004年夏天成功钻井和完井的第112C—05A井，与使用全部欠平衡装置而应用MPD技术于2005年夏天钻井和完井的第2口C__09A井相比，由于Gullfaks油藏有很强的渗透率，当评价钻井的效果时井眼壁附近的地层损害不作为重要的考虑因素]。C__09A井是采用类似于C__05A井的侧钻。结果表明：第一口井不久后就显示了油层枯竭；而第二口井表现了强大生命力。在加拿大采用MPD技术的现场应用同样证明了其技术价值。3、用于海洋钻井[3]目前，在海洋环境下钻井，正在采用的MPD有4种方案：第1种是井底恒压力MPD(Constant—bottom—hole—pressureMPD)。为了克服井涌，井底压力与地层压力之间的差值始终保持较小的常数值。在钻井过程中，地表的环空压力几乎为零，当接钻杆而关闭环空压力时，只需要2～3MPa的背压。第2种是双梯度MPD(Dual—gradientMPD)。该方法是预先确定好来自隔膜氮气生产装置的氮气量，然后再注入到套管或隔水管内规定的位置。这样，注入点到地表面就形成了气体、钻井液和岩屑的压力梯度。该技术能有效地调节当基本的流体粘度无变化时井底压力，且几乎不会打断钻井过程。通常能避免漏失循环钻井液或最小化钻柱的差压卡钻现象。氮气的注入可以通过同心套管、同心隔水管、附加管线、或者在第4代或第5代深水钻机上利用现有的增压泵和管线。第3种是无隔水管双梯度MPD(RisserlessDua—gradientMPD)。该方法实现了零排出无隔水管钻井或在无隔水管钻井中回收昂贵的钻井液，它综合利用了水下ROD、水下泵和返回到钻机的管线。钻机的钻井泵加上钻井液粘度和岩屑从钻井液管线以下产生一个压力深度的梯度，水下泵的调节速度有利于从钻井液管线到钻机产生另一压力深度梯度。第4种是加压钻井液帽MPD(Pressured—mud—capMPD，PMCD)。在钻井和井控操作中，隔水管内的钻井液水平面被维持在海水水平面以下以产生钻井液和空气界面，即钻井液帽。PMCD需要的装置包括：RCD、专用钻井液帽泵、节流管汇和UBD液流模拟系统等。三、结束语MPD的技术价值在国外已被广泛的现场生产所证实，是比UBD更先进的压力控制钻井技术。目前，我国有较多老井开采剩余油层不得不用UBD技术以避免不必要的损失和对油藏的损害。据报道，我国中石油、中石化、中海油三家油公司加起来共有940口左右的油井需要UBD技术来解决严重的漏失问题。同时，尤其在新疆油田、中国西部地区有的油井使用的钻井液密度达2．0cm以上，此时泵冲次很难控制，如以60min循环时井就会漏，可能在58min循环时又会井涌，地层压力几乎就等于破裂压力。这种情况更需要采用MPD技术来精确控制井眼的压力。由于海上钻井平台日费用很高，出现井漏或钻井中产生气体的井用常规的压力控制很难连续、安全地钻井。MPD在海上的应用数量在不断增加，2006年在印尼的MPD钻机1年内翻了3翻。我国UBD和欠平衡完井的技术和装备正在逐渐完善，应该相信，从UBD发展起来的MPD、CMC技术在我国也一定会有广阔的应用前景。 参考文献：1、辜志宏。控制压力钻井新技术及其应用[J]。石油机械，2007，35（11）2、周英操。控压钻井技术探讨与展望[J]。石油钻探技术，2008,36（4）3、陈永明。控压钻井技术及其应用[J]。石油工程技术，2010，8（4）