控制压力钻井技术与微流量控制钻井技术的对比

曾凌翔 李黔 梁海波 孙凯 代峰

西南石油大学

控制压力钻井技术与微流量控制钻井技术的对比

曾凌翔 李黔 梁海波 孙凯 代峰

西南石油大学

深井、复杂井目前主要面对的钻井难题是如何在窄钻井液密度窗口中安全钻进,而控制压力钻井技术则可以解决上述难题。控制压力钻井主要包含控压钻井(Managed Pressure D rilling,缩写为M PD)技术与微流量控制(M icro-Flux Control,缩写为M FC)钻井技术。为促进国内引进、吸收、应用以上新技术,从钻井技术原理和钻井设备及特点这两个方面,将M PD与M FC进行了详细对比。结论认为:①M PD可以精确控制井底压力,实现平衡或近平衡钻井,设计的钻井液密度低于常规钻井液密度,当循环钻进时需要通过液柱压力与循环压耗来平衡地层压力,当停止循环时井底压力则为液柱压力与回压之和,需要回压来弥补循环压耗以达到平衡状态;②M FC是在M PD基础上研制出来的一种新钻井技术,它不仅满足了M PD技术的核心功能,而且还拥有了自己独特的技术特点——微流量(微进口流量和微出口流量)控制,能探测到早期的侵入与漏失,更精确地预见和控制有关事故的发生;③与M PD相比,M FC能探测到更小的井内总体流量的波动范围;④国内有必要尽快引进和吸收以上先进技术,用以提高钻井技术水平和解决窄钻井液密度窗口安全钻进问题。

控压钻井技术 微流量控制钻井技术 对比 原理 设备 窄钻井液密度窗口 井底压力 总体流量

控压钻井(Managed Pressure D rilling,缩写为M PD)技术于2004年IADC/SPE阿姆斯特丹钻井会议上被提出[1]。M PD技术能精确控制环空压力剖面,安全钻进窄钻井液密度窗口。该技术具有减少套管数量、安全起下钻、减少NPT、减小抽吸效应等特点。微流量控制(M icro-Flux Control,缩写为M FC)钻井技术是基于M PD发展起来的一种新技术,具有一些独特的能力(能探测到早期的侵入与漏失)。M FC可以有效地扩大钻井液密度窗口,使钻井液密度在安全的情况下尽可能接近孔隙压力。Weatherfo rd与 Halliburton较先研发了M PD与M FC并取得了成功。国内需要尽快吸收和利用M PD与M FC来达到高效率、安全钻井。因此将M PD与M FC进行技术对比,可以加深对其优势的认识,加快引进步伐。

1 钻井技术原理

与传统钻井、欠平衡钻井(UBD)相比,M PD是微过平衡钻井,可以在窄钻井液密度窗口安全钻进,有效地阻止流体侵入、地层破裂与坍塌等事故的发生,如图1所示。M PD技术设计时使用低于常规钻井方式的钻井液密度进行近平衡钻井,当停止循环时,循环压耗消失,井底压力减小,不满足钻井平衡(图2)。此时需要用回压弥补循环摩阻以达到平衡地层的目的。

图1 3种钻井技术对比图

图2 钻井平衡基本原理图

M PD主要是通过对回压、流体密度、流体流变性、环空液位、水力摩阻和井眼几何形态的综合精确控制,使整个井筒的压力精确的维持在地层孔隙压力和破裂压力之间,进行平衡或近平衡钻井,如图3所示。

图3 控压钻井(M PD)技术原理示意图

M FC钻井是通过监测微进口流量或出口流量,来实现监测钻井液总流量的微小波动范围,也是一种精确确定孔隙压力与破裂压力的钻井方法。探测到小的流失与侵入,然后通过一定的方法来调整返回流量(通过回压泵与节流阀的共同作用或只调节节流阀来实现),结果使井底压力平衡地层压力。

微流量控制系统能够满足快速控制的理论要求:钻井环空中的钻井液为不可压缩流体,地面上控制单元的任何微小压力变化都将在环空中得到快速响应,传输的速度可达到声速。

M FC是维持在选择的井底压力下进行微过平衡安全钻进。为了快速监测到微溢流或微漏失并作出反应,要使环空内尽可能地为不可压缩流体。

M FC的操作系统也具有其显著特点。操作系统含有侵入与漏失的探测、趋势分析等。闭循环系统有利于探测微溢流。因此能很早的发现问题。循环流体经过节流阀时,通过改变流量调节回压来阻止侵入等情况。当发生侵入时,0.007 95 m3的侵入量在井眼中都可以被探测到,发现后立即控制,当控制住侵入后再检测总的侵入量将会少于0.079 5 m3[2]。系统会自动将侵入循环出井眼,井控操作也会自动进行,包括压井钻井液的循环。与常规循环相比,早期探测漏失的能力归功于闭循环系统,因而不会出现误判漏失的情况。

许多情况可以用趋势来分析判断。如:在高温高压的井中,判断是发生井涌还是井眼的膨胀效应,这种情况就可以利用M FC;但如果是常规钻井的条件下,两者的结果都是排出量增加就会使施工人员感到困惑。

M FC在任何时间都可以很容易安装在传统钻井系统上,简易方便。许多情况下,回压尽量要小,可以达到更加安全的目的。如果遇到很高的孔隙压力,可以提高静泥浆柱,使得回压减小。M FC的好处是适应许多类型的井,无论是在海上(包括超深水井),还是陆地[3]。M FC也可以适应具有挑战的环境:高温高压、深井和超深水地区、探井、不知地层压力的区域、压力剖面快速变化的井眼、敏感性地层等,基本上可以解决目前钻遇的难题。

2 钻井设备及特点

从表1可以看出,M PD因其原理与常规钻井不同,致使井口的管线连接也有所不同,不仅多了一套M PD节流管汇,而且还有一个具有特别要求的回压泵等[1-6]。M PD节流管汇中的节流阀的精度特别高,流量计可以精确测量多相态的数据和检测到溢流等。

表1 M FC与M PD设备对比表

总的来说地面的管线布置大致相同,回压的变化通过类似的方法来实施。不同的工况下,都是通过回压泵与节流管汇的作用来达到平衡或近平衡井底压力状态。图4为M PD钻井工艺简易流程图。

图4 MPD钻井工艺简易流程图

钻进循环过程:泥浆泵—钻柱—环空—控制旋转头—节流管汇—泥浆池。

接单根循环或起钻过程:回压泵(旋转控制头)—节流管汇。

M FC钻井技术的工艺流程[5]分为两种类型:常规钻井与M FC钻井。常规钻井时通过钻机泵、立管、温度与压力传感器、流量计、井口、钻柱、井下设备、防喷组、旋转控制头、振动筛,最后到达泥浆罐。M FC钻井是通过钻机泵、立管、温度、压力传感器、流量计、井口、钻柱、井下设备、防喷组、压力控制设备、流量计、传感器、节流管汇、分离器、振动筛,最后到达泥浆罐。图5为M FC钻井工艺简易流程图。

图5 M FC钻井工艺简易流程图

值得注意的是:比较图4与图5可以看出,注入时M FC钻井技术应用了先进的质量流量计与体积流量计,它们比出口的质量流量计和体积流量计要先进,这也是实现微流量控制的一个重要配置。

3 结论

1)控压钻井技术与微流量控制钻井技术大体上是一致的。

2)控压钻井技术能精确控制井底压力,自动、安全的钻进窄钻井液密度窗口,同时对设备的要求也需要很精确。

3)微流量控制钻井技术不仅具有控压钻井技术的优点,而且能更早地探测和更精确地控制各种事故的发生。

[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”国家油气重大科技攻关项目(编号:2008ZX05000-021-006)的部分研究结果。

曾凌翔,1985年生,硕士研究生;研究方向为油气井工程。地址:(610500)四川省成都市新都区西南石油大学硕09级3班。电话:15982068102。E-mail:zenglingxiang94@126.com

曾凌翔等.控制压力钻井技术与微流量控制钻井技术的对比.天然气工业,2011,31(2):82-84.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.020

(修改回稿日期 2010-12-04 编辑 居维清)

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