井下微流量控制方法

石磊 陳平 胡澤 黃萬志

“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

井下微流量控制方法

石磊 陳平 胡澤 黃萬志

“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

近幾年,國外在常規鉆井和欠平衡鉆井技術的基礎上發展出了一種被稱為控壓鉆井(MPD)的新技術,該技術主要用于解決窄鉆井液密度窗口地層的安全鉆井問題,其核心是要求精確控制井眼環空壓力剖面。但作為一種新的鉆井技術,控壓鉆井現有的方法理論和硬件系統尚存在一定的不足,有待于完善。文中介紹的井下微流量控制方法屬于控壓鉆井技術中的一種,是對現有地面微流量控制方法的改進,能夠隨鉆監測井下環空流量的變化,及早發現溢流或井漏等井下復雜情況,與地面返出環空流量監測相配合,進而調節井口回壓閥的開度,通過改變井底壓力來控制溢流或井漏的大小,從而實現對環空流量的精確控制。該方法能夠顯著提高系統的控制精度和可靠性,從而提高鉆井的安全性并降低鉆井成本。

控壓鉆井 井下微流量控制 隨鉆測試 環空流量 井口回壓閥開度 溢流 井漏 安全性

隨著油氣勘探開發難度的加大,人們相繼發展了雙梯度鉆井、泥漿帽鉆井、井底恒壓鉆井等各種控壓鉆井(M PD)方式來滿足復雜地區鉆井的需要[1-3]。目前控壓鉆井按照控制對象,可分為環空壓力剖面控制和環空流量控制兩類,上述幾種M PD都屬于環空壓力剖面控制,而微流量控制方法則屬于環空流量控制。相較于監測環空壓力,對環空流量的監測能極大地提高溢流、井漏等井下復雜情況監測的準確性和靈敏性。而對于環空流量監測本身(尤其針對氣井),在地面監測和在井下監測也存在著很大的差別,直接影響到一口井后續井控的能力,甚至關系到鉆井作業的成敗。本文介紹的井下微流量控制方法能夠隨鉆監測井下環空流量的變化,進而調節井口回壓閥的開度,通過改變井底壓力來控制溢流或井漏的大小,從而實現對環空流量的控制。

1 井下環空流量測量裝置設計

為了及時準確的監測由溢流或井漏引起的井下環空流量的變化,必須安裝井下環空流量測量裝置。然而由于環空流體的多相混合特性以及鉆鋌壁厚、鉆柱振動等因素的限制,使得超聲波、電磁等測量方法很難應用于此處。筆者介紹了采用節流壓差法進行井下環空流量測量的方法,其測量裝置結構如圖1所示。

圖1 井下流量測量裝置結構示意圖

該測量裝置內置壓力傳感器和數據采集卡,并通過多芯接頭與隨鉆測井(MWD)裝置連接?？蓪崟r采集壓力傳感器的信號并進行簡單處理,之后把采集的壓力數據通過MWD傳至地面進行分析,即可得到井底實時的環空流速(流量)。

該方法能夠成功實施的關鍵是節流元件的設計。由于節流法測量流量需要在節流元件兩端產生一個壓力差來反映通過節流元件的流量大小,這就會增大節流元件下部的環空壓力值,使得環空壓力剖面發生變化,從而影響鉆井設計及施工的各個方面。為了降低對鉆井的影響,該壓差值應選擇盡可能小,但又必須保證目前能夠用于井下環境的壓力傳感器測量精度的需要。

基于井下安全的考慮,這里選擇被廣泛應用于鉆井現場的井下穩定器作為節流元件的參考結構。在產生需要壓差的前提下,為了保證鉆井液(包括巖屑)能夠沿流道順利通過節流元件而不發生阻塞,這里使用多級節流的方法來達到預期的節流效果,如圖2所示。

圖2 節流元件結構示意圖

井下流量測量裝置能夠檢測出最小1 L/s的溢流或井漏量,并且是在井底進行的實時監測。這較之于現有通過井口流量變化、含氣量及泥漿池液面變化等方式進行的監測,是一種極大的提高,為鉆井安全提供了更為可靠的保證。

2 井下微流量控制系統

井下微流量控制系統主要由以下幾部分構成:井下流量測量及信號傳輸系統、地面參數測量及數據采集系統、專用地面節流管匯和中央控制系統[4-5]。該控制系統的組成如圖3所示。

井下環空流量測試系統及地面參數(包括進、出口流量,井口回壓,井口溫度等)測量系統是該控制系統的核心部分,通過分析其實時采集的各種數據,可以及早判斷井下復雜情況;專用節流管匯是鉆井液循環管道的地面主體組成部分,其上面安裝有2個可控電動節流閥,一個正常工作,一個作為備用;中央控制系統則主要負責對所采集的各路信號進行處理及分析,并發出控制信號來調節節流閥的開度[6-8]。

圖3 微流量控制系統組成示意圖

圖4 井下微流量控制系統流程圖

鉆井過程控制流程圖如圖4所示。在鉆井過程中實時監測井下環空流量,并通過MWD把數據輸送至地面與環空流量期望值進行比較,不同井段和工況下環空鉆井液流量有不同的期望值。當兩者存在偏差時,系統進一步判斷鉆井液是否有漏失。如有漏失,系統可確定破裂壓力,并減小井口回壓;如無漏失或產生溢流,則可確定孔隙壓力,并適當增大井口回壓;當兩者一致時,為了判斷井下是否存在其他單靠井下流量測試裝置無法發現的復雜情況(例如低于井下流量測試裝置測量精度的微小溢流或漏失),中央控制系統則通過把地面鉆井液流量、壓力、溫度以及泥漿池液面變化等數據與期望值進行比較來判斷,若與期望值相符,則表示鉆井作業正常,否則就要采取相應控制措施。這種監測與比較將一直進行下去,實現鉆井作業時鉆井液的可控循環,實時監測孔隙壓力和破裂壓力,并根據需要調節節流閥的開度來控制井口回壓,以滿足鉆井工藝要求。圖4為井下微流量控制系統流程圖。

3 系統優缺點

井下微流量控制作為一種新技術,有其獨特的優勢與發展潛力,但也不可避免地會存在一些問題,有待繼續改進和提高。

1)由于裝置采用壓差法進行環空流量測量,需要測量節流元件兩端的絕對壓力值,并根據兩者壓差來計算流量。因此其中任意一個壓力測量值還可反映實時井底壓力的大小,等效于APWD的功能,為微流量控制系統提供了另一可靠的參考數據,這也增加了裝置的應用價值。

2)能夠大幅度提高溢流、井漏的監測能力。井下環空流量測量裝置的測量精度為1 L/s,較大的溢流或井漏能夠立即發現并采取措施進行控制,較小的溢流或井漏則可以通過結合地面鉆井液參數的實時監測及時發現,從而把總溢流或井漏量控制在很小的范圍內,降低鉆井風險,節約鉆井成本[9-11]。

3)控制系統結構簡單。只需在現有各種類型鉆機上安裝傳感器和專用節流管匯,在近鉆頭處接上流量測量裝置和MWD即可,操作簡單,占地面積小,應用時只需對作業人員進行簡單培訓;在控制系統出現問題時,還可以立即轉換為常規鉆井方式繼續鉆進[12]。

4)在鉆井過程中,由于鉆頭破碎巖層、鉆井液沖蝕和巖石物性引起的井眼直徑變化會導致測量結果受到一定影響,為了排除這一干擾,需要結合地質資料及現場工況對測量數據的規律進行詳細分析,以避免漏判、錯判等情況的發生。

4 結論

微流量控制鉆井是一種新的控壓鉆井技術,與其他控壓鉆井方法相比,微流量控制技術可以有效地監測地層孔隙壓力和破裂壓力,及時準確地判斷并控制井下復雜情況。而本文介紹的井下微流量控制技術是對現有技術的一種改進,其核心即要求能夠實時監測井下環空流量的微小變化,而不必通過監測地面流量的變化來反推井下流量的變化,極大地提高了流量控制的實時性和準確性,為安全、合理、有效、低成本開發油氣田提供了有效保障。

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A method of bottom-holem icro-flux control

Shi Lei,Chen Ping,Hu Ze,Huang Wanzhi
(State Key L aboratory of Oil&Gas Geology and Exp loration∥Southw est Petroleum University,Chengdu, Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.79-81,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In the past few years,a new technique called managed p ressure drilling(MPD)has been developed abroad on the basisof conventional drilling and underbalanced drilling.M PD ismainly used for safe drilling through fo rmations w ith narrow drilling fluid w indow and its core point is to p recisely control the annulus p ressure p rofile.But as a brand new technique,M PD still has some sho rtcomings in theo ry and hardware system to be overcome.The dow nholemicro-flux controlmethod mentioned here in this paper is a new kind of M PD,w hich is an imp rovement of the existing surfacemicro-flux controlmethods.By use of this new method,we can detect the dow nhole annulus flow rate variation w hile drilling so as to observe the overflow and lost circulation as early as possible.In combination w ith the annulus flow ratemonito ring at the surface and the wellhead back-p ressure valve opening adjustment, the bottomhole p ressure can be changed acco rdingly to control the size of overflow and lost circulation,the drilling safety can thus be imp roved and the drilling cost can be reduced.

managed p ressure drilling,dow nholemicro-flux control,testing w hile drilling,annulus flow rate,wellhead backp ressure valve opening,overflow,lost circulation,safety

國家“十一五”重大科技專項子課題“低滲氣藏特殊復雜地層高效鉆井關鍵技術”(編號:2008ZX05022-005)。

石磊,1983年生,博士研究生;主要從事油氣井工程測量與過程控制方向的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區西南石油大學博士08級。電話:13880919871。E-mail:shilei0627@hotmail.com

石磊等.井下微流量控制方法.天然氣工業,2011,31(2):79-81.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.019

(修改回稿日期 2010-12-02 編輯 居維清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.019

Shi Lei,bo rn in 1982,is studying for a Ph.D degree,focusing his interest on oil and gaswell engineeringmeasurement and p rocess control.

Add:Docto r Grade 2008,Southwest Petroleum University,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Mobile:+86-13880919871 E-mail:shilei0627@hotmail.com