控制壓力鉆井氣體溢流處理方法分析與改進(jìn)

燕修良 朱煥剛 李宗清 陳永明 王樹江

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017）

控制壓力鉆井氣體溢流處理方法分析與改進(jìn)

燕修良 朱煥剛 李宗清 陳永明 王樹江

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017）

控制壓力鉆井（MPD） 發(fā)生氣體溢流后，如果處理不當(dāng)有可能會(huì)造成進(jìn)一步的溢流或者井漏，甚至?xí)l(fā)展成為井噴。為解決以上問題，分析了控制壓力鉆井過程中影響井底壓力穩(wěn)定和井控安全的主要因素，給出了控制壓力鉆井最大允許氣體溢流量的計(jì)算公式，并提出了一種控制壓力鉆井補(bǔ)液、排氣新方法。通過數(shù)值模擬以及全尺寸井筒實(shí)驗(yàn)，證明了補(bǔ)液排氣新方法的可行性，完善了控制壓力鉆井氣體溢流的處理方法。

控制壓力鉆井；氣體溢流量；補(bǔ)液排氣法；數(shù)值模擬；全尺寸井筒

控制壓力鉆井（MPD）過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)氣體溢流后，通常利用控制壓力鉆井系統(tǒng)直接進(jìn)行排氣體溢流的作業(yè)［1］，該方法造成井控安全事故；導(dǎo)致節(jié)流套壓變化劇烈，造成井底壓力的波動(dòng)，有可能會(huì)造成進(jìn)一步的溢流或者井漏，甚至?xí)l(fā)展成為井噴。因此，為了保證排氣體溢流過程中的井控安全和井底壓力恒定，文中給出了直接排氣體溢流時(shí)的最大允許井底氣體溢流量以及改善氣體到達(dá)地面節(jié)流閥時(shí)井底壓力控制精度的方法——補(bǔ)液排氣法。

1 氣體溢流處理方法分析與改進(jìn)

控制壓力鉆井系統(tǒng)由于采用了高精度的質(zhì)量流量計(jì)，可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)溢流，當(dāng)確認(rèn)溢流后，能自動(dòng)并快速控制節(jié)流閥、增加套壓，從而增加井底壓力，停止溢流；溢流停止后，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算得出地層壓力和氣體溢流的總量。控制壓力鉆井排氣體溢流的改進(jìn)方法為：當(dāng)井底氣體溢流量大于所允許的最大氣體溢流量時(shí)，氣體滑脫到井口時(shí)會(huì)超過旋轉(zhuǎn)控制頭的承壓能力，必須關(guān)閉井口防噴器，再利用節(jié)流管匯進(jìn)行壓井和排溢流作業(yè)，井筒內(nèi)氣體排干凈后，采用新的鉆井液密度進(jìn)行鉆進(jìn)；當(dāng)井底氣體溢流量小于所允許的最大氣體溢流量時(shí)，可以采用補(bǔ)液排氣新方法直接進(jìn)行排溢流作業(yè)，井筒內(nèi)氣體排凈后采用當(dāng)前立壓或者新的鉆井液密度進(jìn)行鉆進(jìn)。

1.1 最大允許井底氣體溢流量計(jì)算

控制壓力鉆井設(shè)備進(jìn)行直接排氣體溢流時(shí)，必須限定最大允許井底氣體溢流量。其計(jì)算公式如下

式中，Vk為最大允許井底氣體溢流量，m3；Rc為井口套管內(nèi)徑，m；Rd為鉆桿外徑，m；prcd為井口旋轉(zhuǎn)控制頭可以承受的最大動(dòng)壓，Pa；ρ1為地層孔隙壓力預(yù)測(cè)上限值，kg/m3；ρ2為實(shí)際使用的鉆井液密度，kg/m3；H為井眼垂深，m；g為重力加速度，m/s2。

1.2 補(bǔ)液排氣新方法

補(bǔ)液排氣新方法是指井底溢流停止后，逐漸降低鉆井泵排量，井侵氣體與鉆井液在環(huán)空內(nèi)不斷上升，啟動(dòng)回壓泵，回壓泵排出的流體注入專用節(jié)流管匯的上游，與井筒內(nèi)返出的流體混合，依次通過專用節(jié)流管匯到達(dá)分離器，分離后的鉆井液到達(dá)振動(dòng)篩，而氣體通過排氣管線到達(dá)點(diǎn)火裝置，整個(gè)過程中通過專用節(jié)流管匯自動(dòng)控制套壓，從而維持立壓不變、直到井內(nèi)侵入的氣體排除干凈，然后再轉(zhuǎn)入新的鉆井程序?？刂茐毫︺@井的控制流程圖見圖1。

圖1 控制壓力鉆井控制流程示意圖

2 數(shù)值模擬與全尺寸井筒實(shí)驗(yàn)

利用補(bǔ)液排氣法進(jìn)行排氣體溢流過程中，排溢流初期（氣侵鉆井液到達(dá)地面節(jié)流閥前），節(jié)流閥在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生節(jié)流套壓，由于此時(shí)經(jīng)過節(jié)流閥的流體是單相鉆井液，其流體特性比較單一，控制壓力鉆井可以很好地控制目標(biāo)立壓，并維持井底壓力的恒定。排溢流后期（氣侵鉆井液到達(dá)地面節(jié)流閥），利用節(jié)流閥控制套壓從而保持立壓穩(wěn)定的情況就比較復(fù)雜，為了驗(yàn)證補(bǔ)液排氣方法的有效性，對(duì)侵入氣體的鉆井液經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)的套壓變化情況進(jìn)行了數(shù)值模擬和全尺寸井筒現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 求解方法和邊界條件

（1）氣體與水同時(shí)經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)，采用可壓縮的多相流模型（氣液兩相流中氣相設(shè)置為可壓縮氣體）、壓力基的隱式求解方法以及相應(yīng)的湍流模型；

（2）節(jié)流閥入口鉆井液假設(shè)為清水、氣體為空氣；鉆井泵注入流量25 L/s，回壓泵注入流量為6.7 L/s；

（3）取井筒內(nèi)返出氣液兩相流中含氣率為100%的極限狀態(tài)。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果分析 分別對(duì)利用和不利用補(bǔ)液排氣法的2種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 相應(yīng)閥位下補(bǔ)液與不補(bǔ)液所形成的套壓

通過圖2可以看出：井筒內(nèi)返出流體含氣量為0時(shí)（氣體到達(dá)節(jié)流閥前），生成的目標(biāo)套壓值分別為1.5 MPa、3.5 MPa和5.9 MPa；井筒內(nèi)返出流體含氣量為1時(shí)（氣體到達(dá)節(jié)流閥且不補(bǔ)液），相應(yīng)的套壓值為0.48 MPa、1.46 MPa和3.0 MPa；井筒內(nèi)返出流體含氣量為1時(shí)（氣體到達(dá)節(jié)流閥且補(bǔ)液），相應(yīng)的套壓值為1.21 MPa、2.75 MPa和4.7 MPa。

因此，不補(bǔ)液時(shí)氣體單獨(dú)經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)，形成的套壓值相對(duì)于目標(biāo)套壓值降低較大，導(dǎo)致立壓變化較大，同時(shí)由于節(jié)流閥反應(yīng)時(shí)間的限制，利用節(jié)流閥進(jìn)行套壓控制將非常困難；當(dāng)采用補(bǔ)液排氣的方法后，混合相經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)形成的套壓值相對(duì)于目標(biāo)套壓值的降低幅值大大減小，立壓變化值變小，而且由于套壓差值變小，縮小節(jié)流閥調(diào)節(jié)的開度區(qū)間，增加了節(jié)流閥控制套壓的可控性。

2.2 全尺寸井筒實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)井的基本情況 全尺寸實(shí)驗(yàn)井筒位于勝利職業(yè)技能培訓(xùn)中心；井口裝置：套管頭+FZ35-35單閘板+四通+2FZ35-35雙閘板+ FH35-35環(huán)形防噴器+旋轉(zhuǎn)控制頭；井身結(jié)構(gòu)：?244.5 mm× 1 100 m 內(nèi)層套管+?339.7 mm×1 100 m外層套管（底部為篩管結(jié)構(gòu)）；鉆具結(jié)構(gòu)：?215.9 mm鉆頭+?165 mm箭型止回閥+ ?158.8 mm PWD短節(jié)×1根+?127 mm鉆桿×100根+ ?127 mm（18°）斜坡鉆桿×10根+下旋塞+六方鉆桿+上旋塞；鉆井泵：SL-3NB-1300A鉆井泥漿泵（沖程長(zhǎng)度305 mm，缸套直徑170 mm）；鉆井液：清水。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)流程及方法 全尺寸井筒實(shí)驗(yàn)的井場(chǎng)設(shè)備連接情況如圖3所示，圖3在控制壓力鉆井技術(shù)組成設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了氣源、地層模擬系統(tǒng)、外環(huán)空壓力傳感器和隨鉆測(cè)壓工具等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其實(shí)驗(yàn)方法為：?jiǎn)?dòng)空氣增壓機(jī)進(jìn)行鉆桿內(nèi)注氣→氣體達(dá)到預(yù)定壓力后→啟動(dòng)鉆井泵從鉆桿內(nèi)注入水→水?dāng)y帶氣體到達(dá)鉆頭進(jìn)入環(huán)空→排氣體溢流。其中排氣體溢流過程中，節(jié)流閥自動(dòng)控制來維持目標(biāo)當(dāng)量循環(huán)密度（ECD），分別進(jìn)行了回壓泵補(bǔ)液和不補(bǔ)液2種情況的實(shí)驗(yàn)。

圖3 全尺寸井筒實(shí)驗(yàn)的井場(chǎng)設(shè)備連接示意圖

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 全尺寸井筒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出：（1）排溢流初期，氣體在井筒內(nèi)不斷上升，節(jié)流閥在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生節(jié)流套壓，由于此時(shí)經(jīng)過節(jié)流閥的流體是單相鉆井液，其流體特性比較單一，井底壓力控制誤差小于0.3 MPa。控制壓力鉆井系統(tǒng)可以很好地控制目標(biāo)立壓，并維持井底壓力的恒定；（2）排溢流后期，當(dāng)不采用補(bǔ)液排氣法時(shí)，井口套壓和節(jié)流閥閥位的調(diào)節(jié)范圍（41%）比較大，當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）的波動(dòng)范圍為（–0.03~+0.12），即井底壓力變化值為（–0.32~+1.3）MPa（垂深1 100m）；而采用補(bǔ)液排氣法時(shí)，井口套壓和節(jié)流閥閥位的調(diào)節(jié)范圍（16%）都相對(duì)減小，當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）的波動(dòng)范圍為–0.02~+0.04，即井底壓力變化值為（–0.22~+0.44）MPa（垂深1 100 m）。

由此可見，補(bǔ)液排氣法應(yīng)用于控制壓力鉆井的排氣體溢流過程中，可以顯著降低套壓波動(dòng)范圍，改善節(jié)流閥調(diào)節(jié)過程，從而達(dá)到維持恒定井底壓力目的。

3 結(jié)論及建議

（1）分析了控制壓力鉆井排氣體溢流過程中存在的問題，給出了直接進(jìn)行排氣體溢流作業(yè)時(shí)的井底最大允許氣體溢流量計(jì)算公式，并給出了出現(xiàn)氣體溢流后相應(yīng)的處理方法。

（2）通過全尺寸井筒實(shí)驗(yàn)證明了控制壓力鉆井過程中的補(bǔ)液排氣新方法的可行性，該方法可以降低套壓波動(dòng)范圍，改善節(jié)流閥調(diào)節(jié)的過程，維持井底壓力恒定，井底壓力的控制誤差小于0.5 MPa。

（3）建議對(duì)大氣量和高壓氣體侵入井筒時(shí)的套壓控制特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究，為補(bǔ)液排氣法在常規(guī)井控中進(jìn)行應(yīng)用的可行性進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］DAVOUDI Majid,SMITH John Rogers,et al.Evaluation of alternative initial responses to kicks taken during managed pressure drilling［R］.IADC/SPE 128424,2010.

［2］唐守寶.控制壓力鉆井技術(shù)在頁(yè)巖氣鉆探中的應(yīng)用前景［J］.石油鉆采工藝， 2014，36（1）：14-17.

［3］紀(jì)承印.最大允許溢流量的計(jì)算 ［J］.石油鉆采工藝，1992，14（5）：41-42.

（修改稿收到日期 2014-08-20）

〔編輯 薛改珍〕

Analysis and improvement of gas overflow treatment in managed pressure drilling

YAN Xiuliang,ZHU Huangang,LI Zongqing,CHEN Yongming,WANG Shujiang
（Drilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying257017,China）

In case of occurrence of gas overflow during managed pressure drilling,improper handling may lead to further overflow or lost circulation,or even blowout,so in order to solve the above problem,the main factors were analyzed which affected bottom hole pressure stability and well control safety during managed pressure drilling,and presented the calculation formula for maximum allowable gas flow volume during managed pressure drilling and also provides a new method for fluid supplementing and gas bleeding during managed pressure drilling.Numerical simulation and full-size wellbore experiment proves the feasibility of this new method,hence improving the handling method for managed pressure drilling gas flow.

managed pressure drilling;gas overflow volume;fluid supplementing and gas exhausting method;numerical simulation;full-size wellbore

燕修良，朱煥剛，李宗清，等.控制壓力鉆井氣體溢流處理方法分析與改進(jìn)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：62-64.

TE242

：A

1000–7393（2014） 05–0062–03

10.13639/j.odpt.2014.05.015

國(guó)家科技重大專項(xiàng)—薄互層低滲透油藏開發(fā)示范工程 “薄互層低滲透油藏水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)” （編號(hào)：2011ZX05051-002）。

燕修良，1966年生。1988年畢業(yè)于石油大學(xué)鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事欠平衡鉆井、氣體鉆井和控制壓力鉆井等方面的研究工作，高級(jí)工程師。電話：0546-8702380。E-mail：yanxiuliang.slyt@sinopec.com。