精细控压钻井井底压力自动控制技术初探

控压钻井技术是当前油气钻井工程领域的前沿技术之一。钻井各个工况的井底压力须保持恒定,才能确保窄密度窗口复杂地层井段的安全、顺利钻进。为此,通过分析前人对各个工况井底压力计算的研究成果,提出了精细控压钻井井底压力计算模型,该模型的环空循环压耗计算包含了多相流动的重力压降、摩阻压降和加速度压降梯度。在塔里木盆地实施了1口井的精细控压钻井作业,用停泵工况由地面回压泵施加的回压值与计算值比较,最大误差为0.30 MPa,能满足工程实际需要,为今后精细控压钻井井底压力精确计算与控制提供了理论支撑。     

精细控压钻井控压响应时间浅析

精细控压钻井通过PWD随钻测压、计算机控制、回压泵和节流阀等闭环调节井口回压,精细控制井底压力,以满足安全、快速钻井的需要。判断精细控压钻井系统性能高低的一个重要指标就是压力控制的响应时间。短的控压响应时间可以很快平衡井底压力变化,维持钻进在井底压力基本恒定下进行。以回压从井口传到井底的时间为研究对象,建立了回压在环空传播速度的计算模型,分析了影响回压传播速度的主要因素钻井液密度、气体含量和岩屑含量,并以控压钻井实例数据计算为例、分析了精细控压钻井的控压响应时间,为精细控压钻井提供理论支持。     

国产精细控压钻井技术与装备的研发及应用效果评价

为有效解决窄密度窗口钻井难题,提高钻井效率,降低钻井成本,国内自主研制开发了一套精细控压钻井装备,实现了准确控制井眼环空压力的目的。该装备主要包括自动节流管汇系统、回压泵系统以及远程自动控制中心,可提供保持接单根、启停泵、钻井液密度变化以及钻柱运动时井底压力恒定所需的额外流量和回压补偿。通过在川渝及塔里木地区开展近、欠平衡控压钻井工艺应用表明:欠平衡控压钻井可控制井底压力低于地层孔隙压力,允许气体按照一种可控的速度从地层流出,从而有利保护和发现储层,是一种有发展潜力的可行技术。     

精细控压多级并联节流管汇系统研究

现代精细控压钻井中,由于节流阀的压力调节特性与节流阀开度之间存在较强的非线性关系,现有的节流管汇很难通过单个节流阀实现全开度范围内的精确调节。为了能使普通节流阀满足回压控制精度的要求,提出了利用并联节流管汇实现回压精细控制的思路,并对并联管路的流动特性进行了研究,模拟了四支路并联节流管汇精确控制井口回压的工作过程,分析了并联节流管汇的压力调节特性。与传统节流管汇相比,并联节流管汇具有压力调节特性曲线线性度良好、调节区间大、调节精度高、对节流阀精度要求低、使用寿命长等优点,能获得显著的经济效益,具有较大的工程应用价值,为进一步研究精细控压钻井及其地面控制系统提供了一定的技术参考。      

精细控压钻井中环空不稳定流动时间响应分析

精细控压钻井是井底恒压控压钻井的一种类型,主要通过施加井口回压实时控制井底压力。井口回压的改变会导致钻井液循环经历稳定-不稳定-稳定的过渡,过渡期的响应时间是评价精细控压钻井的一个重要指标。较短的过渡时间可以使井底压力快速恢复平衡,从而提高控压钻井的控压精度。以回压改变后环空钻井液的不稳定流动时间为研究对象,建立了控压响应时间的计算模型。分析了气体体积分数、岩屑体积分数、环空间隙及回压大小等因素对过渡时间的影响规律,分析表明气体体积分数、岩屑体积分数的增大,控压响应时间相应增加;环空间隙、回压的增大,控压响应时间相应减小,其中气体体积分数是影响控压响应时间的主要因素,同时对比分析了弹性控压响应时间计算模型与本文模型之间的差异,得出了在浅井、勘探井的控压钻井中为计算简便而采用的刚性计算模型不仅可以满足计算精度的要求,同时也具有较强的操作性。     

基于PLC的控压钻井回压补偿自动控制系统的优化

针对现有的回压泵不能远程自动监控的现状,结合控压钻井施工对回压补偿系统的自动控制要求,基于S7-200型PLC及模块化控制方式,对电源和控制系统硬件进行优化完善,采用过程控制的对象连接与OPC通信模块,并基于VB编程的工控机构成自动控制系统,实现了对回压泵启动或停止的远程控制与出口压力、流量等动态参数的监测,优化后的回压补偿自动控制系统利于维持井底压力稳定,减少井下复杂等问题的发生,有效地提高了控压钻井的安全可靠性和自动化控制程度。     

井底恒压控压钻井井口回压分析研究

针对目前钻井中遇到的窄密度安全窗口日趋频繁的问题,基于井底恒压控压钻井技术工艺技术原理,以通用圆管流量方程和稳态波动压力理论为基础,精确计算了赫-巴流变模式下的系统环空循环压耗及波动压力,将钻井过程划分为若干工况,综合流型+过程+工况的组合模式得到井口回压计算模型。结合实例对回压计算模型进行验证,验证结果表明,用该模型计算的井口回压与实际值相差很小,能够满足工程精度要求。用该模型进一步分析了不同工况下井口回压与排量、钻井液密度、起下钻速度以及起下钻时间的关系,分析结果对控压钻井的安全实施具有重要的参考意义。     

控压钻井技术在白28井的应用

控压钻井系统主要由钻井参数监测系统(包括井下PWD)、决策分析系统、电控系统、地面自动节流控制及回压补偿系统组成,通过在井口施加连续回压来实现井底压力的恒定控制,能有效解决窄密度窗口地层和高温高压地层所出现的钻井复杂问题。白28井的应用结果表明,使用控压钻井技术,在控压钻进工况下可将井口压力波动控制在0.2 MPa以内,控压停泵和起下钻工况下可将井口压力波动控制在0.5～0.8 MPa,井底压力波动控制在1.0～1.5 MPa,可保证井底压力当量密度在控制范围内;能够快速发现溢流和井漏等复杂情况并进行有效控制,确保了施工过程的安全,实现了钻井安全和勘探开发的目标。     

电控自动节流控制系统研制与应用

自动节流控制系统是精细欠平衡/近平衡(控压)钻井实现精细控制井口套压、精确控制井底压力的关键设备之一;该系统独创性应用电动机构自动调节节流阀,系统设计中采用执行机构—伺服控制—上位计算机的三层控制结构,远程控制、本地自动控制和本地手动阀位控制的三种压力闭环控制模式,以及全冗余、热备份和应急通道的安全设计,确保系统的控压精确性、安全性和可靠性,能满足不同施工场所的需要。该系统通过30余口井的现场试验应用表明,能满足精细控压钻井现场需要,经济实用性好,达到国内领先、国际先进技术水平。     

MPD技术在印尼基岩地层微欠平衡钻井实践

印尼加帮区块基岩储层地层压力低,前期钻井十余口,但油气勘探效果不佳,分析认为主要原因是钻井过程中采用的钻井液密度过高。但使用常规欠平衡作业无法保障探井的施工安全。最终在该区块应用精细控压钻井系统进行微欠平衡钻井作业,通过微流量实时监测,利用回压泵和自动节流管汇对井底压力进行控制,采用微欠平衡的精细控压钻井作业方式取得油气发现。文章简述了使用精细控压钻井系统进行微欠平衡钻井在印尼现场的应用概况并进行分析,该技术的应用取得了良好油气发现,保证了探井钻井作业的安全。     

控压钻井自动节流管汇压力调节特性研究

现代控压钻井作业中,依靠自动节流管汇施加和控制井口回压,从而间接控制井底压力。但由于阀门的压力调节特性与阀门开度存在较大的非线性,常规节流管汇很难通过单个节流阀实现全开度范围内的精确调节。为了提高控制精度,利用节流阀工作的3个状态,建立了压力调节特性与流量调节特性的对应关系,进而建立了节流管汇的压力调节特性模型,并对压力调节精度及流量对压力调节特性的影响进行了分析。 研究分析表明,现有节流阀压力调节特性呈现一定非线性;通过优化阀芯可以增大节流阀的有效工作区间,但不能完全消除超调区间;钻井液排量对节流阀的压力调节特性影响较大,设计节流管汇时应考虑排量问题。      

钻井机器人的连续油管钻压和钻速控制模型

连续油管钻井机器人利用机身内外的钻井液压力差作为动力源，可在牵引连续油管的同时加载钻压。以钻井机器人为基础，建立连续油管钻柱动力学模型，并推导出通过钻井液排量控制钻压和钻速的单参数控制数学模型；对钻井机器人引入调速回路，建立具有调速功能的钻柱动力学模型；在溢流阀调定压力大于机身内外压差时，推导出利用钻井液排量和节流阀流通面积两种参数控制钻压、钻速的数学模型，在溢流阀调定压力小于机身内外压差时，推导出利用钻井液排量、节流阀流通面积和溢流阀调定压力3种参数控制钻压、钻速的数学模型；以11.43 cm（4.5英寸）井眼为例，对上述3种数学模型进行了分析。分析结果表明：钻压、钻速随钻井液排量的增加基本呈线性增加，在钻井液排量大于0.005 m³/s时，钻井机器人能够向前爬行，在钻井液排量大于0.005 7 m³/s时，钻头能够正常钻进；调节节流阀流通面积和溢流阀调定压力，可以在一定范围内无级调钻压和钻速；3种控制方法相结合，可以实现小排量、大钻压，及大排量、小钻压等钻井参数的控制。以控制模型为基础，针对不同井下工况建立钻进工艺的专家数据库，以钻井机器人为"大脑"，结合井下随钻测量数据就能够实现闭环控制，自动钻进。     

微流量控制钻井自动节流管汇的设计及应用

微流量控制钻井技术具有能够探测早期微小溢流和漏失、精确控制井底压力的优势。该技术的核心部件是地面自动节流管汇,其节流敏捷度和准确度直接关系到能否实现微流量控制和其控制精度。为了打破国外对该技术的垄断,降低钻井成本,开发具有自主知识产权的微流量控制钻井技术,综合考虑节流流量与井筒压力分布的关系,基于流体动力学与自动控制理论,设计了一套适用于微流量控制钻井的地面自动节流管汇。现场试验证实其具有较好的自动节流控制功能,能在30 s内实现井筒微流量控制,地面检测压力误差低于0.1 MPa。该节流管汇的设计与现场成功应用为微流量控制钻井技术在我国的推广和设备的国产化进行了积极探索。     

远程控制自动投棒系统的研制及应用

天然气开采过程中常会出现井筒积液现象,排水采气作业贯穿整个采气过程,导致日常维护管理工作繁重。针对目前自动投棒装置内部带压、操作存在安全隐患等问题,设计了一套远程控制泡排棒自动投放系统,主要包括井口投棒装置、本地控制系统远程控制系统。整个系统的井口投棒装置上设计有压力平衡装置和投棒监测装置,从而实现了投棒腔体与井口压力的平衡问题,防止泡排棒在投棒装置内受到井口气流剧烈的冲击而损坏,还实现了投棒监测和记录功能。开发的远程控制上位机系统在现场进行试验,实现了定时定量自动投棒,系统稳定可靠。该系统的成功研制大大降低了工人劳动强度,提高了泡排效率,具有一定的推广应用价值。     

Modeling the pressure characteristics of parallel chokes used in managed pressure drilling and related experiments

Based on the local resistance computation model for a choke valve and using the flow characteristics of choke valves, we studied the relationships between the back pressure of a parallel choke assembly and the opening extent of choke valves and developed a model to characterize the pressure regime of the manifold assembly. A comparison of pressure characteristic curves shows that a parallel choke manifold assembly has obvious advantages over the conventional serial type including high linearity of pressure-regulating characteristics curves, the elimination of the overshoot interval, wider effective regulating interval and the higher system security. Laboratory hydraulic experiments have validated the capability of a back pressure control model for the parallel choke assembly to accurately control pressure. This study is of great theoretical and practical significance to further improve the performance of chokes used in managed pressure well drilling.     

欠平衡钻井正气举过程井筒瞬态流动数值模拟

正举法气举作业的实施效果直接决定着欠平衡钻完井施工的成败,特别是气举过程中的井下压力动态演变,关系到整个作业过程中的井控安全。正举法气举作业的实质是在井下停止循环的初始条件下氮气连续气举作业,井下流体由静止状态到气体穿越液体滑脱至井口的不同于常规稳态流动的瞬态气液两相流动。针对这一特殊流动研究,完成了停止循环开井条件下气举时井下瞬态气液两相流动特征参数变化数值模拟计算方法和数学求解模型的建立,通过实际井数值计算连续气举时井下瞬态气液两相流特征参数变化得出规律性认识,如氮气沿井眼滑脱上升运动速度逐步加大、顶出钻井液随时间的增多、井底流压瞬时波动在初始阶段最大等。研究成果丰富了欠平衡氮气钻完井施工正举法气举作业的井筒流动模型体系和压力控制方案,增强了该特殊流动规律的认识,为井控安全提供了理论保障。     

低毒环保型油基钻井液体系室内研究

为了提高油基钻井液的环保性能,解决其生物毒性高、难于降解等问题,研制了低毒环保型油基钻井液。通过对普通原料油进行脱硫脱芳处理得到新型低毒油基钻井液用基础油,采用复合改性剂和新工艺处理有机土得到新型改性有机土,并对钻井液处理剂及加量进行优选,最终形成了低毒环保型油基钻井液体系。室内试验结果表明,该钻井液体系的高温高压滤失量为3.2~9.5 mL,沉降密度差最高0.06 g/cm3,破乳电压高达1 190 V以上,水侵和劣质土侵后乳化体系还可以保持稳定,二次岩屑回收率达到99.17%,线性膨胀率仅为1.92%,岩心渗透率恢复率达88.5%~94.6%。研究结果表明,低毒环保型油基钻井液体系的流变性、稳定性、抗污染性、润滑性、抑制性和储层保护性能良好,可满足复杂地层深井、超深井安全高效钻井的需求及环保要求。      

ZCZJ2×3Y-2000型液体钻井液助剂自动加药系统研制

为提高钻井液配置及维护的质量和自动化水平,研制了ZCZJ2×3Y-2000型液体钻井液助剂自动加药系统。该自动加药系统由多仓储液罐、输液计量泵、质量流量计、搅拌器、控制阀及定量配料控制系统等组成,进液计量泵将液体原料桶中的液体钻井液助剂吸入储液罐中暂存。钻井液配制或维护时,定量配料控制系统设定加药参数后,一键式操作可实现出液计量泵将钻井液助剂自动精准输送至泥浆混合系统。该装置的成功应用为钻井液自动精准调控奠定基础,显著提高钻井液配制及维护的自动化和现场HSE水平。     

气制油合成基钻井液低温高压条件下流变模式研究

钻井液流变模式是对钻井液流变特性的定量表征,对钻井过程中的水力学计算具有十分重要的作用。为研究气制油合成基钻井液低温高压条件下的流变模式,用FannIX77全自动钻井液流变仪测定不同油水比的流变参数并进行了分析。试验结果表明,低温条件下气制油合成基钻井液体系的剪切应力随着压力的升高而增大;流变曲线不经过原点,且曲线斜率不断增大。应用最小二乘法和线性回归对两种体系的流变曲线进行了拟合,结果表明,对于不同油水比的合成基钻井液体系,宾汉、卡森、H-B三种流变模式均能较好地反映低温高压条件下钻井液的流变特性,幂律模式相对较差;与宾汉、H-B模式相比,卡森模式的拟合效果最佳。为便于水力学计算,建议用宾汉模式来表征气制油合成基钻井液的流变特性,并进行水力学计算。