钻井新工艺 ——闭环钻井技术
时间:2018-10-11 14:24
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闭环钻井技术(Closed-Loop Drilling) 在 工艺安全和成本节约方面具有明显优势;在低油价时代,最大限度地发挥了优势, 实现动态井控和有效削减成本。控 压 钻 井(Managed PressureDrilling)常被认为是最终能使石油公司实现其目标的有效方法,其成本节约来自于一开始就将控压钻井和集成钻进于一体的设计。
控压钻井在闭环钻井中的应用
对于控压钻井设备来说,虽然美国陆上钻井市场已采用旋转控制装置作为标准设备,但在墨西哥湾的近海,许多最具挑战的井正逐渐采用这项技术,但速度一直很缓慢。然而,在世界其它地区,控压钻井的利用率在加快,最值得注意的是,在东南亚容易漏失的碳酸盐岩地层,巴西的盐丘环境、以及安哥拉的环境,浮动式钻机采用控压钻井技术已变得更加普及。
陆上钻井的经验可以安全转移至海上固定式钻机地面防喷器的作业中,如自升式钻机、张力腿钻机和其它固定式钻井平台,海上钻井的优势是钻机移动比陆上作业简单得多,因此整个控压钻井作业复杂的管线布局可以保留在原位。出于安全和环境的原因,最重要的应用是海底防喷器作业,研究人员查阅了大量井控数据库,其中包括了世界上大多数浮动式钻机钻的井,从中得到了一些宝贵的经验和教训。
首先,这些钻井平台实际发生的井控事件非常少,由于作业谨慎、训练有素和井控意识强,海上作业人员通常比陆上钻井作业人员更不愿冒险和承担风险,海上钻井因井控事件导致防喷器关井的操作差不多每 18~24 个钻机月发生一次,说到底,这些井控事件只有一半是由真实的地层流体侵入井筒所引起,相当于一部钻机每 3~4 年才处理一次真实的井涌事件。
当在这个数据库中查阅井涌强度和井涌量时,查到的事实显示,中等强度的井涌侵入流体的密度为0.5 磅 / 加仑(0.06g/cm 3 ),井涌量仅为 10 桶(1.6m 3 ),这表明钻井队传统的井涌探测能力非常好,特别是从井涌事件的罕见率来看,事实应当如此。不过,井涌强度和井涌量的整个数据集描绘出一个令人担忧的情景,有相当数量的、地层流体密度在每加仑几磅或高达5.3 磅(0.64g/cm 3 )的井涌强度,以及曾经发生过的三位数桶(最高达 250 桶, 约 40m 3 ) 的 井 涌 量,这些数据表明,孔隙压力预测和常规压力控制存在严重的局限,只是在关闭防喷器、读到稳定的立管压力后才采取井控措施,在此之前,一切都是估计和假设。
如果渗透率非常低,可能会无意中钻入压力梯度超出套管设计能力的地层,甚至可能钻入超过防喷器额定工作压力的地层。闭环钻井能为这两个问题提供安全的解决方案。无意中钻入大压力梯度地层和遭遇大体积量地层流体涌入的风险可以通过一种全控压钻井系统其中一个更有趣的功能来缓解。全控压钻井系统是一种实时的、无需中断钻井进程的、用以确定裸眼段实际孔隙压力和实际地层强度的有效方法,可以自动和按要求的频次执行钻井作业或钻井进程,可以绘制一个服务于整个预钻井段真实压力窗口的完整图示,避免意外或预想不到的孔隙压力出现,系统还能为套管下深提供优化。 此外,这些数据为钻井工程师、油藏工程师和地质学家带来的价值不可低估,这种方法很可能会取代依靠电测获取地层压力数据的传统做法。
新规范下的建井表现
真实的钻井表现是去除非生产时间或已记录到的无形的时间损失,去除非生产时间只是一种简单的缺陷纠正,而不是一种业绩提高,甚至可能不是最优先考虑的事项,因为过分关注非生产时间可能会导致综合业绩的退化或变差;无形或看不见的时间损失这方面的典型例子包括:已钻井眼的循环除屑、接单根期间的井控防范、为确保钻井液良好携屑限制机械钻速、为确保随钻测量 MWD 数据采集的准确性限制机械钻速、上提钻具调整定向方位、检查起下钻、短起下、下套管困难、 不必要的套管下入、 固井问题、以及条件不理想或不合适下防沙或其它完井设备等。
成功的关键因素是及时意识困难或机遇,这样在问题变大之前先解决, 控压钻井提供了一个积极的、可以实时调整的初级屏障,以减轻地层压力和地层强度的不确定性,并充分利用其它钻井机遇,而不是一个被意外攻破、需要激活才可能有效的初级屏障,这种激活的效性远不及二级屏障。新钻井规范去二合一,勾画出最佳方案,首先,控压钻井能使钻井作业非常接近实时确定的压力窗口,贴近孔隙压力变化曲线实施钻井作业,这能极大地优化机械钻速;第二,控压钻井又能提供不再发生井涌的可能性。
在控压钻井领域,人们知道一个机械因素,那就是地层有一个与其它物体相互碰撞或周期性接单根的有限次数,通过两种控压钻井方法来缓解,一是接单根期间井口憋压,让井筒保持一定压力;二是连续循环,接单根期间通过一个连续循环装置(下图所示)保持当量循环密度;显然第二种方法是一种更高效和更现代的方法。采用一种测定体积的控压钻井系统,保持一个稳定的流量状态有利于侦测流量异常,如地层流体涌入或钻井液漏失;接单根期间中断循环监测起来则很困难;连续循环系统本身就开辟了一个钻井液设计能力的全新范畴,极大地改善了井眼 净 化, 对 于 随 钻 测 量 MWD /LWD 有着重要的积极影响。在钻渗透性地层时,另一个灾难就是压差卡钻,采用控压钻井可以很容易避免这种灾难,控压钻井可以暂时减小回压, 缩小压差, 使钻具脱离险境,避免卡钻,恢复移动。
深 水 钻 井 井 控 事 件 时, 控 压钻井的动态井控能力真的很出色,即使地层流体侵入井筒的可能性极 高, 也 不 会 造 成 地 层 流 体 不 能通过连续的正常循环被排出井眼以及让气体在节流后面膨胀的场景 出 现, 这 意 味 着 不 会 有 更 多 的Bullheading 作业导致数周时间损失,Bullheading 作业是一种当地层流体涌入井筒的体积量过大、常规压井或置换法无法实现正常压井、或压井可能导致地面压力过高等情况下所采取的将井涌流体压回地层的井控方法,俗称“回压法”,实施 Bullheading 作业需花费很长时间。而在一口压力窗口很窄(孔隙压力与破裂压力之间范围很小)的井发生井涌且环空充满岩屑的情况下关井时,也不会导致井眼遭受严重损害或井毁的情形出现。
控压钻井系统的另一个主要优点是固井施工中很有效,在实施固井作业期间,考虑到利与弊或得与失,可以对固井进程进行修正,可以采用未加重的隔离液、利用地面回压替代的方法设计固井作业,这样可以更好的替泥浆,提高固井质量;在水泥侯凝期间可以保持回压,这么做可以避免地层气体侵入和出现微环空,持续的地层压力是导致微环空的一个主要原因。最后,固完井后再测试负压或回流,解除回压,监测流体侵入量就相对简单多了。