控压钻井装备与技术介绍

2014年9月精细控压钻井装备与技术郭庆丰中国石油集团钻井工程技术研究院主要内容—前言—控压钻井工艺技术—精细控压钻井系统—主要成果与技术创新—现场应用情况—经济社会效益及推广应用前景精细控压钻井系统是精细控压钻井工艺技术的载体，实现了“看着井底压力来打井”，可有效解决窄密度窗口造成的井漏、井涌、井壁失稳、卡钻等复杂事故。国外在2007年开始工业化应用，目前已成为许多油田勘探、开发必备的钻井技术。3Schlumberger公司的DAPC系统Halliburton公司的MPD系统Weatherford公司的MFC系统控压钻井核心技术一直由3大石油服务公司垄断，不出售产品，仅提供高额的技术服务：一、前言2020/5/5-3-42009年以来，塔里木油田引进Halliburton公司的MPD系统，在塔中完成精细控压钻井20余井次，应用结果表明：精细控压钻井技术能够有效预防和控制溢流和井漏、避免井下复杂、大幅度降低非生产时间、缩短钻井周期；能够保护油气层、提高水平段延伸能力、有利于提高单井产能一、前言2020/5/5-4-自2008年，钻井工程技术研究院依托国家科技重大专项和集团公司重大工程技术现场试验项目，历时3年，自主研发了具有国际先进、国内领先水平的PCDS-I精细控压钻井系统装备，为解决国内塔里木盆地、新疆南缘、玉门青西、四川盆地及柴达木盆地等窄密度窗口问题突出地区的漏、溢、塌、卡等复杂钻井难题提供了新的有效技术手段。该系统填补了国内空白，打破了国外垄断，达到了国外同类技术的先进水平一、前言PCDS-I精细控压钻井系统已先后在我国塔里木、川渝、华北、冀东及印尼等国内外控压钻井服务热点和难点地区，成功开展现场试验与服务20口井，取得了良好的市场应用效果，得到了油田公司的充分认可和肯定一、前言玉门青西四川盆地新疆南缘塔里木盆地渤海湾盆地南海莺琼盆地柴达木盆地2012年以来，通过精细控压钻井系统装备的集成工业推广应用、设备产品销售、技术支持与服务等产生直接经济效益巨大主要内容—前言—控压钻井工艺技术—精细控压钻井系统—主要成果与技术创新—现场应用情况—经济社会效益及推广应用前景2020/5/5☼解决钻井复杂问题，提高经济性☼不许连续溢流出现☼增加自动控制系统☼开式或闭环钻井☼近平衡或略过平衡钻井控压钻井——MPD技术“从欠平衡技术基础上发展起来”简单地说：在钻井循环时直接测量井底压力，动态控制井底压力；在停止循环时，动态控制井口压力二、控压钻井工艺技术-8-井底恒压钻井CBHP加压泥浆帽钻井PMCD双梯度钻井DG应用最常用的控压钻井方法，主要解决窄窗口安全钻井问题应用溶洞、大裂缝钻井应用海洋深水钻井控压钻井工艺应用形式2020/5/5二、控压钻井工艺技术-9-控压钻井的手段——地面加回压井底恒压钻井是陆上控压钻井的主要方式，主要解决窄窗口钻井问题，但不能解决大溶洞大裂缝地层的漏失问题，特点是需要地面节流加回压二、控压钻井工艺技术-10-破裂压力、漏失压力、压差卡钻压力，取三者的小值地层压力、坍塌压力，取二者的大值静压循环ECDMPD钻井时间常规钻井常规钻井控压钻井井底压力变化规律＞正常压力窗口窄压力窗口MPD静液压力井底压力二、控压钻井工艺技术2020/5/5-11-钻井液密度原则正常的钻井液密度时，静液柱压力必须小于地层压力，并且有一定有压力空间，是一个欠平衡状态，在无回压的情况下存在作业风险近平衡控压钻井当量循环密度等于或略大于地层压力，压力波动时，偶尔有欠平衡状况欠平衡控压钻井控压钻井压力设计与控制二、控压钻井工艺技术不同工况压力控制示意图控压钻井压力的过程控制二、控压钻井工艺技术静液压力循环阻力节流压力钻进或循环静液压力停止循环节流压力静液压力开泵过程节流压力静液压力停泵过程循环阻力节流压力补偿循环、停泵期间多因素造成的井底压力波动循环阻力节流压力静液压力-13-在不调整钻井液密度的情况下，快速应对井下情况的变化，随时调整进行液相的过、近、欠平衡作业消除了循环压力对井底压力的影响有利于深井和高温高压井的安全施工、提高速度控制井底压力小幅度波动有效控制井底压力在窄范围内；有利于水平井和窄压力窗口井作业。快速调节井下环空压力控压钻井的应用优势技术上的风险井低经济效益的井以前“不可钻”的井减轻对地层伤害解决窄压力窗口问题降低压差卡钻提高钻速增加钻井安全性延长水平段二、控压钻井工艺技术主要内容—前言—控压钻井工艺技术—精细控压钻井系统—主要成果与技术创新—现场应用情况—经济社会效益及推广应用前景PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成自动节流管汇系统回压补偿系统液气控制系统自动控制系统自动控制软件随钻压力测量工具（可选）三、精细控压钻井系统-16-液气分离器震动筛泵泥浆罐泥浆罐自动节流管汇回压泵PWD井控节流RCD控制器12312345自动节流管汇回压泵系统液气控制系统监测及自动控制系统自动控制及应用软件54液气泵6PWD6自动节流管汇三、精细控压钻井系统PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成2020/5/5-17-回压补偿系统三、精细控压钻井系统PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成2020/5/5-18-自动控制系统及控制中心三、精细控压钻井系统PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成自动控制系统软件中心控制房2020/5/5-19-实时控制服务器系统数据采集、通信井下压力计算设备动作控制钻井安全监控设备工作状态监控实时数据库应用程序服务器控压钻井设计系统数据接收处理控压钻井设计模拟控压钻井工况模拟与监控控压钻井数据库控制器控制及软件系统整体布局控压钻井工艺及控制软件三、精细控压钻井系统技术特点系统性能指标技术特征实现功能自动节流系统额定压力:35MPa节流度:±0.35MPa工作压力:10MPa主、备、辅助三个节流通道，能够自动切换钻进中实现在线维护专用气动平板阀研制成功并用于控压系统抗H2S设计设备动作迅速，平稳具备自动节流，冗余节流切换、安全报警、出口流量监测等功能，能够适应复杂工况的控压钻井作业要求。回压泵系统额定压力:35MPa额定流量:12L/s全自动操作控制高精度入口流量监测输出流量稳定能够在循环或停泵的作业过程中进行流量补偿，维持节流阀有效的节流功能，适应复杂工况的控压钻井作业中压力补偿的要求。三、精细控压钻井系统2020/5/5-21-系统技术特征实现功能液气控制系统工作压力10.5MPa，动态响应时间1s性能可靠，安全互锁具备远程和本地操作功能设备参数显示清晰安全可靠，维护简单接收自动控制系统的工作指令并进行处理，同时向下位机发送指令，来实现对各节流阀和平板阀的自动（本地/远程）控制监测及自动控制系统测量精度2‰，动态响应时间1s系统的自检功能双冗余设计，实现故障时自动切换数字化通讯，抗干扰能力强由地面压力、温度传感器、泵冲传感器、流量计、其他PWD井下仪器、录井传感器等构成,将国际最先进控制技术用于钻井、采用现场装置－控制器－上位计算机控制的三层递阶控制结构经室内测试和现场应用，性能稳定精细控压自动控制软件个性化的控制模型超前检测控制，压力追踪快具有压力保护，工况报警功能水力模型实时校正，计算误差在0.1~0.2MPa以内具备无PWD控压钻进功能参数采集与监测、实时水力学计算、远程自动控制软件三个软件构成，完成与其它系统之间的通讯及数据交互，负责向液气控制系统发出相应的调整指令，并监控指令的执行情况，实现阀的平稳控制技术特点三、精细控压钻井系统2020/5/5-22-PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程正常钻进时流程三、精细控压钻井系统2020/5/5-23-PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程起下钻、接单根流程三、精细控压钻井系统-24-PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程气侵时流程三、精细控压钻井系统-25-PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程维护旋转头流程三、精细控压钻井系统-26-与国外同类产品性能指标对比三、精细控压钻井系统-27-对比性能HalliburtonMPDWeatherfordMFCPCDS-I精细控压钻井系统技术参数额定压力35MPa35MPa35MPa节流精度±0.35MPa±0.5MPa±0.35MPa结构三通道双通道三通道系统采用PLC控制器，接线复杂，不具备在线监测功能PLC控制器，需参数整定FF数字总线，工况自适应，具备在线自诊断功能，系统工作可靠性高，性能先进功能井底恒压微流量井底恒压和微流量27总体达到国外同类技术的先进水平主要内容—前言—控压钻井工艺技术—精细控压钻井系统—主要成果与技术创新—现场应用情况—经济社会效益及推广应用前景通过持续攻关、改进完善与现场应用，形成的主要成果：一套重大技术——精细控压钻井技术一套特色方法——控压钻井装备实验与检测方法一套精细控压钻井装备—PCDS-I精细控压钻井系统一个重点实验室——控压钻井模拟、测试与评价实验室申报专利21项，其中发明专利8项精细控压钻井系统标准与技术规范组建两支控压钻井试验与技术服务队伍四、主要成果与技术创新取得了控压钻井技术应用的重大突破，真正实现了国产精细控压钻井装备和技术的商业化应用2020/5/5-29-微流量监测与处理工艺技术环空压力监测与控制工艺技术回压补偿工艺技术近、过平衡精细控压技术欠平衡精细控压技术6506406306206106005905805705605505405305205103029282726252423222120191817161514131211109876543210井口回压设定.井口测量压力.总出口流量.回压泵流量.A阀开度.C阀开度.控制参数曲线图通过20口井的现场应用完善形成适应不同工况的精细控压钻井技术系列-30-四、主要成果与技术创新形成一套精细控压钻井技术形成一套控压钻井装备实验与检测方法实验、测试方法:控压钻井工艺模拟实验方法单元测试技术控压钻井装置的性能测试与评价方法测试技术评价方法模拟方法不同工况下控压钻井工艺模拟实验单元测试整机性能测试与评价实验室工艺模拟及测试、评价内容四、主要成果与技术创新2020/5/5-31-五、主要技术创新或技术突破精确近平衡控压钻井技术欠平衡控压钻井技术微流量控压钻井技术不同的地质条件下的表现形式：平衡钻井，入口流量=出口流量微溢流钻井，发现产层微漏失钻井，含硫化氢地层技术方式1、根据地质要求，控制少量溢流，实现有效防漏2、欠平衡控压边点火边钻进，利于发现油气层，提高钻速3、监测钻井液出入口流量变化，实现溢流、漏失早期控制4、及时微量的井口回压调整，有利于发现油气层5、调整井口控压，寻找压力平衡点，可顺利穿越薄弱层6、实施精细控压作业，有利于水平段延长，提高单井产量控压钻井现场应用取得突破-32-控压钻井实验室是一套钻井过程的压力模拟系统，是目前国内唯一的能够进行控压钻井各种工况全尺寸模拟实验和设备测试的实验室，是控压钻井系统研制及其自动控制软件开发的基础必备条件控压钻井实验室四、主要成果与技术创新2020/5/5-33-专利、标准与技术规范、论文序号发明专利备注1一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井方法与装备发明专利201210226318.22一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装备发明专利3精细控压钻井技术解决井壁稳定的方法发明专利4一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井方法与装备实用新型201220316400.X5一种用于控压钻井的回压泵系统出口装置实用新型201220226805.46一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装备实用新型7精细控压钻井技术解决井壁稳定的方法实用新型8一种用于控压钻井的新型井口压力控制方法和装置发明专利……申请专利21项，其中发明专利8项-34-四、主要成果与技术创新形成控压钻井技术标准和手册行业标准——《控压钻井系统》发布企业标准两项——《精细控压钻井系统设计、制造和验收标准》《精细控压钻井装备使用与维护标准》形成《精细控压钻井P