井下微流量控制方法

　　(本文作者：石磊 陳平 胡澤 黃萬志 “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué))

　　摘要：近幾年，國外在常規(guī)鉆井和欠平衡鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出了一種被稱為控壓鉆井(MPD)的新技術(shù)，該技術(shù)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(huán)空壓力剖面。但作為一種新的鉆井技術(shù)，控壓鉆井現(xiàn)有的方法理論和硬件系統(tǒng)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(shù)中的一種，是對現(xiàn)有地面微流量控制方法的改進(jìn)，能夠隨鉆監(jiān)測井下環(huán)空流量的變化，及早發(fā)現(xiàn)溢流或井漏等井下復(fù)雜情況，與地面返出環(huán)空流量監(jiān)測相配合，進(jìn)而調(diào)節(jié)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(xiàn)對環(huán)空流量的精確控制。該方法能夠顯著提高系統(tǒng)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。

　　關(guān)鍵詞：控壓鉆井;井下微流量控制;隨鉆測試;環(huán)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(fā)難度的加大，人們相繼發(fā)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(MPD)方式來滿足復(fù)雜地區(qū)鉆井的需要[1～3]。目前控壓鉆井按照控制對象，可分為環(huán)空壓力剖面控制和環(huán)空流量控制兩類，上述幾種MPD都屬于環(huán)空壓力剖面控制，而微流量控制方法則屬于環(huán)空流量控制。相較于監(jiān)測環(huán)空壓力，對環(huán)空流量的監(jiān)測能極大地提高溢流、井漏等井下復(fù)雜情況監(jiān)測的準(zhǔn)確性和靈敏性。而對于環(huán)空流量監(jiān)測本身(尤其針對氣井)，在地面監(jiān)測和在井下監(jiān)測也存在著很大的差別，直接影響到一口井后續(xù)井控的能力，甚至關(guān)系到鉆井作業(yè)的成敗。本文介紹的井下微流量控制方法能夠隨鉆監(jiān)測井下環(huán)空流量的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)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(xiàn)對環(huán)空流量的控制。

　　1 井下環(huán)空流量測量裝置設(shè)計

　　為了及時準(zhǔn)確的監(jiān)測由溢流或井漏引起的井下環(huán)空流量的變化，必須安裝井下環(huán)空流量測量裝置。然而由于環(huán)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(yīng)用于此處。筆者介紹了采用節(jié)流壓差法進(jìn)行井下環(huán)空流量測量的方法，其測量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該測量裝置內(nèi)置壓力傳感器和數(shù)據(jù)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(jìn)行簡單處理，之后把采集的壓力數(shù)據(jù)通過MWD傳至地面進(jìn)行分析，即可得到井底實時的環(huán)空流速(流量)。

　　該方法能夠成功實施的關(guān)鍵是節(jié)流元件的設(shè)計。由于節(jié)流法測量流量需要在節(jié)流元件兩端產(chǎn)生一個壓力差來反映通過節(jié)流元件的流量大小，這就會增大節(jié)流元件下部的環(huán)空壓力值，使得環(huán)空壓力剖面發(fā)生變化，從而影響鉆井設(shè)計及施工的各個方面。為了降低對鉆井的影響，該壓差值應(yīng)選擇盡可能小，但又必須保證目前能夠用于井下環(huán)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(yīng)用于鉆井現(xiàn)場的井下穩(wěn)定器作為節(jié)流元件的參考結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)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(jié)流元件而不發(fā)生阻塞，這里使用多級節(jié)流的方法來達(dá)到預(yù)期的節(jié)流效果，如圖2所示。

　　井下流量測量裝置能夠檢測出最小1L/s的溢流或井漏量，并且是在井底進(jìn)行的實時監(jiān)測。這較之于現(xiàn)有通過井口流量變化、含氣量及泥漿池液面變化等方式進(jìn)行的監(jiān)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(tǒng)

　　井下微流量控制系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：井下流量測量及信號傳輸系統(tǒng)、地面參數(shù)測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、專用地面節(jié)流管匯和中央控制系統(tǒng)[4～5]。該控制系統(tǒng)的組成如圖3所示。

　　井下環(huán)空流量測試系統(tǒng)及地面參數(shù)(包括進(jìn)、出KI流量，井口回壓，井口溫度等)測量系統(tǒng)是該控制系統(tǒng)的核心部分，通過分析其實時采集的各種數(shù)據(jù)，可以及早判斷井下復(fù)雜情況;專用節(jié)流管匯是鉆井液循環(huán)管道的地面主體組成部分，其上面安裝有2個可控電動節(jié)流閥，一個正常工作，一個作為備用;中央控制系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)對所采集的各路信號進(jìn)行處理及分析，并發(fā)出控制信號來調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度[6～8]。

　　鉆井過程控制流程圖如圖4所示。在鉆井過程中實時監(jiān)測井下環(huán)空流量，并通過MWD把數(shù)據(jù)輸送至地面與環(huán)空流量期望值進(jìn)行比較，不同井段和工況下環(huán)空鉆井液流量有不同的期望值。當(dāng)兩者存在偏差時，系統(tǒng)進(jìn)一步判斷鉆井液是否有漏失。如有漏失，系統(tǒng)可確定破裂壓力，并減小井口回壓;如無漏失或產(chǎn)生溢流，則可確定孔隙壓力，并適當(dāng)增大井口回壓;當(dāng)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(fā)現(xiàn)的復(fù)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(tǒng)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(shù)據(jù)與期望值進(jìn)行比較來判斷，若與期望值相符，則表示鉆井作業(yè)正常，否則就要采取相應(yīng)控制措施。這種監(jiān)測與比較將一直進(jìn)行下去，實現(xiàn)鉆井作業(yè)時鉆井液的可控循環(huán)，實時監(jiān)測孔隙壓力和破裂壓力，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)節(jié)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(tǒng)流程圖。

　　3 系統(tǒng)優(yōu)缺點

　　井下微流量控制作為一種新技術(shù)，有其獨特的優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿?，但也不可避免地會存在一些問題，有待繼續(xù)改進(jìn)和提高。

　　1) 由于裝置采用壓差法進(jìn)行環(huán)空流量測量，需要測量節(jié)流元件兩端的絕對壓力值，并根據(jù)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(tǒng)提供了另一可靠的參考數(shù)據(jù)，這也增加了裝置的應(yīng)用價值。

　　2) 能夠大幅度提高溢流、井漏的監(jiān)測能力。井下環(huán)空流量測量裝置的測量精度為1L/s，較大的溢流或井漏能夠立即發(fā)現(xiàn)并采取措施進(jìn)行控制，較小的溢流或井漏則可以通過結(jié)合地面鉆井液參數(shù)的實時監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)，從而把總溢流或井漏量控制在很小的范圍內(nèi)，降低鉆井風(fēng)險，節(jié)約鉆井成本[9～11]。

　　3) 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。只需在現(xiàn)有各種類型鉆機(jī)上安裝傳感器和專用節(jié)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(yīng)用時只需對作業(yè)人員進(jìn)行簡單培訓(xùn);在控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，還可以立即轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井方式繼續(xù)鉆進(jìn)[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(dǎo)致測量結(jié)果受到一定影響，為了排除這一干擾，需要結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場工況對測量數(shù)據(jù)的規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析，以避免漏判、錯判等情況的發(fā)生。

　　4 結(jié)論

　　微流量控制鉆井是一種新的控壓鉆井技術(shù)，與其他控壓鉆井方法相比，微流量控制技術(shù)可以有效地監(jiān)測地層孔隙壓力和破裂壓力，及時準(zhǔn)確地判斷并控制井下復(fù)雜情況。而本文介紹的井下微流量控制技術(shù)是對現(xiàn)有技術(shù)的一種改進(jìn)，其核心即要求能夠?qū)崟r監(jiān)測井下環(huán)空流量的微小變化，而不必通過監(jiān)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(zhǔn)確性，為安全、合理、有效、低成本開發(fā)油氣田提供了有效保障。

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　　(本文作者：石磊 陳平 胡澤 黃萬志 “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué))

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