隨著對(duì)油井的反復(fù)開(kāi)采，地層壓力和破裂壓力梯度的差值逐漸變小;同時(shí)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注過(guò)量開(kāi)采對(duì)生產(chǎn)量和工業(yè)儲(chǔ)量造成的不可彌補(bǔ)的消極影響，這就要求我們研究一種超越傳統(tǒng)鉆井方法、保持恒定井底壓力的新技術(shù)。國(guó)際海洋鉆井勘探與生產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種行之有效的解決方法：用一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的水利模型連接一個(gè)自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)來(lái)使井底壓力保持在一個(gè)相對(duì)恒定的值。該技術(shù)還應(yīng)能夠持續(xù)減少井涌的發(fā)生。
DAPC：保持井壓恒定
近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的動(dòng)力環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(DAPC)使得通過(guò)保持必要的回壓值，在同井內(nèi)給定深度的動(dòng)壓力相等的相對(duì)恒定井底壓力狀態(tài)下實(shí)施鉆井成為了現(xiàn)實(shí)，如圖1所示。實(shí)質(zhì)上，通過(guò)控制回壓使地面壓力增加，而非增加井底壓力，壓力曲線是翻轉(zhuǎn)的。
這項(xiàng)在保持恒定井底壓力或控制壓力鉆井上的新突破很有可能對(duì)由于井壁穩(wěn)定性、泥漿漏失、通氣、滲透率降低，差壓卡鉆和地層水破壞等產(chǎn)生的問(wèn)題井的開(kāi)采上有所幫助。
實(shí)際上，我們發(fā)現(xiàn)有許多井由于井壁穩(wěn)定效果欠佳以及地層壓力與破裂壓力的差值減小而不可以在兩種不同壓力狀態(tài)下鉆進(jìn)。另外，我們需要不斷地對(duì)井內(nèi)低強(qiáng)度區(qū)域進(jìn)行修護(hù)，而非采用可能會(huì)導(dǎo)致地層水破壞的高密度鉆井液。再就是超高的當(dāng)量循環(huán)密度在延伸鉆井中的應(yīng)用。如果通過(guò)傳統(tǒng)方法，要開(kāi)采以上三種情況結(jié)合在一起的油井，還要符合我們?nèi)找嬖黾拥母呋厥章实统杀镜囊蟛惶F(xiàn)實(shí)。如圖2所示，在動(dòng)壓狀態(tài)下鉆井可以避免或減少井噴、井漏、差壓卡鉆和破壞油藏等問(wèn)題的發(fā)生。
由于保持靜壓力高于地層壓力帶來(lái)的井控問(wèn)題以及由于地層破裂或泥漿進(jìn)入基巖和裂縫而致使泥漿漏失而產(chǎn)生動(dòng)壓，都可能致使鉆井費(fèi)用的提高。此外，鉆進(jìn)油層時(shí)產(chǎn)生泥漿漏失或過(guò)度壓差會(huì)破壞地層水或堵塞井壁，大大降低生產(chǎn)率。控制壓力鉆井利用回壓來(lái)控制井底壓力是基于以下的簡(jiǎn)單公式：
井底壓力=地面回壓+環(huán)空壓力
環(huán)空壓力=環(huán)空壓耗+環(huán)空流體靜壓力
現(xiàn)場(chǎng)使用安裝
要保持恒定井底壓力，就要保持恒定地面壓力。然而地面壓力是隨著鉆進(jìn)速度、泥漿密度以及其他引起壓力波動(dòng)的因素，如發(fā)動(dòng)機(jī)失效、巖屑負(fù)荷、鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)和泥漿性能等的變化而改變。
用節(jié)流閥來(lái)控制環(huán)空流體靜壓力并不是一個(gè)新概念。手動(dòng)和半自動(dòng)化節(jié)流控制系統(tǒng)也早已被應(yīng)用于井控和欠平衡鉆井作業(yè)。但這些方法是有局限性的，因?yàn)樗麄円蕾囉诒３指鞣N狀態(tài)的穩(wěn)定，比如，把侵入井內(nèi)的流體循環(huán)出井外時(shí)，為了保證在一定范圍內(nèi)的立管壓力下作業(yè)，要保持恒定的泵速。主要的鉆井泵意外斷路或其它突發(fā)狀況會(huì)導(dǎo)致必要的回壓消失和井底壓力的意外減少;或者在保持井壓時(shí)沒(méi)有及時(shí)打開(kāi)節(jié)流器而導(dǎo)致超壓。
通過(guò)以下安裝方法：把一個(gè)水利模型、一個(gè)高級(jí)監(jiān)督管理程序與鉆井裝置數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接在一起，將制層色譜控制裝置(PLC)和各種節(jié)流器、節(jié)流閥連接，同時(shí)將一個(gè)輔泵連接到節(jié)流器的環(huán)空上游，就可以達(dá)到在鉆井時(shí)保持相對(duì)恒定井底壓力的目的。為了保證井底壓力一直不變，原本設(shè)計(jì)動(dòng)力環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(DAPC)要在沒(méi)有鉆井監(jiān)督干預(yù)(除了最開(kāi)始的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)校準(zhǔn))的情況下，無(wú)論鉆井參數(shù)多少，一直處于工作狀態(tài)。但在實(shí)際操作中，盡管正常運(yùn)作時(shí)間大于 98%，為了以防萬(wàn)一，系統(tǒng)還是一直處于人員監(jiān)督下作業(yè)。
圖3描述了動(dòng)力環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(DAPC)的方案設(shè)計(jì)和安裝到鉆機(jī)上的方法。
需要的組件有：旋轉(zhuǎn)防噴器：鉆進(jìn)時(shí)容納環(huán)空壓力并起下鉆具。回水管線可能通過(guò)節(jié)流器連接到旋轉(zhuǎn)防噴器上，或者另一個(gè)出口管連接到防噴器上。
鉆柱浮閥：防止連接管子時(shí)壓力釋放。鉆柱浮閥通常安置在鉆具下部。
輔助壓力泵：當(dāng)鉆井泵關(guān)閉時(shí)能夠有效代替它來(lái)保持環(huán)空壓力。該泵聽(tīng)從主控制器信號(hào)指揮，由電動(dòng)機(jī)來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉。
節(jié)流管匯：受主控制器操縱，由各種閥件、主節(jié)流管匯和輔助節(jié)流管匯組成。 當(dāng)主鉆泵啟動(dòng)時(shí)， 流體沿著主節(jié)流管匯路線流動(dòng)，當(dāng)井內(nèi)流體減少時(shí)，主節(jié)流器關(guān)閉，流體沿體積較小的輔助節(jié)流管匯路線流動(dòng)。用一個(gè)電力驅(qū)動(dòng)的液壓動(dòng)力裝置來(lái)發(fā)動(dòng)節(jié)流器和閥件。
節(jié)流管匯泥漿返回總管：返回泥漿可以通過(guò)管線直接進(jìn)入泥漿振動(dòng)篩或者通過(guò)液氣分離器進(jìn)行分離。
指重表：水力模型通過(guò)指重表上的讀數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)。因?yàn)閴毫ψx數(shù)并不總是準(zhǔn)確的，而且計(jì)時(shí)間隔也是變化的，如撓性管鉆井時(shí)，泥漿脈沖遙測(cè)裝置不斷的讀出數(shù)據(jù)，計(jì)時(shí)間隔要好幾分鐘。因此不能直接采用讀出的井底壓力值來(lái)控制節(jié)流器。
用一個(gè)可編程序邏輯控制器來(lái)控制閥門和節(jié)流器。另外，控制系統(tǒng)安裝一個(gè)接近于實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的水利模型來(lái)不斷地依據(jù)泵沖、鉆頭深度、泥漿密度的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算井底壓力值。并由此來(lái)確定必要回壓值和節(jié)流器安裝位置。為了獲得實(shí)際地面壓力值，在節(jié)流管匯上安裝一個(gè)壓力傳感器。在需要保證持續(xù)、準(zhǔn)確讀數(shù)的位置安裝多個(gè)傳感器。
實(shí)現(xiàn)井底壓力可控
動(dòng)力環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(DAPC)已經(jīng)在三種獨(dú)特的壓力控制鉆井中得到應(yīng)用，包括在很難控制井漏、高溫高壓井易噴、孔隙壓力和破裂壓力梯度邊界較小的油井易發(fā)生井涌和井漏的斷裂油藏也有應(yīng)用。結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠有效、持續(xù)的保持井底壓力在30磅/平方英寸以內(nèi)。為了保證使用動(dòng)力環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(DAPC)來(lái)控制井底壓力時(shí)安全、可靠，在進(jìn)一步修訂、調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將充分重視從以上三種應(yīng)用種得到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。隨著行業(yè)對(duì)控制壓力鉆井法及挑戰(zhàn)地層壓力和破裂壓力梯度差值的固有優(yōu)點(diǎn)的逐步認(rèn)識(shí)，這種新技術(shù)將會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間。
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