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控壓鉆井技術(shù)優(yōu)化開發(fā)非常規(guī)頁巖氣 作者：Brain Grayson, Bhavin Patel, Huub Gans, 翻譯：曾靜摘要：非常規(guī)能源如頁巖油或頁巖氣的快速發(fā)展促使鉆井和完井技術(shù)采用裝配線方法。由于需要鉆大量的井開發(fā)有潛力油藏，有必要采用新方法優(yōu)化鉆井過程，這需要工業(yè)工程方法，減少安裝過程中的非生產(chǎn)時間，也降低了不可見的時間或未被察覺的低效的操作過程，本文討論了如何應(yīng)用MPD通過優(yōu)化鉆井參數(shù)實現(xiàn)鉆井效率最大化，從而降低鉆井過程中的平均比能（Mean Specific Energy）MPD技術(shù)應(yīng)對鉆井技術(shù)難點已經(jīng)獲得了工業(yè)的廣泛認可，同時其能降低井控難度和環(huán)空漏失風(fēng)險。研究發(fā)現(xiàn)頁巖氣鉆井的建井施工過程比一些深水或其它具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境如更容易，應(yīng)用MPD來將最大化頁巖氣開發(fā)的鉆井效率可以通過減少油田開發(fā)時間來將成本最小化。由于消除了已知和未知的低效鉆井，MPD可以減少50%的鉆進時間。相比浪費多余時間處理井下事故，MPD特性是全部的鉆進方案只快速識別和控制壓力變化、并持續(xù)鉆進。MPD通過優(yōu)化泥漿比重、當(dāng)量循環(huán)密度等鉆井參數(shù)從而影響鉆井過程。 平均比能是定量描述鉆井效率的重要方法，本文討論將不同的泥漿比重、鉆壓、扭矩鉆井參數(shù)對平均比能的影響。在鉆進中，MPD的應(yīng)用對MSE有重要影響，本文將闡述如何在頁巖氣開發(fā)中應(yīng)用MPD，與其它非常規(guī)開發(fā)方密林共同提高全過程鉆進效率，實現(xiàn)允許快速、安全的建井和油田開發(fā)。它同時指出MPD的其它優(yōu)勢是通過更好的了解產(chǎn)層和裂縫特征來提升油田產(chǎn)量。前言：頁巖油或頁巖氣在北美和世界各地已成為勘探開發(fā)的主要因素。鉆頁巖油藏可以等同于在與建井施工過程有關(guān)的地質(zhì)環(huán)境已經(jīng)非常了解和開發(fā)難度降低的情況。很少有需要強化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加非生產(chǎn)時間和不利于鉆進效率的意外出現(xiàn)，因此，在非常規(guī)頁巖中鉆井可以認為是裝配線方法。與常規(guī)油藏比較，需要在具有低滲等地質(zhì)特征的巖層每英畝上布一口無鉆井資料井，絕大多數(shù)頁巖油氣藏需要用水力壓裂技術(shù)，但卻增加了生產(chǎn)成本，因此提高頁巖層中鉆進效率非常關(guān)鍵。頁巖氣開發(fā)井項目需要不同的前景加強每口井的鉆井特性來降低油田開發(fā)成本。即使鉆井效率增加量很小，也會因大量進尺而節(jié)省大量的成本。鉆勘探井時由于窄地層-破裂壓力窗口、小井涌余量、套管柱設(shè)計、井壁穩(wěn)定的原因，面臨大量的工程技術(shù)挑戰(zhàn)。行業(yè)已認同控壓鉆井是能緩解這些挑戰(zhàn)的有效方法。控壓鉆井的常規(guī)概念是這項技術(shù)能鉆以前不能鉆的井。應(yīng)用控壓鉆井衍生了其它優(yōu)點，例如，應(yīng)用MPD鉆井可以優(yōu)化泥漿比重、泥漿流變性來提高鉆井效率和減少不確定因素。本文將祥述其優(yōu)勢及在非常規(guī)油藏應(yīng)用MPD優(yōu)化鉆進效率。機械比功（MSE）與巖石破碎有關(guān)的比功概念是破碎或鉆進單位體積的巖石所需要的能量（Teale,1965），公式1簡單描述了MSE方程，Teale指出鉆穿巖石所需的最小比能等于巖石的抗壓強度，Teale的試驗環(huán)境是在常壓下進行的 （1）Pessier證實在液柱靜壓力作用下鉆進特性（drilling characteristics）及對MSE的影響有大幅變化，鉆進時由于液柱靜壓力作用，巖石的強度增加。這表明破碎巖石所需要的單位比功是增加的，從而降低了鉆進效率，圖1分別是機械鉆速與泥漿液柱壓力和不同壓差下的機械鉆速。圖1 泥漿靜液柱壓力和破裂壓力密度與泥漿密度差對機械鉆速的影響圖2井底壓力對破碎比功和鉆井效率的影響B(tài)ourgoyne( Bourgoyne et al,1974)完成了對短層段鉆進數(shù)據(jù)的多元回歸分析，他們推導(dǎo)出公式2的表達式，這有利于關(guān)聯(lián)泥漿密度變化與機械鉆速的變化。 （2）公式3是公式2的簡化形式，證明了過平衡對機械鉆速的影響。它表示壓差越小，機械鉆速顯著增加，也解釋了欠平衡條件下能達到高機械鉆速的原因。MPD的定義不允許在鉆進過程中井底壓力低于地層壓力。減小過平衡值能提高機械鉆速。 （3）提升空間（scope of improvement）作業(yè)商和服務(wù)公司為實時監(jiān)測MSE提高鉆進效率相當(dāng)大量的工作。主要是通過控制鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆頭水力參數(shù)等鉆進參數(shù)優(yōu)化MSE。（Dupriest et al,2005 & Armenta, 2008）這些參數(shù)有利于提高鉆進效率，不過受到井控、井壁穩(wěn)定的需要引起的過平衡條件固有特征限制，如前文所述，井底過平衡條件對機械鉆速有很大的影響。在過平衡鉆井中，泥漿比重有兩方面的作用：井控、井壁穩(wěn)定，泥漿流變性對優(yōu)化鉆井水力特性有很大的作用。由于井控和井壁穩(wěn)定要求，泥漿密度提供了必要的靜液柱壓力維持過平衡條件,它同時對MSE和ROP有重要的影響。泥漿比重降低將緩和井底過平衡條件從而通過提高鉆進效率使機械鉆速增加。在得克薩斯東部和路易斯安那西北地區(qū)Haynesville組成功應(yīng)用MPD技術(shù)。MPD另一個應(yīng)用在得克薩斯南部頁巖氣田，與常規(guī)鉆井相比，成功的使用低密度鉆井液。使用低比重泥漿能提高排量，促進井眼凈化，提高機械鉆速。與常規(guī)鉆井10-20ft/hr相比，MPD技術(shù)機械鉆速能達到50-80ft/hr。MPD-強化控制IADC的UBO和MPD委員會定義MPD是自適應(yīng)鉆進過程用來精確控制井眼環(huán)空壓力剖面。任務(wù)是確定井底壓力限制、控制相應(yīng)環(huán)空水力壓力斷面。MPD傾向于防止地層流體持續(xù)涌進地面。由于使用合理的過程，任何作業(yè)過程中的附加流動都是安全的。MPD包含控制地表回壓、流體密度、鉆井液流變性、環(huán)空液面高度和井眼幾何參數(shù)或上述綜合因素。圖3 P&I圖是MPD在油田的應(yīng)用的簡化方案。增加了兩個主要部件到常規(guī)鉆井過程中。圖 1 simplified managed pressure drilling P&I diagram MPD簡化圖旋轉(zhuǎn)控制頭（RCD）RCD是能使在正常鉆進和起下鉆作業(yè)中形成一個封閉井眼的技術(shù)。事實證明采用RCD在提高安全性和加強井眼控制非常重要的優(yōu)勢。陸地或海洋等作業(yè)環(huán)境決定了RCD的型號。市場上有多種不同的RCD可供使用。密封件和旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計相應(yīng)根據(jù)制造商的不同而變化。主要作用是用來分隔井眼環(huán)空和大氣、也可以鉆進過程中產(chǎn)生部分回壓、旋轉(zhuǎn)鉆桿和起下鉆。簡單形式的MPD由RCD和手動或半自動節(jié)流閥組成。先進MPD的結(jié)構(gòu)可能使用了水下串聯(lián)全自動RCD組合系統(tǒng)和全自動節(jié)流閥。微流量控制系統(tǒng)、節(jié)流管匯（Microflux Control System/Choke Manifold）如圖3所示，由于RCD的應(yīng)用，鉆井液流經(jīng)MPD節(jié)流管匯（封閉井眼）而不是鉆機的防噴管線（與大氣連通）。這使鉆進和起下鉆過程中產(chǎn)生回壓。使用自動控制系統(tǒng)，鉆進參數(shù)的實時監(jiān)測實現(xiàn)了對井底壓力和當(dāng)量循環(huán)密度的先進控制。采用Criolis流量計實時測量泥漿流速和密度數(shù)據(jù)。Weatherford的專利微流量控制技術(shù)使用主體平衡方法識別井涌或漏失等井底壓力事故。應(yīng)用修正方法設(shè)計自動系統(tǒng)反饋井涌或漏失等井底事故。節(jié)流閥由全自動PLC控制，允許高精確度和可靠的壓力控制，能對潛在事故進行持續(xù)修正。多種類型的MPD技術(shù)回流控制鉆進技術(shù)（HSE）這是使用RCD和MPD節(jié)流管匯的簡化的MPD，為維持井控，井底壓力總是保持在地層流體之上，在正常鉆井作業(yè)前，消除了任何意外的井涌或漏失并應(yīng)用修正措施。閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)合正確程序確保恰當(dāng)?shù)鼐徍土藢θ恕⒀b備、環(huán)境的風(fēng)險。恒定井底壓力（CBHP）此類型MPD，采用環(huán)空摩擦壓力（動態(tài)條件）和地面回壓（靜態(tài)條件）維持井底壓力高于地層壓力。泥漿單獨產(chǎn)生的靜液柱壓力可能小于地層壓力。壓力主要由摩擦阻力損失、地面回壓、或兩者的綜合作產(chǎn)生。MPD技術(shù)的一個很好例子是鉆窄密度窗口井，井涌、井漏同時發(fā)生是常見的現(xiàn)象。增壓泥漿帽鉆井（PMCD）多種M PD促進持續(xù)鉆進避免受遭受大量鉆井液漏失，這項技術(shù)在井涌和漏失同時發(fā)生時可在井眼頂部維持一個恒定的壓力。為維持井眼穩(wěn)定，需要向環(huán)空中注入一段犧牲液（sacrificial fluid）雙梯度鉆井現(xiàn)場應(yīng)用這項技術(shù)采用兩種不同環(huán)空流體密度，低密度鉆井液通過寄生管串或同心套管注入。核心目標是綜合使用兩種不同密度的鉆井液來獲得期望的井底壓力。泥漿比重對進尺速率的影響以鉆進效率分析的觀點看，鉆井液流變性、物理性、化學(xué)成分是關(guān)鍵因素。泥漿密度制約機械鉆速，鉆頭水力特性、鉆頭水功率都受泥漿比重影響。圖1是Berea砂巖層機械鉆速與泥漿靜液柱壓力的對比。低井底壓力下鉆進速度或機械鉆速非常高。由于壓實作用的影響，深地層的巖石抗壓強度較高，需要用高泥漿密度維持井壁穩(wěn)定和井底壓力，在鉆深部巖層或高壓地層時，過高的井底壓力導(dǎo)致較低的機械鉆速。圖4是傾斜頁巖層ROP與井深和泥漿密度與井深的對比。C=0.000666。公式3可計算不同泥漿比重下的機械鉆速。狀況1、鉆15000ft至18000ft地層需將泥漿密度從14.1ppg提高至17.1ppg。狀況2假定用14.1ppg泥漿密度鉆相同井深間隔。第二個Y軸是不同深度的泥漿密度的數(shù)據(jù)。如圖4所示，隨泥漿密度增加，ROP顯著減少。相反，在恒定14.1ppg下，在鉆相同井深間隔時可以達到較高ROP。圖4 plot showing effect of increase in mud weight on rop, rop vs drilling depth &mud weight vs. drilling depth實時ECD控制與優(yōu)化MPD的CBHP方法利用地面回壓來改變BHP或ECD，利用先進的水力參數(shù)模擬提供實時精確的BHP計算結(jié)果。井底工具傳回的隨鉆壓力數(shù)據(jù)是水力模擬方法的很好的基準點校正。PLC自動控制由地面回壓大幅變化處理得到的BHP值精確控制地面回壓。因此相對于常規(guī)鉆井，實時監(jiān)測和控制BHP或ECD值是鉆低泥漿密度重要的方法。它有利于達到更高的機械鉆速。結(jié)論：1. 北美和世界和地已經(jīng)為勘探和開發(fā)頁巖氣鉆了大量的井。裝配線方法在鉆完井技術(shù)中有得要的作用。即使很小的鉆進效率提高也能節(jié)省油田開發(fā)成本。2. 提高頁巖氣鉆進效率需減少可見和不可見的非生產(chǎn)時間（NPT due to slow ROP），提高機械鉆速需優(yōu)化MSE和提高鉆進效率。3. 通過監(jiān)測和控制鉆井參數(shù)實時優(yōu)化MSE是提高鉆進效率和機械鉆速的有效方法。鉆壓、扭矩、旋轉(zhuǎn)速度實時調(diào)整有利于優(yōu)化MSE。4. 井底壓力對機械鉆速有重要的影響，通過控制泥漿密度、地面回壓、和泥漿組分優(yōu)化BHP/ECD，從而優(yōu)化MSE 提高機械鉆速。5. 控壓鉆井技術(shù)能實時監(jiān)測和優(yōu)化井底壓力，與常規(guī)鉆井相比，MPD的CBHP技術(shù)能降低泥漿密度。6. 自動MPD系統(tǒng)實時監(jiān)測和控制ECD/BHP可以降低過平衡值，大幅提高機械鉆速和鉆進效率。7. MPD技術(shù)在常規(guī)油藏中能有效開發(fā)高難井，在頁巖層同樣可以復(fù)制MPD技術(shù)。術(shù)語牙輪處泥漿密度，ppg機械鉆速，ft/hrA井底面積，in2