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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(shí)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(diǎn)已經(jīng)獲得了工業(yè)的廣泛認(rèn)可，同時其能降低井控難度和環(huán)空漏失風(fēng)險(xiǎn)。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(jìn)時間。相比浪費(fèi)多余時間處理井下事故，MPD特性是全部的鉆進(jìn)方案只快速識別和控制壓力變化、并持續(xù)鉆進(jìn)。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(jìn)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(jìn)效率，實(shí)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(qiáng)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增加非生產(chǎn)時間和不利于鉆進(jìn)效率的意外出現(xiàn)，因此，在非常規(guī)頁巖中鉆井可以認(rèn)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(jìn)效率非常關(guān)鍵。頁巖氣開發(fā)井項(xiàng)目需要不同的前景加強(qiáng)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(jìn)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(jì)、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(rèn)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(xiàng)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(diǎn)，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(jìn)效率。機(jī)械比功（MSE）與巖石破碎有關(guān)的比功概念是破碎或鉆進(jìn)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(qiáng)度，Teale的試驗(yàn)環(huán)境是在常壓下進(jìn)行的 （1）Pessier證實(shí)在液柱靜壓力作用下鉆進(jìn)特性（drilling characteristics）及對MSE的影響有大幅變化，鉆進(jìn)時由于液柱靜壓力作用，巖石的強(qiáng)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(jìn)效率，圖1分別是機(jī)械鉆速與泥漿液柱壓力和不同壓差下的機(jī)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(jī)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(jìn)數(shù)據(jù)的多元回歸分析，他們推導(dǎo)出公式2的表達(dá)式，這有利于關(guān)聯(lián)泥漿密度變化與機(jī)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(jī)械鉆速的影響。它表示壓差越小，機(jī)械鉆速顯著增加，也解釋了欠平衡條件下能達(dá)到高機(jī)械鉆速的原因。MPD的定義不允許在鉆進(jìn)過程中井底壓力低于地層壓力。減小過平衡值能提高機(jī)械鉆速。 （3）提升空間（scope of improvement）作業(yè)商和服務(wù)公司為實(shí)時監(jiān)測MSE提高鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)效率使機(jī)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(jìn)井眼凈化，提高機(jī)械鉆速。與常規(guī)鉆井10-20ft/hr相比，MPD技術(shù)機(jī)械鉆速能達(dá)到50-80ft/hr。MPD-強(qiáng)化控制IADC的UBO和MPD委員會定義MPD是自適應(yīng)鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)和起下鉆作業(yè)中形成一個封閉井眼的技術(shù)。事實(shí)證明采用RCD在提高安全性和加強(qiáng)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jī)的防噴管線（與大氣連通）。這使鉆進(jìn)和起下鉆過程中產(chǎn)生回壓。使用自動控制系統(tǒng)，鉆進(jìn)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了對井底壓力和當(dāng)量循環(huán)密度的先進(jìn)控制。采用Criolis流量計(jì)實(shí)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(jì)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(jìn)行持續(xù)修正。多種類型的MPD技術(shù)回流控制鉆進(jìn)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(xiǎn)。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(dú)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(jìn)持續(xù)鉆進(jìn)避免受遭受大量鉆井液漏失，這項(xiàng)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(xiàng)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(biāo)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(jìn)尺速率的影響以鉆進(jìn)效率分析的觀點(diǎn)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(jī)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(jī)械鉆速與泥漿靜液柱壓力的對比。低井底壓力下鉆進(jìn)速度或機(jī)械鉆速非常高。由于壓實(shí)作用的影響，深地層的巖石抗壓強(qiáng)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(jī)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(jì)算不同泥漿比重下的機(jī)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(dá)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(shí)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(jìn)的水力參數(shù)模擬提供實(shí)時精確的BHP計(jì)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(zhǔn)點(diǎn)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(shí)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(dá)到更高的機(jī)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(jìn)效率提高也能節(jié)省油田開發(fā)成本。2. 提高頁巖氣鉆進(jìn)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(jī)械鉆速需優(yōu)化MSE和提高鉆進(jìn)效率。3. 通過監(jiān)測和控制鉆井參數(shù)實(shí)時優(yōu)化MSE是提高鉆進(jìn)效率和機(jī)械鉆速的有效方法。鉆壓、扭矩、旋轉(zhuǎn)速度實(shí)時調(diào)整有利于優(yōu)化MSE。4. 井底壓力對機(jī)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(jī)械鉆速。5. 控壓鉆井技術(shù)能實(shí)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(shí)時監(jiān)測和控制ECD/BHP可以降低過平衡值，大幅提高機(jī)械鉆速和鉆進(jìn)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(jī)械鉆速，ft/hrA井底面積，in2