[发明专利]一种基于双梯度的控制压力钻井方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制压力钻井的方法及装置，特别是关于一种基于双梯度的控制压力钻井方法及装置。

背景技术

在常规深水钻井中，钻井船和海底井口用隔水管连接，钻井液通过钻杆向下流动，通过钻头，再向上流经钻杆和井眼之间的环空、已下入的套管段(导管段)、海底以上的隔水管，循环返回钻井船。在整个钻井回路中只有泥浆一种压力梯度。在超过500m的深水中钻井，采用隔水管系统的常规钻井将容易出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难题，这包括：1、锚泊钻机本身必须承受锚泊系统的重量，给钻机稳定性增加了难度；2、隔水管除了承受自身重量，还承受严重的机械载荷，如海流恶劣的海况等，在这种情况下，防止隔水管脱扣是一个关键问题。为了避免船舶起伏时造成的任何松弛或者动态屈曲，起伏不定的轴向拉力应当保持为正值；3、海底泥线处高压和低温环境对钻井液性能影响而产生特殊的难题；4、海底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物对钻井可能引起的风险等；5、特别难于控制钻井液当量密度在泥浆密度窗口(地层孔隙压力和破裂压力间隙)，在浅水中，泥浆密度窗口(如图12所示，倾斜的阴影线)“开”得非常靠进水面，从而使得泥浆压力线(倾斜的虚线)保持在两个边界线之间，在很长的井段内可以使用单一泥浆比重钻井。而在深水中，泥浆窗口(如图13所示)向下平移，其“较小开口”使得将泥浆比重调整非常困难，特别是在泥线附近(图中“+”字阴影区和水平点划线之间的分界线)，这主要是由于隔水管中的泥浆柱造成的。狭窄的泥浆密度窗口对井身结构的质量和钻井作业造成了很大的影响：一方面复杂的套管程序(通常采用36″、20″、17″、13-5/8″、9-5/8″和7″套管)，对经济性造成了巨大的影响；另一方面和传统的浅水相比，由于在巨大的隔水管中流体流速非常缓慢，使得在深水钻井出现气泡比浅水中要迟的多；另外通过很长的压井管线压力损失很大，限制了压井循环的流速，使得井涌频繁而且控制非常困难。

为了解决以上问题，提出控制压力钻井技术(Managed Pressure Drilling，MPD)，MPD是一种适用的钻井程序，用于精确地控制整个井眼环空的压力剖面，目的在于确定井底压力范围，从而控制环空液面剖面。当前实现MPD的方法主要有：

(1)连续循环系统：在常规钻井操作中，在接单根的时候必须停泵，随着泵的不断停止和开启会产生很多问题。由谢非尔公司与BP公司、英国天然气公司、壳牌商业公司和道达尔公司合资开发的连续循环系统(Continuous CirculationSystem，CCS)，在接单根时保持连续循环，不需要停泵，可保持恒定的当量循环密度，这就使我们很容易地在孔隙压力与破裂压力窗口很窄的条件下钻进，而在此之前在这些地区钻进是困难的或用常规钻井技术是无法钻进的。连续循环系统还减少了卡钻事故。连续循环减轻了井眼的鼓胀效应并可避免油气意外侵入井眼的可能性。另外，携岩能力和钻屑清除能力也得到改善。

(2)当量循环密度降低工具：井眼压力控制是钻井过程中的关键环节。在常规钻井过程中，静态和动态流体压力是用来抑制地层压力并保持井眼稳定的。循环时过高的流体压力能导致破裂压力和孔隙压力之间的操作安全系数降低，严重的会丧失循环。为解决上述问题，研制出降低当量循环密度的工具。当工具工作时，能减轻下部裸眼段的当量钻井液循环密度，同时加重上部套管段的当量钻井液密度，保持井筒上部较高压力。

(3)压力泥浆帽钻井：当遇到严重的循环损失储层，或由于其它井的生产形成低的地层压力的衰竭地层，经常发生循环漏失，采用压力泥浆帽钻井技术。如果地层压力远远低于正常钻井的井眼压力，循环损失将十分严重，泥浆将会漏入衰竭地层。井眼中的静压力将会减少平衡衰竭地层的储层压力。此时，在未达到钻井液漏失层的地层井眼压力低于储层压力，将会导致气体进入井眼。井控的方法之一是以高于气体渗透速率的速率灌浆。压力泥浆帽钻井方法使用重的泥浆从环空泵送以防止气侵到达钻台。

(4)可控泥浆帽系统：可控泥浆帽系统与压力泥浆帽钻井类似，不过该系统是通过一个泥浆泵调节泥浆帽的水平面更好的控制井底压力。现在还在进行测试的一种新的钻井概念是可控泥浆帽系统。可控泥浆帽系统与压力泥浆帽钻井的区别是钻井环空泥浆帽的液面可通过泥浆泵调节，可更好的控制井底压力。