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【井控】井控升级为海洋油气开发穿上“金钟罩”

【井控】井控升级为海洋油气开发穿上“金钟罩”

在如今充满挑战的工作环境下,行业应对井筒溢流的响应措施还是几十年前的老方法,这显得越来越不能满足生产需求,而且这些方法在大多数应用中已经根深蒂固。

来自 | E&P
编译 | 白小明 影子

经验表明,采用浮动钻井平台在深水及不可预知的压力体系中进行钻井时,其遇到的井控问题已远超传统井控理论。传统概念采用一系列冗长名词(如大型井涌、卡钻和立管气)来定义风险,以及这些风险对安全生产、非生产时间和项目成本的影响。

在井口施加背压的控压钻井(ASBPMPD),可用于强化常规深水井井控措施,解决了上述限制。这种方法采用一种封闭的循环系统,能够动态并快速地控制井筒压力,其使用可以说是重新定义了初级井控保障措施。这种方法的实施有利地解决了许多传统的井控限制,具备许多新功能,例如快速井涌检测和响应,能够安全地将溢流循环出井筒和立管。

敞开&封闭系统案例

在常规的井控中,一旦钻井人员确认发现溢流,水下防喷器(SSBOP)会被立刻关闭。这是已在标准钻井作业中经过验证了的应对措施,但是当面对深水环境时,其执行速度满、作业不精确以及机械限制等缺陷,则彻底失去了“遮羞布”。

采用常规井控方法的流程,往往会造成时间效率低下,并导致井底压力明显降低,进而造成井底压力进一步欠平衡,增加溢流量。

静态溢流检查则需要花费大量时间,并且相关风险将有所增加。另外,静态溢流检查只是确保井筒安全的前期工作,最终需要通过关闭SSBOP阻止溢流。SSBOP关闭后,会出现其他问题。随着岩屑的沉降,可能造成卡钻事件,进而耗费大量资金和时间,而且通过小内径(ID)节流管线循环相当于给井筒打背压,导致井漏。此外,如果溢流量大到超过井涌余量值,关闭SSBOP将无法阻止溢流。在这种情况下,暴露的脆弱地层会发生破裂,使油气持续将钻井液顶替出井筒。在已关闭的SSBOP上方,随着油基或合成基泥浆体系中的油气溢流从溶液中析出,形成的立管气也是一种井控威胁(图1)。

【井控】井控升级为海洋油气开发穿上“金钟罩”

图1.常规井控措施可能会导致BHP明显下降,并且在井筒安全前增加溢流量。

立管气仅仅是深水作业过程中的一种井控威胁,随着水深的增加,立管的长度和静水压力都会增加。在这种情况下,如果井筒中含有油基或合成基泥浆,在被循环出井前,来自地层深度处的油气溢流不会从溶液中溢出,它们位于SSBOP之上而且无法被检测到。最差的结果是,立管卸载后,在几乎没有任何预兆的情况下,泥浆和气体经钻台转盘喷出。如果情况不严重,分流封隔器会及时关闭,将泥浆导出至平台外,但这还是有可能会造成环境事件。

MPD系统

ASBP-MPD设备和工艺通过快速、精确控制井筒压力,强化了初级井控措施,解决了传统井控限制,这主要通过整合各种系统实现,包括钻井节流管汇、流入流出量测量装置、连续密封的井筒和立管,以及钻机系统(图2)。

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图2. ASBP-MPD系统属于初级井控的一部分,目前定义为反映采用封闭系统动态控制压力的能力。

在这套封闭系统中,水下MPD立管密封系统或MPD立管环形防喷器通过一个水下流动短节和泥浆回流软管将流体导向顶部MPD设备。平台上的分配管汇则将立管流体导向MPD管汇,后者由钻井节流管汇和科氏流量计组成。回流的泥浆通过专用的MPD泥浆气体分离器或钻机的泥浆气体分离器处理,最终被输送到振动筛。安装在钻机泵上游的科氏流量计测量进入井筒流体的排量和密度。

MPD立管密封系统的一种形式是主动控制装置,其在钻杆与井眼间形成密封以建立一个封闭系统,并将立管流体引向地面MPD管汇。封闭系统可以动态调节井筒压力,精确测量流体排量,更安全地进行泥浆和气体分离。

AFGlobal的主动控制设备没有旋转部件,它可以对双球形BOP封隔器充能以关闭双密封元件总成,形成井筒密封。当密封元件磨损时,环形封隔器上的液压关闭压力会主动调节以保证井眼密封的完整性。主动控制设备还能够根据工况对密封元件进行监测。

在常规更换磨损的密封元件总成时,需采用MPD立管环形防喷器控制井筒压力。关闭环形防喷器可继续将流体导向顶部MPD设备。安装在MPD环形防喷器和MPD密封系统下方的流动短节为回流的钻井液提供了冗余的流动通路。分配管汇将回流液体引导至MPD管汇。它还提供过压保护,可实现泥浆帽钻井技术,并为乙二醇/甲醇注入提供配套接头。

MPD管汇能够控制压力并测量井内的流量。借助算法和水力建模软件,可采用节流管汇保持恒定的井筒压力。安装在每个泥浆泵上游的科氏流量计可以准确监测井内的流量和密度。这些数据用于快速确定出口流量或密度的变化是由钻机作业活动还是井涌引起的。

较小的气侵可以使用专用的MPD泥浆气体分离器或钻机的井控分离器处理。必须进行FEED研究,以在设备极限范围内评估和规划MPD作业。返出的钻井液流经MPD立管流动短节和顶部分配管汇之间的大排量软管。软管内径较大可以满足多相液流,目的是减少摩擦压力损失。

深水优势

ASBP-MPD系统主要的深水优势是能够准确、及时地探测到井涌,并作出快速的溢流响应,从而尽可能控制溢流量,且可以实现在不关闭SSBOP的情况下循环出溢流。

溢流被控制后可采用初级井控措施将其安全循环出井,而不必过早地采用二级井控措施。因此,通过大排量循环并旋转和上下活动钻柱,将溢流循环出井,避免了过多的节流管线摩擦损失,降低了卡钻风险,同时通过减少SSBOP不必要的使用,减小了其磨损量。

此外,井涌检测和响应非常快速而准确。检测到的溢流量精确到加仑,而不是桶,而且可信度足够高无需进行静态溢流检查。一旦检测到溢流,相比于耗时的常规井控措施,可立即在井口施加背压。立管已经密封,可以防止出现立管突然卸载事件。

通过精确测量封闭系统的流入量和流出量,可以实现快速精确检测井涌。科氏流量计的使用以及独立测得的流出量数据(不受船舶升沉影响),有助于减小井涌量和对静态溢流检查的依赖。独立流出量数据通过定位立管伸缩短节下方的MPD立管密封获得。安装在钻井泵上游和下游的流量计可以直接测量流体排量和密度,从而实现质量平衡控制。

对于MPD密封系统不工作的井眼部分,则可使用立管环形防喷器强化井控管理。

井涌检测采用常规方法,立管环形防喷器被关闭后,通过顶部的MPD设备来控制溢流并将其循环出井,而不必采用二级井控措施。这样有利于减小过多的节流管线摩擦损失,降低卡钻风险,并且可直接处理立管内的小规模气侵,无需将其导出船外。当然,防止立管突然大规模卸载事件的最安全方法还是在钻井过程中使用MPD立管密封系统,以提供连续的密封。

应该注意的是,任何使用MPD系统对溢流的管理都必须在设备的设计和操作极限范围内实现。这些极限参数应当根据每个尺寸的井眼所遇到的最糟糕工况进行升级更新。如果在某些情况下作业参数超过了设备的极限参数,与以往一样,操作人员需要利用二级井控措施进行相应的处理,同时还需制定一份高度结构化的沟通方案,以确保作业在初级、二级井控间的平滑过渡。

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