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Page 1: MPD钻井设备概述

收稿日期: 2010- 01- 05

作者简介: 朱丽华 ( 1969- ) ,工程师, 1991年毕业于西安石油大学英语专业,现从事科技情报调研与翻译工作。地址: ( 618300 )四川省广

汉市中山大道南二段石油钻采院信息中心,电话: 0838- 5151343。

钻井工艺

控制压力钻井设备概述朱丽华,向雪琳,邓玉涵,曹 华

(中石油川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院 )

朱丽华等. 控制压力钻井设备概述. 钻采工艺, 2010, 33( 3): 43- 47

摘 要: 控制压力钻井工艺有着多种应用形式,包括井底压力恒定控压钻井、带压泥浆帽控压钻井和双梯度

钻井等, 每一种具体工艺的实施都需要借助专用工具和设备。文章介绍了控制压力钻井所采用的几种设备与工

具, 包括旋转控制装置、带压密闭循环系统装备、动态环空压力控制系统 ( DAPC)装备、连续循环系统 ( CCS)装置、

当量循环密度降低工具 ( ECD RT )等。控制压力钻井有多种不同工艺,但对于某种特殊钻井环境, 具体哪一种工艺

更加合适还应专门进行研究后再选择配套合适的控制压力钻井设备。

关键词: 控制压力钻井; 旋转控制装置; 密闭循环系统; 环空压力; 连续循环系统; 当量密度

中图分类号: TE 249 文献标识码: A DO I: 10. 3969 / .j issn. 1006- 768X. 2010. 03. 013

大多数情况下, 欠平衡钻井中所用的设备可用

于控制压力钻井,但控制压力钻井所需的分离设备

处理能力较小,其他配套设备更为复杂,控制压力钻

井不需要欠平衡钻井中所采用的辅助流动管线、储

备罐及地质取样设备, 但控制压力钻井还需增加密

闭循环系统、动态环空压力控制系统、连续循环系

统、当量循环密度降低工具、举升泵等专用工具,以

精确控制井底压力。

一、旋转控制装置

旋转控制装置 ( RCH )可用于欠平衡钻井作业,

也是控制压力钻井的主要设备之一, 是带压密闭循

环系统和动态环空压力控制系统的关键配套装置。

低压旋转控制装置是气体钻井的最常见设计, 高压

旋转控制装置则是欠平衡钻井和控制压力钻井的最

常见设计。

国外 RCH技术发展较为成熟, 品种类型较多,

主要有美国 W illiam s公司的系列 RCH、Sea- Tech

公司的 RCH、V arco公司的 Sha ffer RCH及加拿大高

山公司的膨胀胶囊型 RCH。其中美国 W illiam s公

司的 7000型和 7100型 RCH使用了两个环形胶芯,

提高了密封的可靠性,属高压旋转控制头,用于井口

回压较高的欠平衡钻井。Varco公司的 Shaffer高压

型及 Sea- T ech公司与加拿大高山公司的旋转控制

头亦属高压旋转控制头; 而 W illiams公司普通型、

Varco公司的 Shaffer低压型则属低压旋转控制头,

主要用于井口回压较低的充气钻井和泡沫钻井等。

二、带压密闭循环系统装备

控制压力钻井最关键的系统是带压密闭循环系

统, 主要包括旋转控制头、高压节流管汇、钻柱止回

阀 (NRV )、取样设备、钻井液 /气体分离设备、储油

罐、钻井液泵和点火装置等 (如图 1和图 2所示 )。

系统中的关键设备是从旋转控制装置出来的流

动管线、节流管汇、取样系统、四相分离器、放喷管线

和燃烧塔、产出液储罐、钻井液储罐及钻井液泵, 其

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Vo.l 33 No. 3

钻 采 工 艺

DR ILL ING & PRODUCT ION TECHNOLOGY

Page 2: MPD钻井设备概述

中四项分离器又是其核心装置。四项分离器的工作

原理是,钻井液进入四项分离器的一级分离室,固相

颗粒在该室沉降,沉淀在分离器底部,通过螺旋泵泵

出或停钻后再处理, 分离出的气体通过气体流动阀

控制排气,油位通过油位控制器调节油流动阀进行

控制, 接着钻井液进入到二级分离室进行油液分层,

上层为油,下层为钻井液,油被排到储油罐, 钻井液

被排到三级分离室, 由水位控制器调节水流动阀控

制排泄,三级分离室中的所有气体均通过气体控制

阀排放。

实际作业过程中, 密闭循环系统可通过调节泥

浆泵排量和控制环空返出节流装置, 在不停钻,且几

乎不改变钻井液密度的情况下, 即可有效控制井眼

压力。接单根时,手动、半自动或全自动节流装置均

可向井口施加回压, 保证作业顺利完成。一般返出

的钻井液通过旋转控制头下面的出口经高架管线流

向振动筛,进行正常循环,当油气侵入严重并发生井

涌时,关闭高架管线出口端的控制闸门,使带有油气

的钻井液通过节流管汇流向密闭循环系统, 在密闭

循环系统的核心设备 四项分离器中进行分离处

理, 分离出的气体被输送到装有自动点火系统的点

火装置,分离出的原油被存储在井场的储油罐内,钻

井液经四相分离器分离处理后,泵入泥浆循环罐,进

行正常循环。

据报道,在美国, 从 1995年开始, 每四口井中就

有三口井会采用控制压力钻井工艺和带压密闭循环

系统至少钻一个井段。据统计, 目前有 75% 的美国

陆上钻机至少配备了一套带压密闭循环系统, 比

1995年增加了 10%。采用带压密闭循环系统不会

有欠平衡钻井作业中常常出现的地层流体向井流动

的现象。

三、动态环空压力控制系统装备

动态环空压力控制 ( DAPC )系统由壳牌勘探开

发公司研制,是井底压力恒定控制压力钻井技术的

一个主要设备,是控制压力钻井系统唯一一种自动

化装置,可通过施加一个可控环空井口压力来保持

一个恒定的井底压力, 根据压力波动对井底压力进

行实时控制,连续自动维持设计的井底压力值,扩大

孔隙压力 /破裂压力梯度窗口, 能解决成熟油气田采

用重泥浆钻井时所遇到的井漏和井壁失稳等作业难

点, 适于深水井、高温高压井、大位移井以及钻井环

境恶劣的井眼。该系统利用低比重钻井液, 同时根

据循环排量的变化调节井口回压, 按设计值维持井

底压力,过平衡和欠平衡均可。

DAPC系统是一种自动节流、泵送装置 (图 3为

某海上平台 DAPC初始流程图 ), 主要通过钻柱止回

阀、旋转控制装置、控制压力钻井专用节流管汇和自

动回压泵共同作用,形成井口回压,施加于环空。

控制压力钻井专用节流管汇包括一个高性能起

动钻井节流阀、上游节流阀、下游节流阀、止回阀和

高压管线接口 (图 4)。止回阀安装在节流管汇上,

其作用是防止井筒流体回流至回压泵。回压泵是一

种三缸泵,与节流管汇连接。如果系统检测到井筒

流量不足以维持所要求施加的回压时 (例如接单根

和起下钻过程中 ), 则会自动开启回压泵。

44钻 采 工 艺

DR ILLING & PRODUCT ION TECHNOLOGY

2010年 5月

May 2010

Page 3: MPD钻井设备概述

DAPC系统主要由控制系统 (图 5)、图形界面、

W ITS和 OPC数据传输系统组成, 其中控制系统用

于控制节流管汇、回压泵和水力程序,图形操作界面

用于监控作业过程和系统设置。W ITS数据传输系

统则是 DAPC系统与钻机连接的通道,通过该通道,

DAPC系统可接收钻头深度、钻柱转速、机械钻速、

泵排量、钻压等钻井参数和井下压力数据,将这些数

据输入水力程序和逻辑控制器进行综合分析计算,

计算得出的回压值和当量循环密度由控制系统输

出, 并通过 OPC服务器接口传输给第三方节流控制

装置。井底压力值由水力模型计算, 输入水力模型

的动态钻井参数每秒钟实时更新, 一些相对静态参

数如钻井液密度、井眼几何形态、定向数据和底部钻

具组合等预先输入水力模型。钻井液密度和黏度根

据实际井底压力读数更新, 目的是校正水力模型。

通常这些参数变化不大, 且模型计算井底压力和实

际井底压力值较为吻合, 压力能很好的维持在井底

压力窗口内。

DAPC系统整合了实时水力模型和控制系统,

当钻井泵关闭时, 或者其他压力控制系统对压力控

制不理想时,便可通过回压泵提供回压,将井底压力

维持在一定范围内,作业安全性、井控质量和储层完

善性都得到很大改善。

四、连续循环系统装置

连续循环系统 ( CCS )是一种新型设备, 是近年

来在顶驱、钻杆操作系统、BOP闸板密封和计算机

钻井控制系统基础上发展而来的, 可在不停止循环

钻井液的情况下进行接单根作业, 且能够保持一个

恒定的当量循环密度 ( ECD )。

CCS主要部件是一个井口连接装置 (见图 6 ),

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钻 采 工 艺

DR ILL ING & PRODUCT ION TECHNOLOGY

Page 4: MPD钻井设备概述

通过这种井口连接装置, 钻井液可以实现连续循环

(如图 7所示 )。井口连接装置实际上是一个安装

在转盘上的压力舱,允许钻柱通过,可在钻杆接头两

端形成密封,密封元件将连接装置分为上下两个压

力腔。接钻杆时,带循环压力的钻井液流入压力腔,

使钻柱内外压力达到平衡,然后进行卸扣,工具连接

公扣旋出,直至完全退出母扣, 母扣上方的密封元件

关闭, 从而将压力腔分为两个部分, 接着, 上压力腔

泄压, 卸下公扣, 同时,由于下压力腔的存在,其内壁

仍然保持循环, 并沿打开的母接头向下循环。新上

扣的钻杆或钻柱 (单根或立根 )是连接在顶驱装置

上的, 将被下入上压力腔,下压力腔是密封的, 同时

从循环系统中流出的带循环压力的钻井液将充满钻

杆,对上压力腔再次加压,当压力达到平衡后, 隔离

密封原件随即被打开,新钻杆接头下移,同时钻井液

通过顶驱装置流入钻杆内, 在保持钻井液在钻杆内

循环的同时,完成钻杆连接操作。当压力腔泄压后,

密封元件打开, 继续钻进作业。在井口带压循环条

件下, 上扣、卸扣以及钻杆下入和起出上压力腔的作

业,都是由动力钳和连接在压力腔顶部的不压井装

置共同控制并操作的。

CCS是利用现有防喷器部件作为其核心部件,

其主体机构是由 3个通径为 228. 6 mm的防喷器本

体构成 (图 8), 额定工作压力为 34. 45M Pa。上部

为半封闸板, 中间是全封闸板, 底部是反向半封闸

板。上 /卸扣动力钳 /管子旋扣装置和不压井下管工

具, 通过液压千斤顶连接在该部件顶部,操作钻杆的

液压卡瓦连接在底部。

CCS是一套安全可靠的装备, 适于钻高温高压

井以及孔隙压力和破裂压力梯度窗口较窄的复杂难

钻地层钻井,若钻遇储层受损、产量降低的油气层,

可配套采用密闭循环钻井工艺,保持连续循环,控制

密度出现过平衡。

五、当量循环密度降低工具

当量循环密度 (以下简称 ECD )降低工具是一

种控制并降低井底压力的井下工具, 目的是抑制降

低静水压头产生的环空摩阻所引起的井底压力的增

加, 即克服循环时摩擦压力的影响,主要是通过提供

一个环空向上增压来控制由于环空摩擦引起的井底

压力的增加幅度。

ECD降低工具主要包括三个基本部件:顶部是

一个钻柱内涡轮马达,动力由循环的钻井液提供,可

将液力转换为机械能;中间是一个多级管外混流泵,

结构为局部轴向, 局部离心, 由涡轮马达驱动, 将返

出流体沿环空向上抽;底部主要由轴承和密封元件

组成。ECD降低工具的下端有两个非旋转式封隔

器皮碗,在 ECD降低工具和套管之间形成密封, 这

样所有返出流体都会经泵向上流动。

ECD降低工具具有以下基本参数:

( 1)当流量为 2 080 L /m in时, 环空最大增压可

达到 3. 1M Pa。环空实际增压是流量的函数, 随着

流量的降低,增压也随之降低。

( 2)适于在 244 ~ 340 mm之间的套管内应用。

( 3)根据设计, ECD降低工具应安装在上部井

段, 因此在钻井过程中, 若需安装和维护,并不需要

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Page 5: MPD钻井设备概述

全程起下钻。通常是在首次钻头行程时, 将其安装

在井深约 305 m的钻柱内。

( 4) ECD降低工具设计有两个封隔器皮碗式密

封件, 可以密封套管内的泵体, 确保所有返出流体都

会通过泵。

( 5)马达外径为 172 mm,泵外径为 208 mm,整

个 ECD降低工具长度为 7. 62 m,配备有 NC50( 144

mmIF)接头。

( 6)可以处理钻井液中携带的钻屑。

( 7)泵底部设计有一套研磨机构, 能够将大块

的钻屑磨碎,防止泵被大块钻屑堵塞。流动回路试

验显示 8mm及更小尺寸的钻屑均可顺利通过泵。

( 8)起出涡轮马达内的导流器后, 钢丝绳即可

顺利通过 ECD降低工具。ECD降低工具通径为 46

mm。

( 9) ECD降低工具机械强度相当于 127mm,

29. 5 kg /m的 S- 135钻杆的机械强度。

采用 ECD降低工具是一种经济有效的方法,可

替代深水钻井所采用的双梯度钻井系统。大位移钻

井中若采用 ECD降低工具, 则可使用加重钻井液来

提高井壁稳定性,从而降低压裂地层或出现钻井液

漏失的风险, 此外, ECD降低工具还可用于衰竭油

气藏欠平衡钻井作业, 能够起到改善作业性能的作

用。若 ECD降低工具可以开发成一种低成本便携

式常规工具,其应用范围可能会更宽。

六、结论

控制压力钻井有多种不同工艺, 但对于某种特

殊钻井环境,具体哪一种工艺更加合适,应专门进行

研究,再选择配套合适的控制压力钻井设备。

参考文献

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today s' m anaged pressure and underba lanced drilling ope r

ations[ J]. SPE / IADC 91583, 2004.

(编辑:黄晓川 )

!钻采工艺∀杂志封面照片征稿启事

!钻采工艺∀杂志, 国内外公开发行,主要报道国内外最新石油天然气钻井和固井工艺技术、油气田开发与开

采技术、油气田钻井和开采机械装备技术、油气田化学工艺技术的研究与应用成果和油气生产、科研、科技工作的

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Vo.l 33 No. 3

钻 采 工 艺

DR ILL ING & PRODUCT ION TECHNOLOGY

Page 6: MPD钻井设备概述

Vo .l 33 No. 3 M ay 2010 DR ILL ING & PRODUCTION TECHNOLOGY ABSTRACT

Add: N o. 2 D rilling Production and T echnica l Serv ices Co. ofD aq ing Dr illing Eng ineering Co. , 2407 Song jiang Stree,t SongyuanCity 138000, Jilin P rovince, P. R. Ch ina

M obile: + 86- 15943806232 E- mail: zqx- jll@j 163. com

ANALYSI S OF TUBI NG HERMETI C SEALI NG I NH IGH PRESSURE GASWELL OF TARIM OI LFIELD

HE Y inda, Q IN D eyou, L ING Tao, L I Xu, Y I Fe i and HEJianfeng( T armi O ilfield N atural G as Department) , DPT 33 ( 3),2010: 36- 39

Abstrac t: TheK ela 2 gas field and D ina condensate fie ld of Tarmi O ilfield be long to surpressure gas reservo irs, the ir v irg in pressurecoeffic ient is over 2. 0MPa /100m. Som ewe lls appear casing pressureuprising during com pletion and blow of,f few w ells appear abno rmalintermed casing pressure and surface casing pressure. A ccording tothese problem s, som e processing schem esw ere put forward, and theconceptual design, drilling techno logy, completion technology, producing history and production m anagem ent were analyzed in deta i.lM eanwhile, the drilling risk assessment w as carried out and the emergency pro ject was established. N ow, these wells have producednorm ally.

Key words: T armi O ilfield, high pressure gas w el,l tub ing,herm etic sea ling

HE Yinda(master, eng ineer ), born in 1969, g raduated fromY ang tzeUn iversity in 2007, is engaged in the m anagement o f gasproduction technology and downho le operation.

Add: T armi O ilfield N atural Gas Departm en,t Kuerle C ity841000, X injiang, P. R. China

WORKING PRINCIPLE AND FIELD APPLICATION OF311MM AUTOMATIC VERTICAL DRILLING SYSTEM

A I Caiyun1, MU Zongjie

1, SONG Zhaohui

1, XU M in juan

2and

HU Guoqiang1( 1. CNPC X ibu D rilling Eng ineer ing Corporation

D rilling T echno logy R esearch Institute; 2. X injiang O ilfie ld Communica tion Co. ), DPT 33( 3), 2010: 40- 42

Abstrac t: 311mm Autom atic V ertica l Dr illing System ( 311AVDS) is a new type downhole inTelligent drilling system, wh ichcanm ake awe llbore autom atical uprightness. There r'e some advantages in 311 AVDS, such as pow er generation, downho le c losed loopcontro,l data transm ission in rea l tmi e and its ana lysis, etc. The 311AVDS canm ake the bitw eight liberated and ra te of penetration boosted greatly. A nd the 311AVDS has been applied successfully in X injiang O ilfield. The application results showed that 311 AVDS systemcould meet the design requ irement of c losed loop contro,l had goodapplica tion prospects.

Key words: vertical dr illing, downho le c losed loop contro,lautomatic straightening, integration ofm echan ica,l e lectrica l and liquid

A I Caiyun(p rofessorial senior engineer ), born in 1958, g radua ted from Southwest Petroleum Institute in 1982, is engaged in theresearch and m anagement o f research pro jec.t

Add: Dr illing T echno logy R esearch Institute, 80 H ongyanR oad, Songjiang Stree,t Karam ay C ity 834000, X injiang, P. R.China

Tel: + 86- 990- 6883611 E- mail: muz@j cnpc. com. cn

SUMMARI ZATI ON OF MANAGED PRESSUREDR ILL ING EQUIPMENT

ZHU L ihua, X IANG Xuelin, DENG Yuhan and CAO H ua( CCDC D r illing& Production TechnologyR esearch Institute) , DPT33( 3), 2010: 43- 47

Abstrac t: : M anaged pressure dr illing techno logy has severalvariations, including constant bottomho le pressure ( CBHP ) MPD,pressur ized mud cap dr illing ( PMCD ), and dual gradient drilling( DGD ) et a.l Spec ialized tools and dev ices shall be used for eachvariation. This paperma inly presented different equipm ents and toolsforMPD application, including ro ta ting contro l device, c losed pressurized circu lating system, dynam ic annular pressure control( DAPC) system, continuous c irculating system ( CCS) and ECD reduction too l etc.

Key words: managed pressure drilling, ro tating contro ldev ice,closed pressur ized circulating system, dynam ic annu lar pressure,continuous circu lating system, ECD reduction tool

ZHU L ihua( engineer ), bo rn in 1969, graduated from X i n P etroleum University in 1991, is engaged in sc ience and techno logy informa tion investigation and research.

Add: CCDC D rilling and Produc tion TechnologyR esearch Institute, Guanghan C ity 618300, S ichuan Prov ince, P. R. China

Tel: + 86- 838- 5151343

STUDY ON THE GAS CI RCULATI ON DRI LLI NGSYSTEM

LI Jun1, L IU Gonghui

1, 2andHAN L iex iang

3( 1. Institute ofP e

troleum Eng ineering, China Petroleum University ( Beijing); 2. Be ijing Union U niversity; 3. CCDC D r illing and Production T echno logyResearch Institute), DPT 33( 3), 2010: 48- 50

Abstract: : It is very popular in China that dur ing the gas or nitrogen dr illing operation, the gas com e out of the we ll can on ly bedischarged directly. Because the expensive gas can not be recycled,the corresponding drilling cost is very high. To solve th is problem,the idea o f gas c irculation drilling system was put forw ard for the firsttmi e, which fills up domestic and overseas blank in dr illing industry.The technical proposal and techno logica l process have been studiedin deta i.l The pre lmi inary field test has shown that the new technology is feasib le and the whole system is stable. The prospect of app lication and extension of the new system is g rea.t It is beneficial to reduce the operation cost and mi prove the popularization of the gasdr illing techno logy.

Key word s: gas dr illing, circula tion, nitrogen, natural gasL I Jun( PH. D, associate p rofessor), born in 1971, is engaged

in research on underbalanced dr illing and manage pressure drillingtechnology.

Add: Institute o f Petro leum Eng ineering, China Petroleum University( Beijing), ChangpingD istrict 102249, Be ijing, P. R. China

Tel: + 86- 10- 89731225E- mail: L ijun446@ v ip. 163. com

DESIGN OF COHESIVE SYSTEM BETWEENELECTRIC SUBMERSI BLE PUMP AND CONTI NUOUSGAS LI FT IN H IGH PRODUCTIV ITY WELL

L IU Yonghui1, YU Yanbing

2, ZHANG Y i

2, CHENW ei

3, SU

Jianhong4, ZHOU Chongwen

4and GAO Sheng

4( 1. Petro leum Eng i

neering Institute, Southw est P etro leum University; 2. CNOOCShanghai Branch; 3. TuhaO ilfieldD r illing and Production Technology R esearch Institute; 4. G radua te Schoo l o f Southwest Petro leum University), DPT 33( 3), 2010: 51- 53

Abstract: The pump detection period of E lectr ic Subm ersiblePump ( ESP) is short and the frequency is high, which wou ld have aserious effect on o ilfield output for only a few high productiv ity we llsin one oilfie ld. The combined artific ia l lift proposed byH ubert w aspresented. T he ESP and gas lift valves w ere installed in one tubingstring. In genera l case, ESP works and the gas lift is a reserve artificial lif.t W hen ESP is checking, the gas lift begins to work. So theproduction tmi e e fficiency is increased. A ccordion to the relationshipbetween the in jection point of gas lift and setting depth of ESP, tw odownhole strings were presented. If setting depth o f ESP is deeperthan the injection po in,t a new Y - type downho le str ing is given.Conversely, the conventional downho le string is used. Based on inflow performance relationship of o il- gas- water three phases, andrespective ly predicting pressure profile and temperature profile inESP well and gas liftwe l,l the techno log ical design ofESPw as g ivenby use of the node analysis method, and Camco orW inklerm ethodwere used to design gas lift va lve spac ing. The field case ana lysisshowed that ESP and gas lift could use one tubing string. T his studyresults have the mi portant reference to solve the smi ilar problem inoffshore o ilfield which has ESP w ell and h igh pressure gas w el.l

Key word s: electric subm ersible pump, gas lif,t cohesive liftsystem, design

L IU Yonghui( associate professor ), born in 1977, obtaineddoctors' deg ree of o il/gas field development in Southwest PetroleumUniversity in 2005, is engaged in the research on o il recovery andgas production engineer ing.

Add: Petroleum Eng ineer ing Institute of Southwest PetroleumUniversity, X indu D istric,t Chengdu City 610500, Sichuan P rovince, P. R. China

E- mail: swp ilyh@ 126. com