实现窄密度窗口安全钻井的控压钻井系统工程

作者:姜智博1,2,3 周英操2,3 王倩1,2,3 蒋宏伟2,3 来源:1.中国石油勘探开发研究院研究生部;2.中国石油集团钻井工程技术研究院;3.油气钻井技术国家工程实验室 点击:  评论: 更新日期:2016年10月06日
摘要:控压钻井是目前世界上最先进的钻井技术之一,能够对井底压力进行实时精确的控制、解决现场遇到的井下复杂钻井问题;理论研究与应用实践均表明,它可以有效解决国内外普遍遇到的窄密度窗口安全钻井难题。为了更好的掌握和运用该技术,从宏观角度将控压钻井看作为一项较复杂的系统工程,既要保证系统内任一组成部分能够正常运转,又要提高系统内各部分之间的协调能力,从而发挥其最大效率。为此,提出了控压钻井系统工程(MPDSE)的概念——控压钻井系统工程就是将系统工程理论应用到控压钻井技术中的一种研究方法,其主要内容是研究系统内部各组成部分的精确设计,系统分析各组成部分之间的相互关系和内部地位,优化处理各组成部分之间的相互制约性,实现系统的最优化;进而运用综合集成法分析了控压钻井系统的研究步骤;最后还对控压钻井系统的基本框架进行了初步设计。结论认为:应以系统工程的方法对控压钻井技术进行研究,并且框架内的任一部分都关乎整个系统能否成功应用。
关键词:控压钻井技术;系统工程;综合集成法;基本框架;井底压力;实时精确控制;窄密度窗口;安全钻井
    广义上的控压钻井技术应用范围包括过平衡、近平衡、欠平衡以及精细控压钻井,传统意义的过平衡钻井以及近些年基本成熟的欠平衡钻井对井底压力的控制精度较低,具有很大的不确定性和局限性[1],常规钻井过程中极易出现井涌、漏失、压差卡钻、地层孔隙压力与破裂梯度间压力窗口狭窄造成“涌-漏同层”等井下复杂问题。据有关文献报道,通过常规钻井方法,不能开发的油气资源占70%左右[2]。控压钻井系统具有使用较短时间、较低费用而能够大大提高井控能力的优势,它可以有效解决这些复杂的钻井问题,减少下入套管层数,降低钻井成本,提高钻井效益。事实证明,控制压力钻井(MPD)系统在陆地钻井和海上钻井中,均获得了良好的经济效益[3]。还有人提出,MPD技术很可能是未来天然气水合物钻井中唯一可行的技术[4~5]。目前,美国陆地钻机配备有控压钻井系统部分设备的比例已从1996年的15%剧增至目前的75%,目前已经有1/4陆地钻井项目在应用MPD技术[6]。精细控压钻井技术的发展趋势表明,MPD技术的推广是一个必然的趋势。
    目前控压钻井技术有10多种基本类型,加之多种相关配套技术、庞大的设备体系和计算机水力参数模拟系统,而且,现场施工中复杂的作业流程与施工要求、应急处理程序以及健康、安全等都应该成为控压钻井系统的一部分。一方面,如果技术设计过于复杂或者相关要求过于苛刻,则可能因为满足不了现场的实际情况而使得技术设计与施工无法实现;另一方面。如果现场控压钻井的作业程序、施工要求以及应急程序没有做到精确设计和灵活应用,那么任何一个小的疏忽也都可能造成复杂甚至严重的钻井事故,反过来会严重阻碍MPD技术的研究发展和推广应用。因此,笔者认为,应当将MPD技术看作为一项较复杂系统工程来加以研究和应用。
控压钻井系统工程
    系统工程是实现系统最优化的科学,是一门综合学科,它是研究一个复杂系统的局部与整体关系的科学,其理论的核心体系是模拟、最优化及评价系统[7]
    MPD技术也是一项由多环节组成的投资较大且较复杂的系统工程。根据系统工程的观点,系统内部各个环节具有相互约束性,并非每个环节都追求最优化,而是舍小取大,在各种约束条件下追求整个系统的最优化。然而系统追求的目标有时是相互矛盾的,而且受到各种条件的约束,系统工程就是研究如何在这些相互矛盾的因素中实现对立统一的科学。
    控压钻井系统工程就是将系统工程理论应用到控压钻井技术中的一种研究方法。其主要内容是研究系统内部各组成部分的精确设计,系统分析各组成部分之间的相互关系和内部地位,优化处理各组成部分之间的相互制约性,目的就是实现MPD系统的最优化,从而应用于钻井作业中解决实际问题。
控压钻井系统的研究步骤
   前人在研究解决复杂系统问题时,提出了从定性到定量的综合集成法,简称综合集成(meta-synthesis)。综合集成的实质是将专家群体、统计数据和信息资料、计算机技术有机结合起来,构成一个以人为主的高度智能化、自动化的人一机交互系统,发挥这个系统的整体优势,去解决复杂的决策问题[8]
   综台集成的主要特点是:①定性研究与定量研究有机结合;②科学理论与经验知识相结合;③应用系统思想把多种学科结合起来进行综合研究;④根据系统的层次结构,把宏观研究与微观研究统一起来;⑤具有大型计算机支持系统以及管理信息系统、决策支持系统等功能[8]
   对于控压钻井系统,无论是对每项技术还是对整个系统的研究,都应当遵循从定性到定量的综合集成方法,下面运用综合集成法对控压钻井系统的研究步骤进行分析(图1)。
 
   1) 明确控压钻井系统的框架,收集每一组成部分的相关资料,调用有关方面的统计数据,作为开展研究工作的基础性准备。
    2) 邀请相关方面的专家对控压钻井系统的状态、特性、运行机制等进行分析研究,对技术研究的突破口,研究方向以及解决问题的可能途径做出定性判断和经验性假设,初步确定系统模型。
    3) 以经验性假设为前提,运用基础理论知识,对控压钻井系统的每一组成部分和整个系统的结构、功能、行为、特性等以及各组成部分的相互关系建立数学模型。
    4) 依据初步建立的数学模型对控压钻井系统进行仿真模拟试验,通过试验获得关于系统特性和行为走向的定量数据资料。
    5) 组织专家对试验结果进行分析评价,检验系统模型的有效性,对系统模型进行修改,调整有关参数,再进行模拟试验;根据新一轮试验结果再进行分析评价、检验、修改、模拟,如此反复,直到符合实际系统的应用理论。
    6) 在不同地区、不同井况对控压钻井系统进行现场试验,根据现场试验遇到的实际问题对系统模型进行再评价、检验、修改、模拟、现场试验,如此反复,直到控压钻井系统可以在现场成熟应用。
    7) 推广应用控压钻井系统。
控压钻井系统基本框架设计
    MPD系统较为复杂,无法将所有涉及内容一一列举,在此只对其基本框架进行了初步设计(图2)。
    控压钻井系统包括:①控压钻井技术;②控压钻井设备;③控压钻井水力参数模拟;④控压钻井作业流程;⑤控压钻井施工要求;⑥控压钻井岗位责任;⑦现场临时改动程序;⑧控压钻井应急程序;⑨HSE管理。以下分述之。

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