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【井控】井控升級為海洋油氣開發穿上“金鐘罩”

【井控】井控升級為海洋油氣開發穿上“金鐘罩”

在如今充滿挑戰的工作環境下,行業應對井筒溢流的響應措施還是幾十年前的老方法,這顯得越來越不能滿足生產需求,而且這些方法在大多數應用中已經根深蒂固。

來自 | E&P
編譯 | 白小明 影子

經驗表明,采用浮動鉆井平臺在深水及不可預知的壓力體系中進行鉆井時,其遇到的井控問題已遠超傳統井控理論。傳統概念采用一系列冗長名詞(如大型井涌、卡鉆和立管氣)來定義風險,以及這些風險對安全生產、非生產時間和項目成本的影響。

在井口施加背壓的控壓鉆井(ASBPMPD),可用于強化常規深水井井控措施,解決了上述限制。這種方法采用一種封閉的循環系統,能夠動態并快速地控制井筒壓力,其使用可以說是重新定義了初級井控保障措施。這種方法的實施有利地解決了許多傳統的井控限制,具備許多新功能,例如快速井涌檢測和響應,能夠安全地將溢流循環出井筒和立管。

敞開&封閉系統案例

在常規的井控中,一旦鉆井人員確認發現溢流,水下防噴器(SSBOP)會被立刻關閉。這是已在標準鉆井作業中經過驗證了的應對措施,但是當面對深水環境時,其執行速度滿、作業不精確以及機械限制等缺陷,則徹底失去了“遮羞布”。

采用常規井控方法的流程,往往會造成時間效率低下,并導致井底壓力明顯降低,進而造成井底壓力進一步欠平衡,增加溢流量。

靜態溢流檢查則需要花費大量時間,并且相關風險將有所增加。另外,靜態溢流檢查只是確保井筒安全的前期工作,最終需要通過關閉SSBOP阻止溢流。SSBOP關閉后,會出現其他問題。隨著巖屑的沉降,可能造成卡鉆事件,進而耗費大量資金和時間,而且通過小內徑(ID)節流管線循環相當于給井筒打背壓,導致井漏。此外,如果溢流量大到超過井涌余量值,關閉SSBOP將無法阻止溢流。在這種情況下,暴露的脆弱地層會發生破裂,使油氣持續將鉆井液頂替出井筒。在已關閉的SSBOP上方,隨著油基或合成基泥漿體系中的油氣溢流從溶液中析出,形成的立管氣也是一種井控威脅(圖1)。

【井控】井控升級為海洋油氣開發穿上“金鐘罩”

圖1.常規井控措施可能會導致BHP明顯下降,并且在井筒安全前增加溢流量。

立管氣僅僅是深水作業過程中的一種井控威脅,隨著水深的增加,立管的長度和靜水壓力都會增加。在這種情況下,如果井筒中含有油基或合成基泥漿,在被循環出井前,來自地層深度處的油氣溢流不會從溶液中溢出,它們位于SSBOP之上而且無法被檢測到。最差的結果是,立管卸載后,在幾乎沒有任何預兆的情況下,泥漿和氣體經鉆臺轉盤噴出。如果情況不嚴重,分流封隔器會及時關閉,將泥漿導出至平臺外,但這還是有可能會造成環境事件。

MPD系統

ASBP-MPD設備和工藝通過快速、精確控制井筒壓力,強化了初級井控措施,解決了傳統井控限制,這主要通過整合各種系統實現,包括鉆井節流管匯、流入流出量測量裝置、連續密封的井筒和立管,以及鉆機系統(圖2)。

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圖2. ASBP-MPD系統屬于初級井控的一部分,目前定義為反映采用封閉系統動態控制壓力的能力。

在這套封閉系統中,水下MPD立管密封系統或MPD立管環形防噴器通過一個水下流動短節和泥漿回流軟管將流體導向頂部MPD設備。平臺上的分配管匯則將立管流體導向MPD管匯,后者由鉆井節流管匯和科氏流量計組成?;亓鞯哪酀{通過專用的MPD泥漿氣體分離器或鉆機的泥漿氣體分離器處理,最終被輸送到振動篩。安裝在鉆機泵上游的科氏流量計測量進入井筒流體的排量和密度。

MPD立管密封系統的一種形式是主動控制裝置,其在鉆桿與井眼間形成密封以建立一個封閉系統,并將立管流體引向地面MPD管匯。封閉系統可以動態調節井筒壓力,精確測量流體排量,更安全地進行泥漿和氣體分離。

AFGlobal的主動控制設備沒有旋轉部件,它可以對雙球形BOP封隔器充能以關閉雙密封元件總成,形成井筒密封。當密封元件磨損時,環形封隔器上的液壓關閉壓力會主動調節以保證井眼密封的完整性。主動控制設備還能夠根據工況對密封元件進行監測。

在常規更換磨損的密封元件總成時,需采用MPD立管環形防噴器控制井筒壓力。關閉環形防噴器可繼續將流體導向頂部MPD設備。安裝在MPD環形防噴器和MPD密封系統下方的流動短節為回流的鉆井液提供了冗余的流動通路。分配管匯將回流液體引導至MPD管匯。它還提供過壓保護,可實現泥漿帽鉆井技術,并為乙二醇/甲醇注入提供配套接頭。

MPD管匯能夠控制壓力并測量井內的流量。借助算法和水力建模軟件,可采用節流管匯保持恒定的井筒壓力。安裝在每個泥漿泵上游的科氏流量計可以準確監測井內的流量和密度。這些數據用于快速確定出口流量或密度的變化是由鉆機作業活動還是井涌引起的。

較小的氣侵可以使用專用的MPD泥漿氣體分離器或鉆機的井控分離器處理。必須進行FEED研究,以在設備極限范圍內評估和規劃MPD作業。返出的鉆井液流經MPD立管流動短節和頂部分配管匯之間的大排量軟管。軟管內徑較大可以滿足多相液流,目的是減少摩擦壓力損失。

深水優勢

ASBP-MPD系統主要的深水優勢是能夠準確、及時地探測到井涌,并作出快速的溢流響應,從而盡可能控制溢流量,且可以實現在不關閉SSBOP的情況下循環出溢流。

溢流被控制后可采用初級井控措施將其安全循環出井,而不必過早地采用二級井控措施。因此,通過大排量循環并旋轉和上下活動鉆柱,將溢流循環出井,避免了過多的節流管線摩擦損失,降低了卡鉆風險,同時通過減少SSBOP不必要的使用,減小了其磨損量。

此外,井涌檢測和響應非??焖俣鴾蚀_。檢測到的溢流量精確到加侖,而不是桶,而且可信度足夠高無需進行靜態溢流檢查。一旦檢測到溢流,相比于耗時的常規井控措施,可立即在井口施加背壓。立管已經密封,可以防止出現立管突然卸載事件。

通過精確測量封閉系統的流入量和流出量,可以實現快速精確檢測井涌??剖狭髁坑嫷氖褂靡约蔼毩y得的流出量數據(不受船舶升沉影響),有助于減小井涌量和對靜態溢流檢查的依賴。獨立流出量數據通過定位立管伸縮短節下方的MPD立管密封獲得。安裝在鉆井泵上游和下游的流量計可以直接測量流體排量和密度,從而實現質量平衡控制。

對于MPD密封系統不工作的井眼部分,則可使用立管環形防噴器強化井控管理。

井涌檢測采用常規方法,立管環形防噴器被關閉后,通過頂部的MPD設備來控制溢流并將其循環出井,而不必采用二級井控措施。這樣有利于減小過多的節流管線摩擦損失,降低卡鉆風險,并且可直接處理立管內的小規模氣侵,無需將其導出船外。當然,防止立管突然大規模卸載事件的最安全方法還是在鉆井過程中使用MPD立管密封系統,以提供連續的密封。

應該注意的是,任何使用MPD系統對溢流的管理都必須在設備的設計和操作極限范圍內實現。這些極限參數應當根據每個尺寸的井眼所遇到的最糟糕工況進行升級更新。如果在某些情況下作業參數超過了設備的極限參數,與以往一樣,操作人員需要利用二級井控措施進行相應的處理,同時還需制定一份高度結構化的溝通方案,以確保作業在初級、二級井控間的平滑過渡。

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