1、欠平衡鉆井設(shè)備配套技術(shù)的研究謝新設(shè) 秦疆 張寶彥 程俊萍 程揚利 賈忠紅摘 要：欠平衡鉆井技術(shù)在油氣層勘探和開發(fā)方面正發(fā)揮著越來越重要的作用，因此，它的的應(yīng)用和發(fā)展越來越受到人們的重視，欠平衡鉆井設(shè)備配套技術(shù)也相應(yīng)地得到迅猛發(fā)展。在保護(hù)儲層、防止井漏、雛持井壁穩(wěn)定、快速進(jìn)足等方面均不同程度地取得了優(yōu)良效果。在欠平衡鉆井作業(yè)中，設(shè)備是基礎(chǔ)。優(yōu)良、配套的設(shè)備裝置是鉆井作業(yè)順利進(jìn)行的保證。作者結(jié)合欠平衡鉆井現(xiàn)場作業(yè)情況，較為系統(tǒng)地介紹了全套空氣欠平衡鉆井設(shè)備、裝置的性能廈作用，并對欠平衡鉆井鉆井設(shè)備配套技術(shù)提出了認(rèn)識。主題詞： 欠平衡鉆井 旋轉(zhuǎn)防噴器 液氣分離器 浮力撇油罐 節(jié)流管匯 一、欠平衡鉆井

2、技術(shù)的作用及其優(yōu)點1、采用欠平衡鉆井這種技術(shù)，在鉆進(jìn)過程中允許地層流體進(jìn)入井內(nèi)，循環(huán)出井，并在地面得到控制。欠平衡鉆井有利于發(fā)現(xiàn)低壓儲層，避免對儲層的損害，并且能夠提高機械鉆速，降低鉆井費用，還可減少儲層增產(chǎn)作業(yè)等。據(jù)美國調(diào)查結(jié)果表明，油公司對欠平衡鉆井能夠有效地減輕或避免儲層傷害最感興趣，而技術(shù)服務(wù)公司則更關(guān)注欠平衡鉆井的高效率。2、欠平衡鉆井技術(shù)除了具有已認(rèn)識到的優(yōu)越性-提高鉆井效率、降低鉆井完井成本和提前產(chǎn)油氣外，最近幾年又認(rèn)識到它具有以下兩點主要優(yōu)越性：1）減輕地層傷害，提高產(chǎn)能。在進(jìn)行欠平衡鉆井作業(yè)時，井眼壓力低于儲層壓力,有效地減輕或避免了地層傷害,明顯地提高了井產(chǎn)能。在開發(fā)衰竭、

3、低壓等油藏以及采用水平井技術(shù)開發(fā)油田時，這一優(yōu)勢表現(xiàn)得最為突出。在水平井中，由于產(chǎn)層與鉆井液和完井液接觸面積大、時間長，地層傷害的可能性高，傷害程度也嚴(yán)重得多，從而降低了水平井產(chǎn)能，縮短了油田的經(jīng)濟(jì)壽命，使水平井的優(yōu)勢不能充分體現(xiàn)。如果合理運用欠平衡鉆井技術(shù)，則可以克服這類問題，甚至可以避免難度大、成本高的增產(chǎn)作業(yè)。 2）及時發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常情況和識別產(chǎn)層。在進(jìn)行欠平衡鉆井作業(yè)過程中，適時采集和解釋數(shù)據(jù)有助于發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常情況，避免復(fù)雜情況的發(fā)生；另外，通過監(jiān)測產(chǎn)出流體，可以及早發(fā)現(xiàn)油氣顯示，適時評價油藏，有助于油公司更準(zhǔn)確地描述油藏，優(yōu)化開發(fā)方案，提高開發(fā)效率。1995年，美國莫勒工程公司（Mau

4、rer Engineering Inc.）進(jìn)行了一項普查，普查對象主要是一些對先進(jìn)鉆井技術(shù)感興趣的公司。普查的一項內(nèi)容是要求油公司及服務(wù)公司就欠平衡鉆井技術(shù)優(yōu)點的重要性進(jìn)行排序,結(jié)果表明,油公司對這項技術(shù)能有效減輕或避免地層傷害最感興趣。而服務(wù)公司更關(guān)注早已認(rèn)識到的優(yōu)越性即提高鉆井效率。 3)欠平衡鉆井可定義為，鉆井作業(yè)時，將地層流體從有壓力的油藏流到地面上來；與此同時，鉆頭上的流體靜壓頭小于遇到的地層孔隙壓力。這項新技術(shù)可使所用鉆井時間最少，且事故隱患更少。欠平衡鉆井能夠增加含油儲層的產(chǎn)值，產(chǎn)油量至少比普通過平衡鉆井增加3倍，這項技術(shù)主要用于有井漏問題的油層、對液流敏感的油層、壓力衰減的采油

5、層、滲透率低且有腐蝕性的硬地層以及地?zé)峋Ｇ菲胶忏@井還可用于防止或補償由于機械堵塞或頁巖水化作用造成的井底滲透造破壞的井況，還能協(xié)助在硬巖層進(jìn)行鉆井，減少差壓卡鉆?？偨Y(jié)欠平衡鉆井技術(shù)的最大優(yōu)點是：a.減少鉆井事故（如井漏、轉(zhuǎn)矩及阻力過大、差壓卡鉆等）。b.很少造成鉆井液流侵入地層的損害。c.增加鉆速，能使鉆速增加1倍，而鉆井時間減少一大半，延長鉆頭壽命。d.邊鉆邊發(fā)現(xiàn)油氣顯示，還可邊試井、邊產(chǎn)油。e.經(jīng)濟(jì)效益和油藏開采壽命同期增加。二、欠平衡鉆井設(shè)備配套的現(xiàn)狀1、旋轉(zhuǎn)防噴器。目前國內(nèi)引進(jìn)的大多是Williams7100型旋轉(zhuǎn)防噴器，現(xiàn)場使用情況良好，得到油田用戶認(rèn)可，而且其結(jié)構(gòu)比較簡單，制造難

6、度較低。其關(guān)鍵技術(shù)是可控壓差旋轉(zhuǎn)動密封（美國廠商保密技術(shù)）。另外，Williams公司還生產(chǎn)7000型、IP-1000型、8000型、9000型、9200型等旋轉(zhuǎn)防噴器，其結(jié)構(gòu)和工作原理與7100型相同。其中7100型包括旋轉(zhuǎn)控制頭總成、冷卻潤滑裝置、遙控臺和遙控防爆電源設(shè)備。旋轉(zhuǎn)控制頭總成的額定靜壓力為35Mpa,額定動壓為17.5MPa。最近兩年，大慶、遼河、青海、勝利和中原等油田先后都引進(jìn)了美國Shaffer PCWD型旋轉(zhuǎn)防噴器，其優(yōu)點是： 1）具有一機二用即常規(guī)萬能防噴器與旋轉(zhuǎn)控制頭合二為一的功能。無論是常規(guī)還是欠平衡鉆井作業(yè)，可一次安裝完成，不占用額外的安裝調(diào)試時間，總高度的降低適

7、用于各型底座鉆機，解決了低底座鉆機不能按API規(guī)范鉆井的問題。 2）PCWD為主動式密封，具有膠芯磨損自動補償、自動控制膠芯包緊鉆桿及過接頭時的松緊度功能，從而保持了良好的密封并延長了膠芯的使用壽命。 3）11"通徑可使各種鉆頭和工具通過，起下鉆方便快捷。 4）PCWD可與頂驅(qū)鉆機或轉(zhuǎn)盤配合使用。 5）密封膠芯可封零還可封住任何形狀的截面的鉆柱，不需另購六方方鉆桿及補芯就可工作。 6）PCWD對鉆具的偏心度要求達(dá)25mm，適應(yīng)性強。 7）旋轉(zhuǎn)防噴器的上部可以連接溢流管。 Shaffer 11"PCWD 型旋轉(zhuǎn)防噴器技術(shù)參數(shù)： a.每分鐘200轉(zhuǎn)時的動態(tài)工作壓力為2000PS

8、I。 b.每分鐘100轉(zhuǎn)時的動態(tài)工作壓力為3000PSI。 c.不旋轉(zhuǎn)通過鉆桿時的工作壓力為3500PSI。 d.靜態(tài)工作壓力為5000PSI。 e.2500PSI封零。 f.通徑11" g.底部連接:13-5/8" 5000PSI法蘭. h.頂部連接:11" 5000PSI載絲. i.1-13/16"10000PSI載絲連接井眼壓力傳感器的旁通. j.預(yù)裝11" 5000PSI工作壓力的密封膠芯.2、地面分離系統(tǒng)近幾年來，地面分離系統(tǒng)得到增強，包括壓力額定值為35MPa的地面分離裝置、自動節(jié)流系統(tǒng)及各種分離器，這些設(shè)備可處理大量液體、巖屑和鉆

9、井液。此外，有一種密封循環(huán)分離器，每天可處理566336立方米的液流;還有一種高效小型的分離器,適用于近海地區(qū).如委內(nèi)瑞拉湖有口近岸井,為了降低化學(xué)劑成本,首次使用密封循環(huán)地面分離系統(tǒng),還使用配有全套連續(xù)油管的駁船和2000桶容積的泡沫裝置。經(jīng)營商將泡沫循環(huán)液密度降低到179.74-359.48Kg/m3,在分離后，泡沫可再循環(huán)使用，因此降低配制化學(xué)劑和水的成本。 目前國內(nèi)欠平衡鉆井配套使用的液氣分離器多數(shù)是美國Brandt公司生產(chǎn)的，其處理鉆井液量為1500GPM，10"鉆井液出口法蘭，4-1/16"鉆井液進(jìn)口法蘭，在125psi壓力下，83mmscf/天，液體59000

10、桶/天。 對原油與鉆井液的分離,在欠平衡鉆井中目前大都采用撇油罐進(jìn)行撇油分離。結(jié)構(gòu)形式有多種，撇油效果都不十分理想。3、節(jié)流管匯及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 在欠平衡鉆井中使用的節(jié)流管匯與普通節(jié)流管匯有很大區(qū)別，主要有：1）節(jié)流閥的通徑大，一般大于4"。2）可自動調(diào)節(jié)套壓。3）具有壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用液壓伺服系統(tǒng)對壓井節(jié)流管匯中的液動節(jié)流閥進(jìn)行控制，實現(xiàn)壓井節(jié)流操作的自動化。計算機除完成系統(tǒng)控制，對立壓、套壓、閥開度的實時采集，對瀉流立壓（套壓）的控制外，還可完成對循環(huán)系統(tǒng)的工況監(jiān)控，實現(xiàn)部分報警等功能。其系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)原理見圖1。 Weatherford公司使用享有專利權(quán)的地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可在鉆

11、井作業(yè)時，通過與現(xiàn)有鉆井控制與監(jiān)測系統(tǒng)接口，提供實時信息，還可與動態(tài)多相流量模型接口，允許將實際參數(shù)與計算參數(shù)加以比較。所得基本數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確預(yù)測出井底情況、流量模擬數(shù)據(jù)與緊急關(guān)閉系統(tǒng)接口情況以及與現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)接口情況，測量實時井底壓力、分離系統(tǒng)參數(shù)和油氣注射速度。欠平衡鉆井時，要測量并記錄壓力、速度、氣含量、液含量和溫度等，并實時顯示這些數(shù)據(jù)，可避免出現(xiàn)過平衡和井噴現(xiàn)象。4、模擬軟件美國Weatherford公司和Sigma公司等已研制成模擬軟件，可幫助用戶對欠平衡鉆井作業(yè)進(jìn)行液壓設(shè)計和分析，確定使用哪種液體，用多少循環(huán)液才能清洗全井筒，以免井內(nèi)巖屑積累過多，出現(xiàn)井下嚴(yán)重故障。（“石油機械”20

12、01年第2期，胡辛禾著“國外欠平衡鉆井技術(shù)與裝備現(xiàn)狀”） 5、測量技術(shù) 采用可壓縮性鉆井液進(jìn)行欠平衡鉆井時常規(guī)測量技術(shù)不適用。電磁波隨鉆測量儀的信號傳輸是通過地層而不是鉆井液，因而可用于欠平衡鉆井的測量作業(yè)；不過在遇到高電阻率地層時，其信號傳輸會中斷。此外，還可采用電纜傳輸信號的測量方法；但實踐表明，這種測量方法會延長作業(yè)時間。因而，應(yīng)優(yōu)先采用電磁波隨鉆測量儀。6、其它欠平衡鉆井配套還需要其它一些輔助設(shè)備，如制氮注氮設(shè)備、內(nèi)防噴工具、燃燒管線、點火裝置、泡沫注入設(shè)備、硫化氫報警裝置等，這些設(shè)備對欠平衡鉆井也起著很重要的作用。另外，地面設(shè)備應(yīng)合理布局，避免作業(yè)人員暴露于有毒和可燃?xì)怏w之中，且必須

13、與井口和任何其它火源保持一定距離以及位于下風(fēng)處。三、欠平衡鉆井設(shè)備配套研制和改進(jìn)情況1、液氣分離器研制液氣分離器是欠平衡裝備配套中的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將井筒內(nèi)循環(huán)出來的氣體與液體分離，從而使鉆井保持正常施工。目前國內(nèi)僅有的幾臺欠平衡裝備中的液氣分離器大都是從美國進(jìn)口的，一臺液氣分離器少則十余萬美圓，多則數(shù)十萬美圓，價格極其昂貴。針對這一現(xiàn)狀，我們在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，自行研制了一臺適應(yīng)欠平衡鉆井施工的液氣分離器，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好。1.1、液氣分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 研制液氣分離器的技術(shù)關(guān)鍵就是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于現(xiàn)場應(yīng)用的現(xiàn)狀，決定設(shè)計結(jié)構(gòu)為重力脫氣型液氣分離器。 1.1.1液氣分離量的設(shè)計 液氣

14、分離器的關(guān)鍵參數(shù)是單位時間內(nèi)能夠分離液體與氣體的體積，即液氣分離量。一般情況下，邊噴邊鉆時，套壓最大為6.0MPa，超過6.0MPa關(guān)閉防噴器壓井，這主要是考慮到產(chǎn)層的出液量和地面設(shè)備與人員的安全，無限制地放噴將導(dǎo)致產(chǎn)層受到人為地?fù)p害。欠平衡專用節(jié)流管匯的通徑為103mm，為此，在設(shè)計液氣分離量時主要考慮了以下兩個因素： （1）鉆井液進(jìn)出口及排氣口的尺寸。根據(jù)目前國內(nèi)現(xiàn)場施工情況，鉆井液進(jìn)口通徑尺寸設(shè)計為103mm，與欠平衡專用節(jié)流管匯一致，該進(jìn)口進(jìn)入的鉆井液為混合液，包括液（鉆井液）、固（巖屑）、氣（天然氣）三相混合物。液氣分離器有兩個出口，一個是排氣口，通徑設(shè)計為180mm，該出口用來排放

15、從鉆井液中分離出來的氣體；另一個是液固體出口，通徑設(shè)計為250mm，該出口用來排放脫氣后的鉆井液及巖屑。 （2）液氣分離器的主腔體容積。為了有效地將氣體與液固相脫離，液氣分離器的主腔必須具備一定的高度和截面積，主腔高度決定了脫氣效果優(yōu)劣，主腔容積決定了瞬間脫氣與儲氣的能力。根據(jù)井場的布置及連接要求，液氣分離器的有效高度設(shè)計為7米；根據(jù)國內(nèi)油田的含氣量，主腔容積設(shè)計為8立方米的圓柱體結(jié)構(gòu)。 1.1.2液氣分離器的承載能力 液氣分離器的承載能力主要是指抗內(nèi)壓強度，作為欠平衡鉆井配套用的液氣分離器，考慮到邊噴邊鉆這一特殊井況，設(shè)計承受內(nèi)壓強度為1.2 MPa，這一強度能夠滿足邊噴邊鉆最大氣量時的瞬間

16、壓力釋放。 1.1.3脫氣結(jié)構(gòu) 重力型液氣分離結(jié)構(gòu)突出的是靠重力分離，為此在脫氣結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)用了交叉脫氣、鉆井液走曲徑，而不是垂直下落?？紤]到這一關(guān)鍵因素，脫氣結(jié)構(gòu)設(shè)計為孔板交叉排列，脫氣板與水平方向成15°夾角，便于液體在重力作用下流動；為了使脫離的氣體及時排出，脫氣板上設(shè)有排氣通道，自下而上均可連通。 1.1.4循環(huán)系統(tǒng) 鉆井液自液氣分離器進(jìn)口進(jìn)入到出口排出為循環(huán)系統(tǒng)，為了防止鉆井液進(jìn)入主腔時產(chǎn)生水擊，在主腔外設(shè)計有緩沖器，循環(huán)系統(tǒng)流程見圖2：氣體出口液固體出口脫氣孔板主腔進(jìn)口緩沖器混合液進(jìn)口圖2 循環(huán)系統(tǒng)流程圖 1.1.5輔助系統(tǒng) 輔助系統(tǒng)考慮了以下幾個因素： （1）便于現(xiàn)場與

17、其它設(shè)備連接、拆卸，采用法蘭連接方式。 （2）使用后為便于檢修和清渣、沖洗，設(shè)有側(cè)開口，人可進(jìn)入主腔；為便于排放主腔內(nèi)污物及雜質(zhì)，設(shè)有底出口。（3）為了便于運輸，設(shè)計了豎立與放倒機構(gòu)。豎立后由底座支承，放倒后由側(cè)腿支承。1.2、液氣分離器的制造與試驗 根據(jù)設(shè)計要求，安全系數(shù)取1.5，在滿足機械性能的條件下，選用經(jīng)濟(jì)合理的鋼材，由機械制造廠按照要求加工制造。制造完工后，進(jìn)行了模擬試驗，試驗情況如下： a、封閉各進(jìn)出口，做靜水壓力試驗。試驗程序為0.1MPa、0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa，每一組壓力下，穩(wěn)壓10分鐘，無泄漏為合格。完成上述試驗后，進(jìn)行超內(nèi)壓實驗，試

18、驗程序為2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa，每一組壓力下，穩(wěn)壓30分鐘，無泄漏為合格。 在靜水壓力試驗時，液氣分離器達(dá)到了要求。b、脫氣試驗。在試驗井上模擬現(xiàn)場連接，采用可循環(huán)泡沫充氣鉆井液試驗。開泵循環(huán)1小時，經(jīng)檢測，脫氣后的鉆井液達(dá)到了正常鉆井施工的要求，專家們公認(rèn)脫氣效果良好，能夠滿足欠平衡鉆井需要。1.3、液氣分離器的現(xiàn)場應(yīng)用 欠平衡鉆井液氣分離器在研制、模擬試驗成功的基礎(chǔ)上，運送現(xiàn)場使用。現(xiàn)場應(yīng)用情況非常理想，而且經(jīng)受了少有的邊噴邊鉆井況的考驗。 a井位：青海省柴達(dá)木盆地西部凹陷區(qū)茫崖凹陷西區(qū)南翼山背斜構(gòu)造帶南翼山構(gòu)造高點南14井，該井為滾動勘探開發(fā)評價井，設(shè)計井深為45

19、60米。欠平衡井段分別為2892米-3445米、4095米-4450米。b使用情況：在2892米-3445米井段，連續(xù)使用29天，井段沒有油氣顯示，液氣分離器運轉(zhuǎn)良好。在4095米-4450米井段，連續(xù)使用91天，在鉆至井深4388.60米時，發(fā)現(xiàn)溢流，由液氣分離器脫離出來的天然氣進(jìn)入燃燒管線，燃燒器開始著火，套壓升至5.0MPa，欠平衡鉆井施工至井深4445.17米完鉆，這期間火焰高度約2米、長度約5米，火焰顏色為橘黃色。在液氣分離器分離氣體期間，固液出口沒有氣泡，說明脫氣效果良好。完井后全面檢查液氣分離器，狀況良好，沒有任何異常。1.4、結(jié)論 1.4.1欠平衡鉆井液氣分離器的研制是成功的，

20、經(jīng)得住邊噴邊鉆鉆井施工的考驗。在南14井的應(yīng)用證明，這種液氣分離器能夠達(dá)到良好的氣體分離效果，液氣分離器能夠滿足欠平衡鉆井的需要。1.4.2欠平衡鉆井液氣分離器成功的研制與應(yīng)用，填補了國內(nèi)石油機械制造行業(yè)上的一項空白，為欠平衡鉆井裝備配套國產(chǎn)化摸索出了一條路子。2、浮力撇油裝置的研制撇油裝置是欠平衡裝備配套中的又一關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將井筒循環(huán)出來的原油與鉆井液分離，從而保持正常的欠平衡鉆井施工。筆者在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計制造了這套適合欠平衡鉆井施工的浮力撇油裝置，經(jīng)過現(xiàn)場使用，效果良好。2.1、結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1.1、總體思路： 在欠平衡鉆井施工中，當(dāng)鉆遇油氣層時，地層中的油氣將隨鉆井液一起

21、由井筒環(huán)空上返到井口，再經(jīng)過節(jié)流控制進(jìn)入液氣分離器，分離出來的氣體進(jìn)入燃燒系統(tǒng)燒掉，液相與固相進(jìn)入震動篩和除砂器、除泥器，進(jìn)行液-固分離，這一過程完成后，液相返回到鉆井循環(huán)罐。為了有效地控制原油污染鉆井液或再次進(jìn)入井筒，在循環(huán)罐與鉆井泵之間人為地加入一道隔離處理裝置，使進(jìn)入鉆井泵的液相恢復(fù)其性能，從中分離出地層進(jìn)入鉆井液的原油成分，這套裝置就是目前欠平衡鉆井現(xiàn)場使用的撇油裝置。本文設(shè)計的撇油裝置對于不同密度的液體采用重力分離、浮力撇油的方法，解決原油與鉆井液的有效分離，最大程度地除去地層進(jìn)入鉆井液中的原油成分，恢復(fù)進(jìn)入井筒的鉆井液性能，科學(xué)、安全、可靠地實施欠平衡鉆井作業(yè)。2.1.2、撇油原理

22、：欠平衡鉆井施工鉆遇油氣層時，在負(fù)壓作用下，地層流體自動侵入井筒并混入鉆井液，隨之一起由環(huán)空上返到地面。眾所周知，兩種密度不同的液體相混后，密度較小的自然上浮，密度較大的自然下沉，在以往欠平衡鉆井施工中，一般都是鉆井液密度大于原油密度，基于這一前提，本文設(shè)計了浮力撇油裝置。該裝置的工作原理是：流進(jìn)本裝置的混合液體，經(jīng)過漫流作用，產(chǎn)生重力分離，之后進(jìn)入撇油室，撇油器將浮于上部的原油撇去，砂泵將沉于底部的鉆井液排出。為保證撇油室液面的相對穩(wěn)定，在重力分離階段，通過雙層漫流板來延長混合液流經(jīng)漫流板的時間，增加脫離效果，提高分離效率；同時，砂泵將一次重力分離的部分吸入，進(jìn)入自身循環(huán)，再次流入漫流板，進(jìn)

23、行二次重力分離。經(jīng)過重力分離的混合液，浮于上部的原油經(jīng)過中隔板頂面流入撇油室，沉于底部的鉆井液經(jīng)過中隔板底孔流入撇油室。經(jīng)過重力分離的混合液，流入撇油室后，在砂泵自循環(huán)的控制下，液面相對穩(wěn)定，浮力撇油器將原油撇去，流入計量罐，因浮力撇油器與撇油管出口采用軟管連接，所以在一定范圍內(nèi)，撇油室液面的上下變化不會影響撇油效果。2.1.3、結(jié)構(gòu)設(shè)計：（1）浮力撇油器：由圖5可知，浮力撇油器處于鉆井液與原油界面時，下式成立：F = Wo + Wf （A）式（A）中 ，F(xiàn)代表浮子在鉆井液中的浮力，Wo 代表撇油器重量， Wf 代表浮子重量。根據(jù)阿基米德原理，浮子在鉆井液中所受的浮力等于浮子所排開鉆井液的重量

24、，即：F = V ×m（B）式（B）中 ，V代表浮子的體積，m代表鉆井液密度。 分析式（A）與式（B），使用的撇油器型號確定后，其重量也就隨之而定，Wo是個已知數(shù)；選用的浮子確定后，其重量Wf是個已知數(shù)。在鉆井工程中，鉆井液密度由工程設(shè)計確定，隨著井深的變化，m是個變數(shù)，也就是說，井深不同，m的數(shù)值也不同。若保持式（A）成立，則F不變；若F保持常量，則m與V之積不變；若保持m與V之積不變，則當(dāng)m變化時，V亦應(yīng)隨之變化。由此可知，在使用浮力撇油器時，應(yīng)根據(jù)不同的鉆井液密度選用不同體積的浮子。（2）重力分離結(jié)構(gòu)：從井筒環(huán)空返出的混合液，由于各組分密度不同，在重力作用下，會自動分離，在重力

25、方向上形成分離層。在欠平衡鉆井施工中，由井筒內(nèi)返出的鉆井液通過鉆井泵、鉆具水眼必須循環(huán)回井筒內(nèi)，也就是說不可能將混合液存入撇油裝置內(nèi)靜止分離，為此，若想實現(xiàn)原油與鉆井液良好的分離效果，就必須人為地采取一些有效措施，為達(dá)到這一目的，重力分離結(jié)構(gòu)設(shè)計為兩級漫流與自循環(huán)二次分離，見圖4所示。漫流板上均布了許多孔眼，漫流板與水平方向夾角、根據(jù)漫流板上的孔眼直徑與分布確定，自循環(huán)二次分離量根據(jù)混合液的輸入、輸出量確定。（3）循環(huán)系統(tǒng)：進(jìn)入撇油裝置的混合液，經(jīng)過撇油處理后，應(yīng)及時返回到鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，以確保鉆井正常施工。本裝置的循環(huán)系統(tǒng)，采用了2臺砂泵作為輸入/輸出專用設(shè)備，連續(xù)不斷地將混合液輸入，將鉆井

26、液輸出，其結(jié)構(gòu)及位置見圖4。2.1.4、循環(huán)流程：進(jìn)入浮力撇油裝置的混合液，在該裝置內(nèi)進(jìn)行原油分離，故此，不是簡單地流入與流出，而是按照設(shè)計原理的流程進(jìn)行分離、撇油，其循環(huán)流程見圖6。 2.1.5、輔助系統(tǒng)：浮力撇油裝置在達(dá)到了高效撇油的要求下，應(yīng)滿足現(xiàn)場施工的需要，為此，在設(shè)計上考慮了輔助系統(tǒng)。（1）排量控制：為了控制撇油裝置內(nèi)液體總量，在輸入、輸出砂泵的進(jìn)口、出口設(shè)計了分流管，用來調(diào)節(jié)泵入與泵出的液量。（2）殘渣清污：在圖4所示位置設(shè)有清污口，用來清除裝置內(nèi)積存的混合液殘渣。（3）液體加熱：為防止冬季施工因液體凍結(jié)而造成循環(huán)中斷，在該裝置內(nèi)設(shè)計了兩套獨立的加熱系統(tǒng)：一是電加熱系統(tǒng)，二是暖氣

27、加熱系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)可同時使用，也可單獨使用。（4）人員進(jìn)出：專門設(shè)計了上下梯子、進(jìn)出口與扶手，用于操作人員上下與進(jìn)出。（5）安全設(shè)施：在浮力撇油裝置頂面裝有安全蓋板，周圍裝有安全圍攔與安全走道，用于操作人員巡回檢查設(shè)備運轉(zhuǎn)情況。2.1.6、技術(shù)參數(shù)：（1）液體最大處理量：200m3 / h（2）輸入電源：三相，380V / 50Hz（3）輸入功率：70KW（4）外形尺寸：（長×寬×高）8000mm×2500mm×1800mm（5）重量：3800kg2.2、試驗與應(yīng)用依據(jù)設(shè)計加工制造的浮力撇油裝置，使用清水試驗，連續(xù)工作36小時，運轉(zhuǎn)良好，達(dá)到了預(yù)期目的。

28、在塔克拉瑪干沙漠腹地塔中隆起塔中10構(gòu)造帶西段卡塔克1區(qū)塊5號斷塊背斜構(gòu)造高點，中石化西部新區(qū)勘探指揮部布署的重點預(yù)探井中-1井欠平衡鉆井施工中，連續(xù)使用約2100小時，該裝置運轉(zhuǎn)正常，撇油效果良好。模擬試驗與現(xiàn)場應(yīng)用表明，欠平衡浮力撇油裝置：（1）設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，便于檢修；浮力撇油器，在欠平衡鉆井撇油系統(tǒng)中是首創(chuàng)產(chǎn)品，設(shè)計新穎，效果明顯。（2）撇油效果良好，運轉(zhuǎn)正常，能滿足欠平衡鉆井的需要。3、欠平衡鉆井優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)中原石油勘探局鉆井技術(shù)研究院于2002年完成了欠平衡鉆井優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)的研究，簡介如下：3.1、系統(tǒng)設(shè)計原理該系統(tǒng)通過適時高速采集（每秒鐘4000次）鉆井施工過程中立壓、套壓的

29、變化，利用概率密度數(shù)理分析方法對其進(jìn)行數(shù)理分析，把氣體侵入鉆井液后鉆井液波的微觀變化（包括波形變化及大小變化）放大，并與正常工況下樣本數(shù)理分析的結(jié)果進(jìn)行對比分析，為氣侵的早期預(yù)報提供依據(jù)，并對立壓、套壓變化進(jìn)行回歸求導(dǎo)，依據(jù)達(dá)西定律：不同滲透率的地層氣體侵入的快慢不同。這樣高壓高滲地層滲透率大，氣體侵入快，斜率大；反之，則斜率較小。這樣就較為直觀地反映氣侵的嚴(yán)重程度，為施工措施提供決策依據(jù)，并在超過一定極限時實施報警。3.2、系統(tǒng)組成該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件及信號傳輸三部分組成。采集系統(tǒng)主要由立壓、套壓傳感器和數(shù)據(jù)采集箱組成。依據(jù)欠平衡鉆井施工的特點，立壓、套壓傳感器一般在0

30、25Mpa。其作用是采集立壓、套壓信號，把壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺﹄娦盘栠M(jìn)行濾波、放大等電路處理。數(shù)據(jù)處理軟件程序用VB語言開發(fā)，具有界面優(yōu)美、編程容易和易于修改等優(yōu)點。利用該軟件，可對實時采集的電壓數(shù)據(jù)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，編制成相應(yīng)的曲線，并在超過一定警戒時報警。起到在傳感器與數(shù)據(jù)采集箱以及計算機之間傳輸數(shù)據(jù)的作用。3.3、系統(tǒng)軟件該軟件用VB語言開發(fā)，具有操作性強、界面清晰等特點。該軟件對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可達(dá)到如下目的：3.3.1輸入必要的技術(shù)參數(shù)；3.3.2對所采集的立壓、套壓信號數(shù)據(jù)及其分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行實時地記錄；3.3.3超過一定警戒時實現(xiàn)報警功能；3.3.4實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲

31、、回放、打印功能；3.3.5實時監(jiān)測井底流壓與地層壓差的變化與變化趨勢，為工程施工提供技術(shù)參考。3.4、井口最大回壓設(shè)計3.4.1、設(shè)計與控制原則：欠平衡鉆井作業(yè)時，鉆井液的液柱壓力低于地層壓力，為保證井口不失控，應(yīng)在鉆井過程中對井口施加一定的回壓，以平衡部分地層壓力，控制油氣的侵入程度。井口回壓大小的控制應(yīng)視旋轉(zhuǎn)防噴器承壓能力的大小而確定。其原則是：通過調(diào)節(jié)地面液壓節(jié)流閥的開啟程度，將井口回壓控制在設(shè)定的安全工作壓力范圍，使井底負(fù)壓值保持在設(shè)計值水平上。在鉆井液密度、負(fù)壓值、最大隨鉆產(chǎn)油氣量已確定的情況下，可計算出最大回壓。3.4.2、井口最大回壓計算流程如圖7所示。3.4.3、計算：（1）

32、利用立管壓力檢測井底壓力的計算方法：Pb=P d+m0gH- Pj- Pfr式中：P d-立管壓力，KpaPb-井底壓力，Kpam0-入口鉆井液密度，g/cm3Pj-鉆頭壓降，KpaPfr-鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗，Kpa H-井深，m (2)鉆井液體系管內(nèi)循環(huán)壓耗計算方法：根據(jù)管內(nèi)流的范寧達(dá)西公式式中：-摩阻系數(shù)，無因次hi-鉆桿、鉆鋌長度，mui-鉆井液在各段鉆柱內(nèi)的流速，m/sDi-鉆桿、鉆鋌內(nèi)徑，cm流動為層流時： 流動為紊流時：式中：Q-鉆井液流量，L/s -鉆井液粘度，Pas o-鉆井液切力，Pa（3）鉆井液體系鉆頭水眼壓降計算方法：式中：Ab-水眼（噴嘴）出口截面積，cm2C-水眼（噴嘴）

33、流量系數(shù)，無因次對于三水眼鉆頭 ，4、欠平衡專用節(jié)流管匯的研制 為滿足欠平衡鉆井的需要，與上海石油機械廠聯(lián)合研制了欠平衡專用節(jié)流管匯。4.1結(jié)構(gòu)特點（結(jié)構(gòu)見圖8）4.1.1節(jié)流閥通徑大。常規(guī)鉆井井控裝備中節(jié)流管匯的節(jié)流閥通徑為29/16，為滿足欠平衡鉆井過程中依靠節(jié)流閥的開啟調(diào)節(jié)鉆井液、油、氣的循環(huán)的要求，節(jié)流閥的通徑必須足夠大，因此設(shè)計其通徑尺寸為41/16。4.1.2三只節(jié)流閥，且其中2只為液動節(jié)流閥，一只為手動節(jié)流閥，比常規(guī)鉆井用節(jié)流管匯多了一只液動節(jié)流管匯。這樣就避免了在一只液動節(jié)流閥失效的情況下，需要手動操作節(jié)流閥的危險。同時，增加一只節(jié)流閥后，即能滿足大排量節(jié)流循環(huán)的需要，又增加了

34、一只備用閥，使其工作安全性大大提高。4.1.3低壓區(qū)改為高壓區(qū)。常規(guī)鉆井用節(jié)流管匯中節(jié)流閥下游的閥件為低壓閥件，考慮到欠平衡鉆井過程中井口壓力高、工藝復(fù)雜，把低壓區(qū)的閥件均設(shè)計為高壓閥件，即節(jié)流閥前后閥件的額定工作壓力一樣，這樣就提高了節(jié)流管匯的安全操作系數(shù)。4.1.4在匯流管上安裝一只29/16平板閘閥。打開此閥放掉鉆井液，可防止在起下鉆或其它非鉆進(jìn)、循環(huán)時節(jié)流管匯和液氣分離器及管線內(nèi)的鉆井液凍結(jié)。4.1.5節(jié)流閥的閥芯設(shè)計為孔板式結(jié)構(gòu)（見圖8和圖9）,閥芯和閥座采用碳化鎢防腐合金，且其接觸密封面經(jīng)高精度研磨。因此具有耐沖蝕、使用壽命長、密封可靠、操作省力等優(yōu)點。4.2 使用情況：通過在中1井和T436CH井153天的的使用，特別是在中1井經(jīng)受高壓25Mpa-35Mpa、連續(xù)作業(yè)達(dá)178小時的嚴(yán)峻考驗后其閥芯和閥座仍完好無損，使用效果良好，證明這種節(jié)流管匯設(shè)計特別是孔板式節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，非常適用于欠平衡鉆井。三、欠平衡鉆井設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用前景展望 使用連續(xù)油管（CT）進(jìn)行欠平衡鉆井是一項有前途的技術(shù)，可連續(xù)作業(yè)，不必象使用鉆桿那樣為連接管子而中斷作業(yè)，反復(fù)開停泵而導(dǎo)致壓力波動。使用連續(xù)油管連續(xù)循環(huán)鉆井液，可保持幾乎恒定當(dāng)量的鉆井液密度，使井底壓力更為一致，大大減少輕質(zhì)油氣與水基鉆井液和重巖屑的重力分離現(xiàn)象；而且在穩(wěn)定的連續(xù)鉆井作業(yè)時，原油流進(jìn)井內(nèi)更加均勻；可以通過連續(xù)油