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實現(xiàn)窄密度窗口安全鉆井的控壓鉆井系統(tǒng)工程

作者:姜智博1,2,3 周英操2,3 王倩1,2,3 蔣宏偉2,3  來源:1.中國石油勘探開發(fā)研究院研究生部;2.中國石油集團鉆井工程技術研究院;3.油氣鉆井技術國家工程實驗室 
評論: 更新日期:2016年10月06日
摘要:控壓鉆井是目前世界上最先進的鉆井技術之一,能夠對井底壓力進行實時精確的控制、解決現(xiàn)場遇到的井下復雜鉆井問題;理論研究與應用實踐均表明,它可以有效解決國內外普遍遇到的窄密度窗口安全鉆井難題。為了更好的掌握和運用該技術,從宏觀角度將控壓鉆井看作為一項較復雜的系統(tǒng)工程,既要保證系統(tǒng)內任一組成部分能夠正常運轉,又要提高系統(tǒng)內各部分之間的協(xié)調能力,從而發(fā)揮其最大效率。為此,提出了控壓鉆井系統(tǒng)工程(MPDSE)的概念——控壓鉆井系統(tǒng)工程就是將系統(tǒng)工程理論應用到控壓鉆井技術中的一種研究方法,其主要內容是研究系統(tǒng)內部各組成部分的精確設計,系統(tǒng)分析各組成部分之間的相互關系和內部地位,優(yōu)化處理各組成部分之間的相互制約性,實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化;進而運用綜合集成法分析了控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟;最后還對控壓鉆井系統(tǒng)的基本框架進行了初步設計。結論認為:應以系統(tǒng)工程的方法對控壓鉆井技術進行研究,并且框架內的任一部分都關乎整個系統(tǒng)能否成功應用。
關鍵詞:控壓鉆井技術;系統(tǒng)工程;綜合集成法;基本框架;井底壓力;實時精確控制;窄密度窗口;安全鉆井
????廣義上的控壓鉆井技術應用范圍包括過平衡、近平衡、欠平衡以及精細控壓鉆井,傳統(tǒng)意義的過平衡鉆井以及近些年基本成熟的欠平衡鉆井對井底壓力的控制精度較低,具有很大的不確定性和局限性[1],常規(guī)鉆井過程中極易出現(xiàn)井涌、漏失、壓差卡鉆、地層孔隙壓力與破裂梯度間壓力窗口狹窄造成“涌-漏同層”等井下復雜問題。據(jù)有關文獻報道,通過常規(guī)鉆井方法,不能開發(fā)的油氣資源占70%左右[2]??貕恒@井系統(tǒng)具有使用較短時間、較低費用而能夠大大提高井控能力的優(yōu)勢,它可以有效解決這些復雜的鉆井問題,減少下入套管層數(shù),降低鉆井成本,提高鉆井效益。事實證明,控制壓力鉆井(MPD)系統(tǒng)在陸地鉆井和海上鉆井中,均獲得了良好的經濟效益[3]。還有人提出,MPD技術很可能是未來天然氣水合物鉆井中唯一可行的技術[4~5]。目前,美國陸地鉆機配備有控壓鉆井系統(tǒng)部分設備的比例已從1996年的15%劇增至目前的75%,目前已經有1/4陸地鉆井項目在應用MPD技術[6]。精細控壓鉆井技術的發(fā)展趨勢表明,MPD技術的推廣是一個必然的趨勢。
????目前控壓鉆井技術有10多種基本類型,加之多種相關配套技術、龐大的設備體系和計算機水力參數(shù)模擬系統(tǒng),而且,現(xiàn)場施工中復雜的作業(yè)流程與施工要求、應急處理程序以及健康、安全等都應該成為控壓鉆井系統(tǒng)的一部分。一方面,如果技術設計過于復雜或者相關要求過于苛刻,則可能因為滿足不了現(xiàn)場的實際情況而使得技術設計與施工無法實現(xiàn);另一方面。如果現(xiàn)場控壓鉆井的作業(yè)程序、施工要求以及應急程序沒有做到精確設計和靈活應用,那么任何一個小的疏忽也都可能造成復雜甚至嚴重的鉆井事故,反過來會嚴重阻礙MPD技術的研究發(fā)展和推廣應用。因此,筆者認為,應當將MPD技術看作為一項較復雜系統(tǒng)工程來加以研究和應用。
1?控壓鉆井系統(tǒng)工程
????系統(tǒng)工程是實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的科學,是一門綜合學科,它是研究一個復雜系統(tǒng)的局部與整體關系的科學,其理論的核心體系是模擬、最優(yōu)化及評價系統(tǒng)[7]
??? MPD技術也是一項由多環(huán)節(jié)組成的投資較大且較復雜的系統(tǒng)工程。根據(jù)系統(tǒng)工程的觀點,系統(tǒng)內部各個環(huán)節(jié)具有相互約束性,并非每個環(huán)節(jié)都追求最優(yōu)化,而是舍小取大,在各種約束條件下追求整個系統(tǒng)的最優(yōu)化。然而系統(tǒng)追求的目標有時是相互矛盾的,而且受到各種條件的約束,系統(tǒng)工程就是研究如何在這些相互矛盾的因素中實現(xiàn)對立統(tǒng)一的科學。
????控壓鉆井系統(tǒng)工程就是將系統(tǒng)工程理論應用到控壓鉆井技術中的一種研究方法。其主要內容是研究系統(tǒng)內部各組成部分的精確設計,系統(tǒng)分析各組成部分之間的相互關系和內部地位,優(yōu)化處理各組成部分之間的相互制約性,目的就是實現(xiàn)MPD系統(tǒng)的最優(yōu)化,從而應用于鉆井作業(yè)中解決實際問題。
2?控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟
???前人在研究解決復雜系統(tǒng)問題時,提出了從定性到定量的綜合集成法,簡稱綜合集成(meta-synthesis)。綜合集成的實質是將專家群體、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息資料、計算機技術有機結合起來,構成一個以人為主的高度智能化、自動化的人一機交互系統(tǒng),發(fā)揮這個系統(tǒng)的整體優(yōu)勢,去解決復雜的決策問題[8]。
???綜臺集成的主要特點是:①定性研究與定量研究有機結合;②科學理論與經驗知識相結合;③應用系統(tǒng)思想把多種學科結合起來進行綜合研究;④根據(jù)系統(tǒng)的層次結構,把宏觀研究與微觀研究統(tǒng)一起來;⑤具有大型計算機支持系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等功能[8]。
???對于控壓鉆井系統(tǒng),無論是對每項技術還是對整個系統(tǒng)的研究,都應當遵循從定性到定量的綜合集成方法,下面運用綜合集成法對控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟進行分析(圖1)。
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???1)?明確控壓鉆井系統(tǒng)的框架,收集每一組成部分的相關資料,調用有關方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù),作為開展研究工作的基礎性準備。
??? 2)?邀請相關方面的專家對控壓鉆井系統(tǒng)的狀態(tài)、特性、運行機制等進行分析研究,對技術研究的突破口,研究方向以及解決問題的可能途徑做出定性判斷和經驗性假設,初步確定系統(tǒng)模型。
??? 3)?以經驗性假設為前提,運用基礎理論知識,對控壓鉆井系統(tǒng)的每一組成部分和整個系統(tǒng)的結構、功能、行為、特性等以及各組成部分的相互關系建立數(shù)學模型。
??? 4)?依據(jù)初步建立的數(shù)學模型對控壓鉆井系統(tǒng)進行仿真模擬試驗,通過試驗獲得關于系統(tǒng)特性和行為走向的定量數(shù)據(jù)資料。
??? 5)?組織專家對試驗結果進行分析評價,檢驗系統(tǒng)模型的有效性,對系統(tǒng)模型進行修改,調整有關參數(shù),再進行模擬試驗;根據(jù)新一輪試驗結果再進行分析評價、檢驗、修改、模擬,如此反復,直到符合實際系統(tǒng)的應用理論。
??? 6)?在不同地區(qū)、不同井況對控壓鉆井系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗,根據(jù)現(xiàn)場試驗遇到的實際問題對系統(tǒng)模型進行再評價、檢驗、修改、模擬、現(xiàn)場試驗,如此反復,直到控壓鉆井系統(tǒng)可以在現(xiàn)場成熟應用。
??? 7)?推廣應用控壓鉆井系統(tǒng)。
3?控壓鉆井系統(tǒng)基本框架設計
??? MPD系統(tǒng)較為復雜,無法將所有涉及內容一一列舉,在此只對其基本框架進行了初步設計(圖2)。
????控壓鉆井系統(tǒng)包括:①控壓鉆井技術;②控壓鉆井設備;③控壓鉆井水力參數(shù)模擬;④控壓鉆井作業(yè)流程;⑤控壓鉆井施工要求;⑥控壓鉆井崗位責任;⑦現(xiàn)場臨時改動程序;⑧控壓鉆井應急程序;⑨HSE管理。以下分述之。

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