欠平衡压力钻井工艺技术的探讨

工业技术　Ｉ■　Ｃｈｉｎａ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｖｉｅｗ　欠平衡压力钻井工艺技术的探讨　孙克胜　（大庆钻井一公司冀东项目部７０１３３队黑龙江大庆１６３７００）　［摘要】为最大限度地保护油气层，尽量降低油田勘探开发的成本，欠平衡钻井技术的优越性逐渐显示出来，欠平衡压力钻井技术不仅有利于非常规油气　藏、中小型油气田、低压低渗油气藏的勘探开发，而且对油田中后期的潜力挖潜起着至关重要的作用。　［关键词］欠平衡钻井技术研究　中图分类号：ＴＥ２４９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１４）０５－０３６０－０２　目前，石油工业的特点是，勘探开发的难度越来越大，勘探开发投入的成本　越来越高，而国际原油的价格也在一路攀高，世界各国为了减少对国际原油市　场的依赖，都加大了国内油气田的勘探开发力度。　一．欠平衡钻井的优越性　１、防止地层伤害、提高油井产能　欠平衡钻井可防止常规钻井造成的地层损害，常规钻井造成地层损害的原　因主要有以下几个方面：　（１）钻井液滤失速度高，造成地层细颗粒和粘土颗粒的运移，　（２）钻井液中加入的固相或钻井中产生的固相侵入地层，　（３）存在可能发生钻井液严重侵入的高渗层，　（４）地层对侵入的水相、油相敏感，导致钻井液滤液留在地层中，影响了近　井眼地区的渗透率，产生永久性产能下降，　（５）侵入液与产层或地层液发生不利反应（如粘土膨胀、化学吸附、润湿性　改变、乳化沉淀、结垢等）。　２、减轻工程复杂、提高机械钻速　（１）提高了防喷能力，防止井喷失控Ｉ　（２）降低了液柱压力，减轻井漏和压差卡钻，　（３）消除压持效应，有利于提高机械钻速。　＝　钻进过程中的井控分析　在钻进过程中，要保持井底压力小于地层压力，尽量使欠压值保持稳定，在　钻进过程中根据排量、泵压和井口回压的相互关系，通过调整节流阀的开度来　调节欠压值，下面分成排量不变和排量变化两种情况来讨论。　根据环空动力平衡的条件建立如下等式：　只＋　＋ＰＨ　＝Ｐ　一　＝Ｐｗ　（１）　根据水力学关系有：　＝　ｖ＋　＋　＋　＋　一ＰＺ　（２）　则：　＋Ｐ用＋　暇＝　＋Ｐｚ一　一　（３）　将（１）式代人（３）式得：　：　＋　＋　一　一尸２　（４）　式中　毋：井ＶＩ套压，ＭＰａ　：地层压力，ＭＰａ　印：负压值，ＭＰａ　：井底压力，Ｍｐａ　：环空气液柱压力，ＭＰａ　：泵压，ＭＰａ　，：钻具内循环压降，ＭＰａ　：钻头压降，ＭＰａ　Ｐ２：钻具内液柱压力，ＭＰａ　：循环压降，ＭＰａ　‘　ｌ、井底负压值与泵压之间的关系　根据各液动压力之间的关系，当排量、钻井液入口性能不变，而随钻产油气　量变化或气体滑脱上升时，　、　、　、　为常量，设ｋ＝　＋　＋　一　，　则（４）可写成：　＝ｋ—Ｐ骨。可见，当排量不变时，如果泵压下降，则井底负压值　按同值增加；反之如果泵压上升，则井底负压值按同值减少。因此，当随钻产油　气量变化或气体滑脱上升时，靠调整节流阀开度使泵压保持不变即可保持井底　负压值不变。　２、井底负压值与井口压力及排量间的关系　当排量变化时，由（１）式可知印　一毋一Ｐｍ—ＰＩＣＫ　（５）　根据水力学有关计算公式，有　６２ＨｒｌＱ／［（Ｄ—　）　一（Ｄ　一ｄ　）］＋０－６１２２×１０　ｍ／（Ｄ—ｄ）　（６）　设ａ＝０．６２Ｈｒｌ／［（Ｄ—ｄ）　一（Ｄ　一ｄ　）］，６＝０．６１２２×１０　ｍ／（ｏ—ｄ）则　３６０　Ｉ科技博览　＝ａＱ＋６　式中　叼：钻井液塑性粘度Ｄ：环空直径ｄ：钻杆外径　Ｑ：排量　日：井深　ｆ：钻井液动切力　当随钻产油气量不变时，由（５）可推导出：　＝　一Ｐｍ一（　＋ａＱ＋ｂ）　（７）　其中，当井眼条件和钻井液性能不变时，ａ、ｂ为常数，当随钻产油气量及　人口钻井液性能不变，而排量变化时，　、　为常量，设　＝　一Ｐｍ则　＝ＫＬ（　＋ａＱ＋ｂ）　（８）　由式可见，当随钻产油气量及人口钻井液性能不变时，如果排量下降，则井　底负压值按井口压力下降值与排量下降值的和同值增加，反之亦然。　３　欠压值的设计与控制　１）．确定合理的欠压值　推荐欠压值范围是１．４＂２．１ＭＰａ。可以根据储层的类型和岩性特点确定、根　据储层压力和产液量大小确定、要考虑环空油气与钻井液混合情况、综合考虑　作业人员经验和设备情况　２）确定负压钻井液密度　（１）欠压值确定公式　ｐ　ｍｕ＝１０３×（Ｐｐ—Ｐａｒ－Ｐｕｄ）／９．８Ｈ　ｐ　ｍｕ一负压钻井液密度，ｇ／ｃｍ３ＩＨ一　一一垂直井深，ｍ　（２）对于探井，当发生溢流时应关井确定地层压力，适时调整钻井液密度。　３）欠压值的控制　（１）通过控制井口回压控制欠压值　地层流体未进入环空，不控制回压，此时立管压力Ｐｓｐ：　Ｐｓｐ＝Ｐｄｐ＋Ｐａｒ＋Ｐｂｊ　Ｐｄｐ—钻柱内压耗ｌＰａｒ－－环空流动阻力，Ｐｂｊ－－钻头喷嘴压降ｌ　此时井底压力为：Ｐａｒ＋Ｐｍ　地层流体进入环空后：Ｐｕｄ＝Ｐｐ一（Ｐｍ＋Ｐａｒ）Ｉ　Ｐｕｄ＝Ｐｐ一（Ｐｍｐ＋Ｐａｍ＋Ｐｂｐ）　（２）调整钻井液密度控制欠压值　方法：调整井口回压控制立管压力值立压与泥浆密度的关系：　Ｐｓｐ１／Ｐｓｐ２＝ｐｍｌ／ｐｍ２　ｌ一初始值ｌ２－－－调整后的值　（３）调整注气量和注液量控制欠压值。使用专门的软件模拟计算　三．欠平衡压力钻井技术的设计　１．地质设计要求　（１）提供欠平衡钻井井段的分层地层孔隙压力、坍塌压力和破裂压力预测　系数。　（２）提供储层流体类型和邻井最高产量，气井提供邻井无阻流量。　２．钻井方式的选择　（１）选择欠平衡钻井方式前，应对欠平衡钻井井段进行井壁稳定性分析，必　须考虑是否会导致地层坍塌。　（２）根据地层孔隙压力系数，基本可以确定使用的钻井流体类型和欠平衡　钻井方式。　（３）较高的地层孔隙压力系数，根据需要也可以选择密度较低的欠平衡钻　井流体。　（４）常压地层也经常选择充气钻井实现欠平衡钻井方式，不一定用低密度　的液体实现欠平衡钻井。　（５）欠平衡钻井方式的选择与所解决的问题或应用对象有关。见表４—２：　（６）欠平衡钻井方式的选择应考虑设备和技术能力。　（７）欠平衡钻井方式的选择应考虑地层产出的流体能否在地面进行安全、　工业技术　Ｃｈｉｎａ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｖｉｅｗ　●Ｉ　变频器的工作原理和控制方式研究　单辉　１５４６００）　（黑龙江七台河［摘要］本文介绍了变频器的工作原理和控制方式，文中遵循理论和实际相结合的原则，对变频器的工作原理和控制方式作了详细的对比和分析。　［关键词】变频器控制方式工作原理　中图分类号：ＴＮ７７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１４）０５—０３６１－０１　０前喜　近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工　艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如　何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目　标。下面结合作者的实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式。　１变颇器的工作原理　的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流　电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后　分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控　制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁　链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控　制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析　的结果。　２．４直接转矩控制（ＤＴＣ）方式　交流电动机的同步转速表达式：　ｎ＝６０　ｌ—ｓ）／ｐ　（１）　式中：ｒ卜一异步电动机的转速Ｉ　ｆ——异步电动机的频率，　ｓ一电动机转差率ｌ　ｐ一电动机极对数。　由式（１）可知，转速ｎ与频率ｆ成正比，只要改变频率ｆＥＰ可改变电动机的转　速，当频率ｆ在０～５０Ｈｚ的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器　就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能　的调速手段。　２变颤器控制方式　低压通用变频输出电压为３８０－６５０Ｖ，输出功率为０．７５－－４００ｋＷ，工作频　率为０～４００Ｈｚ，它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历了以下四　代。　１９８５年，德国鲁尔大学的ＤｅＰｅｎｂｒｏｃｋ￣授首次提出了直接转矩控制变频　技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、　简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功　地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。　直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动　机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量　旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解　耦而简化交流电动机的数学模型。　２．５矩阵式交一交控制方式　２．１　Ｕ／ｆ＝Ｃ的正弦脉宽调制（８ＰＷＭ）控制方式　这种方式的特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能　够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这　种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定予电阻压降的影响比较显　著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩　能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的　变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死　区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。　２．２电压空间矢量（ＳＶＰＷＭ）控制方式　ＶⅥ，Ｆ变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交一直—交变频中的　种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电　容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交一交　变频应运而生。由于矩阵式交一交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积　大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为ｌ，输入电流为正弦且能四象限运　行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研　究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实　一现的。具体方法是：　（１）控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式。　这种控制方式是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想　圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方　式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的　误差・通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流　闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调　节，所以系统性能没有得到根本改善。　２．３矢量控制（Ｖｃ）方式　矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流　Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ，通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ｉａｌｌｂｌ　（２）自动识￣ｌＪ（ＩＤ脓靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别，　（３）算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、　定子磁链、转子速度进行实时控制。　（４）实现Ｂａｎｄ—Ｂａｎｄ控制按磁链和转矩的Ｂａｎｄ—Ｂａｎｄ控制产生　ＰＷＭ信号，对逆变器　开关状态进行控制。　矩阵式交一交变频具有快速的转矩响应（＜２ｍｓ），很高的速度精度（土２％，　无ＰＧ反馈），高转矩精度（＜＋３％），同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，　尤其在低速时（包括０速度时），可输出１５０％～２００％转矩。　３结语　ｔＸｄ：是作者在变频器选型及应用中的经验，￣供有关人员在变频器选购和应　用时借鉴参考。　再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Ｉｍｌ　Ｉｔｌ（Ｉｍｌ相当于直流电动机的励磁电流。Ｉｔ１相当于与转矩成正比的电枢电　流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应　，经济的处理。　（５）井身结构要考虑非产层流体的流入（如水）。　（６）目前国内欠平衡钻井常用的有Ｏ２１５．９ｒａｍ和０１５２．４ｒａｍ两种井眼尺　寸，相应的技术套管是０２４４．５ｍｍ和　１７７．８ｒａｍ两种。　参考文献　．　．…１周英操，瞿洪军．欠平衡钻井技术与应用［Ｍ】．北京：石油工业出版社．　２００３．　３．井身结构设计　（１）为了减少油气层损害，从稳定井壁和井控要求出发，宜采用先期完井方　式，也就是说技术套管应尽量下到油层顶部，油层根据不同情况可采用裸眼或　使用不封固割缝管、筛管完井、固井完井。　（２）用于提高机械钻速等钻井用途时，井身结构设计与常规钻井不同。　（３）选择充气钻井时，如果钻井液当量循环密度达不到要求，应缩小井眼尺　寸。　（４）泥浆帽钻井，应选择小井眼。　［２】罗世应，孟英峰，李允．欠平衡钻井的应用前景【Ｊ】．天然气工业．１９９９．　科技博览｝３６１