控压钻井专业技术及节流阀专题Rev

1、 国际钻井承包商协会欠平衡和控制压力钻井委员会（IADC Underbalanced Operations u 解决窄地层压力窗口问题; u 降低压差卡钻; u 提高钻速; u 增加钻井安全性，消除安全隐患; u 延长水平井段； 2004年从壳牌石油公司使用年从壳牌石油公司使用DAPC系统开始系统开始 ，控压钻井技术已在加拿大、，控压钻井技术已在加拿大、 墨西哥湾、北海、中东、南亚、南海等地区广泛使用，部分陆上油田也开始墨西哥湾、北海、中东、南亚、南海等地区广泛使用，部分陆上油田也开始 应用控压钻井技术。应用控压钻井技术。 国内陆上塔里木油田使用了国内陆上塔里木油田使用了Halliburton

2、设备，解决了窄密度窗口、高温设备，解决了窄密度窗口、高温 高压、漏失地层、杂压力剖面等压力控制的钻井问题。水平井从高压、漏失地层、杂压力剖面等压力控制的钻井问题。水平井从300多米打多米打 到超过到超过1300米，单井日产量增产超过米，单井日产量增产超过3倍。尽管倍。尽管Halliburton服务日费近服务日费近50万万 元元/天，但塔里木油田仍取得了非常好的经济效益。天，但塔里木油田仍取得了非常好的经济效益。 控压钻井技术应用 控压钻井技术发展 最早于上世纪最早于上世纪60年代中期在陆上使用，未引起关注。年代中期在陆上使用，未引起关注。 上世纪上世纪90年代后期，随着海上油田勘探开发发展的需

3、要而倍受重视。年代后期，随着海上油田勘探开发发展的需要而倍受重视。 At Balance于于2000年立项，年立项，2003年年DAPC系统研究成功，系统研究成功，2004年投入年投入 应用。应用。 该项目该项目2007年获国外石油科技十大进展。年获国外石油科技十大进展。 许多石油公司相继开发装备。目前最典型的设备是许多石油公司相继开发装备。目前最典型的设备是At Balance的的DAPC 系统；系统；Halliburton自动节流系统；自动节流系统； Weatherford的的MFC系统；系统；Varco 公司的不间断循环系统等。公司的不间断循环系统等。 M-泥浆池泥浆池 M M 控压钻井

4、原理控压钻井原理 顶驱顶驱 控压钻井技术的形式与应用范 围 井底恒压 CBHP 加压泥浆帽 PMCD 双梯度 DGD HSE 健康安全环保 窄密度窗口. 高温高压层 大漏失地层 减少污染 海洋钻井 应用最广泛，适用区域最 广，技术上最先进 溶洞、大裂缝地区 地层压力梯度规律突变 （深海海底） 仅在概念阶段 陆上控压钻井作业主要用井底恒压形式 井底压力恒定（Constant Bottom Hole Pressure，CBHP）的控压钻井是一种通过环空 水力摩阻、节流压力和钻井液静液柱压力来精确控制井眼压力的方法。 l 设计时使用低于常规钻井方式的钻井液密度进行近平衡钻井； l 循环时井底压力等于

5、静液柱压力加上环空压耗，当关井、接钻杆时，循环压耗消失， 井底压力处于欠平衡状态，在井口加回压使井底压力保持适当的过平衡状态，从而控 制地层流体的侵入； l 理想的情况是静止时在井口加的回压等于循环时的环空压耗。 井底压力 地层压力 u控压钻井井底压力稳定，且略高于 地层压力。 u常规钻井静止时井底压力大于地层 压力，循环时井底压力远高于地层压 力，这就是深井、高密度井易发生漏 失的主要原因之一。 静液压力 循环阻力 静液压力 循环阻力 节流压力 控压钻井控压钻井 压力附加值压力附加值 + 地层压力地层压力 常规钻井常规钻井 向下调节空向下调节空 间间 控压钻井消除了循环压力和操作引起的压力波

6、动对井底压力的影响。处于略过的控压钻井消除了循环压力和操作引起的压力波动对井底压力的影响。处于略过的 平衡状态，可以设计环空压力剖面，能解决因许多压力因素带来的井下问题。平衡状态，可以设计环空压力剖面，能解决因许多压力因素带来的井下问题。 常规钻井以静止时钻井液平衡地层压力为原则，并加上附加值。因此钻进时，井常规钻井以静止时钻井液平衡地层压力为原则，并加上附加值。因此钻进时，井 底压力远高于地层压力，特别是高密度钻井液循环压力高的深井。底压力远高于地层压力，特别是高密度钻井液循环压力高的深井。 井底恒压控压钻井技术主要特点 控压钻井消除了开停泵和循环压力对井底压力的影响。控压钻井消除了开停泵和

7、循环压力对井底压力的影响。 这一特点对深井和高温高压井的安全施工、提高速度及为有利。这一特点对深井和高温高压井的安全施工、提高速度及为有利。 控压钻井小幅度的压力波动。控压钻井小幅度的压力波动。 有效控制井底压力在窄窗口范围内。扩大了密度的调节空间，对有效控制井底压力在窄窗口范围内。扩大了密度的调节空间，对 水平井和窄压力窗口井非常有效。水平井和窄压力窗口井非常有效。 快速调节井下环空压力。快速调节井下环空压力。 在不调整钻井液密度的情况下，快速应对地层压力的变化。在不调整钻井液密度的情况下，快速应对地层压力的变化。 井底恒压控压钻井主要作用 控压钻井是在欠平衡基础上发展的，部分装备与欠平衡钻

8、 井装备相同。 现代控压钻井（MPD）最典型的设备是At Balance的 DAPC系统，2004年成功使用。 2007年评为世界石油科技十 大进展。相对来说， Halliburton自动节流系统起步较晚，设备 原理与DAPC基本相同，但功能比DAPC更强。其它公司的井口 压力控制装备，相对简单，其流程与常规井控节流管汇相似。 不能满足高控制精度的要求。 旋转防喷器 地面节流及压力控制系统 止回阀 井下测压仪器（国外一般为MWD、LWD 测压短节、窄密度窗口必须装备） 回压泵（窄密度窗口必须装备） 分离器 不间断循环系统（复杂地层、大斜度井等） 降ECD工具 基本装备 可选装备 增强型 MPD

9、 自动节流 MPD 手动节流 MPD 增加溢流/漏失 监测MPD 基本MPD 基本的MPD只需 要一个旋转控制 装置（RCD）和 引导回流的连通 管汇。 增加“回流监 测” ，在钻井液 出口增加流量计 以增强早期溢流 和漏失监测的能 力，并且能够确 定流动异常是否 是真的发生了溢 流、漏失或一些 其它现象。 手动节流MPD在 返出液流通道上 使用流动节流阀 作为附加的控制 点，提供了一个 易于控制的变量： 节流阀的外加压 力，或地面回压。 采用自动控制系 统来控制地面回 压，通过使用各 种数据来自动操 纵节流管汇，软 件与节流阀的 （PLC）交互， 从而控制机械装 置来调节节流阀。 增强的MP

10、D技术 通常使用动态方 法来控制井筒压 力。增加连续循 环系统和降ECD 工具。 1级2级3级4级5级 At Balance的DAPC节流系 统因需要配备了两台回压泵 动态环空压力控制系统于动态环空压力控制系统于2000年开年开 始设计，始设计，2001年进行系统开发，年进行系统开发， 2003年设备全尺寸试验取得成功。年设备全尺寸试验取得成功。 2005年年Shell公司将该技术用于了墨西哥公司将该技术用于了墨西哥 湾湾Mars TLP区块的海洋钻井解决钻井过区块的海洋钻井解决钻井过 程中的泥浆漏失和井眼失稳问题程中的泥浆漏失和井眼失稳问题 。2007 年年StatoilHydro将用于了北

11、海将用于了北海Kvitebjrn 油田高温高压开井的钻井作业。油田高温高压开井的钻井作业。 At Balance地面控压钻井设备在海洋的钻井现场应用 At Balance的DAPC节流系统原理图 Atbalance公司的DAPC系统组成 DAPC系统组成：专用节流管汇，专用回压泵，Coriolis流量计 以及将DAPC与其它系统分离的高级监控系统-集成压力控制器 IPM。 DAPC具有全自动和程序化功能，能连续稳定井底压力稳 定。 节流管汇由系统自动控制，由以下组成：一个主节流阀、一个备 用主节流阀，一个辅助节流阀，远程可控操作平台，手动控制台 以及压力传感器等。 回压泵是一台电动三缸泵，时刻

12、处于待用状态，可用远程控制， 主要作为节流流量补偿用，当泥浆泵停泵或低泵速时（即当排量 很小或停止时），回压泵启动维持节流管汇正常循环。 IPM系统集压力测试、数据监测、设备控制和实时的高速网络水 力计算分析等功能于一体，能连续控制压力，设备能在压力突然 失去平衡时快速做出反应。 DAPC系统组成及工作原理 节流管汇符合API 6A规范和ATEX标准，最大额定工作压力5000psi （345bar），最大测试压力7500psi（517bar），适应含硫地区。 采用自动控制节流设备来维持井底压力恒定。其中之一就是节流管汇。 节流管汇能在综合压力控制器IPM的控制下快速调整回压，IPM与高速网络

13、相连。 IPM监控回压，并维持在水力模型计算值的范围内。如果压力不平衡，会发 出指令，节流管汇会快速对节流阀进行调节。 节流管汇在主阀和备用主阀间有切换和独立自动泄压的能力，IPM能应对大 部分突发故障。有自动保险装置，当主节流阀工作异常时，会切换到备用节 流阀。并关闭通道，以稳定井底压力。 当控制信号传输出现问题时，系统维持节流阀开度不变，以此来维持稳定回 压。同时系统自动发出警报，转为手动控制模式。 DAPC参数及功能 Halliburton自动节流系统原理图 Halliburton的自动节流系统全部 气液驱动，使用更安全。 具有手动与自动控制功能。 Halliburton回压泵增加了高精

14、度的 入口流量监测，对起下钻、停止循 环时微流量监测更可靠。 具有手动与自动控制功能 Halliburton的自动节流系统 研究与应用晚于DAPC系统， 其原理与DAPC系统完全相同， 只是在回压泵上加上了一个入 口流量计，在节流管汇中加了 一个泥浆直流通道，并改变了 安全溢流管线，参数指标与 DAPC系统相同。但在微流量 监测方面优于DAPC系统。 控制原理与DAPC系统相似，采用井底压力闭环控制，控制精 度高 能在一定条件下，对一个井段的全过程进行控压钻井。 能进行地层压力测试，设定合适的井底压力。 能进行微流量监测，连续监测外溢与漏失，以此调节压力设定值。 与录井结合，采集气测资料，综合

15、分析判断井下是否平衡。 Halliburton 控压钻井系统主要优势 威德福节流系统 MFC钻井控制以微流量为基础，连续监测外溢与漏失，即使有少量的钻井控制以微流量为基础，连续监测外溢与漏失，即使有少量的 外溢与漏失也会发现，以此为依据调整回压值，在窄密度窗口钻井中处于外溢与漏失也会发现，以此为依据调整回压值，在窄密度窗口钻井中处于 一种近平衡状态，保证井下安全和施工继续。一种近平衡状态，保证井下安全和施工继续。 向有回压补偿的方向发展 回压泵曾经是DAPC系统独有的，现在Halliburton节流系统、 Weatherford的MFC系统均配有回压泵，在比较简易的控压钻井系统，根据 需要也选

16、配回压泵。 监测功能更全 除了微流量监测，还有液面监测与气测录井监测结合，增强了对井下 工况的监测分析功能。 软件功能更多 各大公司有自己与设备配套的软件，各有特点。阿什卡公司可根据用 户需要订制开发控压钻井软件。 自动控制 手动半自动节流人为因素影响大，长期工作会出现许多问题，多在控 压钻井发展初期使用。 一般井上用双节流通道 出现了双节流通道的DAPC系统，应该是有市场需要才开发的。 发展趋势 窄密度窗口区： 窄密度窗口如塔里木塔中地区、塔里木山前带的迪纳、克拉、大北地区、 四川地区、青海柴达木地区、玉门地区。 枯竭油气区： 国内许多油田处在开发中后期，对控压钻井有需求。 钻井漏失区： 目

17、的层恶性漏失地区，这些情况在国内各油田都不同程度存在。 高温高压区： 国内不少油田的深井存在类似地区如塔里木山前、柴达木地区、玉门地 区，可以提高钻井速度。消除钻井液循环压耗过大对钻井的影响，并提高钻 井速度。 其它应用： 可以根据需要，对不同井段实施欠平衡、平衡钻井可以用较低密度钻井 液钻开高压压层减少事故和复杂，减少钻井的风险。 正常钻进时流程 主节流阀失效时流程 起下钻接单根流程 气浸时流程 维护旋转头流程 全球第一套全球第一套控压钻井管汇台由美国美国T3能源服务有限公司能源服务有限公司 （EEC）为At Balance成套。使用T3能源的HXE节流阀及 HPT阀板阀成套。 到目前为止，

18、T3公司已经为全球各大公司如Weatherford, Harlliburton, Schlumberger 等共成套MPD管汇台100多多 套套。 T3 Product Offerings - MPD Operations T3 公司控压钻井系统产品 1.At Balance, a Schlumberger company, 7 set MPD manifolds; At Balance, 斯伦贝谢旗下一家公司，7套MPD管汇。 2.Weatherford, secure drilling, 20 set MPD manifolds 威德福安全钻井，20套MPD管汇； 3.Weatherfor

19、d control pressure drilling, 12 set MPD manifolds; 威德福控压钻井，12套MPD管汇； 4.OPTIMAL, 10 set MPD manifolds. OPTIMAL, 10套MPD管汇； 5. SINOPEC SW Bureau, 3 set HXE valves for MPD. 中石化西南石油局，3套控压钻井HXE节流阀； 6.CNPC Drilling & Engineering Institute, 6 set HXE valves for MPD. 中石油钻采院，6套控压钻井节流阀； 7. CNPC Daqing Drilling

20、 & Engineering Institute, 2 set HXE valves for MPD. 中石油大庆钻井工程技术研究院，2套控压钻井节流阀； T3 MPD 产品销售业绩 MPD manifold T3 build for Weatherford North Sea T3公司为威德福北海项目生产的MPD管汇台 MPD manifold T3 build for At Balance/ Schlumberger West Africa T3公司为At Balance/Schlumberger西非项目生产的MPD管汇台 为什么全球知名的服务/钻井公司都选用 T3公司的HXE节流阀来成套

21、控压钻井管汇？ 1）可控性好/特性曲线好。 节流阀开度Vs通过能力曲线（Cv曲线）应在最大的开度范围内 成线性关系。 2）使用寿命长。 由壬压盖设计，阀门内部可整体旋转任意角度安装，延长使用 寿命； 油嘴和阀座为整体式碳化钨硬质合金，并且油嘴和阀座都可以 调换方向安装，延长使用寿命； 下游出口为法兰短节，内镶硬质合金套，保护阀体和下游设备 不受冲蚀，降低维护成本。 3）业绩多。全球的主要MPD项目都选用T3公司HXE节流阀，如 HALLIBURTON，WEATHERFORD，AT BALANCE。 Multiple Trim sizes to handle wide range of flow

22、 rates from low to high. 多种节流通径，可满足不同流量的要求。 Worm Gear drive to provide precise position adjustment rapidly 液动马达驱动涡轮涡杆传动，响应速度快，可实现精细控 制。 Digital Position Indication for signal relay to control system 数字阀位/开度显示，和控制系统联接。 Available with servo electric motor increased accuracy 可选伺服电机电动控制，提高控制精度。 Rugged T

23、ungsten Carbide Trim for erosion resistance in abrasive flow 碳化钨硬质合金阀芯/油嘴/防冲蚀套，满足极端冲蚀/腐 蚀环境使用要求。 HXE 节流阀 针形节流阀震动大、阀杆易断裂。 国内由塔里木油田和重庆新泰研发 了楔形节流阀，解决了震动和阀杆 断裂的问题。但牺牲了节流特性， 节流不好控制。而且楔面易刺伤。 筒形节流阀节流特性好，震动小， 耐冲蚀，钻井上应用最多。 国产针形节流阀国产针形节流阀 楔形节流阀流场矢量分析 国产楔形节流阀国产楔形节流阀 国产筒形节流阀国产筒形节流阀 美国美国T3公司筒形节流阀公司筒形节流阀 美国美国Powe

24、r Choke公司筒形节流阀公司筒形节流阀 T3公司HXE节流阀矢量模拟试验。 HXE节流阀是T3公司专门为极端环境设计的，阀 芯及阀座设计独特，极大地提高了抗冲蚀能力 ，适用于高流速及强冲蚀的环境中。 特点: 由壬式阀盖设计，维护方便. 阀苡及阀座采用整体式碳化钨材料. 阀芯结构设计独特，可实现精细节流控制. 阀芯座表面喷涂硬质合金，可旋转任意角 度安装，处长使用寿命. 出口下游采用硬质合金套，比行业中其它 节流阀抗冲蚀能力强3-4倍. 配数字阀位显示器. 同一阀体可安装 1 ”,2” 和 3” 阀芯. 入口及出口设计为法兰短节，只需更换短 节就可实现API, ANSI或由壬法兰连接. 压力

25、级别5000PSI，10000PSI， 15000PSI，20000PSI 材料级别：EE，FF，HH 执行器执行器 出口出口 阀体阀体 入口入口 HXE节流阀以其优越的抗冲蚀性能，得到了全球用户的认可和好评。节流阀以其优越的抗冲蚀性能，得到了全球用户的认可和好评。 已被已被HARLLIBURTON等知名油服公司指定为超深井（泥浆密度大于等知名油服公司指定为超深井（泥浆密度大于2.0）钻井的）钻井的 必选产品。必选产品。 回弹式碳氟密封回弹式碳氟密封 PEEK 耐磨密封耐磨密封 可调换方向的阀芯及碳化钨阀座可调换方向的阀芯及碳化钨阀座 表面喷涂硬质合金表面喷涂硬质合金 可旋转任意角度安装可旋转

26、任意角度安装 EXPRO 1.5”节流阀Cv曲线，开度在40% 到90%之间为有效工作区间，非线性曲线； 开度40%-Cv值2 开度60%-Cv值15 开度90%-Cv值60 T3公司 1.5”节流阀Cv曲线，开度在 30%到60%之间为有效工作区间，线 性曲线； 开度30%-Cv值10 开度60%-Cv值70 T3公司HXE和POWER CHOKE公司 1.5”节流阀的Cv曲线对比。 EXPRO 2”节流阀Cv曲线，开度在50%到 80%之间为有效工作区间，非线性曲线； 开度50%-Cv值18 开度80%-Cv值82 T3公司 2”节流阀Cv曲线，开度在 30%到70%之间为有效工作区间，线

27、 性曲线； 开度30%-Cv值10 开度70%-Cv值110 T3公司HXE和POWER CHOKE公司 2”节流阀的Cv曲线对比。 EXPRO 3”节流阀Cv曲线，开度在30%到 70%之间为有效工作区间，非线性曲线； 开度30%-Cv值10 开度70%-Cv值140 T3公司 3”节流阀Cv曲线，开度在 27% 到 70%之间为有效工作区间， 线性曲线； 开度27%-Cv值20 开度70%-Cv值160 T3公司HXE和POWER CHOKE公司 3”节流阀的Cv曲线对比。 普胜特能源西南服务中 心成立于2006年10月，地址位 于成都郫县现代工业港。 2009年5月搬迁至广汉 新丰镇，厂

28、房面积1300平方米。 2010年普胜特能源服 务有限公司投资550万美元在 中国四川省广汉市成立普胜特 能源（广汉）服务有限公司， 承担T3产品在中国的售后服务。 经过两年的发展，现 已形成规模化修理修造井口及 管汇台的服务能力。 一、服务中心简介一、服务中心简介 T3/EEC公司主管国际销售副总裁MICHAEL TAYLOR先生20082008年年1010月月访问普胜特公司服务中心 （成都郫县）。 普胜特能源（广汉）服务有限公司位于四川省广汉市经济开发区清远路9号（ 成绵高速公路侧），占地面积45.07亩。 总建筑面积17146.78平方米(其中厂房 11646.16平方米，办公楼、食堂、附属 设备用房及宿舍建筑面积5500.62平方米)。 分两期建设，一