用于壓力可控鉆井的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于壓力可控鉆井系統(tǒng)的系統(tǒng)及方法，具體用于評(píng)估和優(yōu)化系統(tǒng)以提 高系統(tǒng)可靠性。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代化鉆井實(shí)踐中，鉆井流體（或泥漿）作為一級(jí)井控的介質(zhì)。兩個(gè)主要的井 控問(wèn)題是井涌和鉆井流體（即，鉆井泥漿或泥漿）損失。井涌指的是流體（例如，石油、天 然氣）不受控地從巖層涌入井孔的事件。在極端情況下，石油和天然氣脫離井孔進(jìn)入露天 (即，自噴井）會(huì)導(dǎo)致如火災(zāi)和爆炸的災(zāi)難性事件。鉆井流體填充井孔會(huì)產(chǎn)生比巖層壓力梯 度（也稱為孔隙壓力梯度）更大的壓力梯度，由此在鉆井過(guò)程中將巖層流體封鎖在巖層中。
[0003] 另一方面，如果鉆井流體的壓力梯度太高并超過(guò)巖層的破裂壓力梯度（即，在該 壓力下巖層開(kāi)始破裂），則鉆井流體會(huì)滲進(jìn)巖層，從而導(dǎo)致鉆井流體損失，甚至導(dǎo)致井孔崩 塌。在這些情況下，巖層需要利用沿著井孔下放的套管來(lái)保護(hù)。幾個(gè)這樣的套管即可迅速 減小井底處的井孔尺寸，這使得井孔尺寸對(duì)于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)來(lái)說(shuō)過(guò)小。因此，鉆井流體的壓 力梯度應(yīng)當(dāng)保持在巖層壓力梯度和破裂壓力梯度（即，鉆井窗口）之間。
[0004] 因?yàn)槭秃吞烊粴饪碧矫半U(xiǎn)地涉獵更復(fù)雜的地質(zhì)條件（例如在深海石油勘探 中），所以鉆井窗口變得更窄且更不規(guī)則。井涌不僅歸咎于鉆通具有不同巖層壓力梯度的多 層巖層，還頻繁地由常規(guī)操作（例如，起鉆）引起。因此，更快速更精確地控制鉆井流體壓 力梯度變得更為重要。
[0005] 壓力可控鉆井（MPD)是應(yīng)對(duì)一些上述挑戰(zhàn)的增強(qiáng)型鉆井方法。MH)使用包括旋轉(zhuǎn) 控制裝置（RCD)、鉆柱止回閥（NRV)和專用節(jié)流歧管的設(shè)備來(lái)封閉通往露天的鉆井流體回 路，而不是使用暴露在空氣中的鉆井流體系統(tǒng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，用附加的設(shè)備來(lái)密封鉆井流 體以隔絕空氣，并向鉆井流體施加主動(dòng)控制式背壓。背壓允許操作者使用較輕的鉆井流體， 由此能以更接近于巖層壓力梯度的壓力梯度進(jìn)行鉆井，從而有效地?cái)U(kuò)大了可操作的鉆井窗 口。另外，可根據(jù)任何井涌或者鉆井流體損失的跡象來(lái)迅速調(diào)整背壓，從而更有效地控制井 的狀態(tài)（例如井底壓力（BHP) )。BHP為井底部的壓力。MPD能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的BHP，并可避免鉆 井期間的BHP振蕩。
[0006] 另外，更好的壓力控制還可降低巖層破裂的發(fā)生，并因此減少或避免復(fù)雜的套管 操作。因此，井底可保持大到能滿足生產(chǎn)目的的尺寸。于是，越來(lái)越多的鉆井作業(yè)采用MPD 方法，尤其是海上深海鉆井作業(yè)。
[0007] 雖然使用MPD鉆井系統(tǒng)具有諸多好處，但是在緊湊型鉆井窗口中仍存在對(duì)諸如井 涌和泥漿損失的主要擔(dān)憂。靈敏的井涌檢測(cè)方法、綜合的井控程序和充分的井涌處理設(shè)備 (分離器、火炬臂等）是周密的MPD鉆井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。因此，需要能對(duì)MPD鉆井系統(tǒng)的 鉆井和井下構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化的方法及設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本公開(kāi)提供了針對(duì)Mro鉆井系統(tǒng)的鉆井和井下構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化的方法。在一個(gè)實(shí)施 例中，該方法包括設(shè)計(jì)包括旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCD)、鉆柱止回閥（NRV)、節(jié)流歧管和多種井下 鉆具的Mro鉆井系統(tǒng)，其中將所述Mro鉆井系統(tǒng)配置為執(zhí)行MPD操作。該方法還包括識(shí)別 Mro鉆井系統(tǒng)的失效模式并使用一個(gè)或多個(gè)可靠性模型來(lái)評(píng)估失效模式的發(fā)生概率?；?所述評(píng)估，可設(shè)計(jì)并實(shí)施新的或者改進(jìn)后的井控方案。
[0009] 可使用任意合適的可靠性模型來(lái)進(jìn)行可靠性評(píng)估，所述可靠性模型包括失效模式 和效果分析（FMEA)、故障樹(shù)分析（FTA)、石川圖、帕累托圖和可靠性框圖（RBD)。Mro鉆井系 統(tǒng)中的失效模式包括：無(wú)法產(chǎn)生鉆井泥漿、井漏、泥漿池液面增高、不正確的泥漿重量測(cè)量 液面、泥衆(zhòng)特性改變、壓井重泥衆(zhòng)（kill weight mud)缺失、無(wú)法刺入內(nèi)部防噴器（IBOP)或 者全啟式安全閥（FOSV)、管線斷裂、壓力控制損失、到達(dá)地表的未預(yù)料氣體、立管內(nèi)有氣體、 栗管線阻塞、栗失效、井孔不穩(wěn)定、連續(xù)的井孔涌入、高井底壓力（BHP)、巖層破裂、井涌、BHP 猛增、不成功的井控、循環(huán)損失、無(wú)法補(bǔ)救泥漿損失和高當(dāng)量循環(huán)密度（ECD)。
[0010] 本公開(kāi)還提供了一種MH)鉆井系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCD)、鉆柱止回閥 (NRV)、節(jié)流歧管、Β0Ρ、泥漿系統(tǒng)以及多種井下鉆具，對(duì)于海上鉆井來(lái)說(shuō)該系統(tǒng)還包括立管。 使用的一個(gè)或多個(gè)可靠性模型對(duì)所述系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估，其中所述一個(gè)或多個(gè)可靠性 模型選自失效模式和效果分析（FMEA)、故障樹(shù)分析（FTA)、石川圖、帕累托圖、可靠性框圖 (RBD)及其組合。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 結(jié)合附圖來(lái)考慮下文詳細(xì)描述，可容易地理解本發(fā)明的教導(dǎo)。
[0012] 圖1是失效模式以及這些失效模式之間關(guān)系的示意圖。
[0013] 圖2是MPD鉆井系統(tǒng)的故障樹(shù)分析的示例。
[0014] 圖3是MPD鉆井系統(tǒng)的可靠性框圖的示例。
[0015] 圖4示出了用于壓力可控鉆井（MPD)操作的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 現(xiàn)在，對(duì)本公開(kāi)的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)參考，其中附圖中示出了這些實(shí)施例的示例。應(yīng) 該指出，如果適當(dāng)，則在附圖中使用相似或相同的附圖標(biāo)記，并且它們表示相似或相同的元 件。
[0017] 附圖對(duì)本公開(kāi)實(shí)施例的描繪僅出于說(shuō)明性目的。通過(guò)下文描述，在不脫離本公開(kāi) 普遍性原理的情況下本領(lǐng)域的技術(shù)人員將更容易地想到可替換性實(shí)施例。
[0018] 除非另有說(shuō)明，本文使用的術(shù)語(yǔ)與油田服務(wù)行業(yè)使用的鉆井術(shù)語(yǔ)表一致，例如由 石油推廣服務(wù)（Petroleum Extension Service)于2011年出版的"石油和天然氣行業(yè)詞 典，第二版"中所記載的鉆井術(shù)語(yǔ)表。
[0019] 根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，Mro鉆井操作的失效模式可包括：無(wú)法產(chǎn)生鉆井泥漿、井 涌、井漏、泥漿池液面增高、不正確的泥漿重量測(cè)量液面、泥漿特性改變、壓井重泥漿缺失、 無(wú)法刺入內(nèi)部防噴器（IBOP)或者全啟式安全閥（FOSV)、管線斷裂、壓力控制損失、到達(dá)地 表的未預(yù)料氣體、立管內(nèi)有氣體、栗管線阻塞、栗失效、井孔不穩(wěn)定、連續(xù)的井孔涌入、高井 底壓力、巖層破裂、BHP猛增、不成功的井控、循環(huán)損失、無(wú)法補(bǔ)救泥漿損失、高當(dāng)量循環(huán)密度 (ECD)、井孔尺寸太小而不滿足于生產(chǎn)?？墒褂每煽啃阅Ｐ蛠?lái)對(duì)每個(gè)失效模式進(jìn)行評(píng)估。
[0020] 根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，可使用失效模式和效果分析（FMEA)作為可靠性模型來(lái) 評(píng)估MH)鉆井系統(tǒng)的可靠性。FMEA是一種用于檢測(cè)和預(yù)防潛在失效的系統(tǒng)性方法。FMEA 提供了分級(jí)系統(tǒng)或者優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)，從而能確定最有可能的失效模式。FMEA應(yīng)用在MPD操作 的預(yù)備過(guò)程的初始階段，這包括了海上鉆井。提出多種潛在的失效模式，并就它們的成因、 嚴(yán)重程度和發(fā)生概率進(jìn)行評(píng)估和記錄。
[0021] 在FMEA方法的一個(gè)方面中，對(duì)多個(gè)失效模式中的一個(gè)失效模式的嚴(yán)重程度進(jìn)行 分級(jí)并為其分配數(shù)值。表1示出了對(duì)失效模式的嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)的示例。
[0022]表 1
[0023]
[0024] 還對(duì)發(fā)生失效（OCC)的概率進(jìn)行分級(jí)，例如，如表2所示。
[0025] 表 2
[0026]
[0027] 還對(duì)檢測(cè)失效（DET)的概率進(jìn)行分級(jí)，例如，如表3所示。
[0028] 表 3
[0029]
[0030] 針對(duì)每種失效模式，可根據(jù)下式計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN):
[0031] RPN = SEV*0CC*DET
[0032] 圖1示出了可能在海上Mro鉆井作業(yè)中導(dǎo)致井噴的失效模式。小圓表示各種失效 模式。由小圓指向中心圓（表示井噴）的箭頭表示失效模式和井噴之間的因果關(guān)系。每種 失效模式具有其相應(yīng)的RPN。失效模式的RPN總和作為總體系統(tǒng)的RPN。針對(duì)系統(tǒng)和過(guò)程 進(jìn)行的旨在減小個(gè)體失效模式的RPN的修改可使得總體系統(tǒng)的RPN減小。
[0033] 根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)方面，采用故障樹(shù)分析（FTA)作為可靠性模型來(lái)評(píng)估MH)鉆 井系統(tǒng)的可靠性。FTA是一種能確定失效的潛在成因并用于評(píng)估MH)操作的失效概率的演 繹法，MPD操作包括海上鉆井作業(yè)。
[0034] FTA分析定義了失效事件（例如，井噴）。對(duì)可能導(dǎo)致失效事件的失效模式進(jìn)行識(shí) 另IJ、分配數(shù)值并按照發(fā)生的順序進(jìn)行排序。使用本領(lǐng)域已知的各種事件符號(hào)和門(mén)符號(hào)來(lái)構(gòu) 建故障樹(shù)?？蓪⒉紶柎鷶?shù)應(yīng)用于故障樹(shù)來(lái)研究事件之間的代數(shù)關(guān)系并使用布爾代數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化 表達(dá)式?？墒褂酶怕式y(tǒng)計(jì)方法來(lái)確定每個(gè)中間事件（例如，BOP設(shè)備失效）的概率和首要 事件（例如，井噴）的概率。
[0035] FTA分析的一個(gè)方面是，可按照從首要事件至基本事件的順序執(zhí)行評(píng)估，反之亦 然。另外，可采用最小割集法進(jìn)行評(píng)估。割集是基本事件，該事件的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致首要事件的 發(fā)生。如果將任意基本事件從最小割集中移除，則剩余事件不再為割集?？墒褂糜?jì)算機(jī)算 法來(lái)識(shí)別割集。一旦識(shí)別出所有割集，那么首要事件就是所有最小割集的或門(mén)組合。
[0036] 圖2示出了采用FTA分析運(yùn)行中的MH)鉆井系統(tǒng)的示例。存在六個(gè)基本事件 E1-E6。基本事件會(huì)導(dǎo)致它們相應(yīng)的中間事件的發(fā)生，例如，"井涌型未預(yù)料孔隙壓力P = I. 89E-2"表示基本事件El由于意想不到的孔隙壓力變化而導(dǎo)致井涌的概率為I. 89E 2。中 間事件通過(guò)各種門(mén)G0-G4進(jìn)行組合，并在首要事件"井控?fù)p失（井噴）"處整合，