用于壓力可控鉆井的系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于壓力可控鉆井系統的系統及方法，具體用于評估和優化系統以提 高系統可靠性。
【背景技術】
[0002] 在現代化鉆井實踐中，鉆井流體（或泥漿）作為一級井控的介質。兩個主要的井 控問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入露天 (即，自噴井）會導致如火災和爆炸的災難性事件。鉆井流體填充井孔會產生比巖層壓力梯 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巖層的破裂壓力梯度（即，在該 壓力下巖層開始破裂），則鉆井流體會滲進巖層，從而導致鉆井流體損失，甚至導致井孔崩 塌。在這些情況下，巖層需要利用沿著井孔下放的套管來保護。幾個這樣的套管即可迅速 減小井底處的井孔尺寸，這使得井孔尺寸對于工業規模生產來說過小。因此，鉆井流體的壓 力梯度應當保持在巖層壓力梯度和破裂壓力梯度（即，鉆井窗口）之間。
[0004] 因為石油和天然氣勘探冒險地涉獵更復雜的地質條件（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)是應對一些上述挑戰的增強型鉆井方法。MH)使用包括旋轉 控制裝置（RCD)、鉆柱止回閥（NRV)和專用節流歧管的設備來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。簡單來說就是，用附加的設備來密封鉆井流 體以隔絕空氣，并向鉆井流體施加主動控制式背壓。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行鉆井，從而有效地擴大了可操作的鉆井窗 口。另外，可根據任何井涌或者鉆井流體損失的跡象來迅速調整背壓，從而更有效地控制井 的狀態（例如井底壓力（BHP) )。BHP為井底部的壓力。MPD能實現穩定的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生，并因此減少或避免復雜的套管 操作。因此，井底可保持大到能滿足生產目的的尺寸。于是，越來越多的鉆井作業采用MPD 方法，尤其是海上深海鉆井作業。
[0007] 雖然使用MPD鉆井系統具有諸多好處，但是在緊湊型鉆井窗口中仍存在對諸如井 涌和泥漿損失的主要擔憂。靈敏的井涌檢測方法、綜合的井控程序和充分的井涌處理設備 (分離器、火炬臂等）是周密的MPD鉆井設計的關鍵要素。因此，需要能對MPD鉆井系統的 鉆井和井下構造進行優化的方法及設備。
【發明內容】
[0008] 本公開提供了針對Mro鉆井系統的鉆井和井下構造進行優化的方法。在一個實施 例中，該方法包括設計包括旋轉控制裝置（RCD)、鉆柱止回閥（NRV)、節流歧管和多種井下 鉆具的Mro鉆井系統，其中將所述Mro鉆井系統配置為執行MPD操作。該方法還包括識別 Mro鉆井系統的失效模式并使用一個或多個可靠性模型來評估失效模式的發生概率。基于 所述評估，可設計并實施新的或者改進后的井控方案。
[0009] 可使用任意合適的可靠性模型來進行可靠性評估，所述可靠性模型包括失效模式 和效果分析（FMEA)、故障樹分析（FTA)、石川圖、帕累托圖和可靠性框圖（RBD)。Mro鉆井系 統中的失效模式包括：無法產生鉆井泥漿、井漏、泥漿池液面增高、不正確的泥漿重量測量 液面、泥衆特性改變、壓井重泥衆（kill weight mud)缺失、無法刺入內部防噴器（IBOP)或 者全啟式安全閥（FOSV)、管線斷裂、壓力控制損失、到達地表的未預料氣體、立管內有氣體、 栗管線阻塞、栗失效、井孔不穩定、連續的井孔涌入、高井底壓力（BHP)、巖層破裂、井涌、BHP 猛增、不成功的井控、循環損失、無法補救泥漿損失和高當量循環密度（ECD)。
[0010] 本公開還提供了一種MH)鉆井系統。該系統包括旋轉控制裝置（RCD)、鉆柱止回閥 (NRV)、節流歧管、Β0Ρ、泥漿系統以及多種井下鉆具，對于海上鉆井來說該系統還包括立管。 使用的一個或多個可靠性模型對所述系統的可靠性進行評估，其中所述一個或多個可靠性 模型選自失效模式和效果分析（FMEA)、故障樹分析（FTA)、石川圖、帕累托圖、可靠性框圖 (RBD)及其組合。
【附圖說明】
[0011] 結合附圖來考慮下文詳細描述，可容易地理解本發明的教導。
[0012] 圖1是失效模式以及這些失效模式之間關系的示意圖。
[0013] 圖2是MPD鉆井系統的故障樹分析的示例。
[0014] 圖3是MPD鉆井系統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。
【具體實施方式】
[0016] 現在，對本公開的實施例進行詳細參考，其中附圖中示出了這些實施例的示例。應 該指出，如果適當，則在附圖中使用相似或相同的附圖標記，并且它們表示相似或相同的元 件。
[0017] 附圖對本公開實施例的描繪僅出于說明性目的。通過下文描述，在不脫離本公開 普遍性原理的情況下本領域的技術人員將更容易地想到可替換性實施例。
[0018] 除非另有說明，本文使用的術語與油田服務行業使用的鉆井術語表一致，例如由 石油推廣服務（Petroleum Extension Service)于2011年出版的"石油和天然氣行業詞 典，第二版"中所記載的鉆井術語表。
[0019] 根據本公開的一個方面，Mro鉆井操作的失效模式可包括：無法產生鉆井泥漿、井 涌、井漏、泥漿池液面增高、不正確的泥漿重量測量液面、泥漿特性改變、壓井重泥漿缺失、 無法刺入內部防噴器（IBOP)或者全啟式安全閥（FOSV)、管線斷裂、壓力控制損失、到達地 表的未預料氣體、立管內有氣體、栗管線阻塞、栗失效、井孔不穩定、連續的井孔涌入、高井 底壓力、巖層破裂、BHP猛增、不成功的井控、循環損失、無法補救泥漿損失、高當量循環密度 (ECD)、井孔尺寸太小而不滿足于生產。可使用可靠性模型來對每個失效模式進行評估。
[0020] 根據本公開的一個方面，可使用失效模式和效果分析（FMEA)作為可靠性模型來 評估MH)鉆井系統的可靠性。FMEA是一種用于檢測和預防潛在失效的系統性方法。FMEA 提供了分級系統或者優先級系統，從而能確定最有可能的失效模式。FMEA應用在MPD操作 的預備過程的初始階段，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、 嚴重程度和發生概率進行評估和記錄。
[0021] 在FMEA方法的一個方面中，對多個失效模式中的一個失效模式的嚴重程度進行 分級并為其分配數值。表1示出了對失效模式的嚴重程度進行分級的示例。
[0022]表 1
[0023]
[0024] 還對發生失效（OCC)的概率進行分級，例如，如表2所示。
[0025] 表 2
[0026]
[0027] 還對檢測失效（DET)的概率進行分級，例如，如表3所示。
[0028] 表 3
[0029]
[0030] 針對每種失效模式，可根據下式計算風險優先數（RPN):
[0031] RPN = SEV*0CC*DET
[0032] 圖1示出了可能在海上Mro鉆井作業中導致井噴的失效模式。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系。每種 失效模式具有其相應的RPN。失效模式的RPN總和作為總體系統的RPN。針對系統和過程 進行的旨在減小個體失效模式的RPN的修改可使得總體系統的RPN減小。
[0033] 根據本公開的另一個方面，采用故障樹分析（FTA)作為可靠性模型來評估MH)鉆 井系統的可靠性。FTA是一種能確定失效的潛在成因并用于評估MH)操作的失效概率的演 繹法，MPD操作包括海上鉆井作業。
[0034] FTA分析定義了失效事件（例如，井噴）。對可能導致失效事件的失效模式進行識 另IJ、分配數值并按照發生的順序進行排序。使用本領域已知的各種事件符號和門符號來構 建故障樹。可將布爾代數應用于故障樹來研究事件之間的代數關系并使用布爾代數來簡化 表達式。可使用概率統計方法來確定每個中間事件（例如，BOP設備失效）的概率和首要 事件（例如，井噴）的概率。
[0035] FTA分析的一個方面是，可按照從首要事件至基本事件的順序執行評估，反之亦 然。另外，可采用最小割集法進行評估。割集是基本事件，該事件的發生會導致首要事件的 發生。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。可使用計算機算 法來識別割集。一旦識別出所有割集，那么首要事件就是所有最小割集的或門組合。
[0036] 圖2示出了采用FTA分析運行中的MH)鉆井系統的示例。存在六個基本事件 E1-E6。基本事件會導致它們相應的中間事件的發生，例如，"井涌型未預料孔隙壓力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致井涌的概率為I. 89E 2。中 間事件通過各種門G0-G4進行組合，并在首要事件"井控損失（井噴）"處整合，