用于压力可控钻井的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于压力可控钻井系统的系统及方法，具体用于评估和优化系统以提 高系统可靠性。
【背景技术】
[0002] 在现代化钻井实践中，钻井流体（或泥浆）作为一级井控的介质。两个主要的井 控问题是井涌和钻井流体（即，钻井泥浆或泥浆）损失。井涌指的是流体（例如，石油、天 然气）不受控地从岩层涌入井孔的事件。在极端情况下，石油和天然气脱离井孔进入露天 (即，自喷井）会导致如火灾和爆炸的灾难性事件。钻井流体填充井孔会产生比岩层压力梯 度（也称为孔隙压力梯度）更大的压力梯度，由此在钻井过程中将岩层流体封锁在岩层中。
[0003] 另一方面，如果钻井流体的压力梯度太高并超过岩层的破裂压力梯度（即，在该 压力下岩层开始破裂），则钻井流体会渗进岩层，从而导致钻井流体损失，甚至导致井孔崩 塌。在这些情况下，岩层需要利用沿着井孔下放的套管来保护。几个这样的套管即可迅速 减小井底处的井孔尺寸，这使得井孔尺寸对于工业规模生产来说过小。因此，钻井流体的压 力梯度应当保持在岩层压力梯度和破裂压力梯度（即，钻井窗口）之间。
[0004] 因为石油和天然气勘探冒险地涉猎更复杂的地质条件（例如在深海石油勘探 中），所以钻井窗口变得更窄且更不规则。井涌不仅归咎于钻通具有不同岩层压力梯度的多 层岩层，还频繁地由常规操作（例如，起钻）引起。因此，更快速更精确地控制钻井流体压 力梯度变得更为重要。
[0005] 压力可控钻井（MPD)是应对一些上述挑战的增强型钻井方法。MH)使用包括旋转 控制装置（RCD)、钻柱止回阀（NRV)和专用节流歧管的设备来封闭通往露天的钻井流体回 路，而不是使用暴露在空气中的钻井流体系统。简单来说就是，用附加的设备来密封钻井流 体以隔绝空气，并向钻井流体施加主动控制式背压。背压允许操作者使用较轻的钻井流体， 由此能以更接近于岩层压力梯度的压力梯度进行钻井，从而有效地扩大了可操作的钻井窗 口。另外，可根据任何井涌或者钻井流体损失的迹象来迅速调整背压，从而更有效地控制井 的状态（例如井底压力（BHP) )。BHP为井底部的压力。MPD能实现稳定的BHP，并可避免钻 井期间的BHP振荡。
[0006] 另外，更好的压力控制还可降低岩层破裂的发生，并因此减少或避免复杂的套管 操作。因此，井底可保持大到能满足生产目的的尺寸。于是，越来越多的钻井作业采用MPD 方法，尤其是海上深海钻井作业。
[0007] 虽然使用MPD钻井系统具有诸多好处，但是在紧凑型钻井窗口中仍存在对诸如井 涌和泥浆损失的主要担忧。灵敏的井涌检测方法、综合的井控程序和充分的井涌处理设备 (分离器、火炬臂等）是周密的MPD钻井设计的关键要素。因此，需要能对MPD钻井系统的 钻井和井下构造进行优化的方法及设备。
【发明内容】
[0008] 本公开提供了针对Mro钻井系统的钻井和井下构造进行优化的方法。在一个实施 例中，该方法包括设计包括旋转控制装置（RCD)、钻柱止回阀（NRV)、节流歧管和多种井下 钻具的Mro钻井系统，其中将所述Mro钻井系统配置为执行MPD操作。该方法还包括识别 Mro钻井系统的失效模式并使用一个或多个可靠性模型来评估失效模式的发生概率。基于 所述评估，可设计并实施新的或者改进后的井控方案。
[0009] 可使用任意合适的可靠性模型来进行可靠性评估，所述可靠性模型包括失效模式 和效果分析（FMEA)、故障树分析（FTA)、石川图、帕累托图和可靠性框图（RBD)。Mro钻井系 统中的失效模式包括：无法产生钻井泥浆、井漏、泥浆池液面增高、不正确的泥浆重量测量 液面、泥衆特性改变、压井重泥衆（kill weight mud)缺失、无法刺入内部防喷器（IBOP)或 者全启式安全阀（FOSV)、管线断裂、压力控制损失、到达地表的未预料气体、立管内有气体、 栗管线阻塞、栗失效、井孔不稳定、连续的井孔涌入、高井底压力（BHP)、岩层破裂、井涌、BHP 猛增、不成功的井控、循环损失、无法补救泥浆损失和高当量循环密度（ECD)。
[0010] 本公开还提供了一种MH)钻井系统。该系统包括旋转控制装置（RCD)、钻柱止回阀 (NRV)、节流歧管、Β0Ρ、泥浆系统以及多种井下钻具，对于海上钻井来说该系统还包括立管。 使用的一个或多个可靠性模型对所述系统的可靠性进行评估，其中所述一个或多个可靠性 模型选自失效模式和效果分析（FMEA)、故障树分析（FTA)、石川图、帕累托图、可靠性框图 (RBD)及其组合。
【附图说明】
[0011] 结合附图来考虑下文详细描述，可容易地理解本发明的教导。
[0012] 图1是失效模式以及这些失效模式之间关系的示意图。
[0013] 图2是MPD钻井系统的故障树分析的示例。
[0014] 图3是MPD钻井系统的可靠性框图的示例。
[0015] 图4示出了用于压力可控钻井（MPD)操作的方法。
【具体实施方式】
[0016] 现在，对本公开的实施例进行详细参考，其中附图中示出了这些实施例的示例。应 该指出，如果适当，则在附图中使用相似或相同的附图标记，并且它们表示相似或相同的元 件。
[0017] 附图对本公开实施例的描绘仅出于说明性目的。通过下文描述，在不脱离本公开 普遍性原理的情况下本领域的技术人员将更容易地想到可替换性实施例。
[0018] 除非另有说明，本文使用的术语与油田服务行业使用的钻井术语表一致，例如由 石油推广服务（Petroleum Extension Service)于2011年出版的"石油和天然气行业词 典，第二版"中所记载的钻井术语表。
[0019] 根据本公开的一个方面，Mro钻井操作的失效模式可包括：无法产生钻井泥浆、井 涌、井漏、泥浆池液面增高、不正确的泥浆重量测量液面、泥浆特性改变、压井重泥浆缺失、 无法刺入内部防喷器（IBOP)或者全启式安全阀（FOSV)、管线断裂、压力控制损失、到达地 表的未预料气体、立管内有气体、栗管线阻塞、栗失效、井孔不稳定、连续的井孔涌入、高井 底压力、岩层破裂、BHP猛增、不成功的井控、循环损失、无法补救泥浆损失、高当量循环密度 (ECD)、井孔尺寸太小而不满足于生产。可使用可靠性模型来对每个失效模式进行评估。
[0020] 根据本公开的一个方面，可使用失效模式和效果分析（FMEA)作为可靠性模型来 评估MH)钻井系统的可靠性。FMEA是一种用于检测和预防潜在失效的系统性方法。FMEA 提供了分级系统或者优先级系统，从而能确定最有可能的失效模式。FMEA应用在MPD操作 的预备过程的初始阶段，这包括了海上钻井。提出多种潜在的失效模式，并就它们的成因、 严重程度和发生概率进行评估和记录。
[0021] 在FMEA方法的一个方面中，对多个失效模式中的一个失效模式的严重程度进行 分级并为其分配数值。表1示出了对失效模式的严重程度进行分级的示例。
[0022]表 1
[0023]
[0024] 还对发生失效（OCC)的概率进行分级，例如，如表2所示。
[0025] 表 2
[0026]
[0027] 还对检测失效（DET)的概率进行分级，例如，如表3所示。
[0028] 表 3
[0029]
[0030] 针对每种失效模式，可根据下式计算风险优先数（RPN):
[0031] RPN = SEV*0CC*DET
[0032] 图1示出了可能在海上Mro钻井作业中导致井喷的失效模式。小圆表示各种失效 模式。由小圆指向中心圆（表示井喷）的箭头表示失效模式和井喷之间的因果关系。每种 失效模式具有其相应的RPN。失效模式的RPN总和作为总体系统的RPN。针对系统和过程 进行的旨在减小个体失效模式的RPN的修改可使得总体系统的RPN减小。
[0033] 根据本公开的另一个方面，采用故障树分析（FTA)作为可靠性模型来评估MH)钻 井系统的可靠性。FTA是一种能确定失效的潜在成因并用于评估MH)操作的失效概率的演 绎法，MPD操作包括海上钻井作业。
[0034] FTA分析定义了失效事件（例如，井喷）。对可能导致失效事件的失效模式进行识 另IJ、分配数值并按照发生的顺序进行排序。使用本领域已知的各种事件符号和门符号来构 建故障树。可将布尔代数应用于故障树来研究事件之间的代数关系并使用布尔代数来简化 表达式。可使用概率统计方法来确定每个中间事件（例如，BOP设备失效）的概率和首要 事件（例如，井喷）的概率。
[0035] FTA分析的一个方面是，可按照从首要事件至基本事件的顺序执行评估，反之亦 然。另外，可采用最小割集法进行评估。割集是基本事件，该事件的发生会导致首要事件的 发生。如果将任意基本事件从最小割集中移除，则剩余事件不再为割集。可使用计算机算 法来识别割集。一旦识别出所有割集，那么首要事件就是所有最小割集的或门组合。
[0036] 图2示出了采用FTA分析运行中的MH)钻井系统的示例。存在六个基本事件 E1-E6。基本事件会导致它们相应的中间事件的发生，例如，"井涌型未预料孔隙压力P = I. 89E-2"表示基本事件El由于意想不到的孔隙压力变化而导致井涌的概率为I. 89E 2。中 间事件通过各种门G0-G4进行组合，并在首要事件"井控损失（井喷）"处整合，