胡志坤　柳貢慧　李　軍　陶　謙

文章編號：1006-6535(2009)02-0081-03

摘要：針對鉆井過程中井筒壓力控制方面存在的問題，國外近期開發(fā)了基于鉆井液微流量控制的鉆井技術。該技術在鉆井液管路上設置了傳感器和節(jié)流器，可實現(xiàn)對進出口鉆井液壓力、流量、循環(huán)密度、流速等參數(shù)進行檢測，并進行反饋控制。微流量控制技術屬于壓力管理鉆井中的一種，通過控制井口回壓的方式來平衡井筒壓力，從而達到精確控制井筒壓力的目的。

關鍵詞：井筒壓力；微流量；控制；傳感器；鉆井

中圖分類號：TE242

文獻標識碼：A

前 言

隨著油氣儲量的逐漸衰竭，大量深層和復雜油氣藏需要進行開采，伴隨而來的各種復雜鉆井問題也越來越多，如在一些密度窗口過窄的地層進行鉆井施工時，采用常規(guī)鉆井方法進行鉆探會出現(xiàn)地層漏失、壓力窗口狹窄造成井涌井漏等問題，增加了非生產(chǎn)時間，導致勘探費用大幅度提高^[1]。為避免上述問題，國外開發(fā)了一種更為精確的約束和控制井筒壓力的鉆井方法——壓力管理鉆井技術，也稱為MPD(managed pressure drilling)技術。利用該技術可以精確地控制整個井眼的環(huán)空壓力剖面，其目的在于確定井底壓力窗口，從而控制環(huán)空液壓剖面，在鉆井過程中能更好地控制壓力變化。MPD技術可通過減輕和控制將發(fā)生的各種鉆井問題，來提高鉆井能力。應用微流量控制技術實施壓力管理鉆井，只需對鉆機結(jié)構(gòu)做部分改進，在傳統(tǒng)的鉆井液循環(huán)管匯上安裝精確的傳感器和鉆井液節(jié)流器，對進出口鉆井液的微小壓力、質(zhì)量流量、當量循環(huán)密度、流速等參數(shù)進行實時監(jiān)測，鉆井工程人員在地面可以通過簡單的操作即可快速改變鉆井液的特性以滿足鉆井工藝要求，預防和解決鉆井事故的發(fā)生。該技術控制程序簡單，可與常規(guī)鉆井方式相互切換，便于操作，提高了鉆井效率和鉆井安全性^[1，2]。目前，國內(nèi)由于工藝和工具的原因，特別是工具達不到工程實際中對微循環(huán)控制壓力的要求，暫達不到進行微流量控制壓力鉆井的技術水平，國外對這一技術研究比較深入，現(xiàn)在已進入現(xiàn)場實際應用階段^[1～13]。

1 系統(tǒng)組成

鉆井液微流量控制系統(tǒng)主要由3大部分組成：鉆井液管匯、傳感器以及中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等。鉆井液管匯是鉆井液循環(huán)管道的主體組成部分，其上面安裝有2個鉆井液節(jié)流器和各種鉆井液傳感器。節(jié)流器可根據(jù)工作需要調(diào)節(jié)鉆井泵站傳輸?shù)你@井液流量等參數(shù)，傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、質(zhì)量流量計及容積式流量計等，通過測量各種鉆井液參數(shù)，并將采集到的壓力、溫度、流量、流速等信號通過A/D轉(zhuǎn)換器送到中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中處理，以便計算機作出下一步控制指令^[3～5]。

2 工作原理

微流量的含義包括微進口流量和微出口流量，是指系統(tǒng)所能監(jiān)測到的鉆井液總流量波動范圍很小。微流量控制技術所能達到的鉆井液體積控制一般不大于0.8 m³，對微流量的精確監(jiān)測和控制是保證鉆井液閉環(huán)控制和鉆井閉環(huán)控制的基礎^[3，4]。

微流量控制系統(tǒng)只需在地面進行簡單的操作便可以快速控制井眼中的鉆井液壓力，這是因為鉆井環(huán)空中的鉆井液為不可壓縮流體，地面上控制單元的任何微小壓力變化都將在環(huán)空中得到快速響應，傳輸?shù)乃俣瓤蛇_到聲速。1口4 000 m深的井，地面節(jié)流器的壓力調(diào)節(jié)將在3 s內(nèi)傳至井底，此特性是微流量控制系統(tǒng)能夠滿足快速控制性能的理論基礎^[3，4]。

圖1為微流量控制系統(tǒng)軟件鉆井中的控制流程圖。鉆井作業(yè)時需要連續(xù)不斷地注入鉆井液，以平衡地層中的油、氣、水壓力和巖石側(cè)的壓力，防止井噴、井塌、卡鉆以及井漏等事故的發(fā)生，不同井段和工況下鉆井液參數(shù)有不同的期望值。系統(tǒng)控制軟件通過傳感器將采集到的鉆井液流量、壓力、溫度等采樣值通過A/D轉(zhuǎn)換送入到中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中，并與期望值進行比較，當兩者存在偏差時，系統(tǒng)進一步判斷鉆井液是否有漏失(圖1)。

如有漏失，系統(tǒng)可確定地層破裂壓力，改變流量減少回程壓力；如無漏失，則可以確定地層孔隙壓力，改變流量增加回程壓力，待達到期望的鉆井液流量值時，則繼續(xù)注入鉆井液。這種監(jiān)測與比較將一直進行下去，完成鉆井時鉆井液的可控循環(huán)，實時調(diào)節(jié)孔隙壓力和壓裂壓力，以滿足鉆井工藝要求。

不同工況下油井對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求不同，在復雜工況和風險較高的情況下，需增加傳感器數(shù)量以提高采集的數(shù)據(jù)量和精度；相應地，在較為簡單的鉆井工況下，采集的數(shù)據(jù)量和要求則相應較低。利用這些精確測量方法，減少鉆井中的不確定因素，使鉆井過程具有更高的安全性。

MFC技術的開發(fā)只需在現(xiàn)有的鉆機系統(tǒng)上改變很少的設備，實現(xiàn)通過閉環(huán)壓力泥漿返回系統(tǒng)進行MPD鉆井。系統(tǒng)包括一個旋轉(zhuǎn)控制裝置(RCD)和一個鉆井節(jié)流管匯。旋轉(zhuǎn)控制裝置是為了使油井一直處于關閉狀態(tài)和將流體導向鉆井節(jié)流管匯，從而保持在油井上加一個回壓。管匯中設有2個節(jié)流器，1個常用，1個備用，可以方便轉(zhuǎn)換以備維修或服務之用。管匯中在節(jié)流器下面安裝有獨特的流量計，用于快速檢測涌入量和循環(huán)漏失量。用實用的UBD設備部件作為該系統(tǒng)的主要附加部件時，可以使井涌自動檢測預報和控制系統(tǒng)更加精確，更加有利于油田現(xiàn)場施工應用。

3 現(xiàn)場試驗

2007年巴西國家石油公司在4口井的鉆井中試驗了以微循環(huán)控制系統(tǒng)為基礎的控制壓力鉆井系統(tǒng)。前2次試驗計劃在2006年第1季度進行，是2口陸地井，另2口井是海上油井。海上鉆井計劃在2006年下半年進行，但這2口井的作業(yè)設計比前2口井困難得多。安裝控制壓力鉆井系統(tǒng)的目的是克服在鉆井裝置上鉆高溫高壓層所遇到的棘手問題。

(1) 設備介紹。該試驗所使用的微循環(huán)控制方法是對鉆機上的設備進行少許改造。要求1套旋轉(zhuǎn)頭，以便保持油井的環(huán)路始終為密閉狀態(tài)，并排出節(jié)流管匯中的液流。旋轉(zhuǎn)頭保持向井內(nèi)施加回壓，回壓可大可小，根據(jù)需要來確定。來自節(jié)流管匯的流體可以直接排到振動篩。在節(jié)流管匯的下游還安裝了流量表。流量表測量井內(nèi)返出液流的流量和返出鉆井液的密度。

(2) LSU實驗室的樣機實驗。在LUS實驗室進行了幾次實驗，在深井(1 783 m)和淺井(792 m)中都進行實驗。實驗是在井下發(fā)生氣涌和水涌以及部分漏失和在自動壓力控制條件下進行的，并在各種條件下對可變參數(shù)進行了趨勢分析和評價。在室內(nèi)實驗成功后，認為該系統(tǒng)可以在現(xiàn)場應用。

(3) 陸上試驗。2口陸上試驗井的目的是：①評價微循環(huán)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的性能，各種電子原件所面臨的井下溫度是42～44℃；②了解當鉆屑通過節(jié)流管匯時，在可能引起沖蝕和堵塞節(jié)流管匯的情況下了解節(jié)流管匯的情況。試驗證實MFC在陸地惡劣的高溫高壓環(huán)境下的性能良好。2口探井的套管系列是33.97、24.45和17.78 cm尾管，油井的設計深度約為2 200 m。根據(jù)地質(zhì)資料預測，在3 000m井內(nèi)地層的孔隙壓力為常壓(1.03～1.06 g/cm³)?？紤]到微循環(huán)系統(tǒng)的特性，鉆井液的密度為1.1 g/cm³。鉆進的過程中出現(xiàn)井下壓力變化時，地面鉆井工程人員通過微循環(huán)控制以保持井下壓力平衡，很好地控制了鉆井過程中出現(xiàn)的井涌情況。

(4) 海上試驗。繼陸地試驗后，于2006年下半年在巴西東北部的海上進行了2口井的鉆井試驗。使用的是鉆深能力為7 000 m的自升式鉆井裝置。該地平均井深為 5 000 m，其井身結(jié)構(gòu)為76.20 cm×50.80 cm×33.97 cm×24.40 cm套管和17.78 cm尾管。過去鉆這種井通常要消耗大量的非鉆井時間，其原因是井涌、 漏失和下套管問題。鉆井平臺上的微循環(huán)系統(tǒng)可精確控制井下壓力的變化，很好地避免了井下產(chǎn)生的井涌和循環(huán)漏失事故，節(jié)省了大量的非生產(chǎn)時間，改善了作業(yè)性能，大幅度提高了鉆井效率。

第2期胡志坤等：利用微流量控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制壓力管理鉆井技術 現(xiàn)場試驗說明，MFC技術可以處理傳統(tǒng)的不可預測的井涌、循環(huán)液漏失和地層坍塌等產(chǎn)生大量非生產(chǎn)時間的鉆井事故，可以像鉆標準井一樣更加安全地鉆更具挑戰(zhàn)性的生產(chǎn)井，其相關的附加成本可以與應用MFC所獲得的收益相抵消，MFC的現(xiàn)場應用前景廣闊。

4 結(jié)論及建議

(1) 在現(xiàn)有鉆井設備上安裝相應的傳感器和鉆井液節(jié)流器可以實現(xiàn)精確動態(tài)，了解井下壓力情況，為處理相應的壓力變化提供實時數(shù)據(jù)。

(2) 微流量控制實施的壓力控制鉆井技術是一種在現(xiàn)有鉆井設備的條件下可以實施的新型鉆井工藝，應用該技術可以避免鉆井過程中因為壓力的無法控制而產(chǎn)生的井下事故。

(3) 國外已經(jīng)將微流量壓力管理鉆井技術投入實際生產(chǎn)中，說明這項技術的可行性，國內(nèi)需要加強與國外的技術合作，深入研究這一新型鉆井模式。

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編輯 王 昱