蔣宏偉，周英操，趙 慶，郭慶豐

（中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100195） ①

·專題研究·

控壓鉆井關鍵技術研究

蔣宏偉，周英操，趙 慶，郭慶豐

（中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100195）①

國內(nèi)外的應用結果表明：控壓鉆井技術在解決窄泥漿密度窗口地層、裂縫發(fā)育的壓力敏感地層鉆井出現(xiàn)的“噴漏同層、噴漏同存”的復雜事故有顯著的效果。介紹了控壓鉆井的定義和應用形式，重點分析了控壓鉆井系統(tǒng)的組成及工藝流程。提出了控壓鉆井技術的研究重點，對控壓鉆井技術的研究和應用有參考作用。

鉆井技術；控壓；應用；組成；工藝流程

在鉆探深層復雜地層時，由于孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口通常比較小，經(jīng)常出現(xiàn)井涌、井漏、有害氣體泄漏、卡鉆、起下鉆時間過長等鉆井問題，不但延長鉆井周期，而且還帶來HSE（健康、安全、環(huán)境）方面的問題。如果在鉆進過程中對井下壓力實施有效控制，可以較好地解決這些復雜問題，控壓鉆井（Managed Pressure Drilling，簡稱MPD）技術是緩解上述復雜情況的有效方法。

控壓鉆井技術在20世紀60年代中期開始在陸地鉆井作業(yè)中應用，但沒有引起足夠的關注。近年來，隨著海上勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，這項技術越來越受到海上鉆井決策者的重視，從而使控壓鉆井技術得到了快速發(fā)展。2004年，IADC／SPE阿姆斯特丹鉆井會議上提出了控壓鉆井技術，該技術主要是通過對井口回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位和水力摩阻的綜合控制，使整個井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，進行平衡或近平衡鉆井，有效控制地層流體侵入井眼，減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復雜情況［1－3］。IADC欠平衡鉆井作業(yè)委員會將MPD定義為：一種適用的鉆井程序，用于精確控制整個井眼的環(huán)空壓力剖面，目的在于確定井底壓力范圍，從而控制環(huán)空壓力剖面［4］。

隨著控壓鉆井技術的興起，國外逐漸形成了系統(tǒng)的工藝理論，發(fā)展了不同控壓鉆井的工藝技術，例如井底壓力恒定的控壓鉆井技術、加壓泥漿帽鉆井技術、雙梯度鉆井技術等。目前，國外Harlliburton、Weatherford、Shell和Statoil等公司已進行了相關的控壓鉆井技術研究和現(xiàn)場試驗應用，并取得了較好的應用效果。

1 控壓鉆井技術的應用形式

控壓鉆井技術是為了更好地控制井底壓力，其壓力控制的目標是：在整個鉆井作業(yè)過程中無論是否鉆進、是否循環(huán)鉆井液，都能精確控制井底壓力，使其維持恒定。

1.1 井底壓力恒定（CBHP）技術

井底壓力恒定（Constant Bottom Hole Pressure，CBHP）的控壓鉆井又稱為當量循環(huán)密度（ECD）控制，是一種通過環(huán)空水力摩阻、節(jié)流壓力和鉆井液靜液柱壓力來精確控制井眼壓力的方法。設計時使用低于常規(guī)鉆井方式的鉆井液密度進行近平衡鉆井，循環(huán)時井底壓力等于靜液柱壓力加上環(huán)空壓耗；當關井、接鉆桿時，循環(huán)壓耗消失，井底壓力處于欠平衡狀態(tài)，在井口加回壓使井底壓力保持一定程度的過平衡，防止地層流體侵入。理想的情況是靜止時在井口加的回壓等于循環(huán)時的環(huán)空壓耗［5］。

井底壓力恒定的控壓鉆井作業(yè)，無論是在鉆進、接單根，還是起下鉆時均保持恒定的環(huán)空壓力剖面，在鉆進孔隙壓力——破裂壓力窗口狹窄的地層或存在涌、漏現(xiàn)象時，可實現(xiàn)有效的壓力控制。通過綜合分析井下測量數(shù)據(jù)和水力學模型的計算結果，及時調(diào)控控壓鉆井的控制參數(shù)（流體密度、流體流變性能、環(huán)空液面、井口回壓、水力學摩擦阻力等），從而精確控制井底壓力，使之接近于恒定，避免壓裂地層或發(fā)生井涌。

盡管在CBHP MPD鉆井中，鉆井液密度可能低于孔隙壓力，但這并不是欠平衡鉆井，因為總的鉆井液當量密度仍高于地層孔隙壓力，屬于控壓鉆井技術。在這種情況下，對發(fā)生意外侵入的流體應當使用控壓鉆井井口裝置使侵入流體得到適當控制。1.2 加壓泥漿帽鉆井（PMCD）技術

泥漿帽鉆井技術（MCD）是一種“鉆井液不返出地面”的較為成熟的鉆井工藝。加壓泥漿帽鉆井（Pressurized mud cap drilling，PMCD）是在鉆井中因環(huán)空流體密度較小而需在井口施加一個正壓，因此稱為加壓泥漿帽鉆井，這也是與泥漿帽鉆井的主要區(qū)別。加壓泥漿帽鉆井是一種控制嚴重井漏的鉆井方法，適用于陸上和海洋油氣井眼嚴重漏失地層的鉆進作業(yè)。泥漿帽鉆井和加壓泥漿帽鉆井都適用于鉆進嚴重漏失地層，但是，若儲層壓力低于靜水壓頭，則應采用泥漿帽鉆井工藝，在鉆井液漏失過程中向環(huán)空泵入清水，一旦侵入井眼的氣體被環(huán)空內(nèi)的清水壓回漏失層段，即可繼續(xù)鉆進；當儲層壓力高于靜水壓頭時，就必須采用加壓泥漿帽鉆井工藝，利用加重鉆井液來平衡儲層壓力［2－3］。

加壓泥漿帽鉆井過程中，通過旋轉控制頭從地面向環(huán)空上部注入液態(tài)“鉆井液帽”。通常，注入的泥漿帽已經(jīng)過加重和增粘處理，高密度鉆井液應緩慢注入環(huán)空，防止油氣上竄進入環(huán)空，從而保持良好的井控狀態(tài)。為了更好地攜帶巖屑，避免巖屑在鉆頭以上層段的孔洞或裂縫中沉積，在巖屑上返的同時，還需要向鉆桿內(nèi)注入1段“犧牲流體”（sacrificial fluid），即注入井筒但不返出的低成本流體，通常是清水或鹽水。

加壓泥漿帽鉆井工藝是采用相對密度較小并且無害的鉆井液來鉆開壓力衰竭地層，然后采用高密度鉆井液將低密度鉆井液壓入漏失層段繼續(xù)鉆進，所有低密度鉆井液和流入井眼的流體都被壓入衰竭地層。采用這種方法，即使所有低密度鉆井液都循環(huán)失返侵入衰竭地層，也能夠有效控制井眼。

加壓泥漿帽技術可以繼續(xù)降低環(huán)空壓力，使作業(yè)人員能夠繼續(xù)鉆穿裂縫地層或斷層達到設計井深，減少發(fā)生井下復雜情況的時間與費用，使鉆井液漏失最小化；其結果是低密度鉆井液不但提高了機械鉆速（ROP），而且進入衰竭地層的鉆井液費用低于常規(guī)鉆井液。應用常規(guī)鉆井技術會發(fā)生完全漏失或接近完全漏失，應用加壓泥漿帽技術不但提高了井控能力，而且對儲層傷害也比較?。?］。

1.3 雙梯度鉆井（DGD）技術

與陸地和淺海鉆井相比，深海鉆井環(huán)境更復雜，容易出現(xiàn)常規(guī)鉆井裝備和方法難以克服的技術難題：錨泊鉆機本身必須承受錨泊系統(tǒng)的重力，給鉆機穩(wěn)定性增加了難度；隔水管除了承受自身重力，還承受嚴重的機械載荷，防止隔水管脫扣是一個關鍵問題；地層孔隙壓力和破裂壓力的間隙很小，很難控制鉆井液密度安全鉆過地層；海底泥線處高壓、低溫環(huán)境影響鉆井液性能，產(chǎn)生特殊的難題；海底的不穩(wěn)定性、淺層水流動、天然氣水合物可能引起的鉆井風險等。國外在20世紀60年代提出并在90年代得到大力發(fā)展的雙梯度鉆井技術很好地解決了這些問題。目前已開展7個項目，研究包括海底泵舉升鉆井液、無隔水管鉆井、雙密度鉆井等多種實現(xiàn)方法，可以很好地解決深海鉆井中的技術難題［7］。

雙梯度鉆井（Dual Gradient Drilling，簡稱DGD）技術是一種控壓鉆井技術，該技術的基本原理是：隔水管內(nèi)充滿海水（或不使用隔水管），采用海底泵和小直徑回流管線旁路回輸鉆井液；或在隔水管中注入低密度介質（空心微球、低密度流體、氣體），降低隔水管環(huán)空內(nèi)返回流體的密度，使之與海水相當，在整個鉆井液返回回路中保持雙密度鉆井液體系，有效控制井眼環(huán)空壓力、井底壓力，使壓力窗口維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，克服深水鉆井中遇到的問題，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟地鉆井。

1.4 HSE（健康、安全、環(huán)境）控壓鉆井

HSE控壓鉆井或稱回流控制（Return Flow Control）鉆井，是出于健康、安全、環(huán)保的目的將鉆井液返回到鉆臺上的一項控壓鉆井技術。HSE控壓鉆井是IADC所列舉的控壓鉆井形式之一。盡管技術應用可能有所變化，但與敞開式循環(huán)系統(tǒng)相比，HSE MPD應用了閉合、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，通常在發(fā)生危險而被迫停鉆或因此影響開采時應用該技術。閉合式鉆井液循環(huán)系統(tǒng)可防止巖屑和氣體從鉆臺進入大氣，因此可降低H2S氣體的含量，減少鉆臺閃火花的危險。該技術可對整個井眼提供精確的壓力控制，本身就比常規(guī)作業(yè)更安全，可以更好地解決前面所說的由于井下壓力忽大忽小所造成的漏失——井涌現(xiàn)象［8］。

2 控壓鉆井系統(tǒng)組成

典型的控壓鉆井系統(tǒng)如圖1，主要由PWD、旋轉控制頭、自動節(jié)流管匯、節(jié)流閥、控制中心和回壓泵系統(tǒng)等組成。

圖1 井底壓力恒定的控壓鉆井系統(tǒng)工藝流程

2.1 PWD

為控壓鉆井提供準確、實時的環(huán)空壓力數(shù)據(jù)。

2.2 自動節(jié)流管匯及控制系統(tǒng)

節(jié)流管匯受主控制器操縱，由各種閥件、主節(jié)流管匯和輔助節(jié)流管匯組成。當主鉆井泵啟動時，流體沿著主節(jié)流管匯路線流動，當井內(nèi)流體減少時，主節(jié)流器關閉，流體沿體積較小的輔助節(jié)流管匯路線流動。

在IPM的控制下，節(jié)流閥對回壓變化迅速做出調(diào)整。IPM利用裝在節(jié)流管匯上的壓力檢測儀器監(jiān)測回壓，使它保持在水力模型實時計算得出的范圍內(nèi)。如果檢測到壓力異常，IPM對節(jié)流管匯發(fā)出指令，節(jié)流管匯迅速做出適當調(diào)整。

節(jié)流管匯管線口徑大，配有備用閥并具有自動切換功能，可保證鉆井液流動暢通。如果巖屑阻塞節(jié)流閥，IPM會自動開大節(jié)流閥，泄壓并清除巖屑；如果節(jié)流閥置于最大位置仍不能泄壓，IPM會自動切換到備用閥并報警［5］。

2.3 回壓泵系統(tǒng)

2.3.1 工作原理

回壓泵直接連到節(jié)流管匯，其主要作用就是在控壓鉆井過程中，需要時以恒定排量提供鉆井液，鉆井液流經(jīng)主節(jié)流閥，IPM通過調(diào)整節(jié)流閥位置控制回壓。正常鉆井時，節(jié)流管匯由鉆井泵供鉆井液，控制回壓。當鉆井泵流速下降（如接單根時），IPM自動啟動回壓泵，回壓泵向節(jié)流管匯供鉆井液，保持回壓，維持井底壓力在安全窗口內(nèi)；另外，回壓泵也可以通過旋轉控制頭供鉆井液。為了安全起見，回壓泵裝了泄壓、檢測閥，防止壓力過高和井口回流。

2.3.2 性能參數(shù)

排量和壓力是回壓泵的2個主要性能參數(shù)。排量以每分鐘排出若干升計算，它與井眼直徑及所要求的沖洗液自井底上返速度有關，回壓泵的壓力大小取決于所需補償?shù)沫h(huán)空壓力的大小等。井越深，流動阻力越大，所需要的壓力越高。隨著井眼直徑、深度的變化，要求泵的排量也能隨時調(diào)節(jié)。在泵的機構中設有變速箱或以液壓馬達調(diào)節(jié)其速度，以達到改變排量的目的。為了準確掌握泵的壓力和排量的變化，回壓泵上要安裝流量計和壓力表，使工作人員隨時了解泵的運轉情況，同時通過壓力變化判別井內(nèi)狀況是否正常以預防發(fā)生井內(nèi)事故。

2.4 監(jiān)測控制系統(tǒng)

封閉的、加壓的泥漿循環(huán)系統(tǒng)是使用過程控制計算機進行壓力控制的必要條件。實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、壓力控制、實時報警等功能。監(jiān)控系統(tǒng)主要由測量、控制模塊和水力計算模塊2大模塊構成。

測量和控制模塊可以分開設計：其中1個模塊被用來測量節(jié)流閥位置，同時還作為傳感器接口來使用；另1個模塊運行PID控制模塊以進行壓力控制，對井口設備的可控閥門進行邏輯開關控制，包含自動開關冗余節(jié)流支路的能力，并行雙路壓力控制功能，同時還要提供詳細的系統(tǒng)診斷功能。

水力學計算模塊是井下測量數(shù)據(jù)的一個非常重要的補充手段。井下測量工具傳回的數(shù)據(jù)通常不能直接應用，并且容易受井下復雜情況的影響，因此使用水力模型對井眼環(huán)空壓力進行校正計算是非常必要的。水力模型通過使用描述井眼狀況的輸入數(shù)據(jù)集合，并綜合地面和井下實時測量數(shù)據(jù)等參數(shù)來計算環(huán)空壓力的大小，以獲得所期望的井底壓力。

2.5 工藝流程

控壓鉆井系統(tǒng)工藝流程如圖1。

正常鉆進時，由控制中心控制調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度來調(diào)節(jié)井口回壓，使井底壓力保持穩(wěn)定；接單根和起下鉆時，啟動回壓泵來調(diào)節(jié)和補償井口回壓。

3 國內(nèi)研究重點

1） 控壓鉆井系統(tǒng)的設計方案研究。根據(jù)不同的鉆井作業(yè)要求，設計不同的控壓鉆井應用形式和不同的裝備組合。

2） 進行控壓鉆井設備的研制，特別是PWD、旋轉控制頭、自動節(jié)流管匯、高精度的節(jié)流閥和回壓泵系統(tǒng)等設備的研制。

3） 控壓鉆井工藝的研究。必須掌握控壓鉆井的全部工藝技術：包括控壓鉆井的正常鉆井、接單根、起下鉆、維修、控壓鉆井井控、壓力控制技術、各種情況下的應急方案（控壓鉆井應急程序、節(jié)流閥堵塞應急程序、PWD失效應急程序）等［1］。

4） 開展多相流流動規(guī)律的研究，用于模型控制，為控壓鉆井調(diào)節(jié)壓力提供理論基礎。

5） 控壓鉆井相關軟件的研究。軟件應該包括控壓鉆井的設計、回壓泵和自動節(jié)流管匯的控制系統(tǒng)、水力學計算以及應用功能。

6） 建立控壓鉆井實驗室?？貕恒@井實驗室通過建立壓力循環(huán)、數(shù)據(jù)采集、檢測、控制及安全報警系統(tǒng)，實現(xiàn)整體節(jié)流系統(tǒng)性能測試、整套地面控壓裝置性能測試。有3個功能：①節(jié)流閥性能測試功能，包括節(jié)流特性試驗、壽命試驗、響應試驗、安全試驗；②控壓鉆井設備整體性能測試功能，包括靜壓測試、壓力控制精度試驗、參數(shù)模擬試驗、軟件調(diào)試、控壓裝備性能調(diào)試；③擴充功能，包括流體力學試驗、攜巖試驗、欠平衡流動試驗等。

7） 人才建設。①提高對該技術重要作用和意義的認識；②走科研—中試—現(xiàn)場試驗—理論升級—再試驗的路，加強前期研究，重視技術儲備；③培養(yǎng)一批高精尖的技術人才，為該技術研究和推廣創(chuàng)造必備條件；④注重多學科合作，配套發(fā)展；⑤明確和深刻理解控壓鉆井技術的概念，統(tǒng)一認識，才能從人員、隊伍、裝備、技術和管理等各方面進行專業(yè)化配套和發(fā)展。

4 結論

1） 控壓鉆井技術的應用需要高精度的設備，結合目前的情況，應該按照邊引進、邊研發(fā)的思路進行關鍵設備的攻關，最終實現(xiàn)控壓鉆進技術的自主化。

2） 控壓鉆井技術的應用有多種形式，針對不同區(qū)塊的具體情況，應進行認真的分析和研究，選擇合適的控壓鉆井技術方式，發(fā)揮控壓鉆井技術的優(yōu)勢。

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Study of Key Technology of Managed Pressure Drilling

JIANG Hong－wei，ZHOU Ying－cao，ZHAO Qing，GUO Qing－feng
（CNPC Drilling Research Institute，Beijing100195，China）

The applications at home and abroad show that managed pressure drilling may solve some complicated problems occurred in drilling and reduce drilling cost.The definition and different application of techniques is presented.Especially，the system composition and technological process is introduced and the research emphasis of managed pressure drilling was analyzed.It will play an important role in guiding research and application of managed pressure drilling.

drilling technology；managed pressure；application；composition；technological process

1001－3482（2012）01－0001－05

TE249

A

2011－07－28

國家科技重大專項（2011ZX05021－003）

蔣宏偉（1978－），男，河南鄢陵人，博士，主要從事控壓鉆井和欠平衡鉆井技術研究，E－mail：jianghwdri＠cnpc.com.cn。