劉濤(山東省東營(yíng)市勝利油田鉆井工程技術(shù)公司定向井公司)

引言

國(guó)外的石油工業(yè)相對(duì)于國(guó)內(nèi)的石油工業(yè)有著很大的不同，但是從提高整個(gè)石油工程的經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，對(duì)于新時(shí)代的鉆井工程有著非常高的要求，各個(gè)工程必須減少各自的非生產(chǎn)的時(shí)間，最大限度的降低單位進(jìn)尺的成本。

國(guó)外在控壓鉆井方面已經(jīng)形成了諸如：雙梯度油田鉆井技術(shù)、鉆機(jī)帶壓泥漿帽鉆井技術(shù)等等。同時(shí)隨著油田液體循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展，控制鉆機(jī)壓力的鉆井技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)對(duì)于壓力敏感層油田開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。世界上許多公司都在不同程度上采用了鉆井壓力控制技術(shù)，微流控制系統(tǒng)是整個(gè)控壓鉆井技術(shù)的核心，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明此項(xiàng)技術(shù)能夠在很大程度上減少溢流以及鉆井的井漏，在一些實(shí)施比較好的地方甚至出現(xiàn)了整個(gè)鉆井沒(méi)有遺漏且沒(méi)有整個(gè)施工過(guò)程中沒(méi)有任何事故發(fā)生。

國(guó)內(nèi)的控壓鉆井技術(shù)相對(duì)于國(guó)外有著很大的落后，這在一定程度上是由國(guó)外的技術(shù)封鎖在造成的，但是，我國(guó)的控壓鉆井技術(shù)也取得了非常的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)的許多單位已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)于控壓鉆井相關(guān)裝備的研究工作，并且在很多的重大的技術(shù)難題上取得了很大的突破。

一、精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的簡(jiǎn)述

油田的精細(xì)鉆井壓力控制系統(tǒng)是整個(gè)鉆井窄密度窗口保證安全的主要技術(shù)之一，對(duì)于井下復(fù)雜的地質(zhì)情況有著很好的效果。精細(xì)控壓鉆井技術(shù)能夠在鉆井出現(xiàn)井漏情況下快速有效的降低井底的工作壓力。對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)的井漏以及井涌現(xiàn)象能夠更早的檢測(cè)到，并且相關(guān)人員能夠在鉆井口處快速的提升回壓，防止井漏以及井涌現(xiàn)象進(jìn)一步的惡化，此外，井底的壓力能夠得到很大的減小，這對(duì)于卡鉆現(xiàn)象能夠得到很大的緩解，這樣能夠提高整個(gè)油田鉆井作業(yè)的安全，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)就是在鉆井的整個(gè)工作過(guò)程中保證全程做到準(zhǔn)確的測(cè)量，并且對(duì)于井底的壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算測(cè)量，全方面的保證整個(gè)井底壓力的最大值與地層中的壓力相等，以到達(dá)降低整個(gè)鉆井作業(yè)工程中溢流以及井漏事故發(fā)成的可能性。

二、鉆井的精細(xì)控壓技術(shù)的原理以及組成情況

1.鉆井的控壓原理

鉆機(jī)的壓力波動(dòng)、油田鉆進(jìn)的井口回壓、鉆機(jī)的環(huán)空循環(huán)壓耗以及鉆機(jī)的液柱壓力等組成了鉆井井筒中的環(huán)空壓力。在傳統(tǒng)的油田鉆進(jìn)作業(yè)當(dāng)中，對(duì)于整個(gè)鉆井的液體密度進(jìn)行調(diào)節(jié)是最為基本且非常重要的手段，但是整個(gè)液體密度調(diào)節(jié)的時(shí)效性比較薄弱。此外，整個(gè)油田的鉆井系統(tǒng)有著很大的串通性，并沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)的封閉性，這就對(duì)于鉆井系統(tǒng)的連續(xù)性造成很大的影響，而鉆井的壓力控制技術(shù)的基本原理是低密度液體在進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)時(shí)，最大程度的保證其動(dòng)態(tài)位于安全可控的范圍內(nèi)，如果整個(gè)鉆井液出現(xiàn)循環(huán)停滯，則會(huì)對(duì)井口位置的回壓造成一定的影響，從而將鉆井液靜態(tài)合理保持在安全的范圍之中，從而達(dá)到保障整個(gè)油田鉆井安全的目的。

2.整個(gè)控壓鉆井系統(tǒng)的構(gòu)成

我國(guó)現(xiàn)有的精細(xì)鉆井壓力控制技術(shù)系統(tǒng)主要由電子指令系統(tǒng)、電子遙控系統(tǒng)、精確數(shù)字分析系統(tǒng)、全自動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部分構(gòu)成：

(1)電子指令系統(tǒng)

精細(xì)鉆進(jìn)的壓力控制系統(tǒng)中的電子指令系統(tǒng)由鉆井的液壓控制閥門(mén)、各類(lèi)信號(hào)匯總、信號(hào)數(shù)據(jù)顯示部件以及必須的管線(xiàn)儀表構(gòu)成，在這個(gè)大系統(tǒng)當(dāng)中，控制柜實(shí)現(xiàn)對(duì)于相關(guān)信號(hào)的控制工作，電磁閥部件吸收相應(yīng)部件的控制命令，最后將得到的工作信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的液體壓力信號(hào)，最后節(jié)流閥的開(kāi)度有了相應(yīng)的電信號(hào)的控制，最后達(dá)到對(duì)于鉆井壓力精細(xì)的控制。

(2)電子遙控系統(tǒng)

電子遙控系統(tǒng)的接收到相關(guān)的信號(hào)之后，并進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，并將最后處理的信號(hào)傳遞給下級(jí)的機(jī)構(gòu)部件，從而各類(lèi)的閥門(mén)得到相應(yīng)的控制，各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)度以及各個(gè)閥門(mén)的工作狀態(tài)都將處于電子遙控系統(tǒng)的監(jiān)督之中。整個(gè)電子遙控系統(tǒng)的主要作用：接受并處理相關(guān)的系統(tǒng)信號(hào)，同時(shí)將處理的結(jié)果傳達(dá)給相應(yīng)的閥門(mén)部件，其實(shí)就是對(duì)于信號(hào)的中轉(zhuǎn)作用，最后得到對(duì)于整個(gè)閥門(mén)的開(kāi)度以及工作是的狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)控。最后將自身檢測(cè)到的一系列相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送回檢測(cè)系統(tǒng)。

(3)精確數(shù)字分析系統(tǒng)

精確數(shù)字分析系統(tǒng)主要由四大部分組成，一是數(shù)據(jù)控制部分，其主要的作用就是為系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、對(duì)相應(yīng)的指令運(yùn)行的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的劍盾以及對(duì)電氣控制系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)節(jié)指令做出相應(yīng)的反應(yīng)。二是數(shù)字計(jì)算部分，其主要的作用就是將先前理論計(jì)算的數(shù)據(jù)與鉆井實(shí)時(shí)掌控的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最后得出相關(guān)的整體數(shù)據(jù)的控制的標(biāo)準(zhǔn)。三是輸入計(jì)算部分，輸入計(jì)算部分主要工作是在鉆井工作之前，對(duì)于一些測(cè)量得到的以及根據(jù)理論知識(shí)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入。四是邏輯判定部分，邏輯判定部分就是根據(jù)系統(tǒng)中實(shí)際的返回的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、有效的邏輯分析。

三、精細(xì)控壓井井壓計(jì)算

1.液柱壓力計(jì)算模型

(1)靜態(tài)情況下液柱壓力

靜液柱產(chǎn)生的壓力是由于液態(tài)分子因重力而相互擠壓產(chǎn)生的，其大小應(yīng)等于所計(jì)算點(diǎn)的垂直液面深度與液體密度與重力加速度的乘積，具體的公式為：

式中 P靜態(tài)液柱產(chǎn)生的壓力，MPa

0.00981為重力加速度的近似值

ρ為液體的密度，g/cm3

H為所計(jì)算點(diǎn)垂直液面深度，m

(2)井筒中有多種不同密度的流體時(shí)的靜液柱壓力

井筒中流體情況如圖所示，此時(shí)的計(jì)算公式可推導(dǎo)為：

(3)氣體進(jìn)入井筒時(shí)的靜液壓力計(jì)算

氣體進(jìn)入井筒當(dāng)中，游離在鉆井液當(dāng)中。隨著鉆井液的排出而逐漸上升至地面，在上升的過(guò)程當(dāng)中，由于深度逐漸降低，導(dǎo)致壓力減小。又因?yàn)闅怏w的可壓縮性，小氣泡會(huì)逐漸膨脹，所以鉆井泥漿的密度會(huì)隨著深度的減少而逐漸降低。為保證安全，我們利用下式對(duì)井內(nèi)壓力進(jìn)行計(jì)算：

式中 α為返至井口氣侵鉆井液密度ρs與氣侵前鉆井液密度ρma的比值

Ps為井口環(huán)形空間壓力，MPa根據(jù)上述的公式以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)可得，在靜止的情況下，氣體進(jìn)入井筒時(shí)，靜液柱的壓力情況如下表所示：

井深0相差靜液柱壓力0 0.006 0.002 0.008 0.004 0.002 0.006 0.002 0.008 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000正常靜止工況下靜液柱壓力0 5.886 11.772 17.658 23.544 29.43 35.316 41.202 47.088氣侵情況下靜液柱壓力0 5.88 11.77 17.65 23.54 29.43 35.31 41.2 47.08

(4)高溫高壓狀況下靜液柱的壓力計(jì)算公式

式子中 P為靜態(tài)液柱高溫高壓狀況下產(chǎn)生的壓力，MPa

Ρw1為流體常態(tài)密度，g/cm3

Ρw2為流體高溫高壓狀態(tài)下的密度，g/cm3

H為觀測(cè)點(diǎn)的深度，m

f為流體在高溫高壓下的體積分?jǐn)?shù)

在通常的計(jì)算當(dāng)中，都是視井筒中液柱密度不變。然而在實(shí)際的工作中會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于溫度壓力上升，井筒中流體的密度隨著井筒深度的改變而改變。由于熱脹冷縮的原理，溫度升高，流體體積膨脹，密度降低；壓力增大，流體體積壓縮密度增大。

四、普通靜液柱壓力計(jì)算模型與精細(xì)模型對(duì)比

實(shí)例分析某一水平井的4000-5000米深段，普通靜液柱壓力計(jì)算模型與高溫高壓下靜液柱壓力計(jì)算模型對(duì)比情況如下圖所示：

由圖上可知，在采用前文當(dāng)中的公式，忽略高溫高壓對(duì)井中流體密度的影響，認(rèn)為密度恒定時(shí)，井底的壓力為50.93MPa；當(dāng)考慮到其影響時(shí)，井底壓力為49.98MPa。比較兩種算法，其相差0.95MPa。對(duì)井中在窄安全密度窗口進(jìn)行的安全鉆井活動(dòng),靜態(tài)壓力值降低0.95MPa，很可能造成回壓值設(shè)計(jì)較低,不能達(dá)到微過(guò)壓力控制的要求，可能會(huì)導(dǎo)致溢流現(xiàn)象的發(fā)生。

再對(duì)此井采用精細(xì)孔壓鉆井方式分析，靜止情況下井筒中的壓力如下圖：

由圖中可知，根據(jù)普通模型計(jì)算出的靜液柱的壓力值設(shè)計(jì)出來(lái)的回壓值，雖然滿(mǎn)足微過(guò)的壓力平衡，但是在實(shí)際作業(yè)中由于高溫高壓的原因，會(huì)導(dǎo)致靜液柱壓力變小，此時(shí)所設(shè)計(jì)的回壓值就偏小，就會(huì)出現(xiàn)溢流的現(xiàn)象。

五、精細(xì)鉆井控壓技術(shù)的注意方面

精細(xì)鉆井技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的鉆井技術(shù)換處于初級(jí)的階段，各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)還沒(méi)有得到應(yīng)有的成熟這就需要廣大的技術(shù)人員一定要注意到一下內(nèi)容：首先，鉆井井底的壓力一定要把握好，如果出現(xiàn)壓力不夠的情況一定要給與實(shí)時(shí)的補(bǔ)充，全面的做好油氣的防侵蝕工作，對(duì)于液面的檢測(cè)工作一定要做到位，因?yàn)檎麄€(gè)鉆井的精細(xì)孔鉆技術(shù)一直處于微露溢漏的平衡臨界狀態(tài)，整個(gè)液面之間的變化范圍一定要做到1方以?xún)?nèi)，整個(gè)壓力的范圍位于0---5M pe以?xún)?nèi)，在工作的過(guò)程出如果出現(xiàn)控壓超過(guò)了5Mpa一定要及時(shí)的調(diào)整防噴器的開(kāi)關(guān)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)對(duì)于油田的鉆井技術(shù)要求肯定會(huì)越來(lái)越高，國(guó)家為了提高對(duì)于油氣田的開(kāi)發(fā)，對(duì)于油氣田的開(kāi)采投資肯定會(huì)越來(lái)越大，這就給我們提出了更高的要求，在實(shí)際的工作當(dāng)中一點(diǎn)要做到精益求精，全面的提高鉆井機(jī)械的鉆井速度，保證整個(gè)精細(xì)鉆井壓力控制的安全作業(yè)，此外，一定要注意對(duì)于國(guó)外先進(jìn)的鉆井技術(shù)的學(xué)習(xí)，如果有條件可以組織相關(guān)的技術(shù)人員到國(guó)外的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，做好與國(guó)外的先進(jìn)鉆井單位的交流，最后一定要注意自身鉆井技術(shù)的開(kāi)發(fā)，加大相關(guān)的科研投入，為我國(guó)的鉆進(jìn)事業(yè)不懈奮斗。

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