劉 偉周英操段永賢王金茹劉俊峰戴國(guó)松

（1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100083；2.塔里木油田公司，新疆塔里木 843000；3.華北油田公司華美綜合服務(wù)處，河北任丘 062552）

國(guó)產(chǎn)精細(xì)控壓鉆井技術(shù)與裝備的研發(fā)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

劉 偉1周英操1段永賢2王金茹1劉俊峰2戴國(guó)松3

（1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100083；2.塔里木油田公司，新疆塔里木 843000；3.華北油田公司華美綜合服務(wù)處，河北任丘 062552）

為有效解決窄密度窗口鉆井難題，提高鉆井效率，降低鉆井成本，國(guó)內(nèi)自主研制開(kāi)發(fā)了一套精細(xì)控壓鉆井裝備，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確控制井眼環(huán)空壓力的目的。該裝備主要包括自動(dòng)節(jié)流管匯系統(tǒng)、回壓泵系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制中心，可提供保持接單根、啟停泵、鉆井液密度變化以及鉆柱運(yùn)動(dòng)時(shí)井底壓力恒定所需的額外流量和回壓補(bǔ)償。通過(guò)在川渝及塔里木地區(qū)開(kāi)展近、欠平衡控壓鉆井工藝應(yīng)用表明：欠平衡控壓鉆井可控制井底壓力低于地層孔隙壓力，允許氣體按照一種可控的速度從地層流出，從而有利保護(hù)和發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層，是一種有發(fā)展?jié)摿Φ目尚屑夹g(shù)。

控壓鉆井；節(jié)流管匯；自動(dòng)控制系統(tǒng)；欠平衡鉆井

在窄密度窗口油氣鉆井中存在很多井下復(fù)雜問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了勘探開(kāi)發(fā)向更深、更復(fù)雜地層發(fā)展的步伐。應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)，在處理窄密度窗口的鉆井問(wèn)題中會(huì)出現(xiàn)井侵、井漏、井塌、卡鉆、循環(huán)壓力的大幅波動(dòng)以及非生產(chǎn)時(shí)間和鉆井成本的增大等井下復(fù)雜問(wèn)題［1-4］。為了滿(mǎn)足窄密度窗口安全鉆井的需要，亟需發(fā)展控壓鉆井（MPD，Managed Pressure Drilling）裝備和技術(shù)?？貕恒@井設(shè)備能夠精確控制整個(gè)井筒環(huán)空壓力剖面，通過(guò)地面自動(dòng)控制系統(tǒng)保持恰當(dāng)?shù)牧魉?，從而有效避免井漏、井塌、卡鉆以及井侵等井下復(fù)雜問(wèn)題［5］，因此非常有必要研制開(kāi)發(fā)一種新型的、適合國(guó)內(nèi)日趨嚴(yán)峻勘探開(kāi)發(fā)環(huán)境下的控壓鉆井技術(shù)，從而進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速、發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲(chǔ)層。筆者首先通過(guò)自定義的控壓鉆井設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制方法，制定合理、有效控制井底壓力流程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正、自動(dòng)控制，精確控制井筒環(huán)空壓力分布，然后介紹一種新型的控壓鉆井設(shè)備組成及特點(diǎn)，最后是其在川渝及塔里木地區(qū)成功的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了井底恒壓控壓鉆井（CBHP，Constant Bottom-Hole Pressure）、欠平衡控壓鉆井（UMPD，Under-Balanced MPD），微流量控壓鉆井（MFC，Micro-Flow Control）。

1 控壓鉆井基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)及自動(dòng)控制方法

常規(guī)鉆井技術(shù)僅能通過(guò)改變鉆井液密度來(lái)控制井底壓力，在窄窗口鉆井中存在以下幾點(diǎn)局限性：（1）難以控制由循環(huán)壓力引起的井下復(fù)雜問(wèn)題；（2）無(wú)法控制井下壓力的大幅波動(dòng)；（3）不能有效降低非生產(chǎn)時(shí)間、增加鉆井效率。尤其當(dāng)泥漿泵關(guān)閉，由于循環(huán)系統(tǒng)停止，井底壓力將會(huì)大幅度改變。持續(xù)循環(huán)的鉆井液系統(tǒng)成本非常高，并且應(yīng)用不廣泛?？貕恒@井設(shè)備具有回壓補(bǔ)償系統(tǒng)，安裝在環(huán)空出口處，能夠在井口提供一個(gè)額外的回壓在較大范圍內(nèi)來(lái)補(bǔ)償井底壓力的波動(dòng)。在封閉循環(huán)系統(tǒng)中，基本的壓力方程為

式中，ps為泥漿泵關(guān)閉時(shí)，由鉆井液產(chǎn)生的靜液壓力；pa有循環(huán)鉆井液產(chǎn)生的環(huán)空摩阻壓力（AFP）；pbp為回壓泵和節(jié)流管匯產(chǎn)生的井口回壓。則基本流量方程為

式中，Qf為節(jié)流管匯上質(zhì)量流量計(jì)所測(cè)得的流量，Qp為泥漿泵流量，Qbp為回壓泵流量，Qf為地層液體或氣體的侵入流量。因?yàn)榭貕恒@井限制氣體從地層溢出量，保證井下安全的條件下，發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲(chǔ)層，因此要求方程（2）中地層氣體侵入量需要小于井口返出總流量的5%。

建立自定義的流量和壓力2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)分析方法，建立自動(dòng)壓力控制方式，即實(shí)時(shí)記錄流量變化的特征時(shí)間及對(duì)應(yīng)工況和參數(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)水力模型計(jì)算所需井口壓力，閉環(huán)壓力控制，必要時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，調(diào)整井口回壓。具體地是根據(jù)出入口流量差ΔQ進(jìn)行分析判斷，利用流量差的瞬時(shí)量（微分量）可進(jìn)行信號(hào)分析；利用流量差的平均量（平衡量）校正泥漿泵上水效率；利用流量差的累計(jì)量（積分量）校正流量計(jì)累計(jì)量，真實(shí)反映溢流、漏失量。

2 控壓鉆井裝備組成及特點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)精細(xì)壓力控制，研制開(kāi)發(fā)了一種新型控壓鉆井設(shè)備——PCDS-I精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)，包括節(jié)流管匯系統(tǒng)、回壓補(bǔ)償系統(tǒng)和自動(dòng)控制中心，其中自動(dòng)控制中心可以精確控制井底壓力?？貕恒@井設(shè)備組成和控壓鉆井現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。

圖1 控壓鉆井裝置組成及現(xiàn)場(chǎng)布置圖

2.1 節(jié)流管匯系統(tǒng)

鉆井液循環(huán)系統(tǒng)對(duì)控壓鉆井影響因素很多，如圖2所示，可以看出：影響控壓鉆井的控制模塊包括泥漿泵、地層、回壓泵、節(jié)流閥以及質(zhì)量流量計(jì)。通過(guò)泥漿泵、鉆柱運(yùn)動(dòng)、地層情況、回壓泵系統(tǒng)等模塊的參數(shù)分析，并結(jié)合壓力控制方法和實(shí)時(shí)水力學(xué)計(jì)算，控制中心采集參數(shù)，再向自動(dòng)節(jié)流管匯系統(tǒng)和回壓泵系統(tǒng)執(zhí)行命令，完成鉆進(jìn)、起下鉆、接單根等工況壓力控制，以及井漏、井塌、井侵等復(fù)雜情況處理。

圖2 控壓鉆井影響因素及控制節(jié)點(diǎn)示意圖

2.2 回壓泵系統(tǒng)

回壓泵系統(tǒng)提供了一個(gè)額外的可控制鉆井液流量的壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，其減少了控制回壓泵流量的技術(shù)難度，實(shí)時(shí)測(cè)量出口流量，并且該循環(huán)系統(tǒng)具有可選擇性，能夠根據(jù)需要配置。

2.3 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制中心

自動(dòng)控制中心相當(dāng)于控壓鉆井設(shè)備的大腦，內(nèi)有兩個(gè)服務(wù)器，并且安裝了應(yīng)用軟件和實(shí)時(shí)控制軟件［6］，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)布局圖

應(yīng)用軟件的功能包括控壓鉆井設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸、接收和分析、控壓鉆井模擬、控壓鉆井監(jiān)測(cè)以及控壓鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)控制軟件包括數(shù)據(jù)采集和通信、井底壓力計(jì)算、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制、過(guò)程監(jiān)測(cè)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理。以上2個(gè)服務(wù)器共同實(shí)現(xiàn)了控壓鉆井控制。

總之，控壓鉆井設(shè)備具有如下顯著特點(diǎn)：（1）四類(lèi)控制方式。本地/遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和本地/遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)裝備最大限度的安全保障；（2）安全互鎖功能。液動(dòng)—?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)能夠在失去動(dòng)力的情況仍維持節(jié)流閥、平板閥的原位，保持工況穩(wěn)定；（3）快速穩(wěn)定動(dòng)態(tài)切換。各種鉆井工況下的壓力快速穩(wěn)定切換，例如20 s完成接單根過(guò)程動(dòng)態(tài)切換，壓力波動(dòng)不超過(guò)±0.35 MPa。

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 川渝地區(qū)應(yīng)用

控壓鉆井設(shè)備在川渝地區(qū)的蓬萊9井成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，壓力控制精度達(dá)到0.35 MPa，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，安全無(wú)故障，應(yīng)用結(jié)果表明：該新型控壓鉆井裝備可以有效控制回流鉆井液的壓力和流量，并完成了8類(lèi)功能測(cè)試，包括：（1）節(jié)流壓力控制特性測(cè)試；（2）井底壓力模式測(cè)試；（3）井口壓力模式測(cè)試；（4）切換模型測(cè)試；（5）井溢監(jiān)測(cè)與控制測(cè)試；（6）井漏監(jiān)測(cè)與控制測(cè)試；（6）水力模型測(cè)試；（7）起下鉆壓力控制測(cè)試；（8）重漿注入與驅(qū)替測(cè)試。

在1 920.46～2 023.45 m和2 023.45～2 560 m作業(yè)層段分別開(kāi)展了不同工況下的近平衡和欠平衡控壓鉆井工藝試驗(yàn)。

（1）溢流監(jiān)測(cè)。井深2 232～2 342 m井段是須家河組須四地層，設(shè)計(jì)地層壓力系數(shù)為1.3 g/cm3，鉆井液密度為1.18 g/cm3，井口回壓1～2 MPa。進(jìn)入該段后，保持欠平衡鉆進(jìn)，井口控壓值保持在1 MPa左右，鉆至2 337 m，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到出口流量比入口流量增加2～3 L/s，鉆井液總池體積增加了1.2 m3。立即通知井隊(duì)和欠平衡作業(yè)隊(duì)，按照井控關(guān)井程序關(guān)井求壓，7 min內(nèi)套壓升至7.89 MPa ，最終決定進(jìn)行壓井作業(yè)；開(kāi)泵循環(huán)，調(diào)整鉆井液密度至1.42 g/cm3，進(jìn)行近平衡控壓鉆井作業(yè)，井口回壓控制為0.8～2.5 MPa。

（2）發(fā)現(xiàn)壓力平衡點(diǎn)。在2 460～2 559 m井段，壓力層系復(fù)雜，屬易噴易漏的壓力敏感地層。在2 523～2 559 m井段，井口回壓高于2.2 MPa時(shí)，總池體積顯示鉆井液漏失，當(dāng)井口回壓低于1.5 MPa時(shí)，總池體積顯示液面上升，顯示有大量氣體溢出。

由于欠平衡控壓鉆井允許氣體以一種適合流速?gòu)沫h(huán)空溢出，大量氣體通過(guò)液氣分離器，然后點(diǎn)火成功，火焰最高超過(guò)10 m，點(diǎn)火時(shí)間最長(zhǎng)超過(guò)50 min。

3.2 塔里木油田應(yīng)用

塔里木地區(qū)油氣主要儲(chǔ)層是碳酸鹽巖，具有典型的“窄窗口”特征，易漏易噴，且高含硫，鉆井、井控都難度很大，常規(guī)鉆井技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)鉆探目的。若是采用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)在鉆進(jìn)、接單根、起下鉆等鉆井工況及時(shí)調(diào)整井底壓力，精確平衡地層壓力，則可有效避免漏、溢及卡鉆等井下復(fù)雜［7］。

國(guó)產(chǎn)精細(xì)控壓鉆井裝備在塔里木油田試驗(yàn)、應(yīng)用多口井，取得良好的應(yīng)用效果，其中在TZ26-H7井創(chuàng)造了多項(xiàng)紀(jì)錄，下面簡(jiǎn)要介紹一下該井的控壓工藝措施。

3.2.1 TZ26-H7井井況 該井為水平井開(kāi)發(fā)井，巖層性質(zhì)：碳酸鹽巖，設(shè)計(jì)控壓井段4 226～5 355 m，實(shí)際控壓井段4 226～5 832 m，控壓井段平均機(jī)械鉆速4.23 m/h，由于水平井段有效地控制了溢流和漏失，使水平井段最大延伸能力得到加強(qiáng)，最后終點(diǎn)靶點(diǎn)B點(diǎn)延長(zhǎng)到5 832 m，井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

該井的控壓鉆井設(shè)計(jì)的目的如下：

（1）解決的壓力窗口窄的問(wèn)題，如井漏、井涌。

（2）減少非生產(chǎn)時(shí)間，縮短鉆井周期。

（3）減少鉆井液泄漏，降低鉆井液污染儲(chǔ)層。

（4）提高水平段鉆進(jìn)能力，最大限度地暴露的水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)單井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。

圖4 井身結(jié)構(gòu)

3.2.2 第1階段（4 226～4 344 m）井控 鉆井液密度1.16 g /cm3，正?？貕褐? MPa左右，環(huán)空壓耗為1 MPa，循環(huán)摩阻1 MPa，井底ECD保持在1.26 g/cm3；接單根時(shí)，控壓值控制在4.3 MPa左右；起下鉆時(shí)，控壓值是4.3 MPa。PCDS-I精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)檢測(cè)井口輸出流量的迅速增加，同時(shí)總烴值也迅速上升，鉆井液池液面上升0.3 m3，開(kāi)始采取控制措施，停止鉆進(jìn)，循環(huán)排氣，井口回壓逐漸增加為3 MPa，穩(wěn)定10 min后，鉆井液池液面繼續(xù)上升0.3 m3，總烴值達(dá)到11.7%，成功點(diǎn)火，火焰高度超過(guò)8 m，持續(xù)3 h 20 min，井口返出鉆井液流量穩(wěn)定，鉆井液池液面恢復(fù)，總烴值下降基本為零，恢復(fù)鉆進(jìn)。

3.2.3 第2階段（4 344～5 166 m）井控 鉆井液密度1.18 g/cm3，共完成4趟鉆的鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程壓力控制為2～3.5 MPa，循環(huán)摩阻大約為1～1.5 MPa，井底ECD維持在1.28～1.30 g/cm3；接單根時(shí)，井口回壓控制在4.5 MPa左右。起下鉆過(guò)程中，井口回壓控制在4.3～4.8 MPa。因?yàn)殡S著井深增加，重漿注入、驅(qū)替的深度越來(lái)越大，重漿密度為1.35 g/cm3，4趟鉆分別從3 000 m、3 200 m、3 200 m、4 000 m開(kāi)始注入，重漿注入完成后井底ECD分別在1.30 g/ cm3、1.31 g/cm3、1.31 g/cm3、1.34 g/cm3，成功處理溢流11次，點(diǎn)火總時(shí)長(zhǎng)達(dá)138 h，占總鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)的70%。3.2.4 第3階段（5 166～ 5 832 m） 鉆井液密度是1.2 g/cm3，共完成3趟鉆的鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程壓力控制在2.5～3 MPa，循環(huán)摩阻1.5～1.6 MPa，井底ECD維持在1.26 g/cm3；接單根時(shí)，井口回壓控制在4.3 MPa；控壓起鉆過(guò)程中，控壓值在4.3 MPa左右，1.35 g/cm3的重漿從4 100 m開(kāi)始注入，重漿注入完成后井底ECD在1.345 g/cm3，成功處理溢流多次，點(diǎn)火總時(shí)長(zhǎng)達(dá)64 h，占總鉆進(jìn)時(shí)長(zhǎng)的85%。

4 結(jié)論

（1）新型控壓鉆井技術(shù)與設(shè)備是建立在新的控壓鉆井設(shè)計(jì)理念上，鉆井液的壓力和流量是同樣重要的控制參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)恒定井底壓力、欠平衡和微流量控壓鉆井等不同精細(xì)控壓鉆井方式。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，選擇不同的控壓鉆井方式，若是地層壓力不太清楚，或者可能含有硫化氫等有害氣體，建議使用恒定井底壓力控壓鉆井；若是為了發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層，建議使用欠平衡控壓鉆井；若是地層較為清楚，地層較為穩(wěn)定，建議使用微流量控壓鉆井。

（2）通過(guò)一系列試驗(yàn)與應(yīng)用，新型控壓鉆井技術(shù)與設(shè)備實(shí)現(xiàn)了以下3個(gè)方面的重要突破：在碳酸鹽巖地層中提速和井眼穩(wěn)定效果明顯；井漏及溢流復(fù)雜時(shí)間降低，鉆井液漏失大幅減少；精細(xì)控壓鉆井技術(shù)使塔里木碳酸鹽巖水平井水平段延伸能力明顯提高。

（3）新型的控壓鉆井設(shè)備還將進(jìn)一步改進(jìn)、完善和提高，一方面增加控制精度和井底壓力控制的可靠性，另一方面要不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域，不僅在窄窗口井使用，還要逐步在高溫高壓井以及衰竭油層中應(yīng)用，解決相關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題?？梢灶A(yù)見(jiàn)，新型控壓鉆井設(shè)備在不久的將來(lái)能夠得到更為廣泛的應(yīng)用。

［1］SAPONJA J,ADELEYE A,HUCIK B.Managed Pressure Drilling （MPD）field trials demonstrate technology value［R］.SPE/IADC 98787,2006.

［2］周英操，崔猛，查永進(jìn).控壓鉆井技術(shù)探討與展望［J］.石油鉆探技術(shù)，2008，36（4）：1-4.

［3］MATTHEW Daniel Mart.Managed pressure drilling techniques and tools ［D］.Texas A&M University,2006.

［4］KUMAR Das Asis.simulation study evaluating alternative initial responses to formation fluid influx during managed pressure drilling simulation study evaluating alternative initial ［D］.Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College,2007.

［5］VAN RIET E J,REITSMA D,VANDECRAEN B.Development and testing of a fully automated system to accurately control downhole pressure during drilling operations ［R］.SPE/IADC 85310,2003.

［6］LIU Wei,YANG Xiongwen,ZHOU Yingcao,et al.Design and practice of auto-control system for managed pressure drilling［A］.2010 CNPC International Wellbore Technology Seminar［C］.Beijing:Petroleum Industry Press,2010.

［7］周英操，楊雄文，方世良，等.國(guó)產(chǎn)精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)在蓬萊9井試驗(yàn)與效果分析［J］.石油鉆采工藝，2011，33（6）：19-22.

（修改稿收到日期 2014-06-18）

〔編輯 薛改珍〕

Development of domestic fine controlled pressure drilling technology and equipment and evaluation on their application effect

LIU Wei1,ZHOU Yingcao1,DUAN Yongxian2,WANG Jinru1,LIU Junfeng2,DAI Guosong3
（1.CNPC Drilling Engineering and Technology Research Institute,Beijing100083,China; 2.CNPC Tarim Oilfield Company,Tarim843000,China;3.Huamei Integrated Service of Huabei Oilfield,Renqiu062552,China）

In order to effectively overcome the problem of narrow density window drilling,increase drilling efficiency and reduce drilling cost,a set of fine controlled pressure drilling equipment has been developed domestically with proprietary right,which has realized the goal of accurately controlling down-hole annular pressure.This equipment mainly includes automatic throttle manifold system,backpressure pump system and remote automatic control center,and is capable of providing additional flow-rate and backpressure compensation required by constant pressure at hole bottom when making up connections,starting or shutting down the pump,changing the drilling fluid density and drill-string moving.The application of near-balanced and under-balanced controlled pressure drilling technology in Sichuan,Chongqing and Tarim regions show that under-balanced controlled pressure drilling technology can control the bottom pressure to be below the formation pore pressure,allowing gas to flow from the formation at a controlled rate,which helps protect and discover the reservoirs and is a viable technology with development potential.

controlled pressure drilling;throttle manifold;automatic control system;under-balanced drilling

劉偉，周英操，段永賢，等.國(guó)產(chǎn)精細(xì)控壓鉆井技術(shù)與裝備的研發(fā)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：34-37.

TE243

：A

1000–7393（2014）04–0034–04

10.13639/j.odpt.2014.04.009

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“窄密度窗口安全鉆井技術(shù)與配套裝備”（編號(hào)：2011ZX05021-003）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深層碳酸鹽巖地層與井筒耦合作用機(jī)理與壓力自動(dòng)控制方法研究”（編號(hào)：51274221）資助。

劉偉，1977年生。2008年畢業(yè)于中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事控制壓力鉆井裝備與技術(shù)研究工作，高級(jí)工程師。電話(huà)：010-80162216。E-mail：liuweidri@cnpc.com.cn。