李曉軍， 王德國， 宋朝暉， 伊 明， 樊宏偉

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000；3.克拉瑪依職業(yè)技術學院石油工程系，新疆克拉瑪依 834000)

精細控壓鉆井系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗研究

李曉軍1,2， 王德國1， 宋朝暉2， 伊 明2， 樊宏偉3

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000；3.克拉瑪依職業(yè)技術學院石油工程系，新疆克拉瑪依 834000)

針對窄密度窗口安全鉆井的問題，西部鉆探研制出精細控壓鉆井系統(tǒng)(MPD)。分析了MPD系統(tǒng)的壓力控制原理，闡述了MPD系統(tǒng)的組成和關鍵技術，在新疆油田對MPD系統(tǒng)進行了現(xiàn)場試驗研究。結果表明，該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測隨鉆狀態(tài)，在不同作業(yè)狀態(tài)下能夠保持井底壓力的平穩(wěn)銜接，可以滿足窄密度窗口等復雜地層的安全鉆井需要。

控壓鉆井系統(tǒng)； 窄密度窗口； 現(xiàn)場試驗

在深層復雜地質的石油勘探開發(fā)過程中，常會因為井下壓力體系失衡產生“卡、塌、漏、噴”等問題，以致窄密度窗口鉆井的安全問題突出。窄密度窗口鉆井過程中會產生井涌、井漏、起下鉆時間過長等問題，這嚴重制約了深井和高溫高壓井的勘探開發(fā)[1]。針對這一問題，國內外通常采用控壓鉆井技術(Managed Pressure Drilling,MPD)，MPD技術通過控制鉆井循壞流體，使得井筒壓力處于地層孔隙壓力與破裂壓力之間，從而實現(xiàn)平衡或近平衡鉆井[2-3]。

MPD是在欠平衡鉆井技術的基礎上發(fā)展而來，欠平衡鉆井用于解決儲層傷害問題[4]，而MPD主要用于解決窄密度窗口安全鉆井的問題。MPD的應用方式主要有恒定井底壓力、泥漿帽鉆井、雙梯度鉆井以及健康安全環(huán)境技術等4種[5-7]。近年中國石油鉆井院、西部鉆探等單位都對MPD技術進行應用研究，中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院研制出精細控壓鉆井系統(tǒng)[8-9]，本文對其進行了現(xiàn)場應用試驗研究。

1 MPD的壓力控制原理

在鉆井過程時，井筒上某點的井底壓力ph等于環(huán)空液柱壓力pm、循環(huán)壓耗pa、井口回壓pc以及環(huán)空循環(huán)波動壓力paf之和，即ph=pm+pa+pc+paf。傳統(tǒng)鉆井過程中，主要通過調節(jié)鉆井液的密度來控制井底壓力。為滿足動態(tài)鉆井時不發(fā)生壓漏，可以選擇低密度的鉆井液，但是停下進入靜態(tài)時，循環(huán)壓耗pa消失，那么ph就會小于地層流體壓力pp，這會出現(xiàn)地層液體流向井筒；如果靠提供鉆井液密度來維持靜態(tài)平衡，那么循環(huán)時因為pa的產生使得ph>pp，就會出現(xiàn)產生壓漏。MPD鉆井過程中，當靜止時，通過施加一個等同于循環(huán)時pa的井口回壓pc，使靜態(tài)ph維持在安全密度窗口內，從而保證鉆井安全[10-12]。

2 MPD的系統(tǒng)組成和關鍵技術

2.1系統(tǒng)組成

MPD系統(tǒng)的作用是維持井底壓力恒定，實現(xiàn)鉆進、起下鉆和接單根等操作時的井筒壓力平穩(wěn)。MPD系統(tǒng)的主要結構包括：參數(shù)監(jiān)測、決策分析、電控、指令執(zhí)行、回壓補償?shù)?個系統(tǒng)。

參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的作用是實時采集和監(jiān)測井下PWD隨鉆環(huán)空壓力、井深、立管壓力、大鉤載荷、泥漿泵沖數(shù)等參數(shù)，監(jiān)測系統(tǒng)硬件是由各種參數(shù)的傳感器構成，通過WITS連接方式，將采集到的參數(shù)傳至公共數(shù)據(jù)處理中心，為MPD提供數(shù)據(jù)支持；決策分析系統(tǒng)包括非實時輸入、水力學計算模型、邏輯判斷和控制等4個模塊，通過4個模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的輸入、計算、分析判斷、發(fā)出調整指令等功能；電控系統(tǒng)是MPD 的一個重要環(huán)節(jié)，其接收到?jīng)Q策分析系統(tǒng)的指令后，通過向下位機下達指令，實現(xiàn)對自動節(jié)流控制管匯的各種節(jié)流閥和平板閥的控制；指令執(zhí)行系統(tǒng)也就是自動節(jié)流管匯系統(tǒng)，接到電控系統(tǒng)的指令后，通過執(zhí)行電路和電磁閥，將電信號變量轉換為閥門開度變量，從而實現(xiàn)調整節(jié)流壓力；回壓補償系統(tǒng)主要在靜態(tài)下，在井口施加回壓，實現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)時井底壓力的平穩(wěn)銜接。

2.2關鍵技術

MPD的作用是控制不同狀態(tài)下井底壓力平穩(wěn)，關鍵技術主要有：鉆進時，MPD依據(jù)決策分析系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)的分析，對比井筒實測壓力與目標壓力的差值，對節(jié)流閥下達相應的控制信號，實現(xiàn)對井筒壓力的控制；停泵接單根時，利用回壓泵對井筒施加井口回壓，以補償因環(huán)空循環(huán)壓耗的消失造成井底壓力的減小，接完單根后，待鉆井泵排量恢復正常時關閉回壓泵，繼續(xù)鉆進。

3 現(xiàn)場應用試驗

將MPD精細控壓鉆井系統(tǒng)，先后在新疆油田的白28井、Ma2239井、Ma2217井和沙門011井上進行現(xiàn)場應用試驗研究。現(xiàn)以白28井為例，來探討MPD控壓鉆井系統(tǒng)的使用效果。

3.1實施前的地層壓力窗口測試

因實施井為探井，地層壓力不明確，為提高控壓鉆井壓力控制的針對性，該井使用了通過增加井口套壓，結合流量計測試求取地層漏失壓力的方法，如圖1所示。

圖1 地層壓力(漏失-井涌)測試方法及實測曲線

Fig.1Formationpressure(leakage-kick)methodandthemeasuredcurves

井深3 012 m，鉆井液密度1.17 g/cm3，井口施加套壓由0.7 MPa升高至3.8 MPa，井底當量泥漿密度1.40 g/cm3，有輕微漏失。因此，確定2 610～3 012 m井段地層壓力窗口密度為1.28～1.40 g/cm3。

3.2實際控壓鉆進情況

3.2.1 控壓鉆進 自井深2 611 m開始實施控壓鉆井作業(yè)，典型控壓鉆進曲線如圖2所示。

圖2白28井典型控壓鉆進曲線

Fig.2Typicalwhite28wellcontrolledpressuredrillingcurve

現(xiàn)場驗證，系統(tǒng)具備基于鉆井參數(shù)采集監(jiān)測系統(tǒng)實時分析、決策，給出壓力控制目標，電控系統(tǒng)實時比對實際壓力與目標壓力，相應給出節(jié)流閥控制信號，自動控制井口回壓功能。

3.2.2 控壓接單根 自井深2 611 m開始控壓鉆井作業(yè)至3 113 m終止控壓鉆井作業(yè)，全程進行了控壓接單根作業(yè)，白28井控壓鉆進至井深2 845 m，典型控壓接單根曲線如圖3所示。由圖3可見，開發(fā)形成的基于流量參數(shù)監(jiān)控決策分析，回壓泵補償，節(jié)流閥組交替跟進控制井筒壓力的人機互動程序，具備解決控壓鉆井接單根停-開泵過程中的壓力控制平穩(wěn)銜接難題的能力。

圖3 白28井典型控壓接單根曲線

Fig.3White28welltypicalpressurecontrolwithsinglecurve

3.2.3 控壓起下鉆 該井控壓起下鉆作業(yè)3次，全程進行了控壓起下鉆作業(yè)。鉆進到井深2 707 m進行短起1柱，典型的控壓起鉆、下鉆曲線如圖4所示。從圖4可以看出，MPD具備依據(jù)目標套壓自動調節(jié)井口套壓的功能。

圖4 典型控壓起下鉆曲線

Fig.4Typicalpressurecontroltrippingcurve

3.2.4 替泥漿帽 該井配合控壓起鉆，共進行控壓起鉆泥漿帽作業(yè)3井次。圖5為鉆進到井深3 113 m停止鉆井作業(yè)，起鉆到井口控壓替入泥漿帽時，典型的擠壓泥漿帽曲線。按照起鉆到井口控制井底當量密度1.26 g/cm3的目標，井筒內泥漿密度1.17 g/cm3，帶壓起鉆到井深1 110 m，替入密度1.45 g/cm3鉆井液井筒壓力控制情況。

圖5 典型控壓泥漿帽曲線

Fig.5Pressuremudcapcurveoftypicalcontrol

3.2.5 隨鉆復雜監(jiān)測與控制 該井控壓鉆進至井深3 044 m，控壓鉆井液密度1.20 g/cm3，井口套壓0.8 MPa，折算井底當量密度1.28 g/cm3，發(fā)生漏失，出口流量從28 L/s減少到12 L /s(見圖6)，立即按照控壓鉆井應急程序通知井隊循環(huán)觀察，并逐步降低井口套壓，當井口套壓降低至0.3 MPa后漏失停止，確定漏失層位漏失壓力1.26 g/cm3。后采取調整鉆井液密度至1.16 g/cm3，鉆進控制井口套壓至0.3～0.4 MPa，控制井底ECD動態(tài)密度小于1.26 g/cm3，消除了漏失的發(fā)生。

圖6 典型控壓隨鉆復雜監(jiān)測與控制曲線

Fig.6Typicalpressurecontroldrillingcomplexmonitoringandcontrolcurve

4 結論

(1) 針對窄密度窗口安全鉆井的問題，西部鉆探研制出精細控壓鉆井系統(tǒng)MPD，其結構主要參數(shù)監(jiān)測、決策分析、電控、指令執(zhí)行、回壓補償?shù)?個系統(tǒng)構成，MPD系統(tǒng)的主要作用是控制在不同狀態(tài)下井底壓力平穩(wěn)銜接。

(2) 將研制出的MPD系統(tǒng)在新疆油田的白28井進行現(xiàn)場應用試驗研究，結果表明MPD系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實時隨鉆狀態(tài)檢測，在鉆進、接單根、起下鉆和替泥漿帽等作業(yè)過程中，能夠對閉環(huán)井筒壓力進行有效控制，且控制精度達到0.35 MPa，達到國外同類產品的技術水平。

(3) MPD系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗結果表明，精細控壓鉆井技術對于窄密度窗口地層、壓力窗口不明確的地層和應力敏感地層的鉆井作業(yè)過程中有獨特的優(yōu)勢，今后加強對該技術的研究和應用，使其在這些復雜地層鉆井作業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

[1] 姜智博，周英操，王倩，等.實現(xiàn)窄密度窗口安全鉆井的控壓鉆井系統(tǒng)工程[J].天然氣工業(yè) 2011，31(8):76-79. Jiang Zhibo, Zhou Yingcao, Wang Qian, et al. Managed pressure drilling system used in narrow density window drilling scenarios [J].Natural Gas Industry,2011, 31(8):76-79.

[2] Cuauro A, Ali M I, Jadid M B, et al. An approach for production enhancement opportunities in a Brownfield redevelopment plan[J]. SPE 101491，2006.

[3] 甄建，邵玉田，劉樹坤，等. 錄井技術在鉆井井控中的作用[J].錄井工程，2011，22(3):10-16. Zhen Jian, Shao Yutian, Liu Shukun, et al.The function of mud logging technique in well control during drilling[J].Mud Logging Engineering, 2011, 22(3):10-16.

[4] 劉慶旺，王韌，孫慧翠. 吉林油田欠平衡鉆井技術研究[J].石油化工高等學校學報，2014，27(1)：48-51. Liu Qingwang,Wang Ren,Sun Huicui. Application of underbalanced drilling in Jilin oilfield [J]. Journal of Petrochemical Universities，2014，27(1)：48-51.

[5] Hannegan D M. Managed pressure drilling in marine environments-case studies[R]. SPE 92600,2005.

[6] Beltran J C, Gabaldon O. Case studies-proactive managed pressure drilling and underbalanced drilling application in San Joaquin wells,Venezuela[R].SPE 100927,2006.

[7] 蔣宏偉，周英操，趙慶，等.控壓鉆井關鍵技術研究[J].石油礦場機械，2012，41(1):1-5. Jiang Hongwei, Zhou Yingcao,Zhao Qing, et al. Study of key technology of managed pressure drilling[J]. Oil Field Equipment，2012，41(1):1-5.

[8] 王凱，范應璞，周英操，等. 精細控壓鉆井工藝設計及其在牛東102井的應用[J].石油機械，2013，41(2):1-5. Wang Kai, Fan Yingpu, Zhou Yingcao,et al. Technological design of precise MPD and its application in well 102 of Niudong [J].China Petroleum Machinery,2013,41(2):1-5.

[9] 陳若銘，伊明，楊剛.精細控壓鉆井系統(tǒng)[J].石油科技論壇，2013(3):55-57. Chen Ruoming, Yi Ming, Yang Gang. Precise pressure-controlled drilling system [J].Oil Forum, 2013(3):55-57.

[10] 伊明，陳若銘，楊剛.控壓鉆井技術研究[J].新疆石油天然氣，2010，6(4):32-37. Yi Ming, Chen Ruoming, Yang Gang. Resarch on managed pressure drilling technlolgy[J]. Xinjiang Oil & Gas, 2010,6(4):32-37.

[11] 周英操，楊雄文，方世良，等.PCDS-I精細控壓鉆井系統(tǒng)研制與現(xiàn)場試驗[J].石油鉆探技術，2011，39(4):7-12. Zhou Yingcao,Yang Xiongwen,Fang Shiliang,et al. Development and field test of PCDS-I precise manged pressure drilling system[J].Petroleum Drilling Techniques, 2011,39(4):7-12.

[12] 李偉廷，侯樹剛，蘭凱，等.自適應控制壓力鉆井關鍵技術及研究現(xiàn)狀[J].天然氣工業(yè)，2009，29(11):50-52. Li Weiting, Hou Shugang, Lan Kai,et al. Key technologies and research progress of the adaptive managed pressure drilling[J]. Natural Gas Industry, 2009,29(11):50-52.

(編輯 宋官龍)

Field Study of Fine Managed Pressure Drilling System

Li Xiaojun1,2， Wang Deguo1， Song Zhaohui2， Yi Ming2， Fan Hongwei3

(1.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;2.ChinaWestDrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute,KaramayXinjiang834000,China; 3.DepartmentofPetroleumEngineering,KaramayVocationalandTechnicalCollege,KaramayXinjiang834000,China)

For safe problems of narrow density window drilling, fine controlled pressure drilling system (MPD) was developed by western drilling. The MPD system pressure control principle was analyzed, the structure and key technology of MPD system were described, and the MPD system was tested in Xinjiang oilfield. The results show that the system can real-time monitor the drilling condition and can keep the bottom hole pressure smoothly in different working conditions which met the security complex formation drilling narrow density window needs.

Managed pressure drilling; Narrow density window; Field study

1006-396X(2014)04-0083-04

2014-04-21

：2014-05-26

“十一五”國家重大專項“窄密度窗口安全鉆完井技術及裝備”(2008ZX05021-003)。

李曉軍(1968-)，男，博士研究生，高級工程師，從事鉆井機械及工藝研究；E-mail: xjlixiaojun@tom.com。

TE928

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.04.018