姜英健，周英操，楊甘生，劉 偉

(1.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195;2.中國石油集團勘探開發(fā)研究院，北京 100083;3.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083)

0 前言

窄密度窗口通常定義為鉆井過程中的環(huán)空循環(huán)壓耗大于或等于地層孔隙壓力與破裂壓力之差，這就給鉆井液密度選擇和安全鉆進帶來了挑戰(zhàn)[1]。目前最適宜在窄密度窗口地層作業(yè)的鉆井技術(shù)是控壓鉆井技術(shù)[2]。控壓鉆井技術(shù)具體來說，是通過對井口套管壓力、鉆井液密度、水力摩阻等的綜合控制，精確控制整個井眼環(huán)空壓力剖面，使整個井筒的壓力穩(wěn)定地維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，從而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(fù)雜情況。美國在1995年之前，控壓鉆井技術(shù)使用率不到鉆井總數(shù)的10%，至2008年，控壓鉆井技術(shù)使用率已超過55%，目前，美國陸地鉆機的75%已配備了控壓鉆井裝備。2004～2007年，國外海洋鉆井實施了50余次控壓鉆井作業(yè)，作業(yè)區(qū)域主要位于亞太地區(qū)，還包括委內(nèi)瑞拉、北海、墨西哥灣和巴西等國家，解決了這些地區(qū)裂縫性地層漏失嚴(yán)重的問題，減少了鉆頭使用數(shù)量，優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)，減少或避免了井下復(fù)雜問題的普遍發(fā)生，并在一定程度上保護了油氣層。在鉆進、接單根、起下鉆時均保持恒定的環(huán)空壓力剖面，在鉆進孔隙壓力與破裂壓力窗口狹窄的地層或存在涌漏同存現(xiàn)象時，可實現(xiàn)有效的壓力控制[3]。避免壓裂地層或發(fā)生井涌，這樣就可以安全地鉆過狹窄的密度窗口。

目前國際上比較成熟的控壓鉆井系統(tǒng)主要有Halliburton公司的控壓鉆井系統(tǒng)(Manage Pressure Drilling，MPD)，Schlumberger公司的動態(tài)環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(Dynamic Annular Pressure Control，DAPC)和Weatherford公司的微流量控壓鉆井(Micro-Flux Control，MFC)系統(tǒng)。DAPC系統(tǒng)與MPD系統(tǒng)工作原理基本相同，均屬于井底恒壓式控壓鉆井，所以本文只以DAPC系統(tǒng)為例與MFC系統(tǒng)進行對比。

1 DAPC系統(tǒng)與MFC系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 DAPC 系統(tǒng)

Schlumberger公司的DAPC系統(tǒng)主要包含旋轉(zhuǎn)防噴器、控壓自動節(jié)流管匯、控制面板與PLC(MPD Autochoke、Control Panel and PLC)、回壓泵 BPP(Back-Pressure Pump)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)(Data Acquisition and Control System)、隨鉆測壓(PWD)以及配套的自動控制系統(tǒng)，附加管匯等(圖1)。該系統(tǒng)通過高速網(wǎng)絡(luò)把泵、節(jié)流管匯和實時精確的水力學(xué)模型連接成一個系統(tǒng)，可以自動地測量、管理和控制井下壓力。通過高速網(wǎng)絡(luò)把泵、節(jié)流管匯和實時精確的水力學(xué)模型連接而成，可以自動地測量與控制井下壓力[4]。

圖1 Schlumberger公司DAPC系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

鉆井時，井下復(fù)雜的產(chǎn)生大多是因為井底壓力與地層壓力相差較大，漏失產(chǎn)生的原因為井底壓力大于地層破裂壓力，溢流產(chǎn)生的原因井底壓力為小于地層壓力。在鉆井過程中，井筒內(nèi)壓力平衡方程式可表達為:

式中:PBHP——地層壓力，MPa;PWHP——井口回壓，MPa;PH——靜液柱壓力，MPa;PL——環(huán)空壓耗，MPa。

而DAPC控壓鉆井系統(tǒng)利用綜合壓力控制器、水力學(xué)模型、節(jié)流管匯、回壓泵協(xié)同工作，通過實施計算，自動調(diào)整井口回壓，能夠在鉆進、接單根、起下鉆等過程保持井底壓力在合適的密度窗口之內(nèi)，避免或減少井涌、井噴、漏失等事故的發(fā)生，特別適合用于解決窄安全密度窗口和高溫高壓地層鉆井所出現(xiàn)的涌漏同存、高壓井控風(fēng)險難題。井底恒壓控壓鉆井技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 井底恒壓控壓鉆井技術(shù)流程簡圖

1.2 MFC 系統(tǒng)

Weatherford的微流量控壓鉆井系統(tǒng)(MFC)的出入口流量監(jiān)測和早期溢流探測方法的美國專利早于Halliburton公司的控壓鉆井系統(tǒng)，其設(shè)計目標(biāo)是[5]:(1)最大程度的減少鉆機附加設(shè)備;(2)通過在地面上操作可以快速實現(xiàn)井下控制;(3)在任意時間均能直接確定地層孔隙壓力和破裂壓力;(4)鉆井工人在地面上簡單的操作便可靈活的改變當(dāng)量循環(huán)密度;(5)在需要時能夠迅速的切換回常規(guī)鉆井方法;(6)能夠顯著降低鉆風(fēng)險井的費用;(7)操作簡單快捷，能夠達到全自動運行;(8)不需要再增加和研發(fā)其他昂貴的設(shè)備。MFC系統(tǒng)是通過在傳統(tǒng)的地面鉆井液循環(huán)線路上安裝微流量傳感器和節(jié)流裝置來實現(xiàn)對鉆井液壓力、流量、當(dāng)量循環(huán)密度、流速等參數(shù)的隨鉆實時監(jiān)控，并同時進行反饋控制，最終達到控壓鉆井的目的。微流量控壓鉆井系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分為3個部分:旋轉(zhuǎn)控制頭，微流量節(jié)流管匯和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MFC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

微流量的含義包括了微進口流量和微出口流量2個概念，對微流量的精確檢測和控制是保證鉆井液閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用了高精度的質(zhì)量流量計，所以能夠監(jiān)測到鉆井液很小的波動范圍。微流量控壓鉆井系統(tǒng)只需在地面進行簡單的操作便可以快速控制鉆井液壓力。在實際工程應(yīng)用中，可假設(shè)環(huán)空內(nèi)的鉆井液為不可壓縮流體，所以地面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(yīng)，這是MFC系統(tǒng)能夠滿足快速控制要求的基礎(chǔ)。

鉆井作業(yè)時連續(xù)不斷的注入鉆井液，利用井筒的液柱壓力來平衡地層中的油、氣、水壓力和巖石的側(cè)向壓力，以防止井噴、井塌、卡鉆和井漏等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。不同井段和工況下可計算出鉆井液參數(shù)的安全范圍。系統(tǒng)控制軟件通過傳感器將采集到的鉆井液流量、壓力、溫度等采樣值通過模數(shù)轉(zhuǎn)換送入到中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中，并與安全范圍進行比較，若超出了安全范圍值，系統(tǒng)進一步判斷鉆井液是否存在漏失情況。如果有漏失發(fā)生，系統(tǒng)便可確定壓裂地層，調(diào)整流量減少回程壓力達到平衡狀態(tài);若無漏失情況發(fā)生，則確定孔隙壓力，改變流量增加回程壓力，直至達到期望的鉆井液流量值。微流量控壓鉆井工藝流程如圖4所示。

圖4 微流量控壓鉆井工藝流程

在整個鉆井施工過程中，這種檢測與比較會一直進行下去，完成鉆井時鉆井液的可控循環(huán)，實時調(diào)節(jié)孔隙壓力和破裂壓力，來滿足鉆井工藝的要求。該系統(tǒng)能精確檢測泵入和返出的鉆井液的質(zhì)量流量、密度、粘度、溫度等參數(shù)，能在井涌量＜80 L時就能檢測到，并可在2 min內(nèi)控制溢流，使地層的流體的總溢流體積＜800 L。該套系統(tǒng)不一定需要PWD工具，應(yīng)用微流量控制原理和技術(shù)實施控壓鉆井，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)流裝置，對進出口鉆井液的微小壓力、質(zhì)量流量、當(dāng)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(yù)防和解決鉆井事故的發(fā)生[6～8]。該技術(shù)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。該系統(tǒng)能快速檢測地層壓力，并保持井底壓力的穩(wěn)定，與DAPC系統(tǒng)的控壓思路有所區(qū)別。

2 DAPC系統(tǒng)與MFC系統(tǒng)的主要區(qū)別

總體來說，2種控壓鉆井系統(tǒng)均是通過調(diào)節(jié)節(jié)流管匯，施加回壓，來達到節(jié)流壓力、循環(huán)摩阻與靜液壓力三者之和動態(tài)的恒定。綜合分析2套控壓鉆井系統(tǒng)的工作原理及基本機構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)2系統(tǒng)的主要區(qū)別主要有以下幾方面。

2.1 設(shè)備組成不同

兩套系統(tǒng)均包含有高精度的節(jié)流管匯、回壓泵、多相分離裝置、可回收的鉆柱單向閥NRV、質(zhì)量流量計(Coriolis流量計)、體積流量計、溫度和壓力傳感器等設(shè)備;不同的是DAPC系統(tǒng)有時需要使用隨鉆測壓工具PWD來實時測量井底壓力，并傳遞給數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，經(jīng)判斷分析后對下步控壓進行修正;MFC系統(tǒng)則不需要隨鉆測壓工具PWD，該系統(tǒng)井口有一套質(zhì)量流量計與體積流量計、能確定早期微流量侵入的探測設(shè)備，如WMB的碳?xì)浠衔锾綔y器等[9]。MFC系統(tǒng)是通過檢測進出口的流量變化，經(jīng)水力學(xué)計算來獲得井底壓力數(shù)值。

2.2 監(jiān)測目標(biāo)及控制策略不同

DAPC系統(tǒng)需要安裝隨鉆測壓工具PWD，其直接監(jiān)測對象為壓力。其控制策略是力的平衡原理，通過對回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合精確控制，使節(jié)流壓力、循環(huán)摩阻與靜液壓力三力之和達到穩(wěn)定狀態(tài)，從而使整個井筒的壓力精確地維持在安全密度窗口內(nèi)。

MFC系統(tǒng)的直接監(jiān)測對象為流量，其控制策略是物質(zhì)守恒原理，是通過在傳統(tǒng)的地面鉆井液循環(huán)線路上安裝微流量傳感器和節(jié)流器來實現(xiàn)對鉆井液壓力、流量、當(dāng)量循環(huán)密度、流速等參數(shù)的隨鉆實時監(jiān)控，并同時進行反饋控制，使井筒內(nèi)流體的量維持恒定，最終達到控壓鉆井的目的[10]。

若假定井筒內(nèi)流體為氣液兩相，分別考慮鉆柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)的平衡方程(參見圖5)。

圖5 井筒質(zhì)量平衡示意圖

鉆柱內(nèi)平衡方程:

其中，下標(biāo)g代表流體中氣相部分，下標(biāo)l代表流體中液相部分，Ql，bit為鉆頭處流體的流量。

環(huán)空中平衡方程:

其中，下標(biāo)g代表流體中氣相部分，下標(biāo)l代表流體中液相部分，Ql，res為地層內(nèi)流體的流量，Ql，choke為出口節(jié)流閥處的流體流量。

2.3 小結(jié)

綜上所述，DAPC系統(tǒng)與MFC系統(tǒng)均能提供井底恒壓式的控壓鉆井服務(wù)，只是在設(shè)備及工作原理上有些許不同。比較兩套控壓系統(tǒng)，并無高下優(yōu)劣之分，只是側(cè)重點有所區(qū)別。裝有隨鉆測壓工具PWD的DAPC系統(tǒng)能夠精確的測量井底壓力，而裝有先進的質(zhì)量流量計與體積流量計的MFC系統(tǒng)能夠更早地探測和更精確地控制各種事故的發(fā)生。

3 應(yīng)用及研究進展

2套控壓系統(tǒng)目前均已成功地投入商業(yè)應(yīng)用。DAPC系統(tǒng)于2005年商業(yè)應(yīng)用于墨西哥灣Mars區(qū)塊海洋鉆井，解決了鉆井中出現(xiàn)的井漏和井眼失穩(wěn)問題;2007年成功用于北海Kvitebjrn高溫高壓開發(fā)井的鉆進作業(yè)。四川油田和大港油田也分別引進了MFC系統(tǒng)，其中大港油田的濱41井應(yīng)用MFC系統(tǒng)控壓鉆進井段3380～4450 m，全程未發(fā)生井漏和溢流，鉆井液密度得到了有效控制，儲層段平均機械鉆速是鄰井的2倍，鉆井周期得到大幅縮短，取得了良好的效果[11]。

近年來，國內(nèi)也加強了對控壓鉆井技術(shù)的研究，中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院研制的PCDS－I精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)具備井底恒壓和微流量控制雙功能，先后在我國塔里木、川渝、華北、冀東等地區(qū)成功進行了現(xiàn)場試驗和應(yīng)用10余口井，形成了過平衡、近平衡、欠平衡精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，實現(xiàn)了減輕對地層傷害、解決窄壓力窗口問題、有效地減少或降低井漏、井涌、壓差卡鉆等復(fù)雜、延長水平井段長度、提高機械鉆速、增加鉆井安全性、控制或避免井下涌漏等復(fù)雜、處理井下涌漏復(fù)雜等顯著應(yīng)用效果[12，13]。

4 結(jié)論與建議

(1)DAPC系統(tǒng)與MFC系統(tǒng)都能提供井底恒壓式的控壓鉆井技術(shù)，均是通過調(diào)節(jié)節(jié)流管匯，施加回壓，來達到節(jié)流壓力、循環(huán)摩阻與靜液壓力三者之和動態(tài)的恒定，來實現(xiàn)控壓鉆井的目的。

(2)DAPC系統(tǒng)安裝有隨鉆測壓工具PWD，其直接監(jiān)測對象為壓力。能夠精確的測量控制回壓、井底壓力等參數(shù)。

(3)MFC系統(tǒng)進出口處均裝有先進的質(zhì)量流量計與體積流量計，因而能夠更早地探測和更精確地控制涌漏情況的發(fā)生。

(4)鑒于控壓鉆井技術(shù)的諸多優(yōu)勢，建議繼續(xù)加大控壓鉆井新技術(shù)的適應(yīng)性試驗及推廣應(yīng)用力度，進而解決復(fù)雜地層鉆井經(jīng)常鉆遇的鉆井難題，降低非生產(chǎn)作業(yè)時間，節(jié)約鉆井成本，實現(xiàn)安全鉆井。

[1] 周英操，楊雄文，方世良，等.窄窗口鉆井難點分析與技術(shù)對策[J].石油機械，2010(004):1 －7.

[2] 周英操，崔猛，查永進.控壓鉆井技術(shù)探討與展望[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(2):9.

[3] MALLOY K，STONE R，MEDLEY G，et al.Managed-Pressure drilling:what it is and what it is not[C].M paper122281 － MS presented at the IADC/SPE Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference＆ Exhibition，12－13 February 2009，San Antonio，Texas，USA.New York:IADC/SPE，2009.

[4] SANTOS H，REID P，MCCASKILL J，et al.Deep-water drilling made more efficient and cost-effective:using the micro flux control method and an ultralow-invasion fluid to open the mud weight window[J].SPE Drilling＆ Completion，2007，22(3):189－196.

[5] SANTOS H，REID P，LEUCH TENBERG C，et al.Micro flux control method combined with surface BOP creates enabling opportunity for deep water and offshore drilling[C].M paper 17451 －MS presented at the Offshore Technology Conference，2 － 5 May 2005，Houston，Tex as，USA.New York:SPE，2005.

[6] SANTOS H，MUIR K，SONNEMANN P，et al.Optimizing and automating pressurized mud cap drilling with the micro-flux control method[C].M paper 116492－MS presented at the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition，20 －22 October 2008，Perth，Australia.New York:SPE，2008.

[7] 周英操，崔猛，查永進.控壓鉆井技術(shù)探討與展望[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(4):1 －41

[8] 王果，樊洪海，劉剛，等.控制壓力鉆井技術(shù)應(yīng)用研究[J].石油鉆探技術(shù)，2009，37(1):34 －38.

[9] 曾凌翔，李黔，梁海波，等.控制壓力鉆井技術(shù)與微流量控制鉆井技術(shù)的對比[J].天然氣工業(yè)，2011，31(2):82 －84.

[10] 朱麗華.控制壓力鉆井技術(shù)與欠平衡鉆井技術(shù)的區(qū)別[J].鉆采工藝，2008，31(5):136.

[11] 周寶義，竇同偉，孫寶，等.微流量控制控壓鉆井技術(shù)在大港油田的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，(9):80－82.

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

[13] 石林，楊雄文，周英操，等.國產(chǎn)精細(xì)控壓鉆井設(shè)備在塔里木盆地的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2012，32(8):6 －10.