田玉棟　（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院）

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基于低成本的新型控壓鉆井系統(tǒng)

田玉棟（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院）

控壓鉆井是有效解決窄密度窗口安全鉆進(jìn)的技術(shù)，增加了包括旋轉(zhuǎn)控制頭、節(jié)流控制管匯、回壓泵或連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)等專用的設(shè)備。由于設(shè)備成本較高，影響了控壓鉆井推廣應(yīng)用。為此，優(yōu)化設(shè)計(jì)基于低成本節(jié)能型控壓鉆井系統(tǒng)。通過新增分流管匯省去了回壓泵等設(shè)備，并簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，提高了控制壓力的精度，降低了設(shè)備成本135萬元；同時(shí)，每口井可節(jié)約用電9600 kWh，利于控壓鉆井技術(shù)推廣和應(yīng)用。

低成本；壓力控制；節(jié)能型；控制工藝；專用設(shè)備

控壓鉆井技術(shù)是應(yīng)用先進(jìn)的井控設(shè)備和方法來實(shí)現(xiàn)鉆井最優(yōu)化的一種工藝技術(shù)［1-3］。它可以解決地層孔隙壓力與地層破裂梯度間壓力窄密度窗口造成塌漏等問題，減少套管層數(shù)，提高鉆井效益，降低鉆井成本［3］。但也需要一些專用的設(shè)備如旋轉(zhuǎn)防噴器、節(jié)流系統(tǒng)、回壓泵或連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)等，需要增加額外成本。如何進(jìn)一步降低控壓鉆井成本有利于該技術(shù)推廣和應(yīng)用是目前存在問題之一。新型控壓鉆井系統(tǒng)在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，減少一些設(shè)備或降低儀器的要求，大幅度降低了控壓鉆井設(shè)備成本，同時(shí)簡(jiǎn)化了施工工藝。

1　新型控壓鉆井設(shè)備組成

新型控壓鉆井系統(tǒng)是對(duì)DAPC控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)（圖1），主要改進(jìn)是省去回壓泵，增加了由1條管線和2個(gè)閘閥（B1和B2）組成的分流管匯。其原理是正常鉆進(jìn)時(shí)，打開通往立管的閘閥B2，關(guān)閉通往節(jié)流管匯閘閥B1，正常循環(huán)。接單根時(shí)，關(guān)閉通往立管的閘閥B2，打開通往節(jié)流管匯閘閥B1，泥漿泵作為回壓泵使用，省去了回壓泵，可節(jié)省回壓泵設(shè)備投入約135萬元，也省去了回壓泵的占地、運(yùn)輸、維修等成本。

2　控制工藝

2.1正常鉆進(jìn)的井底壓力

循環(huán)路線（圖2）與DAPC控制系統(tǒng)完全相同，此時(shí)可以通過井下壓力傳感器測(cè)量井底壓力，把壓力數(shù)據(jù)（也可通過相關(guān)參數(shù)應(yīng)用軟件計(jì)算）傳給控制系統(tǒng)，根據(jù)井底實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力的差值確定節(jié)流閥開關(guān)幅度，把壓力差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

如果地層出氣或使用充氣鉆井，鉆井液循環(huán)線路增加液氣分離器，其他線路相同。

2.2接單根和起下鉆井底壓力

由鉆進(jìn)轉(zhuǎn)換為接單根或起下鉆工藝和DAPC控制系統(tǒng)有所不同，轉(zhuǎn)換更簡(jiǎn)單，泥漿泵不停泵，不需要切換節(jié)流閥，打開通向節(jié)流管匯閘閥B1然后關(guān)閉通向立管閘閥B2，此時(shí)可以通過井下壓力傳感器測(cè)量井底壓力，把壓力數(shù)據(jù)（也可通過相關(guān)參數(shù)應(yīng)用軟件計(jì)算，此時(shí)可通過入口排量為0，算出環(huán)空壓耗為0）傳給控制系統(tǒng)，根據(jù)井底實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力的差值確定節(jié)流閥關(guān)閉幅度，把壓力差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

接單根完成后，打開通向立管閘閥B2，關(guān)閉通向節(jié)流管匯閘閥B1，此時(shí)可以通過井下壓力傳感器測(cè)量井底壓力，把壓力數(shù)據(jù)（也可通過相關(guān)參數(shù)應(yīng)用軟件計(jì)算，此時(shí)可通過入口排量不為0，算出環(huán)空壓耗）傳給控制系統(tǒng)，根據(jù)井底實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力的差值確定節(jié)流閥關(guān)閉幅度。由于不涉及回壓泵的啟動(dòng)和節(jié)流閥的轉(zhuǎn)換，操作工藝非常簡(jiǎn)單；同時(shí)，由于出口流量不變，節(jié)流閥的開度變化也比較小，易于控制（圖3）。

由于不需要泥漿泵和回壓泵的轉(zhuǎn)換，也不需要2個(gè)節(jié)流閥之間的切換，自動(dòng)控制更為容易和簡(jiǎn)單。如果泵壓較高，對(duì)開關(guān)閘閥沖蝕大，可以先降低排量，由于壓耗和排量的平方成正比，只要排量降到一半，泵壓就降到1/4，再開關(guān)相應(yīng)的閘閥。

圖1　低成本控壓鉆井系統(tǒng)

圖2　正常鉆進(jìn)循環(huán)

圖3　接單根和起下鉆工藝

3　控制原理

系統(tǒng)因不需要啟動(dòng)回壓泵等設(shè)備，也不需要轉(zhuǎn)換節(jié)流閥，不需要泥漿泵的關(guān)閉和啟動(dòng)，更容易自動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)只需要控制閘門B1和B2的打開和關(guān)閉變化和節(jié)流閥的開度大小。

基本原理：

循環(huán)時(shí)井底壓力=鉆井液靜液壓力+環(huán)空摩阻+井口回壓；

停止時(shí)井底壓力=鉆井液靜液壓力+井口回壓。

系統(tǒng)控制原理見圖4。

圖4　控壓鉆井控制原理

4　節(jié)能效果及結(jié)論

基于低成本節(jié)能型控壓鉆井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2口井，應(yīng)用期間平均起下鉆4次，每次起下鉆約40 h，回壓泵運(yùn)行功率60 kW，每口井可節(jié)約用電9600 kWh，共節(jié)約用電1.92×104kWh；同時(shí)，新型控壓鉆井系統(tǒng)減少了回壓泵等設(shè)備，節(jié)約了設(shè)備成本135萬元，節(jié)約了占地成本、運(yùn)輸成本和維護(hù)成本，大大降低了控壓鉆井的成本。

基于低成本的新型控壓鉆井系統(tǒng)簡(jiǎn)化了控壓鉆井的工藝技術(shù)，省去了泥漿泵和回壓泵的切換，也省去了節(jié)流閥的切換，有利于自動(dòng)控制，提高了控壓鉆井的精確度，同時(shí)節(jié)約了電能消耗，利于控壓鉆井技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

［1］嚴(yán)新新，陳永明，燕修良.MPD技術(shù)及其在鉆井中的應(yīng)用［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2007，30（2）：62-66.

［2］辜志宏，王慶群，劉峰，等.控制壓力鉆井新技術(shù)及其應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2007，35（11）：68-72.

［3］于水杰，李根生，羅洪斌，等.MPD技術(shù)及UBD技術(shù)在鉆井工程中的應(yīng)用分析［J］.西部探礦工程，2009，21（7）：89-92.

（編輯賈洪來）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.018

田玉棟，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（石油工程專業(yè)），從事控壓鉆井、氣體/欠平衡鉆井技術(shù)研究工作，E-mail：tianyudong@cnpc.com.cn，地址：黑龍江省大慶市紅崗區(qū)八百坰鉆井工程技術(shù)研究院，163413。

2016-01-01