李軼明，夏 威，羅方偉，陳澤恩，梁 爽，王 鵬

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249； 2. 中石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 102206)

0 引言

壓井作業(yè)是處理鉆井過(guò)程中溢流、井涌或者井噴事故的關(guān)鍵手段，是石油鉆井中風(fēng)險(xiǎn)最高的施工作業(yè)之一，其成敗至關(guān)重要。同時(shí)，壓井作業(yè)屬于應(yīng)急作業(yè)，要求對(duì)突發(fā)事故迅速做出正確的響應(yīng)，對(duì)壓井方法的選擇和時(shí)機(jī)的把握要求十分準(zhǔn)確，壓井計(jì)算在緊急情況下更顯復(fù)雜，對(duì)壓井工程師操作的熟練度要求非常高。雖然井控技術(shù)與常規(guī)壓井方法均已發(fā)展得較為成熟，通過(guò)井控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)也可以更加高效地達(dá)到實(shí)訓(xùn)效果[1]，但培養(yǎng)擁有一流操作水平的壓井工程師仍是個(gè)較為長(zhǎng)期的過(guò)程。因此，發(fā)展以計(jì)算機(jī)替代人工的智能化自動(dòng)化壓井技術(shù)可以減少人員的風(fēng)險(xiǎn)，提高響應(yīng)速度，應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的井控事故。

司鉆法操作簡(jiǎn)單，理論原理成熟，是現(xiàn)場(chǎng)較為常用的壓井方法[2-3]。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于受到人工控制精度的限制以及人的經(jīng)驗(yàn)不足，操作不當(dāng)，失敗的概率仍然很高[4-5]。還有很多案例發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大多數(shù)連通性較好或密度窗口較窄的油氣層，司鉆法壓井失敗的幾率很高，導(dǎo)致多次循環(huán)才能完成壓井[6]。分析現(xiàn)場(chǎng)失敗的原因發(fā)現(xiàn)，雖然理論上司鉆法是通過(guò)控制立壓來(lái)維持井底壓力恒定，但是由于在壓井過(guò)程中立壓控制實(shí)現(xiàn)難度大，現(xiàn)場(chǎng)工程師多選用調(diào)節(jié)節(jié)流開(kāi)度控制套壓平衡這種更為簡(jiǎn)便的做法，而胡亮等[7]指出，壓井液下行的過(guò)程中控制套壓不變是造成壓井工作復(fù)雜化和失敗的根本原因。這說(shuō)明對(duì)于特殊儲(chǔ)層，司鉆法對(duì)壓力控制的精度決定了壓井的成功與否，計(jì)算機(jī)自動(dòng)化壓力控制相對(duì)人工調(diào)節(jié)有很大優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)化壓井勢(shì)必能夠提高壓井的成功率。

計(jì)算機(jī)輔助壓井是借助精確的計(jì)算模型和監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)提高壓井成功率的手段，是介于人工壓井和完全自動(dòng)化壓井之間的過(guò)渡技術(shù)。2010年，高永海等[8]設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，對(duì)動(dòng)態(tài)壓井法中井筒壓力進(jìn)行計(jì)算保證壓井的成功實(shí)施；2011年，尹邦堂等[9]進(jìn)行了計(jì)算機(jī)優(yōu)化壓井開(kāi)環(huán)控制軟件系統(tǒng)研究，基于兩相流理論建立了壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模板，避免因人為操作不當(dāng)可能造成的欠壓和壓漏等問(wèn)題；2013年，李迅科等[10]開(kāi)展了快速大排量快速混漿(DKD)裝置研制及應(yīng)用，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力并計(jì)算壓井泥漿量和泥漿密度，通過(guò)混漿裝置進(jìn)行混漿，實(shí)現(xiàn)控制井底壓力。還有很多學(xué)者[11-14]利用計(jì)算機(jī)建立模型進(jìn)行井筒壓力計(jì)算，判斷壓井可行性，進(jìn)行水力參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)指導(dǎo)壓井。

為了提高壓井成功率，一方面可以通過(guò)加強(qiáng)培訓(xùn)、總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和提升井筒壓力理論預(yù)測(cè)精度來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一條途徑就是采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)，形成自動(dòng)化壓井技術(shù)體系和硬件系統(tǒng)。同時(shí)，自動(dòng)化壓井系統(tǒng)在未來(lái)可以采用更加優(yōu)化的計(jì)算模型，并不斷將已有的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)引入到控制機(jī)制中來(lái)，不斷完善自動(dòng)化壓井系統(tǒng)。以下將介紹自動(dòng)化壓井的原理和實(shí)現(xiàn)方法，以及自動(dòng)化壓井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和硬件組成，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井模擬氣侵開(kāi)展自動(dòng)化壓井系統(tǒng)測(cè)試，評(píng)價(jià)自動(dòng)化壓井的可行性、智能性和壓力控制的精確性。

1 司鉆法自動(dòng)化壓井系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 司鉆法自動(dòng)控制基本原理

司鉆法壓井是現(xiàn)場(chǎng)較為常用的1種壓井方法，其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)氣侵后能盡早壓井，避免井內(nèi)氣體不斷積聚，避免帶壓上升給井控造成過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)，又能避免卡鉆等異常事故的發(fā)生[15-16]。

自動(dòng)壓井實(shí)際上是應(yīng)用計(jì)算機(jī)采用一定的控制機(jī)制來(lái)完成手動(dòng)控制壓井流程。人工壓井可采用“控制立壓—控制套壓穩(wěn)定—控制立壓穩(wěn)定”或“全過(guò)程控制立壓”這2種方法。第1種方法雖然簡(jiǎn)便但失敗幾率高，而第2種方法人工調(diào)節(jié)很難實(shí)現(xiàn)。本文遵循與理論更加相符的第2種方法，借助計(jì)算機(jī)所具備的手動(dòng)壓井不具備的精確性和便捷性優(yōu)勢(shì)，實(shí)施自動(dòng)化壓井。同時(shí)監(jiān)測(cè)套壓變化，若出現(xiàn)套壓接近最大允許關(guān)井套壓將進(jìn)行預(yù)警，進(jìn)而采取相應(yīng)措施。

1.2 自動(dòng)化壓井系統(tǒng)硬件組成

自動(dòng)化壓井系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)：軟件主要實(shí)現(xiàn)壓井施工單的計(jì)算、數(shù)據(jù)采集分析和對(duì)硬件的控制；硬件是具體的數(shù)據(jù)采集裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括自動(dòng)化壓井系統(tǒng)中控機(jī)、電動(dòng)節(jié)流控制箱、閥門(mén)組和井口數(shù)據(jù)采集傳感器組等。自動(dòng)化壓井系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

自動(dòng)化壓井系統(tǒng)中控主機(jī)是自動(dòng)化壓井系統(tǒng)的核心，通過(guò)數(shù)據(jù)接口獲取自動(dòng)化壓井節(jié)流控制箱、壓力傳感器、泵沖計(jì)數(shù)器和流量傳感器等的數(shù)據(jù)信號(hào)。主機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，基于分析結(jié)果向電動(dòng)節(jié)流控制箱下達(dá)操作指令，實(shí)現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制。

電動(dòng)節(jié)流控制箱是自動(dòng)化壓井系統(tǒng)的執(zhí)行組件，能夠接收并執(zhí)行中控主機(jī)的控制指令，同時(shí)作為1個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)可回傳節(jié)流管匯狀態(tài)數(shù)據(jù)至中控主機(jī)。節(jié)流控制箱接收到控制指令后，通過(guò)高壓液壓油對(duì)節(jié)流閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)閥位變送器獲取節(jié)流閥的實(shí)時(shí)實(shí)際開(kāi)度。除了受中控主機(jī)控制之外，也可以強(qiáng)制斷開(kāi)與中控主機(jī)的聯(lián)系，在緊急情況下實(shí)施手動(dòng)壓井作業(yè)。

圖1 自動(dòng)化壓井系統(tǒng)組成示意Fig.1 Diagram of the structure of automatic well killing system

節(jié)流管匯中液動(dòng)節(jié)流閥J1是自動(dòng)化壓井系統(tǒng)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包含在節(jié)流管匯中，直接由節(jié)流控制箱控制，開(kāi)度調(diào)節(jié)精度為滿行程的1/500。

1.3 自動(dòng)化壓井軟件系統(tǒng)

自動(dòng)化壓井軟件系統(tǒng)的核心功能是計(jì)算壓井施工單并正確控制壓井的實(shí)施，具體程序流程見(jiàn)圖2。包括基本參數(shù)輸入、動(dòng)態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)、壓井施工單計(jì)算和自動(dòng)壓井等4個(gè)功能模塊。

基本參數(shù)對(duì)于每口井均不同，是后期計(jì)算壓井施工單的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為提高壓井響應(yīng)速度需要提前加載到系統(tǒng)中。除了井型、鉆井液性能等參數(shù)外，低泵速泵壓也包括在其中。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)包括鉆桿壓力、套管壓力和出口液體流量隨時(shí)間或泵沖數(shù)的實(shí)時(shí)變化。程序可根據(jù)出口流量和泥漿泵狀態(tài)參數(shù)計(jì)算溢流量，確定是否有溢流發(fā)生。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到溢流發(fā)生之后，動(dòng)態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊將自動(dòng)獲取關(guān)井套壓和關(guān)井立壓。

壓井施工單計(jì)算模塊根據(jù)已知參數(shù)生成壓井施工單，待司鉆、副司鉆和監(jiān)督等現(xiàn)場(chǎng)人員論證準(zhǔn)確無(wú)誤后，程序?qū)⒘嚎刂茀?shù)傳遞給自動(dòng)壓井模塊。隨后，自動(dòng)化壓井系統(tǒng)將執(zhí)行壓井程序，該過(guò)程由計(jì)算機(jī)獨(dú)立完成。

1.4 自動(dòng)化壓井系統(tǒng)功能和技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

自動(dòng)化壓井軟件系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化壓井軟件系統(tǒng)示意Fig.2 Diagram of automatic well killing software system

自動(dòng)化壓井系統(tǒng)主要功能概括起來(lái)有：①準(zhǔn)確快速生成自動(dòng)化壓井施工單；②對(duì)壓井參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；③遵循立壓控制曲線通過(guò)節(jié)流控制箱自動(dòng)控制節(jié)流閥開(kāi)度。

司鉆法壓井的難點(diǎn)在于壓力的穩(wěn)定控制，即整個(gè)司鉆法壓井流程維持井底壓力略大于地層壓力。在現(xiàn)場(chǎng)人工壓井過(guò)程中，有3方面因素造成控壓困難：①剛啟動(dòng)泵時(shí)，井底壓力易產(chǎn)生過(guò)平衡；②在第1循環(huán)周排出氣體過(guò)程中壓力振蕩劇烈，易引發(fā)二次氣侵；③較大的井深會(huì)造成閥位調(diào)節(jié)與壓力變化之間的滯后。以上3個(gè)難點(diǎn)也是自動(dòng)化壓井的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。為了驗(yàn)證自動(dòng)壓井系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壓力控制機(jī)制的合理性，開(kāi)展了一系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井壓井模擬試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)控制過(guò)程中壓力變化的分析，比較人工和自動(dòng)化壓井的效率與精度。

2 司鉆法自動(dòng)化壓井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)井場(chǎng)基本條件

測(cè)試試驗(yàn)在渤海鉆探某井噴模擬試驗(yàn)井S1上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。該試驗(yàn)井井深1 050 m，可進(jìn)行氣侵模擬，由2口300 m儲(chǔ)氣井C1和C2提供壓力相對(duì)穩(wěn)定的氣源模擬氣侵儲(chǔ)層，Y1和Y2為2臺(tái)大功率壓氣機(jī)。儲(chǔ)氣井通過(guò)衍生管向試驗(yàn)井的井底注氣，注氣點(diǎn)位于S1井1 000 m處。進(jìn)氣速度可由開(kāi)度閥CV1和CV2控制，并通過(guò)壓力傳感器對(duì)進(jìn)氣過(guò)程中儲(chǔ)氣井壓力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)氣體質(zhì)量流量計(jì)Q1對(duì)注入氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)量。

SV1.電控閘閥；YT.液體電磁流量計(jì)；F,JT,J2A.節(jié)流閥；NJ.泥漿池圖3 試驗(yàn)井場(chǎng)裝置示意Fig.3 Diagram of facilities of experimental well

2.2 試驗(yàn)工況

為了比較不同進(jìn)氣量和進(jìn)氣速率情況下的壓井過(guò)程，選擇幾種儲(chǔ)氣井初始?jí)毫?、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和不同的關(guān)井時(shí)機(jī)模擬了不同的氣侵情況，應(yīng)用自動(dòng)化壓井系統(tǒng)完成司鉆法壓井第1循環(huán)周，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。3組試驗(yàn)的溢流量不斷增加，井內(nèi)氣侵程度逐漸增大，關(guān)井壓力也有所不同。由表1可以看出，儲(chǔ)氣井初始?jí)毫εc通過(guò)關(guān)井立壓求取的井底壓力存在一定的偏差。該現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是，關(guān)井求壓過(guò)程中井內(nèi)流體被壓回至注氣寄生管中，最終造成了井底壓力的升高，即井底壓力為儲(chǔ)氣井壓力和衍生管內(nèi)靜液柱壓力之和，但該偏差并不影響壓井施工單計(jì)算的準(zhǔn)確性。

表1 不同工況氣侵試驗(yàn)的參數(shù)數(shù)據(jù)Table 1 Parameters under different experimental conditions

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 不同工況下自動(dòng)化壓井過(guò)程分析

圖4為工況1條件下的自動(dòng)化壓井曲線。圖4中顯示了立壓、套壓和節(jié)流閥開(kāi)度隨時(shí)間的變化。當(dāng)井口監(jiān)測(cè)溢流量為4.34 m3時(shí)，關(guān)井(圖1中的3 000 s時(shí)刻)。關(guān)井之后進(jìn)行求壓操作，此時(shí)井底尚未達(dá)到平衡，仍存在進(jìn)氣過(guò)程，立壓和套壓隨之逐漸增加，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，在3 300 s測(cè)得關(guān)井立壓和關(guān)井套壓分別為3.21 和3.28 MPa。自動(dòng)壓井系統(tǒng)計(jì)算得到壓井施工單后隨即啟動(dòng)自動(dòng)化壓井。

圖4 工況1下的自動(dòng)化壓井壓力曲線及閥位變化曲線Fig.4 The distribution of pressure and choke valve opening during automatic killing well in case 1

為了避免泥漿泵啟動(dòng)初期立壓上升劇烈，程序自動(dòng)將節(jié)流閥初始開(kāi)度設(shè)置為適當(dāng)值。由于初期立壓目標(biāo)值與關(guān)井立壓之間的差距較大，節(jié)流閥首先進(jìn)行了1次減小調(diào)節(jié)，立壓隨之迅速上升。當(dāng)立壓超過(guò)目標(biāo)值之后，節(jié)流閥隨之進(jìn)行反向增大開(kāi)度動(dòng)作。經(jīng)過(guò)本輪調(diào)節(jié)，節(jié)流閥開(kāi)度出現(xiàn)振幅逐漸減小的振蕩過(guò)程，而立壓一直保持在目標(biāo)值附近的一個(gè)振蕩，振幅為0.6 MPa。4 500 s之后，節(jié)流閥開(kāi)度振蕩幅度有所增加，立壓振蕩振幅也出現(xiàn)了增加。這主要是由于氣體已經(jīng)運(yùn)移至井筒上部，氣體體積已經(jīng)有了較大的膨脹，節(jié)流閥開(kāi)度與立壓的控制反饋關(guān)系出現(xiàn)了一定的變化。從套壓整體變化趨勢(shì)來(lái)看，5 000 s時(shí)刻達(dá)到最大值，此時(shí)整體氣柱運(yùn)移至井口，隨后套壓開(kāi)始出現(xiàn)下降，為氣體排出過(guò)程。在氣體通過(guò)節(jié)流閥的過(guò)程中，節(jié)流閥開(kāi)度的振幅繼續(xù)增大，但觀察立壓的變化，不難看出自動(dòng)化壓井系統(tǒng)對(duì)其的控制仍然是穩(wěn)定的。5 500 s之后，立壓、套壓和節(jié)流閥開(kāi)度的振蕩振幅迅速減小，此時(shí)全部氣體已經(jīng)從井內(nèi)排出，立壓與節(jié)流閥開(kāi)度變化之間的延遲效應(yīng)減小，系統(tǒng)趨于平穩(wěn)，司鉆法第1循環(huán)周已經(jīng)被成功實(shí)施。

圖5為工況2下的壓井曲線，關(guān)井立套壓分別為3.82 MPa和4.16 MPa。此次氣侵量較多，關(guān)井立壓和關(guān)井套壓相對(duì)較高。實(shí)際立壓曲線維持平穩(wěn)，套壓在氣侵氣體被循環(huán)至井口的過(guò)程中增加，氣侵循環(huán)出井后套壓趨于平穩(wěn)，約為4.5 MPa。此次壓井過(guò)程中，套壓峰值達(dá)到了6 MPa，大于氣侵程度為4 m3時(shí)的套壓最大值。這反映了在相同儲(chǔ)層壓力下，氣侵量越多，井筒內(nèi)靜液柱壓力越小，初始關(guān)井套壓相對(duì)較高，套壓的峰值也會(huì)較高。與工況1類似，節(jié)流閥開(kāi)度振蕩振幅先降低而后增大，隨后再次降低。分析表明，當(dāng)氣體向上運(yùn)移但未到達(dá)井口時(shí)，壓力控制逐漸趨于穩(wěn)定。隨著氣侵氣體前緣到達(dá)井口，氣液混合物流經(jīng)節(jié)流管匯產(chǎn)生的回壓將有較大的波動(dòng)，此時(shí)控制變得相對(duì)不穩(wěn)定，節(jié)流閥開(kāi)度變化幅度也將增大。當(dāng)氣體比例達(dá)到最大時(shí)，開(kāi)度振幅達(dá)到最大。隨著大部分氣侵氣體的排出，控制系統(tǒng)再次向穩(wěn)定發(fā)展。

圖5 工況2下的自動(dòng)化壓井壓力曲線及閥位變化曲線Fig.5 The distribution of pressure and choke valve opening during automatic killing well in case 2

圖6為溢流量9 m3的壓井曲線，關(guān)井立壓和套壓最終分別達(dá)到了3.8和4.74 MPa。雖然溢流量較大，但與小氣侵量壓井曲線相比，立壓雖然波動(dòng)增加，但仍能被控制在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。在時(shí)間為2 000～4 500 s期間，系統(tǒng)平穩(wěn)控制立壓為5 MPa的目標(biāo)值附近，最終當(dāng)全部氣侵排出后，立壓保持為5 MPa。從節(jié)流閥開(kāi)度變化曲線上來(lái)看，節(jié)流閥開(kāi)度保持了1個(gè)較高振幅的振蕩，其主要原因是氣侵量較大，節(jié)流閥需要進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)壓力的控制。由以上3種工況壓井過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)看，自動(dòng)化壓井系統(tǒng)能夠完成對(duì)不同氣侵程度的溢流井的控制，達(dá)到了壓井的效果。

圖6 工況3下的自動(dòng)化壓井壓力曲線及閥位變化曲線Fig.6 The distribution of pressure and choke valve opening during automatic killing well in case 3

3.2 自動(dòng)化壓井執(zhí)行機(jī)制分析

自動(dòng)化壓井是根據(jù)實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力之差進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程，壓力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和精確性取決于調(diào)節(jié)機(jī)制的合理性。自動(dòng)化節(jié)流閥開(kāi)度控制基本原則遵循以下公式：

Δz=cf(pd-pdt)

(1)

pdt=ICP+pa

(2)

(3)

式中：Δz為節(jié)流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)變化量，mm；c為控制系數(shù)，無(wú)量綱；pd為實(shí)際立壓，MPa；pdt為立壓控制目標(biāo)值，MPa；f為控制函數(shù)，代表系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制；ICP為初始循環(huán)立壓，MPa；pa為安全余量，MPa；pe為壓力控制余量，MPa。

在自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中要遵循井底壓力略微高于地層壓力，用于避免井底欠壓發(fā)生二次氣侵或加重溢流發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)此目的，設(shè)定目標(biāo)壓力值為初始循環(huán)立壓與安全余量之和，本試驗(yàn)中安全余量設(shè)定為0.5 MPa。為了增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定度，減少壓力控制反饋延遲造成的系統(tǒng)壓力振蕩，設(shè)置了調(diào)節(jié)觸發(fā)機(jī)制，如式(3)，其中pe=0.3 MPa?？刂坪瘮?shù)f可以采用不同的反饋控制函數(shù)，而在本系統(tǒng)中應(yīng)用了帶阻尼的線性控制函數(shù)。系統(tǒng)設(shè)定每秒響應(yīng)1次，即每秒進(jìn)行1次立壓與目標(biāo)值壓力的比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)開(kāi)度調(diào)節(jié)。

由圖4～6中閥位變化曲線可知，壓力與閥位呈現(xiàn)反向變化趨勢(shì)。同時(shí)，控制函數(shù)中的阻尼系數(shù)比較恰當(dāng)?shù)乜刂屏碎_(kāi)度調(diào)節(jié)的速度，增加節(jié)流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了多次小開(kāi)度調(diào)節(jié)，降低了調(diào)節(jié)過(guò)度的可能性。由實(shí)際的立壓變化趨勢(shì)可見(jiàn)，立壓圍繞目標(biāo)值緩慢地波動(dòng)，當(dāng)井筒中氣侵氣體逐漸被鉆井液帶出后開(kāi)度調(diào)節(jié)頻率和幅度逐漸減少，最終實(shí)際立壓和套壓曲線也相應(yīng)趨于平穩(wěn)。

從3組自動(dòng)化壓井的壓力和閥位開(kāi)度變化曲線來(lái)看，整個(gè)過(guò)程大體可以分為3個(gè)階段：?jiǎn)⒈贸跗?S1)、氣體向上運(yùn)移期(S2)和氣體排出過(guò)程(S3)。S1階段節(jié)流閥進(jìn)行了1次下降和上升調(diào)整，壓力出現(xiàn)了1次較大的波動(dòng)。S2階段是套壓上升至最高值階段，在這一過(guò)程中，氣體向上運(yùn)移，節(jié)流管匯主要以液體排出為主。S3階段為氣體排出過(guò)程，其特征為套壓逐漸下降，通過(guò)節(jié)流管匯的流體為氣液混合物。為了比較不同進(jìn)氣量情況下調(diào)節(jié)機(jī)制的實(shí)際效果，對(duì)以上3個(gè)階段節(jié)流閥開(kāi)度變化范圍和壓力變化范圍進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同氣侵程度下壓井過(guò)程中閥位及壓力波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of the rang of fluctuation of pressure and choke valve openning under different gas flux degrees

在S1階段中由于泵的啟動(dòng)，立管壓力急劇增加，立壓與目標(biāo)值之間的差距較大，節(jié)流閥將會(huì)出現(xiàn)大幅度動(dòng)作，這輪調(diào)節(jié)周期所產(chǎn)生的井底壓力波動(dòng)也會(huì)較大。從圖7可以看出，在S1階段，4 m3的氣侵工況下節(jié)流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)范圍較小，為11 mm左右；氣侵量分別為6和9 m3的情況下，節(jié)流閥開(kāi)度變化差距不大，為16～18 mm。觀察實(shí)際立壓在S1階段的變化范圍可知，氣侵量為4 m3時(shí)，立壓變化為1.2 MPa，而氣侵量分別為6和9 m3的情況下，立壓波動(dòng)范圍約為1.9 MPa。由以上現(xiàn)象可以看出，隨著氣侵量的增加，S1階段泵壓波動(dòng)的幅度將會(huì)增加，但當(dāng)溢流量增大到一定程度之后，壓力波動(dòng)幅度將達(dá)到1個(gè)極限值。另外，無(wú)論氣侵量大小，S1階段立壓波動(dòng)均為最大，接近S2和S3周期內(nèi)的2倍。但試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于較難處理的啟動(dòng)泵過(guò)程，自動(dòng)化壓井系統(tǒng)可以很好地控制立壓使其較快地向目標(biāo)值收斂。

由圖7的S2階段數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨著溢流量的增加，實(shí)際立壓波動(dòng)幅度極值隨溢流量呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，開(kāi)度調(diào)節(jié)的幅度也相應(yīng)增加。這反映了氣侵程度越嚴(yán)重，井筒內(nèi)氣柱長(zhǎng)度越大，壓力調(diào)節(jié)過(guò)程中氣體發(fā)生膨脹和壓縮的余量也越大，造成了壓力波動(dòng)幅值的增加。而在S3階段，壓力振幅極值也隨氣侵量增加而增加。因此，隨著氣侵量的增加，壓力變化的速度和幅度都會(huì)增大，節(jié)流閥動(dòng)作幅度也相應(yīng)增加，給開(kāi)度調(diào)節(jié)增加了難度。

從圖5和圖7可以看出，小程度井涌情況下的壓力波動(dòng)范圍為0.6 MPa，實(shí)際立壓始終圍繞目標(biāo)值平穩(wěn)振蕩，由于1/2振幅為0.3 MPa，小于安全余量0.5 MPa，因此，立壓下限仍高于初始循環(huán)立壓，始終保證了井底壓力略高于地層壓力，所以對(duì)于小氣侵程度下的自動(dòng)化壓井是成功的。對(duì)于6 m3和9 m3較大溢流量下的壓井，立管壓力波動(dòng)范圍雖然相對(duì)于小程度溢流有所增加，但振幅的一半仍小于安全余量，井底壓力始終保持在過(guò)平衡狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)生二次氣侵，這也保證了在較大溢流水平下的成功壓井。

通過(guò)3種氣侵程度下壓井過(guò)程的對(duì)比，可以預(yù)測(cè)到在氣侵氣體循環(huán)出井的過(guò)程中，隨著井深的增大以及氣侵程度的進(jìn)一步增大，立壓控制難度將不斷增大。為了提高自動(dòng)化壓井的適用性，須進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)流開(kāi)度控制策略，適當(dāng)修正安全余量，引入泵速反饋控制機(jī)制，避免壓井全過(guò)程中井底欠平衡和過(guò)平衡的發(fā)生。

4 結(jié)論

1)通過(guò)在實(shí)地井場(chǎng)進(jìn)行的自動(dòng)化司鉆法壓井試驗(yàn)，驗(yàn)證了自動(dòng)化壓井系統(tǒng)司鉆法壓井的基本功能，證明了自動(dòng)化壓井系統(tǒng)進(jìn)行少人甚至無(wú)人壓井的可行性，為自動(dòng)化壓井在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用邁出了重要的一步。在接下來(lái)的研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化自動(dòng)化壓井的適用范圍和提升自動(dòng)化程度，將自動(dòng)化壓井應(yīng)用于深井、超深井、海上井壓井以及其他復(fù)雜井況。

2)進(jìn)行的自動(dòng)化司鉆法壓井試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化壓井的基本功能，包括：準(zhǔn)確計(jì)算自動(dòng)化壓井施工單、實(shí)時(shí)進(jìn)行壓井參數(shù)監(jiān)測(cè)并記錄、能夠通過(guò)節(jié)流控制箱自動(dòng)控制開(kāi)度等。通過(guò)節(jié)流產(chǎn)生的回壓控制立壓使其遵循立壓控制曲線，將含氣鉆井液循環(huán)出井筒，實(shí)際立壓控制曲線符合預(yù)期，通過(guò)智能化開(kāi)度調(diào)節(jié)控制立壓始終維持在目標(biāo)壓力值附近。

3)通過(guò)計(jì)算機(jī)智能化控制節(jié)流開(kāi)度來(lái)平穩(wěn)控制立壓曲線的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在文中試驗(yàn)得到了證明。所建自動(dòng)化壓井系統(tǒng)的智能化控制機(jī)制始終能將立壓控制在目標(biāo)壓力附近的一定范圍以內(nèi)，試驗(yàn)設(shè)定的0.5 MPa的調(diào)節(jié)誤差得以實(shí)現(xiàn)。壓力控制的準(zhǔn)確性和對(duì)波動(dòng)偏差的抑制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)人工實(shí)際壓井?dāng)?shù)據(jù)，可以降低窄密度窗口地層壓井失敗的幾率。