控压钻井关键技术研究

蒋宏伟，周英操，赵 庆，郭庆丰

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195） ①

·专题研究·

控压钻井关键技术研究

蒋宏伟，周英操，赵 庆，郭庆丰

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195）①

国内外的应用结果表明：控压钻井技术在解决窄泥浆密度窗口地层、裂缝发育的压力敏感地层钻井出现的“喷漏同层、喷漏同存”的复杂事故有显著的效果。介绍了控压钻井的定义和应用形式，重点分析了控压钻井系统的组成及工艺流程。提出了控压钻井技术的研究重点，对控压钻井技术的研究和应用有参考作用。

钻井技术；控压；应用；组成；工艺流程

在钻探深层复杂地层时，由于孔隙压力和破裂压力之间的窗口通常比较小，经常出现井涌、井漏、有害气体泄漏、卡钻、起下钻时间过长等钻井问题，不但延长钻井周期，而且还带来HSE（健康、安全、环境）方面的问题。如果在钻进过程中对井下压力实施有效控制，可以较好地解决这些复杂问题，控压钻井（Managed Pressure Drilling，简称MPD）技术是缓解上述复杂情况的有效方法。

控压钻井技术在20世纪60年代中期开始在陆地钻井作业中应用，但没有引起足够的关注。近年来，随着海上勘探开发的不断发展，这项技术越来越受到海上钻井决策者的重视，从而使控压钻井技术得到了快速发展。2004年，IADC／SPE阿姆斯特丹钻井会议上提出了控压钻井技术，该技术主要是通过对井口回压、流体密度、流体流变性、环空液位和水力摩阻的综合控制，使整个井筒的压力维持在地层孔隙压力和破裂压力之间，进行平衡或近平衡钻井，有效控制地层流体侵入井眼，减少井涌、井漏、卡钻等多种钻井复杂情况［1－3］。IADC欠平衡钻井作业委员会将MPD定义为：一种适用的钻井程序，用于精确控制整个井眼的环空压力剖面，目的在于确定井底压力范围，从而控制环空压力剖面［4］。

随着控压钻井技术的兴起，国外逐渐形成了系统的工艺理论，发展了不同控压钻井的工艺技术，例如井底压力恒定的控压钻井技术、加压泥浆帽钻井技术、双梯度钻井技术等。目前，国外Harlliburton、Weatherford、Shell和Statoil等公司已进行了相关的控压钻井技术研究和现场试验应用，并取得了较好的应用效果。

1 控压钻井技术的应用形式

控压钻井技术是为了更好地控制井底压力，其压力控制的目标是：在整个钻井作业过程中无论是否钻进、是否循环钻井液，都能精确控制井底压力，使其维持恒定。

1.1 井底压力恒定（CBHP）技术

井底压力恒定（Constant Bottom Hole Pressure，CBHP）的控压钻井又称为当量循环密度（ECD）控制，是一种通过环空水力摩阻、节流压力和钻井液静液柱压力来精确控制井眼压力的方法。设计时使用低于常规钻井方式的钻井液密度进行近平衡钻井，循环时井底压力等于静液柱压力加上环空压耗；当关井、接钻杆时，循环压耗消失，井底压力处于欠平衡状态，在井口加回压使井底压力保持一定程度的过平衡，防止地层流体侵入。理想的情况是静止时在井口加的回压等于循环时的环空压耗［5］。

井底压力恒定的控压钻井作业，无论是在钻进、接单根，还是起下钻时均保持恒定的环空压力剖面，在钻进孔隙压力——破裂压力窗口狭窄的地层或存在涌、漏现象时，可实现有效的压力控制。通过综合分析井下测量数据和水力学模型的计算结果，及时调控控压钻井的控制参数（流体密度、流体流变性能、环空液面、井口回压、水力学摩擦阻力等），从而精确控制井底压力，使之接近于恒定，避免压裂地层或发生井涌。

尽管在CBHP MPD钻井中，钻井液密度可能低于孔隙压力，但这并不是欠平衡钻井，因为总的钻井液当量密度仍高于地层孔隙压力，属于控压钻井技术。在这种情况下，对发生意外侵入的流体应当使用控压钻井井口装置使侵入流体得到适当控制。1.2 加压泥浆帽钻井（PMCD）技术

泥浆帽钻井技术（MCD）是一种“钻井液不返出地面”的较为成熟的钻井工艺。加压泥浆帽钻井（Pressurized mud cap drilling，PMCD）是在钻井中因环空流体密度较小而需在井口施加一个正压，因此称为加压泥浆帽钻井，这也是与泥浆帽钻井的主要区别。加压泥浆帽钻井是一种控制严重井漏的钻井方法，适用于陆上和海洋油气井眼严重漏失地层的钻进作业。泥浆帽钻井和加压泥浆帽钻井都适用于钻进严重漏失地层，但是，若储层压力低于静水压头，则应采用泥浆帽钻井工艺，在钻井液漏失过程中向环空泵入清水，一旦侵入井眼的气体被环空内的清水压回漏失层段，即可继续钻进；当储层压力高于静水压头时，就必须采用加压泥浆帽钻井工艺，利用加重钻井液来平衡储层压力［2－3］。

加压泥浆帽钻井过程中，通过旋转控制头从地面向环空上部注入液态“钻井液帽”。通常，注入的泥浆帽已经过加重和增粘处理，高密度钻井液应缓慢注入环空，防止油气上窜进入环空，从而保持良好的井控状态。为了更好地携带岩屑，避免岩屑在钻头以上层段的孔洞或裂缝中沉积，在岩屑上返的同时，还需要向钻杆内注入1段“牺牲流体”（sacrificial fluid），即注入井筒但不返出的低成本流体，通常是清水或盐水。

加压泥浆帽钻井工艺是采用相对密度较小并且无害的钻井液来钻开压力衰竭地层，然后采用高密度钻井液将低密度钻井液压入漏失层段继续钻进，所有低密度钻井液和流入井眼的流体都被压入衰竭地层。采用这种方法，即使所有低密度钻井液都循环失返侵入衰竭地层，也能够有效控制井眼。

加压泥浆帽技术可以继续降低环空压力，使作业人员能够继续钻穿裂缝地层或断层达到设计井深，减少发生井下复杂情况的时间与费用，使钻井液漏失最小化；其结果是低密度钻井液不但提高了机械钻速（ROP），而且进入衰竭地层的钻井液费用低于常规钻井液。应用常规钻井技术会发生完全漏失或接近完全漏失，应用加压泥浆帽技术不但提高了井控能力，而且对储层伤害也比较小［6］。

1.3 双梯度钻井（DGD）技术

与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更复杂，容易出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难题：锚泊钻机本身必须承受锚泊系统的重力，给钻机稳定性增加了难度；隔水管除了承受自身重力，还承受严重的机械载荷，防止隔水管脱扣是一个关键问题；地层孔隙压力和破裂压力的间隙很小，很难控制钻井液密度安全钻过地层；海底泥线处高压、低温环境影响钻井液性能，产生特殊的难题；海底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物可能引起的钻井风险等。国外在20世纪60年代提出并在90年代得到大力发展的双梯度钻井技术很好地解决了这些问题。目前已开展7个项目，研究包括海底泵举升钻井液、无隔水管钻井、双密度钻井等多种实现方法，可以很好地解决深海钻井中的技术难题［7］。

双梯度钻井（Dual Gradient Drilling，简称DGD）技术是一种控压钻井技术，该技术的基本原理是：隔水管内充满海水（或不使用隔水管），采用海底泵和小直径回流管线旁路回输钻井液；或在隔水管中注入低密度介质（空心微球、低密度流体、气体），降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当，在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系，有效控制井眼环空压力、井底压力，使压力窗口维持在地层孔隙压力和破裂压力之间，克服深水钻井中遇到的问题，实现安全、经济地钻井。

1.4 HSE（健康、安全、环境）控压钻井

HSE控压钻井或称回流控制（Return Flow Control）钻井，是出于健康、安全、环保的目的将钻井液返回到钻台上的一项控压钻井技术。HSE控压钻井是IADC所列举的控压钻井形式之一。尽管技术应用可能有所变化，但与敞开式循环系统相比，HSE MPD应用了闭合、承压的钻井液循环系统，通常在发生危险而被迫停钻或因此影响开采时应用该技术。闭合式钻井液循环系统可防止岩屑和气体从钻台进入大气，因此可降低H2S气体的含量，减少钻台闪火花的危险。该技术可对整个井眼提供精确的压力控制，本身就比常规作业更安全，可以更好地解决前面所说的由于井下压力忽大忽小所造成的漏失——井涌现象［8］。

2 控压钻井系统组成

典型的控压钻井系统如图1，主要由PWD、旋转控制头、自动节流管汇、节流阀、控制中心和回压泵系统等组成。

图1 井底压力恒定的控压钻井系统工艺流程

2.1 PWD

为控压钻井提供准确、实时的环空压力数据。

2.2 自动节流管汇及控制系统

节流管汇受主控制器操纵，由各种阀件、主节流管汇和辅助节流管汇组成。当主钻井泵启动时，流体沿着主节流管汇路线流动，当井内流体减少时，主节流器关闭，流体沿体积较小的辅助节流管汇路线流动。

在IPM的控制下，节流阀对回压变化迅速做出调整。IPM利用装在节流管汇上的压力检测仪器监测回压，使它保持在水力模型实时计算得出的范围内。如果检测到压力异常，IPM对节流管汇发出指令，节流管汇迅速做出适当调整。

节流管汇管线口径大，配有备用阀并具有自动切换功能，可保证钻井液流动畅通。如果岩屑阻塞节流阀，IPM会自动开大节流阀，泄压并清除岩屑；如果节流阀置于最大位置仍不能泄压，IPM会自动切换到备用阀并报警［5］。

2.3 回压泵系统

2.3.1 工作原理

回压泵直接连到节流管汇，其主要作用就是在控压钻井过程中，需要时以恒定排量提供钻井液，钻井液流经主节流阀，IPM通过调整节流阀位置控制回压。正常钻井时，节流管汇由钻井泵供钻井液，控制回压。当钻井泵流速下降（如接单根时），IPM自动启动回压泵，回压泵向节流管汇供钻井液，保持回压，维持井底压力在安全窗口内；另外，回压泵也可以通过旋转控制头供钻井液。为了安全起见，回压泵装了泄压、检测阀，防止压力过高和井口回流。

2.3.2 性能参数

排量和压力是回压泵的2个主要性能参数。排量以每分钟排出若干升计算，它与井眼直径及所要求的冲洗液自井底上返速度有关，回压泵的压力大小取决于所需补偿的环空压力的大小等。井越深，流动阻力越大，所需要的压力越高。随着井眼直径、深度的变化，要求泵的排量也能随时调节。在泵的机构中设有变速箱或以液压马达调节其速度，以达到改变排量的目的。为了准确掌握泵的压力和排量的变化，回压泵上要安装流量计和压力表，使工作人员随时了解泵的运转情况，同时通过压力变化判别井内状况是否正常以预防发生井内事故。

2.4 监测控制系统

封闭的、加压的泥浆循环系统是使用过程控制计算机进行压力控制的必要条件。实时监控系统能够完成数据采集、数据存储、数据监测、数据分析、数据处理、压力控制、实时报警等功能。监控系统主要由测量、控制模块和水力计算模块2大模块构成。

测量和控制模块可以分开设计：其中1个模块被用来测量节流阀位置，同时还作为传感器接口来使用；另1个模块运行PID控制模块以进行压力控制，对井口设备的可控阀门进行逻辑开关控制，包含自动开关冗余节流支路的能力，并行双路压力控制功能，同时还要提供详细的系统诊断功能。

水力学计算模块是井下测量数据的一个非常重要的补充手段。井下测量工具传回的数据通常不能直接应用，并且容易受井下复杂情况的影响，因此使用水力模型对井眼环空压力进行校正计算是非常必要的。水力模型通过使用描述井眼状况的输入数据集合，并综合地面和井下实时测量数据等参数来计算环空压力的大小，以获得所期望的井底压力。

2.5 工艺流程

控压钻井系统工艺流程如图1。

正常钻进时，由控制中心控制调节节流阀的开度来调节井口回压，使井底压力保持稳定；接单根和起下钻时，启动回压泵来调节和补偿井口回压。

3 国内研究重点

1） 控压钻井系统的设计方案研究。根据不同的钻井作业要求，设计不同的控压钻井应用形式和不同的装备组合。

2） 进行控压钻井设备的研制，特别是PWD、旋转控制头、自动节流管汇、高精度的节流阀和回压泵系统等设备的研制。

3） 控压钻井工艺的研究。必须掌握控压钻井的全部工艺技术：包括控压钻井的正常钻井、接单根、起下钻、维修、控压钻井井控、压力控制技术、各种情况下的应急方案（控压钻井应急程序、节流阀堵塞应急程序、PWD失效应急程序）等［1］。

4） 开展多相流流动规律的研究，用于模型控制，为控压钻井调节压力提供理论基础。

5） 控压钻井相关软件的研究。软件应该包括控压钻井的设计、回压泵和自动节流管汇的控制系统、水力学计算以及应用功能。

6） 建立控压钻井实验室。控压钻井实验室通过建立压力循环、数据采集、检测、控制及安全报警系统，实现整体节流系统性能测试、整套地面控压装置性能测试。有3个功能：①节流阀性能测试功能，包括节流特性试验、寿命试验、响应试验、安全试验；②控压钻井设备整体性能测试功能，包括静压测试、压力控制精度试验、参数模拟试验、软件调试、控压装备性能调试；③扩充功能，包括流体力学试验、携岩试验、欠平衡流动试验等。

7） 人才建设。①提高对该技术重要作用和意义的认识；②走科研—中试—现场试验—理论升级—再试验的路，加强前期研究，重视技术储备；③培养一批高精尖的技术人才，为该技术研究和推广创造必备条件；④注重多学科合作，配套发展；⑤明确和深刻理解控压钻井技术的概念，统一认识，才能从人员、队伍、装备、技术和管理等各方面进行专业化配套和发展。

4 结论

1） 控压钻井技术的应用需要高精度的设备，结合目前的情况，应该按照边引进、边研发的思路进行关键设备的攻关，最终实现控压钻进技术的自主化。

2） 控压钻井技术的应用有多种形式，针对不同区块的具体情况，应进行认真的分析和研究，选择合适的控压钻井技术方式，发挥控压钻井技术的优势。

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［6］ 郑锋辉，韩来聚，杨 利，等.国内外新兴钻井技术发展现状［J］.石油钻探技术，2008，36（4）：5－10.

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Study of Key Technology of Managed Pressure Drilling

JIANG Hong－wei，ZHOU Ying－cao，ZHAO Qing，GUO Qing－feng
（CNPC Drilling Research Institute，Beijing100195，China）

The applications at home and abroad show that managed pressure drilling may solve some complicated problems occurred in drilling and reduce drilling cost.The definition and different application of techniques is presented.Especially，the system composition and technological process is introduced and the research emphasis of managed pressure drilling was analyzed.It will play an important role in guiding research and application of managed pressure drilling.

drilling technology；managed pressure；application；composition；technological process

1001－3482（2012）01－0001－05

TE249

A

2011－07－28

国家科技重大专项（2011ZX05021－003）

蒋宏伟（1978－），男，河南鄢陵人，博士，主要从事控压钻井和欠平衡钻井技术研究，E－mail：jianghwdri＠cnpc.com.cn。