国产精细控压钻井技术与装备的研发及应用效果评价

刘 伟周英操段永贤王金茹刘俊峰戴国松

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100083；2.塔里木油田公司，新疆塔里木 843000；3.华北油田公司华美综合服务处，河北任丘 062552）

国产精细控压钻井技术与装备的研发及应用效果评价

刘 伟1周英操1段永贤2王金茹1刘俊峰2戴国松3

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100083；2.塔里木油田公司，新疆塔里木 843000；3.华北油田公司华美综合服务处，河北任丘 062552）

为有效解决窄密度窗口钻井难题，提高钻井效率，降低钻井成本，国内自主研制开发了一套精细控压钻井装备，实现了准确控制井眼环空压力的目的。该装备主要包括自动节流管汇系统、回压泵系统以及远程自动控制中心，可提供保持接单根、启停泵、钻井液密度变化以及钻柱运动时井底压力恒定所需的额外流量和回压补偿。通过在川渝及塔里木地区开展近、欠平衡控压钻井工艺应用表明：欠平衡控压钻井可控制井底压力低于地层孔隙压力，允许气体按照一种可控的速度从地层流出，从而有利保护和发现储层，是一种有发展潜力的可行技术。

控压钻井；节流管汇；自动控制系统；欠平衡钻井

在窄密度窗口油气钻井中存在很多井下复杂问题，严重阻碍了勘探开发向更深、更复杂地层发展的步伐。应用常规钻井技术，在处理窄密度窗口的钻井问题中会出现井侵、井漏、井塌、卡钻、循环压力的大幅波动以及非生产时间和钻井成本的增大等井下复杂问题［1-4］。为了满足窄密度窗口安全钻井的需要，亟需发展控压钻井（MPD，Managed Pressure Drilling）装备和技术。控压钻井设备能够精确控制整个井筒环空压力剖面，通过地面自动控制系统保持恰当的流速，从而有效避免井漏、井塌、卡钻以及井侵等井下复杂问题［5］，因此非常有必要研制开发一种新型的、适合国内日趋严峻勘探开发环境下的控压钻井技术，从而进一步提高机械钻速、发现和保护储层。笔者首先通过自定义的控压钻井设计、自动控制方法，制定合理、有效控制井底压力流程，实现实时修正、自动控制，精确控制井筒环空压力分布，然后介绍一种新型的控压钻井设备组成及特点，最后是其在川渝及塔里木地区成功的应用，实现了井底恒压控压钻井（CBHP，Constant Bottom-Hole Pressure）、欠平衡控压钻井（UMPD，Under-Balanced MPD），微流量控压钻井（MFC，Micro-Flow Control）。

1 控压钻井基础理论设计及自动控制方法

常规钻井技术仅能通过改变钻井液密度来控制井底压力，在窄窗口钻井中存在以下几点局限性：（1）难以控制由循环压力引起的井下复杂问题；（2）无法控制井下压力的大幅波动；（3）不能有效降低非生产时间、增加钻井效率。尤其当泥浆泵关闭，由于循环系统停止，井底压力将会大幅度改变。持续循环的钻井液系统成本非常高，并且应用不广泛。控压钻井设备具有回压补偿系统，安装在环空出口处，能够在井口提供一个额外的回压在较大范围内来补偿井底压力的波动。在封闭循环系统中，基本的压力方程为

式中，ps为泥浆泵关闭时，由钻井液产生的静液压力；pa有循环钻井液产生的环空摩阻压力（AFP）；pbp为回压泵和节流管汇产生的井口回压。则基本流量方程为

式中，Qf为节流管汇上质量流量计所测得的流量，Qp为泥浆泵流量，Qbp为回压泵流量，Qf为地层液体或气体的侵入流量。因为控压钻井限制气体从地层溢出量，保证井下安全的条件下，发现和保护储层，因此要求方程（2）中地层气体侵入量需要小于井口返出总流量的5%。

建立自定义的流量和压力2个关键参数分析方法，建立自动压力控制方式，即实时记录流量变化的特征时间及对应工况和参数，根据实时水力模型计算所需井口压力，闭环压力控制，必要时进行人工干预，调整井口回压。具体地是根据出入口流量差ΔQ进行分析判断，利用流量差的瞬时量（微分量）可进行信号分析；利用流量差的平均量（平衡量）校正泥浆泵上水效率；利用流量差的累计量（积分量）校正流量计累计量，真实反映溢流、漏失量。

2 控压钻井装备组成及特点

为了实现精细压力控制，研制开发了一种新型控压钻井设备——PCDS-I精细控压钻井系统，包括节流管汇系统、回压补偿系统和自动控制中心，其中自动控制中心可以精确控制井底压力。控压钻井设备组成和控压钻井现场布置如图1所示。

图1 控压钻井装置组成及现场布置图

2.1 节流管汇系统

钻井液循环系统对控压钻井影响因素很多，如图2所示，可以看出：影响控压钻井的控制模块包括泥浆泵、地层、回压泵、节流阀以及质量流量计。通过泥浆泵、钻柱运动、地层情况、回压泵系统等模块的参数分析，并结合压力控制方法和实时水力学计算，控制中心采集参数，再向自动节流管汇系统和回压泵系统执行命令，完成钻进、起下钻、接单根等工况压力控制，以及井漏、井塌、井侵等复杂情况处理。

图2 控压钻井影响因素及控制节点示意图

2.2 回压泵系统

回压泵系统提供了一个额外的可控制钻井液流量的压力补偿系统，其减少了控制回压泵流量的技术难度，实时测量出口流量，并且该循环系统具有可选择性，能够根据需要配置。

2.3 远程自动控制中心

自动控制中心相当于控压钻井设备的大脑，内有两个服务器，并且安装了应用软件和实时控制软件［6］，如图3所示。

图3 控制系统布局图

应用软件的功能包括控压钻井设计、数据传输、接收和分析、控压钻井模拟、控压钻井监测以及控压钻井数据库。实时控制软件包括数据采集和通信、井底压力计算、执行机构的自动控制、过程监测以及实时数据库管理。以上2个服务器共同实现了控压钻井控制。

总之，控压钻井设备具有如下显著特点：（1）四类控制方式。本地/远程手动控制和本地/远程自动控制，实现装备最大限度的安全保障；（2）安全互锁功能。液动—气动系统能够在失去动力的情况仍维持节流阀、平板阀的原位，保持工况稳定；（3）快速稳定动态切换。各种钻井工况下的压力快速稳定切换，例如20 s完成接单根过程动态切换，压力波动不超过±0.35 MPa。

3 应用效果评价

3.1 川渝地区应用

控压钻井设备在川渝地区的蓬莱9井成功进行了现场应用，压力控制精度达到0.35 MPa，系统运行稳定可靠，安全无故障，应用结果表明：该新型控压钻井装备可以有效控制回流钻井液的压力和流量，并完成了8类功能测试，包括：（1）节流压力控制特性测试；（2）井底压力模式测试；（3）井口压力模式测试；（4）切换模型测试；（5）井溢监测与控制测试；（6）井漏监测与控制测试；（6）水力模型测试；（7）起下钻压力控制测试；（8）重浆注入与驱替测试。

在1 920.46～2 023.45 m和2 023.45～2 560 m作业层段分别开展了不同工况下的近平衡和欠平衡控压钻井工艺试验。

（1）溢流监测。井深2 232～2 342 m井段是须家河组须四地层，设计地层压力系数为1.3 g/cm3，钻井液密度为1.18 g/cm3，井口回压1～2 MPa。进入该段后，保持欠平衡钻进，井口控压值保持在1 MPa左右，钻至2 337 m，系统监测到出口流量比入口流量增加2～3 L/s，钻井液总池体积增加了1.2 m3。立即通知井队和欠平衡作业队，按照井控关井程序关井求压，7 min内套压升至7.89 MPa ，最终决定进行压井作业；开泵循环，调整钻井液密度至1.42 g/cm3，进行近平衡控压钻井作业，井口回压控制为0.8～2.5 MPa。

（2）发现压力平衡点。在2 460～2 559 m井段，压力层系复杂，属易喷易漏的压力敏感地层。在2 523～2 559 m井段，井口回压高于2.2 MPa时，总池体积显示钻井液漏失，当井口回压低于1.5 MPa时，总池体积显示液面上升，显示有大量气体溢出。

由于欠平衡控压钻井允许气体以一种适合流速从环空溢出，大量气体通过液气分离器，然后点火成功，火焰最高超过10 m，点火时间最长超过50 min。

3.2 塔里木油田应用

塔里木地区油气主要储层是碳酸盐岩，具有典型的“窄窗口”特征，易漏易喷，且高含硫，钻井、井控都难度很大，常规钻井技术难以实现钻探目的。若是采用精细控压钻井技术在钻进、接单根、起下钻等钻井工况及时调整井底压力，精确平衡地层压力，则可有效避免漏、溢及卡钻等井下复杂［7］。

国产精细控压钻井装备在塔里木油田试验、应用多口井，取得良好的应用效果，其中在TZ26-H7井创造了多项纪录，下面简要介绍一下该井的控压工艺措施。

3.2.1 TZ26-H7井井况 该井为水平井开发井，岩层性质：碳酸盐岩，设计控压井段4 226～5 355 m，实际控压井段4 226～5 832 m，控压井段平均机械钻速4.23 m/h，由于水平井段有效地控制了溢流和漏失，使水平井段最大延伸能力得到加强，最后终点靶点B点延长到5 832 m，井身结构见图4。

该井的控压钻井设计的目的如下：

（1）解决的压力窗口窄的问题，如井漏、井涌。

（2）减少非生产时间，缩短钻井周期。

（3）减少钻井液泄漏，降低钻井液污染储层。

（4）提高水平段钻进能力，最大限度地暴露的水库，实现单井高产稳产的目的。

图4 井身结构

3.2.2 第1阶段（4 226～4 344 m）井控 钻井液密度1.16 g /cm3，正常控压值2 MPa左右，环空压耗为1 MPa，循环摩阻1 MPa，井底ECD保持在1.26 g/cm3；接单根时，控压值控制在4.3 MPa左右；起下钻时，控压值是4.3 MPa。PCDS-I精细控压钻井系统检测井口输出流量的迅速增加，同时总烃值也迅速上升，钻井液池液面上升0.3 m3，开始采取控制措施，停止钻进，循环排气，井口回压逐渐增加为3 MPa，稳定10 min后，钻井液池液面继续上升0.3 m3，总烃值达到11.7%，成功点火，火焰高度超过8 m，持续3 h 20 min，井口返出钻井液流量稳定，钻井液池液面恢复，总烃值下降基本为零，恢复钻进。

3.2.3 第2阶段（4 344～5 166 m）井控 钻井液密度1.18 g/cm3，共完成4趟钻的钻进，钻进过程压力控制为2～3.5 MPa，循环摩阻大约为1～1.5 MPa，井底ECD维持在1.28～1.30 g/cm3；接单根时，井口回压控制在4.5 MPa左右。起下钻过程中，井口回压控制在4.3～4.8 MPa。因为随着井深增加，重浆注入、驱替的深度越来越大，重浆密度为1.35 g/cm3，4趟钻分别从3 000 m、3 200 m、3 200 m、4 000 m开始注入，重浆注入完成后井底ECD分别在1.30 g/ cm3、1.31 g/cm3、1.31 g/cm3、1.34 g/cm3，成功处理溢流11次，点火总时长达138 h，占总钻进时长的70%。3.2.4 第3阶段（5 166～ 5 832 m） 钻井液密度是1.2 g/cm3，共完成3趟钻的钻进，钻进过程压力控制在2.5～3 MPa，循环摩阻1.5～1.6 MPa，井底ECD维持在1.26 g/cm3；接单根时，井口回压控制在4.3 MPa；控压起钻过程中，控压值在4.3 MPa左右，1.35 g/cm3的重浆从4 100 m开始注入，重浆注入完成后井底ECD在1.345 g/cm3，成功处理溢流多次，点火总时长达64 h，占总钻进时长的85%。

4 结论

（1）新型控压钻井技术与设备是建立在新的控压钻井设计理念上，钻井液的压力和流量是同样重要的控制参数，可以实现恒定井底压力、欠平衡和微流量控压钻井等不同精细控压钻井方式。现场应用时，可根据实际情况，选择不同的控压钻井方式，若是地层压力不太清楚，或者可能含有硫化氢等有害气体，建议使用恒定井底压力控压钻井；若是为了发现产层，建议使用欠平衡控压钻井；若是地层较为清楚，地层较为稳定，建议使用微流量控压钻井。

（2）通过一系列试验与应用，新型控压钻井技术与设备实现了以下3个方面的重要突破：在碳酸盐岩地层中提速和井眼稳定效果明显；井漏及溢流复杂时间降低，钻井液漏失大幅减少；精细控压钻井技术使塔里木碳酸盐岩水平井水平段延伸能力明显提高。

（3）新型的控压钻井设备还将进一步改进、完善和提高，一方面增加控制精度和井底压力控制的可靠性，另一方面要不断拓展应用领域，不仅在窄窗口井使用，还要逐步在高温高压井以及衰竭油层中应用，解决相关的复杂问题。可以预见，新型控压钻井设备在不久的将来能够得到更为广泛的应用。

［1］SAPONJA J,ADELEYE A,HUCIK B.Managed Pressure Drilling （MPD）field trials demonstrate technology value［R］.SPE/IADC 98787,2006.

［2］周英操，崔猛，查永进.控压钻井技术探讨与展望［J］.石油钻探技术，2008，36（4）：1-4.

［3］MATTHEW Daniel Mart.Managed pressure drilling techniques and tools ［D］.Texas A&M University,2006.

［4］KUMAR Das Asis.simulation study evaluating alternative initial responses to formation fluid influx during managed pressure drilling simulation study evaluating alternative initial ［D］.Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College,2007.

［5］VAN RIET E J,REITSMA D,VANDECRAEN B.Development and testing of a fully automated system to accurately control downhole pressure during drilling operations ［R］.SPE/IADC 85310,2003.

［6］LIU Wei,YANG Xiongwen,ZHOU Yingcao,et al.Design and practice of auto-control system for managed pressure drilling［A］.2010 CNPC International Wellbore Technology Seminar［C］.Beijing:Petroleum Industry Press,2010.

［7］周英操，杨雄文，方世良，等.国产精细控压钻井系统在蓬莱9井试验与效果分析［J］.石油钻采工艺，2011，33（6）：19-22.

（修改稿收到日期 2014-06-18）

〔编辑 薛改珍〕

Development of domestic fine controlled pressure drilling technology and equipment and evaluation on their application effect

LIU Wei1,ZHOU Yingcao1,DUAN Yongxian2,WANG Jinru1,LIU Junfeng2,DAI Guosong3
（1.CNPC Drilling Engineering and Technology Research Institute,Beijing100083,China; 2.CNPC Tarim Oilfield Company,Tarim843000,China;3.Huamei Integrated Service of Huabei Oilfield,Renqiu062552,China）

In order to effectively overcome the problem of narrow density window drilling,increase drilling efficiency and reduce drilling cost,a set of fine controlled pressure drilling equipment has been developed domestically with proprietary right,which has realized the goal of accurately controlling down-hole annular pressure.This equipment mainly includes automatic throttle manifold system,backpressure pump system and remote automatic control center,and is capable of providing additional flow-rate and backpressure compensation required by constant pressure at hole bottom when making up connections,starting or shutting down the pump,changing the drilling fluid density and drill-string moving.The application of near-balanced and under-balanced controlled pressure drilling technology in Sichuan,Chongqing and Tarim regions show that under-balanced controlled pressure drilling technology can control the bottom pressure to be below the formation pore pressure,allowing gas to flow from the formation at a controlled rate,which helps protect and discover the reservoirs and is a viable technology with development potential.

controlled pressure drilling;throttle manifold;automatic control system;under-balanced drilling

刘伟，周英操，段永贤，等.国产精细控压钻井技术与装备的研发及应用效果评价［J］.石油钻采工艺，2014，36（4）：34-37.

TE243

：A

1000–7393（2014）04–0034–04

10.13639/j.odpt.2014.04.009

国家科技重大专项项目“窄密度窗口安全钻井技术与配套装备”（编号：2011ZX05021-003）；国家自然科学基金项目“深层碳酸盐岩地层与井筒耦合作用机理与压力自动控制方法研究”（编号：51274221）资助。

刘伟，1977年生。2008年毕业于中国石油勘探开发研究院，获博士学位，现主要从事控制压力钻井装备与技术研究工作，高级工程师。电话：010-80162216。E-mail：liuweidri@cnpc.com.cn。