微流量控壓鉆井系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖勁超，李黔，尹虎

（西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，成都 610500）①

在復(fù)雜環(huán)境中鉆井時(shí)，需要面對(duì)巨額的勘探費(fèi)用以及各種復(fù)雜的鉆井問題。例如，在一些窄密度的地層進(jìn)行施工時(shí)，極易出現(xiàn)井涌、井漏等問題，增加了非生產(chǎn)時(shí)間，導(dǎo)致勘探費(fèi)用大幅提高［1］。正是意識(shí)到這點(diǎn)，國外發(fā)展了一種新的鉆井技術(shù)——微流量控壓鉆井技術(shù)。該技術(shù)能夠有效提高鉆井效率和鉆井安全性，同時(shí)為不同情況的井帶來巨大的利益，例如：高溫高壓井、孔隙壓力未知的探井、窄密度窗口的井、孔隙壓力頻繁變化的區(qū)塊、含H2S的井眼、頻繁出現(xiàn)井控事故的區(qū)塊等［2］。

1 微流量控壓鉆井工藝原理

微流量控制技術(shù)是基于監(jiān)測鉆井液的進(jìn)口流量與返出流量，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測鉆井液總流量的微小波動(dòng)范圍。探測到微小的流失與侵入后，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥來調(diào)整返回流量，最終使得井底壓力平衡地層壓力。

在鉆井液的整個(gè)循環(huán)過程中，井口一直處于密閉狀態(tài)。為了在發(fā)現(xiàn)微溢流或微漏失后能夠立即控制整個(gè)井筒，要求在理想的情況下環(huán)空內(nèi)的介質(zhì)盡量為不可壓縮的流體［3－8］。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

基于現(xiàn)有微流量控壓鉆井技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套微流量控壓鉆井系統(tǒng)［9］，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由微流量數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)、微流量控制系統(tǒng)及微流量回壓補(bǔ)償系統(tǒng)3部分組成［10］，能實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，并傳入工控機(jī)。工控機(jī)經(jīng)過計(jì)算分析后，向微流量控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)微流量節(jié)流管匯系統(tǒng)中的節(jié)流閥，達(dá)到控制井底壓力的目的。

圖1 微流量控壓鉆井系統(tǒng)框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)由微流量控壓鉆井監(jiān)測硬件系統(tǒng)和監(jiān)測軟件系統(tǒng)組成，如圖2所示，并基于SQL Server2008數(shù)據(jù)庫管理軟件設(shè)計(jì)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，用于存放管理施工監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)框圖

在微流量控壓鉆井地面監(jiān)測硬件系統(tǒng)中，監(jiān)測系統(tǒng)硬件物理架構(gòu)按照3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別是現(xiàn)場施工流程參數(shù)監(jiān)測層、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸層、計(jì)算機(jī)中心控制層。如圖3所示。

各類監(jiān)測傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測微流量控壓鉆井施工壓力、流量、溫度、硫化氫濃度、鉆井液密度和返出泥漿電導(dǎo)率等施工參數(shù)。傳感器監(jiān)測到的施工參數(shù)采用總線傳輸方式進(jìn)行傳輸，同時(shí)使用現(xiàn)場工控機(jī)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行集中儲(chǔ)存管理與分析顯示，建立監(jiān)測傳感器與監(jiān)測軟件系統(tǒng)之間的連接。通過監(jiān)測節(jié)流閥前后壓力，泥漿泵入流量與泥漿返出流量，判斷在鉆井過程中是否發(fā)生溢流或漏失情況，同時(shí)工控機(jī)根據(jù)采集的現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)結(jié)合水力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算出井口需要向井底補(bǔ)償?shù)幕貕褐导伴y門開度并向微流量控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令。

微流量控壓鉆井監(jiān)測軟件采用的是組態(tài)軟件，主要是用于微流量控壓鉆井的數(shù)據(jù)采集與過程控制，包含數(shù)據(jù)采集功能、錄井?dāng)?shù)據(jù)源數(shù)據(jù)連接顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、施工工藝流程仿真與實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制功能，對(duì)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)使用歷史數(shù)據(jù)曲線的方式和使用數(shù)據(jù)報(bào)表的方式進(jìn)行查詢顯示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是微流量控壓鉆井系統(tǒng)的核心，其子系統(tǒng)包括硬件和軟件，硬件設(shè)備采用S7－300PLC、智能液壓系統(tǒng)等。水力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間要保持雙向?qū)崟r(shí)交流，從而確保水力學(xué)參數(shù)和井底壓力、地面鉆井工程參數(shù)的匹配。主要工作原理是：

1）微流量控制系統(tǒng)在進(jìn)行壓力控制過程中，接收人機(jī)交互界面人為給定一些需要的關(guān)鍵值，如井底壓力、回壓以及其他相關(guān)參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)再根據(jù)這些參數(shù)來綜合控制井底壓力，從而使井底壓力始終保持在安全窗口內(nèi)。實(shí)際上就是利用PLC 接受外部傳感器信號(hào)，再通過預(yù)先制定好的程序進(jìn)行計(jì)算，最終輸出計(jì)算結(jié)果，這些結(jié)果再送給節(jié)流閥等設(shè)備，以達(dá)到迅速控制壓力的目的。

2）為能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)操作控制液動(dòng)節(jié)流閥的開度大小，液壓系統(tǒng)中選用了電液比例閥，該閥根據(jù)輸入的電壓信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量調(diào)節(jié)。

2.3 微流量回壓補(bǔ)償系統(tǒng)

微流量回壓補(bǔ)償系統(tǒng)包括微流量鉆井節(jié)流管匯與回壓泵。鉆井節(jié)流管匯設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為35MPa，由安裝有2個(gè)自動(dòng)節(jié)流閥的管匯組成，其通徑為101.6mm，節(jié)流管匯安裝有高精度的渦輪流量計(jì)和高精度壓力傳感器，適用于大流量、高固相含量返出的鉆井作業(yè)?；貕罕貌捎梦甯字猛ㄟ^電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由10m 長的管線接到微流量節(jié)流管匯上游。

3 主要配套工藝

微流量控壓鉆井現(xiàn)場施工流程如圖4所示。在正常鉆進(jìn)的過程中，開回壓泵，以10L／s的泵速獲得穩(wěn)定液流，在整個(gè)作業(yè)中，回壓泵始終保持運(yùn)行，時(shí)刻準(zhǔn)備為節(jié)流管匯施加回壓提供能量；開泥漿泵以6.3L／s的排量循環(huán)，監(jiān)測水力模型測定的井底壓力值，確保井口回壓值在0.7～1.7MPa。設(shè)定自動(dòng)控制模式為開啟狀態(tài)，以12L／s的排量開始鉆進(jìn)。保持井口回壓在0.7～1.7 MPa。

圖4 微流量控壓鉆井施工流程

接單根時(shí)，起鉆到接單根位置，計(jì)算回壓補(bǔ)償值，將泥漿泵排量降至0，節(jié)流閥A 根據(jù)回壓補(bǔ)償值自動(dòng)調(diào)節(jié)開度。接單根完畢后，打開泥漿泵，逐漸增加泥漿泵排量至鉆進(jìn)排量；節(jié)流閥B 根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與水力學(xué)計(jì)算自動(dòng)調(diào)節(jié)開度來達(dá)到預(yù)定的回壓值，保持井口壓力和立壓在接單根前的水平，重新開始微流量鉆進(jìn)［11］。

4 結(jié)論

1）相比國外微流量控壓鉆井系統(tǒng)，本文提出的微流量控壓鉆井的硬件系統(tǒng)均采用國產(chǎn)設(shè)備，大幅度降低了成本。

2）系統(tǒng)仿真測試證明，該系統(tǒng)具有較高的靈敏性與準(zhǔn)確性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井底壓力的精確控制。

3）建議深入研究微流量控壓鉆井技術(shù)，同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行不斷的完善，提高系統(tǒng)的可靠性與控制精度。

［1］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(duì)比［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（2）：82－84.

［2］姜建勝，李奔，林立，等.國外鉆井液微流量控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2008，36（2）：71－74.

［3］史玉勝，何世明，林文秀，等.微流量控壓鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.鉆采工藝，2011，34（3）：12－14.

［4］胡志坤，柳貢慧，李軍，等.利用微流量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制壓力管理鉆井技術(shù)［J］.特種油氣藏.2009，16（2）：81－83.

［5］楊雄文，周英操，方世良，等.控壓欠平衡鉆井工藝實(shí)現(xiàn)方法與現(xiàn)場試驗(yàn)［J］.鉆井工程，2012，32（1）：75－80.

［6］伊明，陳若銘，蘭祖權(quán)，等.控壓鉆井系統(tǒng)研究［J］.石油鉆采工藝，2010，32：69－72.

［7］Helio Santos，Christian Leuchtenberg，Sara Shayegi.Microflux control：the next generation in drilling process［R］.SPE81183，2011.

［8］Santos H，Reid P，Jones J，et al.Developing the microflux control method－part1：system development，field test preparation，and results［R］.SPE 97025，2005.

［9］Santos H，Leuchtenberg C，Reid P，et al.Opening new exploration frontiers with the micro－flux control method for well design［R］.OTC 16622，2004.

［10］蔣宏偉，周英操，趙慶，等.控壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（1）：1－5.

［11］Helio Santos，Erdem Catak，Joe Kinder，et al.Kick detection and control in oil－based mud：real well－test results using microflux control equipment［R］.SPE 105454，2007.