微流量控壓鉆井技術(shù)及其應(yīng)用

【摘要】微流量控壓鉆井技術(shù)通過閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)鉆井液總的流入量和流出量微小波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)平衡或近平衡鉆井。通過對(duì)微流量控壓鉆井技術(shù)的原理進(jìn)行分析，結(jié)合工藝對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、功能特點(diǎn)和安裝方式進(jìn)行了全面描述，并結(jié)合復(fù)雜井段不同工況下的實(shí)際應(yīng)用效果，指出該技術(shù)對(duì)井底壓力實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)和良好的控制能力，為該技術(shù)在國內(nèi)的研究和應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】微流量；控壓鉆井；節(jié)流；回壓

控壓鉆井是一種自適應(yīng)的鉆井程序，它比常規(guī)鉆井更能精確的控制整個(gè)環(huán)空井筒的壓力剖面；其目的是要確定井底壓力，進(jìn)而控制環(huán)空的壓力剖面?？貕恒@井有四種類型，微流量控壓鉆井是其中一種。

1、微流量控壓鉆井技術(shù)

微流量控壓鉆井技術(shù)主要是通過對(duì)井口回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位和水力摩阻的綜合控制，使整個(gè)井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，進(jìn)行平衡或近平衡鉆井，有效控制地層流體侵入井眼，減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復(fù)雜情況的閉環(huán)控制技術(shù)。微流量控壓鉆井的基礎(chǔ)是監(jiān)測(cè)流體的微流入量和微流出量，保證系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)到的鉆井液總流量波動(dòng)范圍很小，意味著對(duì)微流量的精確監(jiān)測(cè)和控制。

2、關(guān)鍵配套設(shè)備

微流量控壓鉆井系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、MFC節(jié)流管匯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等組成。

2.1旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備（RCD）

旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備在井眼環(huán)空與鉆柱之間起密封作用，提供安全有效的壓力控制，并能實(shí)現(xiàn)帶壓鉆進(jìn)作業(yè)，控制地面環(huán)空回壓，使井底壓力精確的保持在一定范圍內(nèi)，避免發(fā)生井噴，在微欠平衡鉆進(jìn)過程中能充分保證井口設(shè)備和操作人員的安全。

2.2MFC節(jié)流管匯系統(tǒng)

MFC節(jié)流管匯系統(tǒng)是將鉆桿內(nèi)部和環(huán)空看成一個(gè)密閉、承壓的的系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)井口回壓、鉆井液性能、泵排量等參數(shù)使這個(gè)密閉系統(tǒng)在井底表現(xiàn)出的壓力始終在一定的范圍內(nèi)。其中調(diào)節(jié)節(jié)流閥是重要的控制手段。

MFC節(jié)流管匯系統(tǒng)主要由兩個(gè)自動(dòng)節(jié)流閥和管匯組成，節(jié)流管匯上安裝一個(gè)高精度質(zhì)量流量計(jì)和多個(gè)精確壓力傳感器。高精度質(zhì)量流量計(jì)能準(zhǔn)確計(jì)量出口流體的質(zhì)量、體積、密度、溫度。質(zhì)量流量計(jì)連同泵沖計(jì)數(shù)器、壓力傳感器測(cè)量的各種鉆井液參數(shù)（壓力、溫度、流量、流速）等信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器傳送到智能控制單元。智能控制單元能實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥開閉、節(jié)流閥開閉的速度、回壓和立壓等參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制。從而維持設(shè)計(jì)的井底循環(huán)壓力，保證地面壓力和流速不會(huì)超過設(shè)備的額定值。MFC節(jié)流管匯系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，從信號(hào)的檢測(cè)到控制信號(hào)的傳送以及動(dòng)作的執(zhí)行都不需要人工介入，由信號(hào)探測(cè)器、信號(hào)處理器以及指令控制器等完成操作。

2.3數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器，智能控制單元，服務(wù)器，終端控制面板。智能控制單元是控壓系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)采集分析數(shù)據(jù)，控制節(jié)流管匯?？刂葡到y(tǒng)通過內(nèi)置的一套軟件實(shí)現(xiàn)與智能控制單元關(guān)聯(lián)。軟件內(nèi)置四個(gè)模式：鉆進(jìn)模式、停鉆模式、自動(dòng)控制模式和非自動(dòng)控制模式，模式之間通過設(shè)定的條件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。服務(wù)器用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的曲線都可以以原始記錄的形式保存下來，作為參考資料。終端控制面板為一臺(tái)具備人機(jī)交互界面的計(jì)算機(jī)，操作人員通過面板設(shè)置以及控制整個(gè)系統(tǒng)。按功能不同，控制面板可分為操作員面板，司控面板和遠(yuǎn)程瀏覽面板。

3、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

德陽×井是四川盆地川西坳陷新場(chǎng)構(gòu)造南翼低部位的一口重點(diǎn)預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深5900m。該地區(qū)鉆井作業(yè)過程中主要存在的問題包括：機(jī)械鉆速慢、儲(chǔ)層傷害大、易噴易漏、安全施工井控風(fēng)險(xiǎn)高。本井在井深5303.5m-5362m的6-1/2吋井眼中應(yīng)用微流量控壓鉆井技術(shù)，尋求解決這些難題。

3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

德陽×井四開鉆進(jìn)中采用微流量控壓鉆井技術(shù)，鉆遇須家河二段地層，須家河二段地層壓力系數(shù)（1.50-1.60），破裂壓力系數(shù)（2.23-2.33）。

3.2鉆前準(zhǔn)備

四開掃完水泥塞鉆新地層3m，進(jìn)行地層完整性實(shí)驗(yàn)，以1.56g/cm3的井漿密度，井口給壓20.5MPa，穩(wěn)壓10min，地層未破，折算當(dāng)量密度（ECD）1.95g/cm3。

3.3鉆進(jìn)作業(yè)

地層完整性試驗(yàn)后，倒換閥門，轉(zhuǎn)化到控壓鉆進(jìn)線路，開始控壓鉆進(jìn)。由于該區(qū)塊鄰井出現(xiàn)坍塌卡鉆事故，經(jīng)研究決定，用鉆塞時(shí)的泥漿密度作為起始泥漿，然后在鉆進(jìn)的過程中逐步降低泥漿密度直至泥漿密度降至1.50g/cm3，在降泥漿密度的同時(shí)，觀察井壁的穩(wěn)定性。

泥漿密度調(diào)整到設(shè)計(jì)的1.54g/cm3并順利鉆進(jìn)至5309.4米，經(jīng)觀察未出現(xiàn)井壁垮塌現(xiàn)象，調(diào)整泥漿密度至1.50g/cm3。在微流量控壓鉆進(jìn)過程中，系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到三次溢流顯示，且溢流量控制在0.3m3以內(nèi)，比綜合錄井提前21分鐘發(fā)現(xiàn)了溢流。監(jiān)測(cè)到溢流后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員注意事項(xiàng)，同時(shí)自動(dòng)增加井口回壓循環(huán)至井底壓力大于地層孔隙壓力。與常規(guī)鉆井相比，節(jié)省了壓井時(shí)間，提高作業(yè)效率。

控壓鉆進(jìn)井段隨井深的增加，微流量控壓鉆井井口回壓隨鉆井液密度的增大而降低，隨鉆井液密度的降低而增大。從而保持了井底當(dāng)量密度的（ECD）的相對(duì)穩(wěn)定。

3.4接單根作業(yè)

在接單根過程中，作業(yè)人員將控壓系統(tǒng)設(shè)定至井底壓力恒定模式，系統(tǒng)能夠自動(dòng)計(jì)算并施加恰當(dāng)?shù)牡孛婊貕簛硌a(bǔ)償由于井下循環(huán)停止早損失的循環(huán)壓耗，從而在整個(gè)作業(yè)過程中維持一個(gè)比較恒定的井底壓力。

4、認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）微流量控壓鉆井系統(tǒng)能精確監(jiān)測(cè)井內(nèi)情況，并能準(zhǔn)確記錄井底壓力、井口回壓、溢流量等參數(shù)，為后續(xù)作業(yè)提供參考。

（2）微流量控壓鉆井系統(tǒng)安裝簡單，該系統(tǒng)只增加少量的地面設(shè)備，無井下設(shè)備，消除因增加井下工具而造成的井下事故，同時(shí)也降低作業(yè)成本。

（3）微流量控壓鉆井技術(shù)能實(shí)現(xiàn)平衡鉆井或微過平衡鉆井，降低鉆井液的壓持作用，減少儲(chǔ)層傷害。

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作者簡介

夏家祥，1963年4月生，1984年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)中石化從事鉆井生產(chǎn)技術(shù)管理工作。