井底恒壓式與微流量式控壓鉆井系統(tǒng)控制機(jī)理差異分析

姜英健，周英操，楊甘生，劉 偉

(1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195;2.中國(guó)石油集團(tuán)勘探開發(fā)研究院，北京 100083;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083)

0 前言

窄密度窗口通常定義為鉆井過程中的環(huán)空循環(huán)壓耗大于或等于地層孔隙壓力與破裂壓力之差，這就給鉆井液密度選擇和安全鉆進(jìn)帶來了挑戰(zhàn)[1]。目前最適宜在窄密度窗口地層作業(yè)的鉆井技術(shù)是控壓鉆井技術(shù)[2]?？貕恒@井技術(shù)具體來說，是通過對(duì)井口套管壓力、鉆井液密度、水力摩阻等的綜合控制，精確控制整個(gè)井眼環(huán)空壓力剖面，使整個(gè)井筒的壓力穩(wěn)定地維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，從而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。美國(guó)在1995年之前，控壓鉆井技術(shù)使用率不到鉆井總數(shù)的10%，至2008年，控壓鉆井技術(shù)使用率已超過55%，目前，美國(guó)陸地鉆機(jī)的75%已配備了控壓鉆井裝備。2004～2007年，國(guó)外海洋鉆井實(shí)施了50余次控壓鉆井作業(yè)，作業(yè)區(qū)域主要位于亞太地區(qū)，還包括委內(nèi)瑞拉、北海、墨西哥灣和巴西等國(guó)家，解決了這些地區(qū)裂縫性地層漏失嚴(yán)重的問題，減少了鉆頭使用數(shù)量，優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)，減少或避免了井下復(fù)雜問題的普遍發(fā)生，并在一定程度上保護(hù)了油氣層。在鉆進(jìn)、接單根、起下鉆時(shí)均保持恒定的環(huán)空壓力剖面，在鉆進(jìn)孔隙壓力與破裂壓力窗口狹窄的地層或存在涌漏同存現(xiàn)象時(shí)，可實(shí)現(xiàn)有效的壓力控制[3]。避免壓裂地層或發(fā)生井涌，這樣就可以安全地鉆過狹窄的密度窗口。

目前國(guó)際上比較成熟的控壓鉆井系統(tǒng)主要有Halliburton公司的控壓鉆井系統(tǒng)(Manage Pressure Drilling，MPD)，Schlumberger公司的動(dòng)態(tài)環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(Dynamic Annular Pressure Control，DAPC)和Weatherford公司的微流量控壓鉆井(Micro-Flux Control，MFC)系統(tǒng)。DAPC系統(tǒng)與MPD系統(tǒng)工作原理基本相同，均屬于井底恒壓式控壓鉆井，所以本文只以DAPC系統(tǒng)為例與MFC系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

1 DAPC系統(tǒng)與MFC系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 DAPC 系統(tǒng)

Schlumberger公司的DAPC系統(tǒng)主要包含旋轉(zhuǎn)防噴器、控壓自動(dòng)節(jié)流管匯、控制面板與PLC(MPD Autochoke、Control Panel and PLC)、回壓泵 BPP(Back-Pressure Pump)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)(Data Acquisition and Control System)、隨鉆測(cè)壓(PWD)以及配套的自動(dòng)控制系統(tǒng)，附加管匯等(圖1)。該系統(tǒng)通過高速網(wǎng)絡(luò)把泵、節(jié)流管匯和實(shí)時(shí)精確的水力學(xué)模型連接成一個(gè)系統(tǒng)，可以自動(dòng)地測(cè)量、管理和控制井下壓力。通過高速網(wǎng)絡(luò)把泵、節(jié)流管匯和實(shí)時(shí)精確的水力學(xué)模型連接而成，可以自動(dòng)地測(cè)量與控制井下壓力[4]。

圖1 Schlumberger公司DAPC系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

鉆井時(shí)，井下復(fù)雜的產(chǎn)生大多是因?yàn)榫讐毫εc地層壓力相差較大，漏失產(chǎn)生的原因?yàn)榫讐毫Υ笥诘貙悠屏褖毫Γ缌鳟a(chǎn)生的原因井底壓力為小于地層壓力。在鉆井過程中，井筒內(nèi)壓力平衡方程式可表達(dá)為:

式中:PBHP——地層壓力，MPa;PWHP——井口回壓，MPa;PH——靜液柱壓力，MPa;PL——環(huán)空壓耗，MPa。

而DAPC控壓鉆井系統(tǒng)利用綜合壓力控制器、水力學(xué)模型、節(jié)流管匯、回壓泵協(xié)同工作，通過實(shí)施計(jì)算，自動(dòng)調(diào)整井口回壓，能夠在鉆進(jìn)、接單根、起下鉆等過程保持井底壓力在合適的密度窗口之內(nèi)，避免或減少井涌、井噴、漏失等事故的發(fā)生，特別適合用于解決窄安全密度窗口和高溫高壓地層鉆井所出現(xiàn)的涌漏同存、高壓井控風(fēng)險(xiǎn)難題。井底恒壓控壓鉆井技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 井底恒壓控壓鉆井技術(shù)流程簡(jiǎn)圖

1.2 MFC 系統(tǒng)

Weatherford的微流量控壓鉆井系統(tǒng)(MFC)的出入口流量監(jiān)測(cè)和早期溢流探測(cè)方法的美國(guó)專利早于Halliburton公司的控壓鉆井系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是[5]:(1)最大程度的減少鉆機(jī)附加設(shè)備;(2)通過在地面上操作可以快速實(shí)現(xiàn)井下控制;(3)在任意時(shí)間均能直接確定地層孔隙壓力和破裂壓力;(4)鉆井工人在地面上簡(jiǎn)單的操作便可靈活的改變當(dāng)量循環(huán)密度;(5)在需要時(shí)能夠迅速的切換回常規(guī)鉆井方法;(6)能夠顯著降低鉆風(fēng)險(xiǎn)井的費(fèi)用;(7)操作簡(jiǎn)單快捷，能夠達(dá)到全自動(dòng)運(yùn)行;(8)不需要再增加和研發(fā)其他昂貴的設(shè)備。MFC系統(tǒng)是通過在傳統(tǒng)的地面鉆井液循環(huán)線路上安裝微流量傳感器和節(jié)流裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液壓力、流量、當(dāng)量循環(huán)密度、流速等參數(shù)的隨鉆實(shí)時(shí)監(jiān)控，并同時(shí)進(jìn)行反饋控制，最終達(dá)到控壓鉆井的目的。微流量控壓鉆井系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分:旋轉(zhuǎn)控制頭，微流量節(jié)流管匯和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MFC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

微流量的含義包括了微進(jìn)口流量和微出口流量2個(gè)概念，對(duì)微流量的精確檢測(cè)和控制是保證鉆井液閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用了高精度的質(zhì)量流量計(jì)，所以能夠監(jiān)測(cè)到鉆井液很小的波動(dòng)范圍。微流量控壓鉆井系統(tǒng)只需在地面進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作便可以快速控制鉆井液壓力。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可假設(shè)環(huán)空內(nèi)的鉆井液為不可壓縮流體，所以地面控制單元的任何微小壓力變化都將在環(huán)空中得到快速響應(yīng)，這是MFC系統(tǒng)能夠滿足快速控制要求的基礎(chǔ)。

鉆井作業(yè)時(shí)連續(xù)不斷的注入鉆井液，利用井筒的液柱壓力來平衡地層中的油、氣、水壓力和巖石的側(cè)向壓力，以防止井噴、井塌、卡鉆和井漏等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。不同井段和工況下可計(jì)算出鉆井液參數(shù)的安全范圍。系統(tǒng)控制軟件通過傳感器將采集到的鉆井液流量、壓力、溫度等采樣值通過模數(shù)轉(zhuǎn)換送入到中央數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中，并與安全范圍進(jìn)行比較，若超出了安全范圍值，系統(tǒng)進(jìn)一步判斷鉆井液是否存在漏失情況。如果有漏失發(fā)生，系統(tǒng)便可確定壓裂地層，調(diào)整流量減少回程壓力達(dá)到平衡狀態(tài);若無漏失情況發(fā)生，則確定孔隙壓力，改變流量增加回程壓力，直至達(dá)到期望的鉆井液流量值。微流量控壓鉆井工藝流程如圖4所示。

圖4 微流量控壓鉆井工藝流程

在整個(gè)鉆井施工過程中，這種檢測(cè)與比較會(huì)一直進(jìn)行下去，完成鉆井時(shí)鉆井液的可控循環(huán)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)孔隙壓力和破裂壓力，來滿足鉆井工藝的要求。該系統(tǒng)能精確檢測(cè)泵入和返出的鉆井液的質(zhì)量流量、密度、粘度、溫度等參數(shù)，能在井涌量＜80 L時(shí)就能檢測(cè)到，并可在2 min內(nèi)控制溢流，使地層的流體的總溢流體積＜800 L。該套系統(tǒng)不一定需要PWD工具，應(yīng)用微流量控制原理和技術(shù)實(shí)施控壓鉆井，只需對(duì)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)做部分改進(jìn)，在傳統(tǒng)的鉆井液循環(huán)管匯上安裝精確的傳感器和鉆井液節(jié)流裝置，對(duì)進(jìn)出口鉆井液的微小壓力、質(zhì)量流量、當(dāng)量循環(huán)密度、流速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，鉆井工程人員在地面可以通過簡(jiǎn)單的操作即可快速改變鉆井液的特性，以滿足鉆井工藝要求，預(yù)防和解決鉆井事故的發(fā)生[6～8]。該技術(shù)控制程序簡(jiǎn)單，可與常規(guī)鉆井方式相互切換，便于操作，提高了鉆井效率和鉆井安全。該系統(tǒng)能快速檢測(cè)地層壓力，并保持井底壓力的穩(wěn)定，與DAPC系統(tǒng)的控壓思路有所區(qū)別。

2 DAPC系統(tǒng)與MFC系統(tǒng)的主要區(qū)別

總體來說，2種控壓鉆井系統(tǒng)均是通過調(diào)節(jié)節(jié)流管匯，施加回壓，來達(dá)到節(jié)流壓力、循環(huán)摩阻與靜液壓力三者之和動(dòng)態(tài)的恒定。綜合分析2套控壓鉆井系統(tǒng)的工作原理及基本機(jī)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)2系統(tǒng)的主要區(qū)別主要有以下幾方面。

2.1 設(shè)備組成不同

兩套系統(tǒng)均包含有高精度的節(jié)流管匯、回壓泵、多相分離裝置、可回收的鉆柱單向閥NRV、質(zhì)量流量計(jì)(Coriolis流量計(jì))、體積流量計(jì)、溫度和壓力傳感器等設(shè)備;不同的是DAPC系統(tǒng)有時(shí)需要使用隨鉆測(cè)壓工具PWD來實(shí)時(shí)測(cè)量井底壓力，并傳遞給數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，經(jīng)判斷分析后對(duì)下步控壓進(jìn)行修正;MFC系統(tǒng)則不需要隨鉆測(cè)壓工具PWD，該系統(tǒng)井口有一套質(zhì)量流量計(jì)與體積流量計(jì)、能確定早期微流量侵入的探測(cè)設(shè)備，如WMB的碳?xì)浠衔锾綔y(cè)器等[9]。MFC系統(tǒng)是通過檢測(cè)進(jìn)出口的流量變化，經(jīng)水力學(xué)計(jì)算來獲得井底壓力數(shù)值。

2.2 監(jiān)測(cè)目標(biāo)及控制策略不同

DAPC系統(tǒng)需要安裝隨鉆測(cè)壓工具PWD，其直接監(jiān)測(cè)對(duì)象為壓力。其控制策略是力的平衡原理，通過對(duì)回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合精確控制，使節(jié)流壓力、循環(huán)摩阻與靜液壓力三力之和達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而使整個(gè)井筒的壓力精確地維持在安全密度窗口內(nèi)。

MFC系統(tǒng)的直接監(jiān)測(cè)對(duì)象為流量，其控制策略是物質(zhì)守恒原理，是通過在傳統(tǒng)的地面鉆井液循環(huán)線路上安裝微流量傳感器和節(jié)流器來實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液壓力、流量、當(dāng)量循環(huán)密度、流速等參數(shù)的隨鉆實(shí)時(shí)監(jiān)控，并同時(shí)進(jìn)行反饋控制，使井筒內(nèi)流體的量維持恒定，最終達(dá)到控壓鉆井的目的[10]。

若假定井筒內(nèi)流體為氣液兩相，分別考慮鉆柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)的平衡方程(參見圖5)。

圖5 井筒質(zhì)量平衡示意圖

鉆柱內(nèi)平衡方程:

其中，下標(biāo)g代表流體中氣相部分，下標(biāo)l代表流體中液相部分，Ql，bit為鉆頭處流體的流量。

環(huán)空中平衡方程:

其中，下標(biāo)g代表流體中氣相部分，下標(biāo)l代表流體中液相部分，Ql，res為地層內(nèi)流體的流量，Ql，choke為出口節(jié)流閥處的流體流量。

2.3 小結(jié)

綜上所述，DAPC系統(tǒng)與MFC系統(tǒng)均能提供井底恒壓式的控壓鉆井服務(wù)，只是在設(shè)備及工作原理上有些許不同。比較兩套控壓系統(tǒng)，并無高下優(yōu)劣之分，只是側(cè)重點(diǎn)有所區(qū)別。裝有隨鉆測(cè)壓工具PWD的DAPC系統(tǒng)能夠精確的測(cè)量井底壓力，而裝有先進(jìn)的質(zhì)量流量計(jì)與體積流量計(jì)的MFC系統(tǒng)能夠更早地探測(cè)和更精確地控制各種事故的發(fā)生。

3 應(yīng)用及研究進(jìn)展

2套控壓系統(tǒng)目前均已成功地投入商業(yè)應(yīng)用。DAPC系統(tǒng)于2005年商業(yè)應(yīng)用于墨西哥灣Mars區(qū)塊海洋鉆井，解決了鉆井中出現(xiàn)的井漏和井眼失穩(wěn)問題;2007年成功用于北海Kvitebjrn高溫高壓開發(fā)井的鉆進(jìn)作業(yè)。四川油田和大港油田也分別引進(jìn)了MFC系統(tǒng)，其中大港油田的濱41井應(yīng)用MFC系統(tǒng)控壓鉆進(jìn)井段3380～4450 m，全程未發(fā)生井漏和溢流，鉆井液密度得到了有效控制，儲(chǔ)層段平均機(jī)械鉆速是鄰井的2倍，鉆井周期得到大幅縮短，取得了良好的效果[11]。

近年來，國(guó)內(nèi)也加強(qiáng)了對(duì)控壓鉆井技術(shù)的研究，中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院研制的PCDS－I精細(xì)控壓鉆井系統(tǒng)具備井底恒壓和微流量控制雙功能，先后在我國(guó)塔里木、川渝、華北、冀東等地區(qū)成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用10余口井，形成了過平衡、近平衡、欠平衡精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了減輕對(duì)地層傷害、解決窄壓力窗口問題、有效地減少或降低井漏、井涌、壓差卡鉆等復(fù)雜、延長(zhǎng)水平井段長(zhǎng)度、提高機(jī)械鉆速、增加鉆井安全性、控制或避免井下涌漏等復(fù)雜、處理井下涌漏復(fù)雜等顯著應(yīng)用效果[12，13]。

4 結(jié)論與建議

(1)DAPC系統(tǒng)與MFC系統(tǒng)都能提供井底恒壓式的控壓鉆井技術(shù)，均是通過調(diào)節(jié)節(jié)流管匯，施加回壓，來達(dá)到節(jié)流壓力、循環(huán)摩阻與靜液壓力三者之和動(dòng)態(tài)的恒定，來實(shí)現(xiàn)控壓鉆井的目的。

(2)DAPC系統(tǒng)安裝有隨鉆測(cè)壓工具PWD，其直接監(jiān)測(cè)對(duì)象為壓力。能夠精確的測(cè)量控制回壓、井底壓力等參數(shù)。

(3)MFC系統(tǒng)進(jìn)出口處均裝有先進(jìn)的質(zhì)量流量計(jì)與體積流量計(jì)，因而能夠更早地探測(cè)和更精確地控制涌漏情況的發(fā)生。

(4)鑒于控壓鉆井技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，建議繼續(xù)加大控壓鉆井新技術(shù)的適應(yīng)性試驗(yàn)及推廣應(yīng)用力度，進(jìn)而解決復(fù)雜地層鉆井經(jīng)常鉆遇的鉆井難題，降低非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間，節(jié)約鉆井成本，實(shí)現(xiàn)安全鉆井。

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