利用微流量控制系統實現控制壓力管理鉆井技術

胡志坤　柳貢慧　李　軍　陶　謙

文章編號：1006-6535(2009)02-0081-03

摘要：針對鉆井過程中井筒壓力控制方面存在的問題，國外近期開發了基于鉆井液微流量控制的鉆井技術。該技術在鉆井液管路上設置了傳感器和節流器，可實現對進出口鉆井液壓力、流量、循環密度、流速等參數進行檢測，并進行反饋控制。微流量控制技術屬于壓力管理鉆井中的一種，通過控制井口回壓的方式來平衡井筒壓力，從而達到精確控制井筒壓力的目的。

關鍵詞：井筒壓力；微流量；控制；傳感器；鉆井

中圖分類號：TE242

文獻標識碼：A

前 言

隨著油氣儲量的逐漸衰竭，大量深層和復雜油氣藏需要進行開采，伴隨而來的各種復雜鉆井問題也越來越多，如在一些密度窗口過窄的地層進行鉆井施工時，采用常規鉆井方法進行鉆探會出現地層漏失、壓力窗口狹窄造成井涌井漏等問題，增加了非生產時間，導致勘探費用大幅度提高^[1]。為避免上述問題，國外開發了一種更為精確的約束和控制井筒壓力的鉆井方法——壓力管理鉆井技術，也稱為MPD(managed pressure drilling)技術。利用該技術可以精確地控制整個井眼的環空壓力剖面，其目的在于確定井底壓力窗口，從而控制環空液壓剖面，在鉆井過程中能更好地控制壓力變化。MPD技術可通過減輕和控制將發生的各種鉆井問題，來提高鉆井能力。應用微流量控制技術實施壓力管理鉆井，只需對鉆機結構做部分改進，在傳統的鉆井液循環管匯上安裝精確的傳感器和鉆井液節流器，對進出口鉆井液的微小壓力、質量流量、當量循環密度、流速等參數進行實時監測，鉆井工程人員在地面可以通過簡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，預防和解決鉆井事故的發生。該技術控制程序簡單，可與常規鉆井方式相互切換，便于操作，提高了鉆井效率和鉆井安全性^[1，2]。目前，國內由于工藝和工具的原因，特別是工具達不到工程實際中對微循環控制壓力的要求，暫達不到進行微流量控制壓力鉆井的技術水平，國外對這一技術研究比較深入，現在已進入現場實際應用階段^[1～13]。

1 系統組成

鉆井液微流量控制系統主要由3大部分組成：鉆井液管匯、傳感器以及中央數據采集與控制系統等。鉆井液管匯是鉆井液循環管道的主體組成部分，其上面安裝有2個鉆井液節流器和各種鉆井液傳感器。節流器可根據工作需要調節鉆井泵站傳輸的鉆井液流量等參數，傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、質量流量計及容積式流量計等，通過測量各種鉆井液參數，并將采集到的壓力、溫度、流量、流速等信號通過A/D轉換器送到中央數據采集與控制系統中處理，以便計算機作出下一步控制指令^[3～5]。

2 工作原理

微流量的含義包括微進口流量和微出口流量，是指系統所能監測到的鉆井液總流量波動范圍很小。微流量控制技術所能達到的鉆井液體積控制一般不大于0.8 m³，對微流量的精確監測和控制是保證鉆井液閉環控制和鉆井閉環控制的基礎^[3，4]。

微流量控制系統只需在地面進行簡單的操作便可以快速控制井眼中的鉆井液壓力，這是因為鉆井環空中的鉆井液為不可壓縮流體，地面上控制單元的任何微小壓力變化都將在環空中得到快速響應，傳輸的速度可達到聲速。1口4 000 m深的井，地面節流器的壓力調節將在3 s內傳至井底，此特性是微流量控制系統能夠滿足快速控制性能的理論基礎^[3，4]。

圖1為微流量控制系統軟件鉆井中的控制流程圖。鉆井作業時需要連續不斷地注入鉆井液，以平衡地層中的油、氣、水壓力和巖石側的壓力，防止井噴、井塌、卡鉆以及井漏等事故的發生，不同井段和工況下鉆井液參數有不同的期望值。系統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A/D轉換送入到中央數據采集與控制系統中，并與期望值進行比較，當兩者存在偏差時，系統進一步判斷鉆井液是否有漏失(圖1)。

如有漏失，系統可確定地層破裂壓力，改變流量減少回程壓力；如無漏失，則可以確定地層孔隙壓力，改變流量增加回程壓力，待達到期望的鉆井液流量值時，則繼續注入鉆井液。這種監測與比較將一直進行下去，完成鉆井時鉆井液的可控循環，實時調節孔隙壓力和壓裂壓力，以滿足鉆井工藝要求。

不同工況下油井對數據采集系統的要求不同，在復雜工況和風險較高的情況下，需增加傳感器數量以提高采集的數據量和精度；相應地，在較為簡單的鉆井工況下，采集的數據量和要求則相應較低。利用這些精確測量方法，減少鉆井中的不確定因素，使鉆井過程具有更高的安全性。

MFC技術的開發只需在現有的鉆機系統上改變很少的設備，實現通過閉環壓力泥漿返回系統進行MPD鉆井。系統包括一個旋轉控制裝置(RCD)和一個鉆井節流管匯。旋轉控制裝置是為了使油井一直處于關閉狀態和將流體導向鉆井節流管匯，從而保持在油井上加一個回壓。管匯中設有2個節流器，1個常用，1個備用，可以方便轉換以備維修或服務之用。管匯中在節流器下面安裝有獨特的流量計，用于快速檢測涌入量和循環漏失量。用實用的UBD設備部件作為該系統的主要附加部件時，可以使井涌自動檢測預報和控制系統更加精確，更加有利于油田現場施工應用。

3 現場試驗

2007年巴西國家石油公司在4口井的鉆井中試驗了以微循環控制系統為基礎的控制壓力鉆井系統。前2次試驗計劃在2006年第1季度進行，是2口陸地井，另2口井是海上油井。海上鉆井計劃在2006年下半年進行，但這2口井的作業設計比前2口井困難得多。安裝控制壓力鉆井系統的目的是克服在鉆井裝置上鉆高溫高壓層所遇到的棘手問題。

(1) 設備介紹。該試驗所使用的微循環控制方法是對鉆機上的設備進行少許改造。要求1套旋轉頭，以便保持油井的環路始終為密閉狀態，并排出節流管匯中的液流。旋轉頭保持向井內施加回壓，回壓可大可小，根據需要來確定。來自節流管匯的流體可以直接排到振動篩。在節流管匯的下游還安裝了流量表。流量表測量井內返出液流的流量和返出鉆井液的密度。

(2) LSU實驗室的樣機實驗。在LUS實驗室進行了幾次實驗，在深井(1 783 m)和淺井(792 m)中都進行實驗。實驗是在井下發生氣涌和水涌以及部分漏失和在自動壓力控制條件下進行的，并在各種條件下對可變參數進行了趨勢分析和評價。在室內實驗成功后，認為該系統可以在現場應用。

(3) 陸上試驗。2口陸上試驗井的目的是：①評價微循環系統在惡劣環境中的性能，各種電子原件所面臨的井下溫度是42～44℃；②了解當鉆屑通過節流管匯時，在可能引起沖蝕和堵塞節流管匯的情況下了解節流管匯的情況。試驗證實MFC在陸地惡劣的高溫高壓環境下的性能良好。2口探井的套管系列是33.97、24.45和17.78 cm尾管，油井的設計深度約為2 200 m。根據地質資料預測，在3 000m井內地層的孔隙壓力為常壓(1.03～1.06 g/cm³)。考慮到微循環系統的特性，鉆井液的密度為1.1 g/cm³。鉆進的過程中出現井下壓力變化時，地面鉆井工程人員通過微循環控制以保持井下壓力平衡，很好地控制了鉆井過程中出現的井涌情況。

(4) 海上試驗。繼陸地試驗后，于2006年下半年在巴西東北部的海上進行了2口井的鉆井試驗。使用的是鉆深能力為7 000 m的自升式鉆井裝置。該地平均井深為 5 000 m，其井身結構為76.20 cm×50.80 cm×33.97 cm×24.40 cm套管和17.78 cm尾管。過去鉆這種井通常要消耗大量的非鉆井時間，其原因是井涌、 漏失和下套管問題。鉆井平臺上的微循環系統可精確控制井下壓力的變化，很好地避免了井下產生的井涌和循環漏失事故，節省了大量的非生產時間，改善了作業性能，大幅度提高了鉆井效率。

第2期胡志坤等：利用微流量控制系統實現控制壓力管理鉆井技術 現場試驗說明，MFC技術可以處理傳統的不可預測的井涌、循環液漏失和地層坍塌等產生大量非生產時間的鉆井事故，可以像鉆標準井一樣更加安全地鉆更具挑戰性的生產井，其相關的附加成本可以與應用MFC所獲得的收益相抵消，MFC的現場應用前景廣闊。

4 結論及建議

(1) 在現有鉆井設備上安裝相應的傳感器和鉆井液節流器可以實現精確動態，了解井下壓力情況，為處理相應的壓力變化提供實時數據。

(2) 微流量控制實施的壓力控制鉆井技術是一種在現有鉆井設備的條件下可以實施的新型鉆井工藝，應用該技術可以避免鉆井過程中因為壓力的無法控制而產生的井下事故。

(3) 國外已經將微流量壓力管理鉆井技術投入實際生產中，說明這項技術的可行性，國內需要加強與國外的技術合作，深入研究這一新型鉆井模式。

參考文獻：

[1] Sagar Nauduri，et al.MPD：Beyond narrow pressure windows[J].IADC/SPE 122276，2008：1～7.

[2] Don M，Hannegan.Managed pressure drilling marine environment-case studies[C].SPE 92600，2005：1～5.

[3] 姜建勝，李奔，等.國外鉆井液微流量控制系統的開發與應用[J].石油機械，2008，35(2)：71～74.

[4] 邵東亮，朱金堂，孔偉.液體微流量計量方法研究[J].石油儀器，2005，19(2)：69～72.

[5] Helio Santos，Sara Shayegi.Micro-flux control：the next generation in drilling process[C].SPE 81183，2003：1～9.

[6] Santos H，et al.Developing the micro-flux control method-part1：syetem development，field test preparation，and results[C].SPE 97025，2005：1～9.

[7] Helio Santos，et al.Kick detection and control in oil-based mud：real well-test results using microflux control equipment[C].SPE/IADC 105454，2007：1～10.

[8] Helio Santos，et al.First field applications of microflux control show very positive surprises[C].IADC/SPE 108333，2007：1～10.

[9] Helio Santos，et al.Optimizing and automating pressurized mud cap drilling with the micro-flux control method[J].SPE 116492，2008：1～10.

[10] Helio Santos，et al.Deepwater drilling made more efficient and cost-effective using the microflux control method and an ultralow invasion fluid to open the mud-weight window[C].SPE 111634，2007：1～8.

[11] Angelo calderoni，et al.Microflux control and e-CD continuous circulation valves allow operator to reach HPHT reservoirs for the first time[C].IADC/SPE 122270，2008：1～9.

[12] 辜志宏，王慶群，劉峰，等.控制壓力鉆井新技術及其應用[J].石油機械，2007，35(11)：68～72.

[13] Beltran J C，et al.Case studies-proactive managed pressure drilling and underbalanced drilling application in san joaquin wells[C].SPE 100927，2006：1～7.

編輯 王 昱