控壓鉆井試驗檢測系統研制開發與應用

楊雄文黃書君周英操紀榮藝，3方世良王 凱

1.中國石油集團鉆井工程技術研究院 2.中國地質大學（北京） 3.中國石油大學（北京）

控壓鉆井試驗檢測系統研制開發與應用

楊雄文1黃書君2周英操1紀榮藝1，3方世良1王 凱1

1.中國石油集團鉆井工程技術研究院 2.中國地質大學（北京） 3.中國石油大學（北京）

楊雄文等.控壓鉆井試驗檢測系統研制開發與應用.天然氣工業，2012，32（7）：43-47.

控壓鉆井試驗檢測是一項綜合控制技術，對開發和研制控壓鉆井系統至關重要，國內外均沒有用于成套控壓鉆井技術與裝備實驗和測試的井下工況模擬方法和裝置［1］。為此，自主研制了一套全尺寸的控壓鉆井試驗檢測裝置系統。介紹了該系統的裝置組成、工藝特征和技術參數，分析了該系統的測控軟件開發、工藝過程的模擬、評價方法及模型建立和系統單元測試與整體聯調等關鍵技術?，F場應用結果表明：該系統安全可靠，運行1 000余次無故障，測試過程與現場工程實際能較好吻合，能綜合模擬正常鉆進、開泵、停泵、起下鉆、井漏、井涌等不同井下工況情況，為國內研制、開發和出廠檢測控壓鉆井系統提供了一種快速檢測平臺，保證了控壓鉆井裝備的安全、可靠運行。

控壓鉆井 試驗檢測 工藝模擬 評價方法 室內聯調 快速檢測平臺

控壓鉆井技術（MPD）是近年來發展起來的一項熱點鉆井技術［2－4］，其對軟硬件水平要求都很高［5］：一方面需要深入分析實際控壓鉆井的多種工況條件，考慮眾多控制變量［6］，如鉆井液流量的變化、密度的變化、循環壓力的波動、環空壓力損耗的變化等等；另一方面需要研制設備，并完成設備聯動調試，使之在復雜的控壓鉆井井下工況條件下可以做出穩定、可靠、準確和快速的動作，由此可以看出開發控壓鉆井技術的困難程度。

目前，國內外均沒有用于控壓鉆井技術與裝備實驗和測試的井下工況模擬方法和裝置，因此研制和開發一套控壓鉆井技術與裝備試驗與檢測系統，綜合模擬正常鉆進、開泵、停泵、起下鉆、井漏、井涌等不同井下工況情況，達到精確掌握控壓鉆井技術參數、精準調試MPD裝備目的，為國內研制、開發和出廠檢測控壓鉆井系統提供一種快速必要手段，保證MPD裝備的安全、可靠運行意義重大。

1 試驗檢測系統組成和性能

1.1 系統組成

控壓鉆井試驗檢測系統是一套先進的遠程控制的硬、軟件系統，主要包括4個系統：壓力循環系統（包括鉆井液泵、鉆井液罐、空氣包，阻流管匯、配套工具及管線）、數據采集和傳輸系統、鉆井模擬器和遠程控制系統。通過壓力循環系統的各泵組、平板閥、節流閥的相互切換，配合實時的鉆井動態模擬器，構建包括開泵、停泵、正常鉆進、活動鉆具、起下鉆、井漏、井涌等不同鉆井工況的工藝流程，待測試的控壓鉆井系統自動檢測工況，做出合理判斷。整個試驗檢測系統與待測試的MPD裝備（或工具）都實現遠程控制，通訊雙盲，盡可能做到模擬真實的鉆井現場工況，以檢測待測MPD裝備的控制能力和穩定性，達到精確控制鉆井參數的目標，可進行控壓節流性能測試、控壓鉆井工藝檢測，以及控壓鉆井裝置各單項和整體性能等工藝測試等試驗，圖1為控壓鉆井試驗檢測系統的組成。

1.2 工藝特征和技術參數

1.2.1 控壓鉆井節流試驗

主要包括節流閥特性試驗、控制響應試驗、壽命試驗和安全試驗；通過切換壓力循環系統，測試不同條件下節流閥的流量、開度和壓降的關系，建立節流閥特性關系曲線，尋找最優調節區間，并結合其動態控制響應試驗，可以構建準確的節流控制模型，為開發、測試或

檢驗MPD裝備提供最有效的支持。根據MPD裝備性能，該系統能進行0～14 MPa的控壓節流試驗。

圖1 MPD試驗檢測系統組成圖

1.2.2 控壓鉆井工況檢測

模擬控壓鉆井多種井下工況，測試MPD裝備多個系統連接后運行信號采集的準確性，測試包括軟件和硬件兩個方面設備調節的快速性以及控制的穩定性；將井下工況模擬裝置模擬的井下工況作為黑匣子處理，不管具體作用機理，僅是控制模擬的井底壓力以及井漏量或井涌量，實驗、測試過程與現場工程實際很符合，為MPD裝備調試提供了可靠的平臺。

1.2.3 控壓鉆井工藝試驗

綜合考慮控壓鉆井的多種工況，在實驗室模擬正常鉆進、開泵、停泵、起下鉆、井漏、井涌等不同井下工況情況，進行控壓鉆井工藝試驗，尋找最佳控制方法和手段，包括井口回壓，流量補償方式等等，該系統能提供7～30 L／s的額定排量，基本能模擬控壓鉆井作業的多種環境，還能提供最大7 L／s的侵入（漏失）流量。

2 系統研制的關鍵技術

2.1 工藝過程模擬

控壓鉆井涉及鉆進、開泵、停泵、起下鉆、井漏、井涌等不同井下工況和操作工藝，如何在地面實現井下全工況的模擬是該試驗檢測系統研制的關鍵，也是其工藝流程模擬能否合理成功的核心。

2.1.1 硬件功能模擬

硬件部分主要包括2個鉆井液泵組、鉆井液罐、空氣包，阻流管匯、泄壓閥、配套工具及管線，是模擬和構建井下流動工況的必備條件。正常鉆進時，鉆井液泵開啟，模擬鉆井現場的大泵作業，額定輸出排量28 L／s；如果需要模擬大排量控壓作業，還可同時開啟小鉆井液泵組，能提供7.5 L／s的額定輸出排量。小鉆井液泵組根據模擬工況的不同，在微溢模擬、下鉆模擬時也作為一個排量輸出裝置，扮演微流量侵入和下鉆環空返出的功能，具體侵入量和返出量根據模擬工況調整。空氣包扮演一個緩沖罐的作用，對整個井筒來說，可以當做一個未可壓縮的彈性體，加壓彈性能積聚，降壓彈性能釋放，通過空氣包的壓縮性能的調節就能近似地模擬整個井筒彈性能的大小，避免地面硬管連接的水擊震蕩。阻流管匯模擬整個井筒環空摩阻的大小，根據泵排量的變化可以近似體現環空壓耗隨流量變化的特點，根據需要可以變換阻流管匯的連接方式，達到所需要模擬的環空壓耗。

2.1.2 軟件控制模擬

軟件控制部分包括數據采集和傳輸系統、鉆井模擬器和遠程控制系統，其主要功能是實時工況模擬與遠程控制。對于控壓鉆井試驗模擬來說，如何還原和模擬實時的鉆進工況是個挑戰，鉆井模擬器通過實時回放真實井的歷史數據就可以清晰地再現該井的鉆井工況，包括井身結構、鉆具組合、鉆井液性能、實時錄井數據、PWD數據等；數據采集和傳輸系統為遠程控制提供通訊；遠程控制系統是一個動態的交互工具，一方面可以單獨對該試驗檢測系統進行遠程操作與控制，另一方面在微溢、微漏模擬或起下鉆模擬過程中，其根據被測試控壓裝備的動作，又可按照預先設置的溢漏控制模型，調整溢、漏量，達到一個動態平衡。

2.2 評價方法及模型建立

通過硬件功能和軟件控制的綜合模擬，可以構建出一套控壓鉆進循環鉆進、開泵、停泵、起下鉆、井漏、井涌等不同井下工況的評價方法（圖2、3）。

2.2.1 下鉆模擬

圖2 MPD起下鉆工藝流程模擬程序圖

圖3 MPD循環鉆進（正常鉆進、微溢、微漏）工藝流程模擬程序圖

下鉆過程部分流體從環空返至MPD節流管匯，類似控壓鉆井試驗檢測系統向MPD節流管匯返出流量增加。2號泵組啟動，根據下鉆速度調整增加的流量，MPD裝備自動判斷，并采取動作；當達到下鉆速度為0，關閉2號泵組，退出下鉆模擬。

2.2.2 起鉆模擬

起鉆過程MPD節流管匯部分鉆井液漏入井筒中，類似控壓鉆井試驗檢測系統泄流。開啟泄流閥，根據起鉆速度調整泄流量，MPD裝備自動判斷，并采取動作；當達到起鉆速度為0，關閉泄流閥，退出起鉆模擬。

2.2.3 循環鉆進

首先進入MPD試驗檢測系統控制軟件，開啟實時鉆井模擬器；同時，檢查循環通路，開啟大泵，經阻流管匯，輸出至待測試的MPD裝備；MPD裝備根據檢測到的工況可以隨時調整，鉆井模擬器實時監控，確保模擬的井底壓力在壓力操作窗口之內。

2.2.4 微溢模擬

鉆井模擬器實時監控，檢測到模擬的井底壓力小于地層壓力，進入微溢工況，2號泵組啟動，按預置的溢流模型（線形滲流、非線性滲流、隨機）調整侵入量，MPD裝備自動判斷，當檢測到溢流采取動作；鉆井模擬器實時監控井底壓力的變化，當達到臨界值時開始關閉2號泵組，退出微溢模擬。

2.2.5 微漏模擬

鉆井模擬器實時監控，檢測到模擬的井底壓力大于操作窗口，進入微漏工況，開啟泄流閥，按預置的漏失模型（等開度變化、等壓力變化、隨機）調整漏失量，MPD裝備自動判斷，當檢測到漏失采取動作；鉆井模擬器實時監控井底壓力的變化，當達到臨界值時開始關閉泄流閥，退出微漏模擬。

2.3 控制軟件開發

圖4 MPD試驗檢測系統控制中心圖

控制軟件是整個控壓鉆井試驗和檢測系統的載體，圖4為MPD試驗檢測系統控制中心。控壓鉆井井試驗檢測系統的研制成功為開發MPD裝備提供了可靠的試驗平臺，在室內就能進行現場多種控壓工況的模擬和調試，特別對控壓鉆井的壓力傳播特性，建立微溢流條件的壓力控制模型，以及控壓鉆井工藝理論分析能進行深入的理解與剖析，也為MPD裝備的成功開發大大降低了成本，縮短了周期，同時該系統的成功也為今后MPD裝備出廠、檢修和維護提供了一個快速檢測平臺，進一步保證了國產控壓裝備的可靠、安全。

3 現場應用與結果分析

該測試系統自2010年9月份投入運行，針對控壓鉆井設備開發泵、閥、液壓、管線等多種元件的單元測試與聯調，通過綜合模擬正常鉆進、開泵、停泵、起下鉆、井漏、井涌等不同井下工況情況，為解決控壓鉆井系統不同工況的過程控制難題提供了必要、及時的手段；加快裝備研制，保證裝備安全、穩定運行發揮了至關重要的作用。目前該設備已累計進行1 000余次整體聯調和設備檢驗，系統安全可靠，無故障，已成為中國石油集團鉆井工程技術研究院的控壓鉆井測試和出廠檢測基地。

圖5為控壓鉆井自動節流控制系統不同級別壓力跟蹤和主備閥切換的室內試驗數據，在正常鉆進模擬狀態時，設定壓力即井口計算壓力，通過實時水力校正模型計算得到，在0.5～0.75 MPa之間，當檢測到出口流量降低時，軟件相應的計算井口壓力增加，增加到0.71 MPa，調整節流閥開度，實際測量壓力與井口壓力逼近，直至達到誤差范圍0.2 MPa。

圖5 鉆進工況下的壓力控制曲線圖

圖6 接單根工況下的壓力控制曲線圖

圖6為接單根工況（開停泵工況）下的壓力控制曲線，充分體現了該控制策略的優勢；在控壓鉆井操作中，大泵緩慢停止時，流量降低，同時井口回壓卻要增加到一個較高的壓力級別，相反，大泵緩慢啟動時，流量升高，同時井口回壓卻要降低到一個較低的壓力級別，這就需要控壓鉆井各閥件之間充分的協調控制。在準備接單根，回壓泵啟動，此時大泵尚未停止，出口流量增加；當大泵停止時，井內循環停止，出口流量等于回壓泵流量7.2～7.8 L／s，井口設置壓力升高到3.07 MPa，彌補環空壓力損失；接單根作業完成后，大泵開啟，井口壓力降至原來正常鉆進壓力值1.18 MPa，并切換回主節流通道，此時再關閉回壓泵，退出回壓補償系統，接單根完成。

圖7 起下鉆工況下的壓力控制曲線圖

圖7為起下鉆工況下的壓力控制曲線，模擬上提鉆具時，節流閥打開，部分鉆井液漏失，由于抽吸作用的存在，一部分鉆井液進入井筒填補上提的鉆具體積，出口流量由7.5 L／s減少到4.2 L／s左右，節流閥自動調整開度大小，保持井口壓力穩定；模擬下放鉆具時，節流閥關閉，小泵開啟，由于激動作用的存在，一部分鉆井液溢出井筒，出口流量增加，井口設定壓力自動降低，消除激動壓力的影響；整個上提和下放鉆具模擬過程壓力控制誤差在±0.5 MPa以內。

4 結論

1）開發了一套室內模擬控壓鉆井的多種工況（正常鉆進、開泵、停泵、起下鉆、井漏、井涌等）的試驗檢測系統，為MPD裝備調試提供了可靠的平臺。

2）攻克了包括工藝過程模擬、評價方法及模型建立、測控軟件開發以及單元測試與整體聯調等諸多關鍵技術，對開發、完善、提高控壓鉆井技術水平起到極大的推動作用。

3）整套測試系統安全可靠，運行1 000余次無故障，測試過程與現場工程實際能較好吻合，并保證了MPD裝備的安全、可靠運行。

［1］楊雄文，周英操，方世良，等.控壓欠平衡鉆井工藝實現方法與現場試驗［J］.天然氣工業，2012，32（1）：75-80.

［2］楊雄文，周英操，方世良，等.國內窄窗口鉆井技術應用對策分析與實踐［J］.石油礦場機械，2010，39（8）：7-11.

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（修改回稿日期 2012-06-19 編輯 凌 忠）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.010

國家科技重大專項課題“窄密度窗口鉆完井技術與裝備”（編號：2008ZX05021-03）部分研究成果。

楊雄文，1979年生，高級工程師，博士；主要從事控壓鉆井、水力學模擬和井筒壓力控制相關的研究工作。地址：（100195）北京市海淀區北塢村路甲25號靜心園S座。電話：13717738678。E-mail：yangxiongwendri＠cnpc.com.cn