PCDS精細控壓鉆井技術新進展

周英操， 劉 偉

（中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206）

精細控壓鉆井技術是在常規鉆井與欠平衡鉆井技術基礎上發展起來的、解決窄安全密度窗口地層安全鉆進難題的先進技術，可以控制因“無法預知”、“無法控制”情況造成的井涌、漏失、坍塌和卡鉆等井下故障，保障鉆井作業安全，提高復雜壓力地層鉆探的成功率，降低開發成本。國際鉆井承包商協會欠平衡作業和控制壓力鉆井委員會（IADC Underbalanced Operations & Managed Pressure Drilling Committee）將精細控壓鉆井（managed pressure drilling，MPD）定義為：“精細控壓鉆井是一種用于精確控制整個井眼環空壓力剖面的自適應鉆井過程，其目的是確定井下壓力環境界限，并以此控制井眼環空液柱壓力剖面的鉆井技術”。該技術的最初目標是避免地層流體不斷侵入井筒，鉆井作業中地層流體任何偶然的侵入都要采用適當的方法進行安全處理。中國石油集團工程技術研究院通過“十一五”以來的科技攻關，進一步拓展了該技術的應用方法與領域，筆者等人將“MPD”譯為“精細控壓鉆井技術”，使之更貼近鉆井實際情況，并提出了“欠平衡精細控壓鉆井技術”的理念[1-2]，它有別于控壓鉆井（controlled pressure drilling，CPD）。

1 國內外技術發展現狀

控壓鉆井技術早在20世紀60年代中期開始在陸地鉆井作業中應用，但沒有引起業界足夠的關注。近年來，隨著復雜壓力系統鉆井和對鉆井安全的關注，特別是海上勘探開發的不斷發展，該技術越來越受到鉆井決策者的重視，從而得到了快速發展。精細控壓鉆井技術于2003年IADC/SPE會議上提出，主要是通過綜合控制井口回壓、流體密度、流體流變性、環空液面高度、鉆井液循環摩阻和井眼幾何尺寸，使整個井筒的壓力得到有效控制，以控制地層流體侵入井筒，減少井涌、井漏和卡鉆等井下故障的發生，非常適用于鉆進安全密度窗口較窄的地層。據報道，控壓鉆井對井筒壓力的精確控制可解決80%的常規鉆井問題，非生產時間縮短20%～40%，從而降低鉆井成本。國外Schlumberger、Weatherford和Halliburton等油田技術服務公司率先成功研制出控壓鉆井系統并推廣應用，取得了良好效果，其具有以下特點：

1）Schlumberger公司的DAPC系統，即動態環空壓力控制系統，通過高速網絡把鉆井泵、節流管匯和精確的水力學模型連接成一個系統，可自動測量、管理和控制井下壓力。

2）Weatherford公司的MFC系統，在傳統鉆井液循環管匯上安裝精確的傳感器和節流控制裝置，可以實時監測鉆井液進出口的壓力、流量等參數，并根據監測情況快速調節井口壓力，以及時預防和處理井下故障。

3）Halliburton公司的MPD系統，與DAPC系統的工作原理類似，最大的不同是改進了回壓泵的自循環功能，使井口回壓更加穩定，壓力波動幅度更小；并且在鉆井液返出口和回壓泵入口增加了流量計，可精確分析鉆井液循環系統出入口的流量差。因此，與DAPC系統相比，MPD系統具有識別井下溢流、漏失的功能。

中國石油從2008年開始進行精細控壓鉆井技術研究和精細控壓鉆井裝備的研制，形成的代表性技術與裝備有：工程技術研究院的PCDS精細控壓鉆井技術與裝備，川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院的CQMPD精細控壓鉆井技術與裝備，西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術研究院的XZMPD精細控壓鉆井系統。其中，PCDS精細控壓鉆井技術與裝備具有以下特點[3]：

1）自主研發了精細控壓鉆井裝備，包括自動節流系統、回壓補償系統、監測與控制軟件系統。形成了多策略、自適應的環空壓力閉環監測與優化控制技術，實現了9種工況、4種控制模式和13種復雜條件應急轉換的精細壓力控制，井底壓力控制精度小于0.2 MPa。

2）建立了集鉆井、錄井和測井于一體的控壓鉆井方法，實現了現場數據采集、處理與實時控制；形成了井筒壓力與流量雙目標融合控制的鉆井工藝，建立了井筒動態壓力實時、快速、精確的計算方法。

3）突破了國際控壓鉆井采用微過平衡的作業理念，進行了欠平衡控壓鉆井技術研究與應用，形成了井筒壓力控制、井壁穩定及溢流控制理論和欠平衡精細控壓鉆井工藝。現場應用表明，欠平衡控壓鉆井優于國外的微過平衡控壓鉆井，更加安全，并拓寬了應用范圍。

4）研制了控壓鉆井工況模擬裝置。該裝置可完成井底壓力模式、井口壓力模式、井底轉井口壓力模式、井口轉井底壓力模式、高節流壓力工作模式、主備閥切換、低流量補償、溢流、漏失及溢漏同存控壓鉆進等10類模擬與測試。

2 PCDS精細控壓鉆井系列裝備的研制

中國石油集團工程技術研究院自2008年開展精細控壓鉆井技術攻關，自主研制了PCDS-Ⅰ、PCDS-Ⅱ和PCDS-S精細控壓鉆井系列裝置[4-5]。這些裝置集井底壓力恒定控制與微流量控制于一體，可實現欠/近/過平衡精細控壓鉆井，能滿足縫洞型碳酸鹽巖地層、低滲特低滲儲層和高溫高壓地層等多種復雜地質條件下安全鉆井的工程需求[6-10]。

2.1 PCDS-Ⅰ精細控壓鉆井裝備

PCDS-Ⅰ精細控壓鉆井裝備集井底壓力恒定控制與微流量控制于一體，井底壓力控制精度小于0.2 MPa。該裝備主要由自動節流控制系統、回壓補償系統、監測及自動控制系統、實時水力計算軟件等組成，如圖1所示。該裝備將井底壓力測量、地面參數監測、控壓鉆井水力計算模型、設備在線智能監控與應急處理等功能集成在一起，各系統可獨立運行，也可組合在一起，可實現9種工況、4種控制模式切換、13種應急轉化的精細控制，包括鉆進、接單根、起鉆、下鉆和換膠心等9種工況，本地手動、本地自動、遠程手動及遠程自動等4種控制模式，隨鉆測壓工具、回壓泵、自動節流管匯等失效及井口套壓異常升高、嚴重溢流和嚴重井漏等13種應急轉換的精細控制，適用于窄安全密度窗口、高溫高壓和復雜壓力體系條件下控壓鉆進和欠平衡控壓鉆進。

圖1 PCDS-I精細控壓鉆井裝備布局Fig.1 Layout of PCDS-I fine precise pressure management equipment

2.2 PCDS-Ⅱ精細控壓鉆井裝備

PCDS-Ⅱ精細控壓鉆井裝備在PCDS-Ⅰ的基礎上，重點對軟件系統進行了升級，主要包括2方面：1）控制系統實現了分模塊控制和工藝轉換自動識別，流量監控、節流控制和水力實時模擬計算等核心模塊既可獨立工作，也可組合工作，系統能夠識別不同設備（自有設備或第三方設備），控壓鉆井模式轉換時不受設備約束，工藝及工況自動匹配、回壓控制和流量補償功能分離；2）集控壓鉆井水力學模型、設備在線智能監控與應急處理于一體，真正實現了兼容外部設備功能。該裝備適用于海洋控壓鉆井、窄安全密度窗口控壓鉆井和欠平衡控壓鉆井。

2.3 PCDS-S精細控壓鉆井裝備

PCDS-S精細控壓鉆井裝備可實現高精度、自動欠平衡鉆井作業，能夠自動調節井口壓力，精確維持井底欠壓值，并具有結構緊湊、操作簡單和使用成本低等優勢，適用范圍廣。相對于PCDS-Ⅰ和PCDS-Ⅱ精細控壓鉆井裝備，PCDS-S精細控壓鉆井裝備添加了自動平衡立壓的欠平衡模塊與異常工況緊急處理專家模塊[10]，并進一步完善了水力模擬模塊和計算模塊，實現了PLC系統、錄井、井下儀器和中控機的多平臺數據通訊及數據處理，在降低裝備成本的基礎上拓展了軟件的功能，增強了對復雜工況的適應性，適用于低滲特低滲地層控壓鉆井、欠平衡控壓鉆井、較大密度窗口控壓鉆井。

2.4 新型控壓鉆井裝備

新型控壓鉆井裝備由自動分流系統、組合式自動節流管匯系統和復合式流量監測系統組成，如圖2所示。該裝備將分流、節流和監控等系統組合在一起，拓寬了精細控壓鉆井的應用領域，各組成單元既具備獨立工作的能力，也具備組合工作能力，能夠實現單獨控制井口壓力、監測流量等功能，并能通過節流通道控制組合、流量測量組合，形成串并聯節流通道和不同流量監測形式，滿足不同工況下鉆井液自動分流、高精度壓力控制和流量監測的需求，進一步提高了控壓鉆井裝備壓力控制和流量監測方面的能力。

圖2 新型控壓鉆井裝備布局Fig.2 Layout of new pressure management drilling equipment

3 PCDS精細控壓鉆井關鍵技術

為滿足油氣勘探開發對鉆井技術的要求，對PCDS精細控壓鉆井技術進行了發展，逐漸形成了工程適應性評價、控壓水力參數模擬、控壓鉆井方式優選和應急處理等一系列技術。

3.1 精細控壓鉆井適應性分析

從地層特點、工程要求等方面入手，定制個性化控壓鉆井整體解決方案，推薦了技術使用范圍，結果見表1。

表1 精細控壓鉆井技術使用范圍推薦Table 1 Recommended scope of fine pressure management drilling technology

3.2 精細控壓鉆井工程設計

工程設計是成功實施精細控壓鉆井作業的關鍵。精細控壓鉆井工程設計主要包括精細控壓鉆井作業現場設備的選擇及要求、施工參數的設計、作業流程、應急預案、安全環保要求、數據記錄以及設備的維護保養等。主要設計原則概括為“一個目標”、“兩個滿足”和“三個合理”，分別為：以最佳綜合成本實現油氣安全勘探開發目標；滿足地質設計要求，滿足安全健康環保（HSE）要求；合理選擇控壓鉆井方式，合理配套工具和設備，合理設計控壓鉆井水力參數。

3.3 精細控壓鉆井方式

為保證鉆井作業安全，根據地質情況和鉆井要求選擇PCDS精細控壓鉆井方式。在整個鉆井過程中，無論是鉆進、循環鉆井液還是停鉆接單根，都需要精確控制井底壓力，并使其維持恒定。PCDS精細控壓鉆井主要有井底恒壓控壓鉆井、欠平衡精細控壓鉆井和微流量控壓鉆井3種控壓鉆井方式。

1）井底恒壓控壓鉆井方式。該方式要求在閉合承壓循環系統中采用略低于常規密度的鉆井液進行鉆進，實時采集鉆井數據進行水力學模擬計算，并與實時監測的井下參數進行對比分析，自動節流管匯系統根據對比分析結果自動調節節流閥開度，將井底壓力控制在安全壓力范圍內，以實現井底壓力的恒定控制。接單根、起下鉆時，施加井口回壓補償循環壓耗，以保持井底壓力處于合理的過平衡狀態，保證整個鉆井過程中井底壓力平穩，避免地層流體侵入。

2）欠平衡精細控壓鉆井方式。該方式要求配備高精度自動節流管匯和流量監測系統，以保障井筒坍塌壓力低于地層壓力的儲層井筒安全穩定，是一種最優的鉆井技術方案，可以實現儲層發現與保護、井壁穩定及降低井控風險的目的，大幅提高鉆井的綜合效率，并且防止在此條件下由于常規欠平衡鉆井無法實施而被迫轉換為常規過平衡鉆井引發的二次污染。

3）微流量控壓鉆井方式。該方式無需使用隨鉆環空壓力測量工具，通過安裝在地面鉆井液返出管線上的高精度流量計精確計量鉆井液泵入和返出體積，以維持井筒內流體質量守恒為控制目標，自動調節井底壓力實現不溢不漏，以克服窄安全密度窗口甚至無安全密度窗口的裂縫性壓力敏感地層非溢即漏的鉆井難題，實現安全無風險鉆進。

3.4 精細控壓鉆井應急處理技術措施

常規鉆井發現溢流即關井，疑似溢流關井檢查，發生漏失停止鉆進并關井檢查，而精細控壓鉆井在同時滿足井口壓力不超過7 MPa、欠平衡溢流量小于1 m3（重力置換溢流量小于3 m3）、井口硫化氫體積分數不超過2.0×10-5的安全工作要求時，以逐步調整井口壓力為主，并配合調整鉆井液密度和流量，尋找壓力平衡點，以降低溢流量或漏失量，甚至消除溢流或漏失。若井口壓力超過7 MPa，或溢流量大于1 m3，或井口硫化氫體積分數超過2.0×10-5，則由精細控壓鉆井轉入常規井控流程，重新建立井筒平衡后再轉入精細控壓鉆井流程。

4 現場應用效果分析

PCDS精細控壓鉆井技術與裝備先后在中國石油塔里木、西南、遼河、新疆、華北、大港和冀東等7個油氣田，中國海油印度尼西亞BETARA、渤海等2個油氣田及山西致密砂巖氣區塊，中國石化西北油田順南區塊2個區塊的60余口井進行了現場應用，實現了深部裂縫性、溶洞型碳酸鹽巖等復雜地層的安全高效快速鉆進，解決了溢、漏共存的窄安全密度窗口地層的安全鉆井難題[11-16]，應用效果顯著。

1）縫洞型碳酸鹽巖地層。塔里木油田塔中作業區為典型的縫洞型碳酸鹽巖儲層，主要技術難點為儲層非均質性嚴重、易漏易噴、壓力系統不一致、儲層普遍含硫、油氣活躍和安全密度窗口窄，儲層埋深普遍超過5 000 m，溫度大于135 ℃，水平段鉆穿多套縫洞單元，鉆至設計井深的難度大，采用常規鉆井技術鉆進的水平段長度短，甚至無法鉆至設計井深。因此，該作業區應用了精細控壓鉆井技術，解決了水平段井底壓力控制難的問題，穿越了多套縫洞組合，水平段長度增長210%以上，顯著提高了單井產能。如塔中721-8H井應用PCDS精細控壓鉆井技術，解決了溶洞型碳酸鹽巖水平井水平段長度只能達到200～500 m的問題，創造了水平段長度1 561 m、單日進尺150 m的紀錄。

2）低滲特低滲儲層。印尼某油田的致密花崗巖地層屬于典型的低滲特低滲儲層，存在的主要技術難點為：地層可鉆性差、研磨性高，地層壓力低、安全密度窗口窄、易發生井漏/井涌，地溫梯度高、鉆井液出口溫度達85 ℃，淺層氣發育，采用常規鉆井技術一直未發現油氣顯示。為此，采用低密度鉆井液進行欠平衡精細控壓鉆進，通過精確控制井口回壓，維持井底壓力略低于地層壓力，使地層氣體在有控制的情況下進入井筒，及時發現油氣層。在套管內注入重漿帽，保持裸眼段為低密度鉆井液，防止重漿接觸裸眼段和固相顆粒入侵儲層，以保護油氣層[17]。以欠平衡精細控壓鉆井的方式揭開儲層，待有油氣顯示后，及時監測入口、出口流量，快速控制溢流和漏失，每鉆遇一個氣測顯示層或鉆進90 m，以0.3 MPa遞增或者遞減，反推地層壓力，鉆進期間始終保持井底壓力略低于地層壓力。該油田應用PCDS精細控壓鉆井裝備實施欠平衡精細控壓鉆井，實現了鉆進期間全過程“點著火炬來鉆井”，點火時間占鉆井總時間的79.5%，火焰最高達15.0 m，油氣顯示良好，勘探取得重大突破。

3）高溫高壓地層。塔里木油田庫車山前深部巨厚鹽膏層鉆井遇到的主要技術難題包括：超高壓鹽水層普遍發育（壓力最高達190 MPa），超高溫（溫度最高達170 ℃），鹽膏層中夾雜破裂壓力梯度低的泥巖層，安全密度窗口窄，噴、漏、卡等復雜問題頻發。為此，采用微流量控壓鉆井技術鉆進高壓鹽水層[18]，順利鉆穿了高壓鹽水層，且避免了鉆穿鹽底，大幅縮短了非生產時間，提高了鉆井綜合效率。如該油田克深某井鉆遇高壓鹽水層后，最初采用傳統的放水泄壓，放水41次，共放水1 717.5 m3，49 d無進尺，采用微流量控壓鉆井技術恢復鉆進，一趟鉆就完成170 m進尺，用時11 d鉆穿高壓鹽水層，取得了顯著效果。

4）海底地層。海底地層疏松，在相同沉積厚度的地層條件下，隨著水深增加，地層破裂壓力梯度會降低，致使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄，易發生涌、漏、塌、卡等井下復雜情況，海洋鉆井風險較大，對井控和安全提出了更為嚴格的要求[19-21]。為此，采用井底恒壓控壓鉆井方式，降低井底壓力波動幅度，以保證安全鉆穿窄安全密度窗口地層。如渤海油田應用PCDS精細控壓鉆井技術發現了大型凝析氣田，同時降低了井底壓持效應，提高了機械鉆速，與鄰井同層位相比，機械鉆速提高了107.7%。

5 結論與建議

1）精細控壓鉆井技術能隨鉆實時保障井筒安全，井控技術是在井筒出現嚴重問題時重新構建井筒平衡的一種應急技術，兩者有明顯的區別，但是隨著技術的發展，兩者將逐步融合，在提高井口裝備控壓能力、完善控壓鉆井與井控轉換方法的基礎上，形成一項新的全過程井筒安全控制鉆井技術，并最終替代井控作業。

2）隨著石油勘探轉向超深層、深水等復雜地層和天然氣水合物等蘊含新能源資源的勘探開發，鉆遇窄安全密度窗口地層的概率增大，尤其是高壓氣井、高氣油比井的井控難度大；溢流、漏失等井下故障難以早期識別，處理手段滯后、控制難度大；井下信息不清，井下故障發生原因不明，處理措施缺乏針對性，導致處理井下故障的難度大。雖然精細控壓鉆井技術是應對該類問題的有效手段，但要更好更快地處理該類問題，仍需進一步研究，以滿足極端地層及其工況條件的控壓鉆井需求。

3）精細控壓鉆井技術采集井底、地面大量的數據，是閉環鉆井系統重要的一環，因此未來將與先進的鉆井優化設計、實時鉆井測控理論結合，形成精細控壓鉆井安全、優化理論[22]，并在此基礎上進一步發展為一體化智能井筒安全控制鉆井技術，為智能鉆井技術發展提供有力支撐。