自適應(yīng)控制壓力鉆井關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

摘 要

摘要：為了減少鉆遇壓力敏感或安全壓力窗口狹窄等復(fù)雜地層所產(chǎn)生的非生產(chǎn)時(shí)間，提出了對(duì)井底壓力進(jìn)行精確控制的自適應(yīng)控制壓力鉆井的技術(shù)思路。探討了控壓鉆井技術(shù)的井底壓力控
摘要：為了減少鉆遇壓力敏感或安全壓力窗口狹窄等復(fù)雜地層所產(chǎn)生的非生產(chǎn)時(shí)間，提出了對(duì)井底壓力進(jìn)行精確控制的自適應(yīng)控制壓力鉆井的技術(shù)思路。探討了控壓鉆井技術(shù)的井底壓力控制機(jī)理，集成了所需關(guān)鍵技術(shù)裝備，繪制了自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)路線(xiàn)圖。系統(tǒng)地介紹了地層壓力隨鉆檢測(cè)技術(shù)、隨鉆井底環(huán)空壓力測(cè)量、鉆井液連續(xù)循環(huán)裝置、井口回壓檢測(cè)與控制、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀。最后提出建議：國(guó)內(nèi)相關(guān)單位應(yīng)聯(lián)合攻關(guān)，盡快研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)及相關(guān)裝備，縮短與國(guó)際先進(jìn)鉆井技術(shù)間的差距。
關(guān)鍵詞：深井；水平井；控壓鉆井；自適應(yīng)控制；關(guān)鍵技術(shù)鉆井液
0 引言
    目前對(duì)井底壓力進(jìn)行精確控制的方法有兩種：①根據(jù)地層壓力與井眼穩(wěn)定條件來(lái)調(diào)節(jié)鉆井液密度；②控制環(huán)空摩阻。但是靠改變鉆井液性能來(lái)控制環(huán)空壓力的方法不僅費(fèi)時(shí)而且會(huì)引起一些其他問(wèn)題，控制環(huán)空摩阻的方法因沒(méi)有形成有效封閉鉆井液循環(huán)系統(tǒng)導(dǎo)致停泵即失效。為此，近年來(lái)控制壓力鉆井技術(shù)(MPD)應(yīng)運(yùn)而生。
    國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)的UBO和MPD分委員會(huì)把控制壓力鉆井技術(shù)定義為一種控制井身環(huán)空壓力剖面的自適應(yīng)鉆井方法。其目的是確定井底壓力安全窗口，并相應(yīng)的調(diào)節(jié)環(huán)空壓力剖面。該技術(shù)利用封閉[1]、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)或者欠平衡鉆井裝備，通過(guò)控制鉆井液密度、當(dāng)量循環(huán)密度、套管回壓等參數(shù)，隨鉆控制進(jìn)入井眼的流體，防止發(fā)生與鉆井有關(guān)的井下復(fù)雜問(wèn)題，避免通過(guò)加重鉆井液來(lái)解決這些問(wèn)題。
1 自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)
1.1 控壓鉆井技術(shù)的壓力控制機(jī)理
    鉆井過(guò)程中的井底壓力由井筒液柱壓力、環(huán)空循環(huán)壓耗、井口回壓、循環(huán)中的壓力波動(dòng)組成[2～3]，即
    pL=pm+pa+pt+paf
式中：pL為井底壓力，MPa；pm為環(huán)空液柱壓力，MPa；pa為環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；pt為井口回壓，MPa；paf為環(huán)空循環(huán)壓力波動(dòng)，MPa。
    常規(guī)鉆井過(guò)程中，調(diào)節(jié)鉆井液密度是最主要的控制井底壓力的手段，但是這種方法需要一定的循環(huán)時(shí)間，因而時(shí)效性差；調(diào)節(jié)循環(huán)排量也是一種控制井底壓力的方式，其時(shí)效性強(qiáng)，但是由于缺乏有效的封閉性，在起下鉆和接單根時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)有效控制?？貕恒@井技術(shù)則是基于封閉、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)或者欠平衡鉆井裝備，通過(guò)控制鉆井液密度、當(dāng)量循環(huán)密度和井口回壓來(lái)控制井底壓力，能保證起下鉆、接單根等情況下的井底壓力有效控制，也可以實(shí)現(xiàn)低于常規(guī)密度鉆井液安全鉆井，隨鉆控制地層流體進(jìn)入井眼。
1.2 控壓鉆井技術(shù)的關(guān)鍵裝備
1.2.1控壓鉆井技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要諸多核心裝備
    1) 旋轉(zhuǎn)控制裝置。旋轉(zhuǎn)控制裝置是控壓鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要裝備，可以將井眼中的鉆井液形成密閉的循環(huán)系統(tǒng)，便于井口回壓的施加，以及微流量的控制。
    2) 浮閥(單向閥)。避免接單根時(shí)鉆柱內(nèi)鉆井液與大氣連通，破壞系統(tǒng)密閉性。
    3) 節(jié)流閥。用于對(duì)鉆井液流量和井口回壓進(jìn)行精確控制。
1.2.2其他相關(guān)裝備[4]
    1) 井下套管封隔閥或井下控制閥。用于隔離井下油氣和壓力，保證井口安全作業(yè)。
    2) 降低當(dāng)量循環(huán)密度的工具。用于抵抗循環(huán)摩擦阻力的影響。
    3) 壓力和流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
    4) 鉆井液連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)。用于消除接單根時(shí)的壓力波動(dòng)。
1.3 自適應(yīng)控壓鉆井的關(guān)鍵技術(shù)
    自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)是指在鉆井過(guò)程中，隨鉆精確監(jiān)測(cè)環(huán)空壓力剖面，同時(shí)對(duì)地層壓力、破裂壓力和坍塌壓力實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)，反饋到地面后通過(guò)自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)整流量和回壓等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井底壓力的自適應(yīng)精細(xì)控制。由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)井底壓力的實(shí)肘的動(dòng)態(tài)控制，首先必須要能準(zhǔn)確采集地層3壓力剖面和井底壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)鉆井液脈沖、聲波或者電磁波等MWD方法將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到中心處理系統(tǒng)，中心處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)井底實(shí)時(shí)壓力與安全壓力窗口的比較，然后根據(jù)鉆井液類(lèi)型所確定的多相流環(huán)空水力學(xué)模型用自適應(yīng)的算法逐步調(diào)節(jié)井口回壓、鉆井液流速、鉆井液密度和黏度等參數(shù)，在此過(guò)程中，必須考慮接單根或起下鉆等情況時(shí)的井底壓力控制方法。自適應(yīng)控壓鉆井的關(guān)鍵技術(shù)路線(xiàn)圖見(jiàn)圖1。
 

2 自適應(yīng)控壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.1 地層壓力隨鉆檢測(cè)技術(shù)
    隨鉆壓力監(jiān)測(cè)的方法主要有dc指數(shù)法、sigma指數(shù)法、巖石強(qiáng)度法、壓差因子法和擬聲波時(shí)差等。由于任何理論模型都需要用實(shí)測(cè)壓力值來(lái)驗(yàn)證，考慮到理論模型的應(yīng)用范圍局限性以及處理上的時(shí)效性，在自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)中可以考慮采用隨鉆地層測(cè)試的方法直接獲取原始地層信息，為井底壓力的精確控制奠定基礎(chǔ)。
    目前這類(lèi)研究和裝備多見(jiàn)于國(guó)外文獻(xiàn)中。貝克休斯公司開(kāi)發(fā)出了TesTrak新型隨鉆地層壓力測(cè)試的LWD工具，其利用鉆井過(guò)程中的短暫中斷測(cè)量地層真實(shí)壓力[5]。同樣的，斯倫貝謝公司也開(kāi)發(fā)出了Stetho Scope隨鉆地層壓力測(cè)試工具，在小于5min之內(nèi)直觀(guān)地提供準(zhǔn)確的地層壓力數(shù)據(jù)，采用電池或渦輪發(fā)電機(jī)用MWD方式向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。盡管隨鉆地層壓力測(cè)試可以直接測(cè)量地層原始?jí)毫?，但是由于其具有一定的后效性，在?shí)時(shí)決策時(shí)，應(yīng)該綜合利用LWD數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)模型和隨鉆地層壓力測(cè)試數(shù)據(jù)，以達(dá)到準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)了解地層壓力，確定壓力梯度和安全壓力窗口。
2.2 隨鉆井底環(huán)空壓力測(cè)量
    隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量是靠壓力傳感器測(cè)量井底環(huán)空流體壓力的技術(shù)，其歷史可以追溯到20世紀(jì)80年代中期，Gearhart公司在他們的MWD工具上安裝了環(huán)空壓力傳感器。之后，Anadrill和其他一些鉆井服務(wù)商開(kāi)始研發(fā)具有井下環(huán)空壓力測(cè)量能力的MWD工具。Sperry-Sun是最早推動(dòng)鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度測(cè)量的公司，他們研發(fā)的隨鉆井底環(huán)空壓力測(cè)量?jī)x，可以實(shí)時(shí)測(cè)量井底環(huán)空壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)MWD或EM-MWD將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至地面，其測(cè)壓能力高達(dá)138MPa。Anadrill提供實(shí)時(shí)和存儲(chǔ)式兩種環(huán)空壓力隨鉆測(cè)量?jī)x器，它的最高精度達(dá)1psi(1psi=6.895kPa)，在不能建立鉆井液循環(huán)時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。
    在國(guó)內(nèi)，為適應(yīng)欠平衡鉆井監(jiān)測(cè)的需要，研發(fā)了存儲(chǔ)式的欠平衡井底壓力采集系統(tǒng)，并在大慶油田達(dá)深2井展開(kāi)了試驗(yàn)并取得成功。針對(duì)試驗(yàn)中存在的磨損嚴(yán)重問(wèn)題，周英操等[6]對(duì)原有儀器進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，進(jìn)行了儀器減震設(shè)計(jì)，完善了井下壓力溫度測(cè)試工具與軟件，并在徐深5井進(jìn)行了下井試驗(yàn)，取得了良好的效果。中國(guó)石油鉆井院的井下控制工程研究所為配套CGDS近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，也開(kāi)發(fā)出了存儲(chǔ)式井底環(huán)空壓力測(cè)量工具，可以實(shí)現(xiàn)0～100MPa的測(cè)量壓力范圍。
2.3 鉆井液連續(xù)循環(huán)裝置
    連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不中斷鉆井液在井內(nèi)的循環(huán)來(lái)完成鉆桿的上卸扣等連接工作的系統(tǒng)，是在頂驅(qū)、鉆桿夾持裝置、閘板防噴器、密封膠芯和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[7]。從2000年起，英國(guó)石油技術(shù)研究院聯(lián)合6家國(guó)際大石油公司經(jīng)過(guò)3年的攻關(guān)研制出了鉆井液連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)。2005年，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)第一次在埃及的海上老井重鉆項(xiàng)目上得到了成功應(yīng)用。目前該技術(shù)已逐漸成為復(fù)雜地層安全鉆井的一項(xiàng)技術(shù)。
2.4 井口回壓檢測(cè)與控制
    隨著欠平衡技術(shù)的推廣應(yīng)用，為適應(yīng)井底合理壓差控制的需要，國(guó)內(nèi)外對(duì)井口回壓檢測(cè)與控制的理論方法及裝備做了大量工作。莊湘琦等[8]以鉆井環(huán)空多相非穩(wěn)定流理論為基礎(chǔ)，根據(jù)氣液兩相流體在井筒中流動(dòng)方程，利用有限差分方法，描述了井內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)特性和瞬態(tài)壓力平衡關(guān)系，提出了利用井口回壓對(duì)井內(nèi)流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行控制，找出了井口回壓和氣體侵入量對(duì)流動(dòng)參數(shù)的影響。王德玉等[9]針對(duì)鉆井井口回壓檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制需要，設(shè)計(jì)了采用電液比例控制系統(tǒng)和PID控制方法對(duì)節(jié)流系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。
    為適應(yīng)井控安全的要求，國(guó)外很早就開(kāi)展了井控回壓檢測(cè)與控制的工作。如，At Balance為了配合控壓鉆井技術(shù)的實(shí)施研發(fā)了動(dòng)態(tài)環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(Dynamic Annular Pressure Control System)；Halliburton公司研發(fā)了自動(dòng)控制節(jié)流管匯，配合Sentry控制軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
2.5 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
    實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控壓鉆井離不開(kāi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的井下和地面的雙向高速傳輸。目前，國(guó)內(nèi)外的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)普遍采用鉆井液脈沖來(lái)傳送測(cè)量數(shù)據(jù)，該技術(shù)在液體鉆井液中能夠穩(wěn)定可靠地工作，但是對(duì)于氣體或充氣鉆井液則無(wú)法正常工作，同時(shí)鉆井液脈沖的信號(hào)傳輸速率低，實(shí)現(xiàn)雙向通信的難度較大，核心部件的成本也較高。為此，近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)了一些新的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸方式。
    自20世紀(jì)80年代起，電磁傳輸方式開(kāi)始發(fā)展，其傳輸速率較高，基本不受鉆井液介質(zhì)的影響，可用于空氣、泡沫或鉆井液的欠平衡鉆井。國(guó)外研制出的EM傳輸系統(tǒng)主要有Schlumberger的E-Pulse系統(tǒng)、Halliburton Sperry Sun的EM MWD系統(tǒng)、Weatherford的TrendSET MWD系統(tǒng)、Phoenix的CLT EM-MWD系統(tǒng)、NDS的EM E-link系統(tǒng)、Ryan的EM-MWD系統(tǒng)、Scientific Drilling的E-field MWD系統(tǒng)、俄羅斯BHHKFHC的ZTS系統(tǒng)等[10]。2008年9月，中國(guó)石化勘探開(kāi)發(fā)研究院德州鉆井所研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工程樣機(jī)，并在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；同時(shí)，中國(guó)石油有關(guān)研究院和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)等單位也在陸續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究。但是目前，受井下發(fā)射功率、電磁波衰減特性、井場(chǎng)干擾等影響，EM傳輸技術(shù)還只適用于有限的范圍。
3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
    1) 隨著油氣資源勘探開(kāi)發(fā)向深部延伸，在鉆進(jìn)壓力敏感地層、噴漏同存地層或安全壓力窗口狹窄的地層時(shí)，自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)是一個(gè)很好的選擇。
    2) 國(guó)外目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了GeoBalance MPD系統(tǒng)和DAPC系統(tǒng)等具有自動(dòng)控制井底壓力功能的裝備，但國(guó)內(nèi)具有自適應(yīng)控制功能的井底壓力控制鉆井技術(shù)尚處于研究發(fā)展階段，建議加強(qiáng)研究，縮小與國(guó)際先進(jìn)鉆井技術(shù)的差距，推動(dòng)我國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)的發(fā)展。
    3) 自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要解決設(shè)備研制、自動(dòng)測(cè)量?jī)x器、儀表的開(kāi)發(fā)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)研制及環(huán)空多相流動(dòng)規(guī)律及軟件開(kāi)發(fā)等問(wèn)題，需要攻克基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究等多方面的難題，建議國(guó)內(nèi)有關(guān)科研單位聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，縮短研發(fā)時(shí)間。
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(本文作者：李偉廷1 侯樹(shù)剛2 蘭凱2 龔嘉琦3 1.中國(guó)石化中原石油勘探局鉆井三公司；2.中國(guó)石化中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院；3.華中科技大學(xué)多譜信息處理技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)