實(shí)現(xiàn)窄密度窗口安全鉆井的控壓鉆井系統(tǒng)工程

摘 要

摘要：控壓鉆井是目前世界上最先進(jìn)的鉆井技術(shù)之一，能夠?qū)讐毫M(jìn)行實(shí)時精確的控制、解決現(xiàn)場遇到的井下復(fù)雜鉆井問題；理論研究與應(yīng)用實(shí)踐均表明，它可以有效解決國內(nèi)外普遍遇到
摘要：控壓鉆井是目前世界上最先進(jìn)的鉆井技術(shù)之一，能夠?qū)讐毫M(jìn)行實(shí)時精確的控制、解決現(xiàn)場遇到的井下復(fù)雜鉆井問題；理論研究與應(yīng)用實(shí)踐均表明，它可以有效解決國內(nèi)外普遍遇到的窄密度窗口安全鉆井難題。為了更好的掌握和運(yùn)用該技術(shù)，從宏觀角度將控壓鉆井看作為一項(xiàng)較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既要保證系統(tǒng)內(nèi)任一組成部分能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又要提高系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的協(xié)調(diào)能力，從而發(fā)揮其最大效率。為此，提出了控壓鉆井系統(tǒng)工程(MPDSE)的概念——控壓鉆井系統(tǒng)工程就是將系統(tǒng)工程理論應(yīng)用到控壓鉆井技術(shù)中的一種研究方法，其主要內(nèi)容是研究系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的精確設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析各組成部分之間的相互關(guān)系和內(nèi)部地位，優(yōu)化處理各組成部分之間的相互制約性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化；進(jìn)而運(yùn)用綜合集成法分析了控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟；最后還對控壓鉆井系統(tǒng)的基本框架進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。結(jié)論認(rèn)為：應(yīng)以系統(tǒng)工程的方法對控壓鉆井技術(shù)進(jìn)行研究，并且框架內(nèi)的任一部分都關(guān)乎整個系統(tǒng)能否成功應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：控壓鉆井技術(shù)；系統(tǒng)工程；綜合集成法；基本框架；井底壓力；實(shí)時精確控制；窄密度窗口；安全鉆井
    廣義上的控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用范圍包括過平衡、近平衡、欠平衡以及精細(xì)控壓鉆井，傳統(tǒng)意義的過平衡鉆井以及近些年基本成熟的欠平衡鉆井對井底壓力的控制精度較低，具有很大的不確定性和局限性[1]，常規(guī)鉆井過程中極易出現(xiàn)井涌、漏失、壓差卡鉆、地層孔隙壓力與破裂梯度間壓力窗口狹窄造成“涌-漏同層”等井下復(fù)雜問題。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報道，通過常規(guī)鉆井方法，不能開發(fā)的油氣資源占70%左右[2]?？貕恒@井系統(tǒng)具有使用較短時間、較低費(fèi)用而能夠大大提高井控能力的優(yōu)勢，它可以有效解決這些復(fù)雜的鉆井問題，減少下入套管層數(shù)，降低鉆井成本，提高鉆井效益。事實(shí)證明，控制壓力鉆井(MPD)系統(tǒng)在陸地鉆井和海上鉆井中，均獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[3]。還有人提出，MPD技術(shù)很可能是未來天然氣水合物鉆井中唯一可行的技術(shù)[4～5]。目前，美國陸地鉆機(jī)配備有控壓鉆井系統(tǒng)部分設(shè)備的比例已從1996年的15%劇增至目前的75%，目前已經(jīng)有1/4陸地鉆井項(xiàng)目在應(yīng)用MPD技術(shù)[6]。精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢表明，MPD技術(shù)的推廣是一個必然的趨勢。
    目前控壓鉆井技術(shù)有10多種基本類型，加之多種相關(guān)配套技術(shù)、龐大的設(shè)備體系和計(jì)算機(jī)水力參數(shù)模擬系統(tǒng)，而且，現(xiàn)場施工中復(fù)雜的作業(yè)流程與施工要求、應(yīng)急處理程序以及健康、安全等都應(yīng)該成為控壓鉆井系統(tǒng)的一部分。一方面，如果技術(shù)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜或者相關(guān)要求過于苛刻，則可能因?yàn)闈M足不了現(xiàn)場的實(shí)際情況而使得技術(shù)設(shè)計(jì)與施工無法實(shí)現(xiàn)；另一方面。如果現(xiàn)場控壓鉆井的作業(yè)程序、施工要求以及應(yīng)急程序沒有做到精確設(shè)計(jì)和靈活應(yīng)用，那么任何一個小的疏忽也都可能造成復(fù)雜甚至嚴(yán)重的鉆井事故，反過來會嚴(yán)重阻礙MPD技術(shù)的研究發(fā)展和推廣應(yīng)用。因此，筆者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將MPD技術(shù)看作為一項(xiàng)較復(fù)雜系統(tǒng)工程來加以研究和應(yīng)用。
1 控壓鉆井系統(tǒng)工程
    系統(tǒng)工程是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的科學(xué)，是一門綜合學(xué)科，它是研究一個復(fù)雜系統(tǒng)的局部與整體關(guān)系的科學(xué)，其理論的核心體系是模擬、最優(yōu)化及評價系統(tǒng)[7]。
    MPD技術(shù)也是一項(xiàng)由多環(huán)節(jié)組成的投資較大且較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。根據(jù)系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，系統(tǒng)內(nèi)部各個環(huán)節(jié)具有相互約束性，并非每個環(huán)節(jié)都追求最優(yōu)化，而是舍小取大，在各種約束條件下追求整個系統(tǒng)的最優(yōu)化。然而系統(tǒng)追求的目標(biāo)有時是相互矛盾的，而且受到各種條件的約束，系統(tǒng)工程就是研究如何在這些相互矛盾的因素中實(shí)現(xiàn)對立統(tǒng)一的科學(xué)。
    控壓鉆井系統(tǒng)工程就是將系統(tǒng)工程理論應(yīng)用到控壓鉆井技術(shù)中的一種研究方法。其主要內(nèi)容是研究系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的精確設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析各組成部分之間的相互關(guān)系和內(nèi)部地位，優(yōu)化處理各組成部分之間的相互制約性，目的就是實(shí)現(xiàn)MPD系統(tǒng)的最優(yōu)化，從而應(yīng)用于鉆井作業(yè)中解決實(shí)際問題。
2 控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟
   前人在研究解決復(fù)雜系統(tǒng)問題時，提出了從定性到定量的綜合集成法，簡稱綜合集成(meta-synthesis)。綜合集成的實(shí)質(zhì)是將專家群體、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料、計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)成一個以人為主的高度智能化、自動化的人一機(jī)交互系統(tǒng)，發(fā)揮這個系統(tǒng)的整體優(yōu)勢，去解決復(fù)雜的決策問題[8]。
   綜臺集成的主要特點(diǎn)是：①定性研究與定量研究有機(jī)結(jié)合；②科學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)知識相結(jié)合；③應(yīng)用系統(tǒng)思想把多種學(xué)科結(jié)合起來進(jìn)行綜合研究；④根據(jù)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，把宏觀研究與微觀研究統(tǒng)一起來；⑤具有大型計(jì)算機(jī)支持系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等功能[8]。
   對于控壓鉆井系統(tǒng)，無論是對每項(xiàng)技術(shù)還是對整個系統(tǒng)的研究，都應(yīng)當(dāng)遵循從定性到定量的綜合集成方法，下面運(yùn)用綜合集成法對控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟進(jìn)行分析(圖1)。
 

   1) 明確控壓鉆井系統(tǒng)的框架，收集每一組成部分的相關(guān)資料，調(diào)用有關(guān)方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，作為開展研究工作的基礎(chǔ)性準(zhǔn)備。
    2) 邀請相關(guān)方面的專家對控壓鉆井系統(tǒng)的狀態(tài)、特性、運(yùn)行機(jī)制等進(jìn)行分析研究，對技術(shù)研究的突破口，研究方向以及解決問題的可能途徑做出定性判斷和經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)，初步確定系統(tǒng)模型。
    3) 以經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)為前提，運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識，對控壓鉆井系統(tǒng)的每一組成部分和整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、行為、特性等以及各組成部分的相互關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型。
    4) 依據(jù)初步建立的數(shù)學(xué)模型對控壓鉆井系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲得關(guān)于系統(tǒng)特性和行為走向的定量數(shù)據(jù)資料。
    5) 組織專家對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評價，檢驗(yàn)系統(tǒng)模型的有效性，對系統(tǒng)模型進(jìn)行修改，調(diào)整有關(guān)參數(shù)，再進(jìn)行模擬試驗(yàn)；根據(jù)新一輪試驗(yàn)結(jié)果再進(jìn)行分析評價、檢驗(yàn)、修改、模擬，如此反復(fù)，直到符合實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用理論。
    6) 在不同地區(qū)、不同井況對控壓鉆井系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)遇到的實(shí)際問題對系統(tǒng)模型進(jìn)行再評價、檢驗(yàn)、修改、模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)，如此反復(fù)，直到控壓鉆井系統(tǒng)可以在現(xiàn)場成熟應(yīng)用。
    7) 推廣應(yīng)用控壓鉆井系統(tǒng)。
3 控壓鉆井系統(tǒng)基本框架設(shè)計(jì)
    MPD系統(tǒng)較為復(fù)雜，無法將所有涉及內(nèi)容一一列舉，在此只對其基本框架進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)(圖2)。

    控壓鉆井系統(tǒng)包括：①控壓鉆井技術(shù)；②控壓鉆井設(shè)備；③控壓鉆井水力參數(shù)模擬；④控壓鉆井作業(yè)流程；⑤控壓鉆井施工要求；⑥控壓鉆井崗位責(zé)任；⑦現(xiàn)場臨時改動程序；⑧控壓鉆井應(yīng)急程序；⑨HSE管理。以下分述之。
3.1 MPD技術(shù)
    MPD技術(shù)包括：精細(xì)控壓鉆井技術(shù)、常規(guī)控壓鉆井技術(shù)、相關(guān)配套技術(shù)以及各項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)合使用。
    1) 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)包括：Halliburton公司的MPD系統(tǒng)；Schlumberger公司的自動節(jié)流控壓鉆井(DAPC)系統(tǒng)；Weatherford公司的Secure Drilling系統(tǒng)(精細(xì)流量控制系統(tǒng))等[1]。
    2) 常規(guī)控壓鉆井技術(shù)包括：簡易導(dǎo)流控壓鉆井技術(shù)；簡易流量監(jiān)測控壓鉆井技術(shù)；手動節(jié)流控壓鉆井技術(shù)；充氣控壓鉆井技術(shù)；泥漿冒控壓鉆井技術(shù)；加壓泥漿冒控壓鉆井技術(shù)；雙梯度控壓鉆井技術(shù)；HSE控壓鉆井技術(shù)；降ECD工具；井口連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)[9]等。
    3) 相關(guān)配套技術(shù)包括：隨鉆井底環(huán)空壓力監(jiān)測技術(shù)(APWD)；隨鉆壓力監(jiān)測技術(shù)(PWD)、隨鉆地層測試技術(shù)(FTWD)；電磁波傳輸式隨鉆監(jiān)測技術(shù)(EMMWD)；無風(fēng)險鉆井系統(tǒng)(NDS)；井下隨鉆診斷系統(tǒng)(DWD)；地層壓力預(yù)測與實(shí)時監(jiān)測技術(shù)；井深結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)；井筒多相流分析模擬技術(shù)；鉆井液多相密閉分離系統(tǒng)；優(yōu)質(zhì)鉆井液技術(shù)；化學(xué)方法提高井壁承壓能力技術(shù)；膨脹管、波紋管技術(shù)；防漏堵漏固井技術(shù)；設(shè)計(jì)與分析軟件；試驗(yàn)檢測平臺和評價方法等[9]。
3.2 MPD設(shè)備
    MPD設(shè)備包括：地面設(shè)備、井下設(shè)備、輔助設(shè)備以及與井隊(duì)設(shè)備的配套連接(圖3)。

    1) 地面設(shè)備：節(jié)流管匯系統(tǒng)，自動節(jié)流控制系統(tǒng)，回壓泵控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
    2) 井下設(shè)備：鉆具止回閥，PWD隨鉆測壓裝置等。
    3) 輔助設(shè)備：正壓式呼吸器，H2S檢測儀，防爆手提對講機(jī)等。
    4) 與井隊(duì)設(shè)備的配套連接包括：旋轉(zhuǎn)控制頭與環(huán)形防噴器的連接；控壓鉆井系統(tǒng)輔助泥漿返出管線與井隊(duì)節(jié)流管匯的連接[10]等。
3.3 MPD水力參數(shù)模擬
    MPD水力參數(shù)模擬主要是指運(yùn)用大型計(jì)算機(jī)模擬軟件，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的相關(guān)數(shù)據(jù)對井筒內(nèi)單相或多相流體的流動狀態(tài)進(jìn)行模擬，從而得出在相應(yīng)井段應(yīng)使用的特定鉆井液類型和密度，特定排量和鉆速以及特定回壓值等水力參數(shù)。
3.4 MPD作業(yè)流程
   MPD作業(yè)流程包括：安裝控壓鉆井地面設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，對設(shè)備進(jìn)行試壓，現(xiàn)場操作培訓(xùn)，安裝旋轉(zhuǎn)控制頭，連接、下入井下鉆具組合，循環(huán)泥漿系統(tǒng)，采集井下與地面數(shù)據(jù)，記錄壓力排量等數(shù)據(jù)，鉆進(jìn)過程中調(diào)整相關(guān)參數(shù)等。
3.5 MPD施工要求
   MPD施工要求包括：控壓鉆進(jìn)作業(yè)前對全員進(jìn)行工藝及施工安全培訓(xùn)，鉆井工程師、司鉆和副司鉆必須熟悉控壓鉆井應(yīng)急程序和控壓鉆井井控方案；控壓鉆進(jìn)期間每天進(jìn)行工作安全分析并記錄；控壓鉆進(jìn)過程要密切注意控壓鉆井設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。
3.6 MPD崗位責(zé)任
   MPD崗位責(zé)任包括：控壓鉆井項(xiàng)目經(jīng)理，控壓鉆井工程師，現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)督，控壓鉆井設(shè)備操作人員，控壓鉆井助理，控壓鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集工程師，旋轉(zhuǎn)控制頭操作人員以及控壓鉆井系統(tǒng)支持專家等崗位責(zé)任。
3.7 施工現(xiàn)場臨時改動程序
   施工現(xiàn)場臨時改動程序：由于控壓鉆井設(shè)計(jì)不可能完全覆蓋施工現(xiàn)場所有情況，如果甲方根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場情況以及多年的施工經(jīng)驗(yàn)，要求井隊(duì)做出與控壓鉆井設(shè)計(jì)不相符或是設(shè)計(jì)中沒有涵蓋的作業(yè)時，為保證施工安全，將作業(yè)風(fēng)險降至最低，作業(yè)之前應(yīng)執(zhí)行一套必要的程序。
3.8 MPD應(yīng)急程序
   MPD應(yīng)急程序主要包括：控壓鉆進(jìn)時遇到節(jié)流閥堵塞(一個、多個或全部堵塞)，隨鉆測壓工具PWD失效，回壓泵失效等情況需要采取的應(yīng)急措施。
3.9 HSE管理
   健康、安全、環(huán)境(HSE)管理是一項(xiàng)復(fù)雜的體系，包括：嚴(yán)格遵守相關(guān)法律法規(guī)等基本要求，健全完善HSE管理體系，作業(yè)區(qū)人身安全保護(hù)規(guī)定，醫(yī)療器械和藥品配置要求，設(shè)備的安全檢查與維護(hù)要求，H2S防護(hù)技術(shù)措施及管理要求，井噴預(yù)防和應(yīng)急措施。
   以上是對MPD系統(tǒng)基本框架進(jìn)行的初步設(shè)計(jì)，要保證MPD系統(tǒng)在現(xiàn)場能夠成功應(yīng)用，框架內(nèi)每一部分都需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，很多設(shè)計(jì)涉及其他相關(guān)專業(yè)，例如流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械工程、油田化學(xué)、巖石力學(xué)、管柱力學(xué)、管理學(xué)等。可見，控壓鉆井技術(shù)并不只是一種簡單的技術(shù)，而是一項(xiàng)較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)以系統(tǒng)工程的方法對其進(jìn)行研究。
4 結(jié)論與認(rèn)識
    1) 控壓鉆井系統(tǒng)以其精確控制井筒壓力剖面的獨(dú)特優(yōu)勢，可以解決大量復(fù)雜的鉆井問題，一定會在今后的石油鉆井行業(yè)中廣泛應(yīng)用，因此結(jié)合目前現(xiàn)場應(yīng)用控壓鉆井系統(tǒng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對控壓鉆井技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究意義重大。
    2) 我國目前還有多項(xiàng)控壓鉆井的核心技術(shù)尚未完全掌握，眾多科研工作者都集中力量對此進(jìn)行攻克，但是對于MPD系統(tǒng)的其他部分也應(yīng)當(dāng)根據(jù)輕重緩急投入相應(yīng)的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研究，框架內(nèi)的任一部分都關(guān)系著整個控壓鉆井系統(tǒng)能否成功應(yīng)用。
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(本文作者：姜智博1,2,3 周英操2,3 王倩1,2,3 蔣宏偉2,3 1.中國石油勘探開發(fā)研究院研究生部；2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院；3.油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室)