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)時間，提出了對井底壓力進(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)時間，提出了對井底壓力進(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)路線圖。系統(tǒng)地介紹了地層壓力隨鉆檢測技術(shù)、隨鉆井底環(huán)空壓力測量、鉆井液連續(xù)循環(huán)裝置、井口回壓檢測與控制、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀。最后提出建議：國內(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控制環(huán)空壓力的方法不僅費時而且會引起一些其他問題，控制環(huán)空摩阻的方法因沒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，近年來控制壓力鉆井技術(shù)(MPD)應(yīng)運而生。
    國際鉆井承包商協(xié)會的UBO和MPD分委員會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)雜問題，避免通過加重鉆井液來解決這些問題。
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，MPa。
    常規(guī)鉆井過程中，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)時間，因而時效性差；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，不能實現(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，通過控制鉆井液密度、當(dāng)量循環(huán)密度和井口回壓來控制井底壓力，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)的實現(xiàn)是一個復(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) 壓力和流量的實時監(jiān)測。
    4) 鉆井液連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)。用于消除接單根時的壓力波動。
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)是指在鉆井過程中，隨鉆精確監(jiān)測環(huán)空壓力剖面，同時對地層壓力、破裂壓力和坍塌壓力實現(xiàn)精確預(yù)測與監(jiān)測，反饋到地面后通過自適應(yīng)算法自動調(diào)整流量和回壓等參數(shù)，實現(xiàn)對井底壓力的自適應(yīng)精細(xì)控制。由此可見，要實現(xiàn)對井底壓力的實肘的動態(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)，通過鉆井液脈沖、聲波或者電磁波等MWD方法將數(shù)據(jù)實時傳遞到中心處理系統(tǒng)，中心處理系統(tǒng)通過對井底實時壓力與安全壓力窗口的比較，然后根據(jù)鉆井液類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)，在此過程中，必須考慮接單根或起下鉆等情況時的井底壓力控制方法。自適應(yīng)控壓鉆井的關(guān)鍵技術(shù)路線圖見圖1。
 

2 自適應(yīng)控壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.1 地層壓力隨鉆檢測技術(shù)
    隨鉆壓力監(jiān)測的方法主要有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差等。由于任何理論模型都需要用實測壓力值來驗證，考慮到理論模型的應(yīng)用范圍局限性以及處理上的時效性，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)。
    目前這類研究和裝備多見于國外文獻(xiàn)中。貝克休斯公司開發(fā)出了TesTrak新型隨鉆地層壓力測試的LWD工具，其利用鉆井過程中的短暫中斷測量地層真實壓力[5]。同樣的，斯倫貝謝公司也開發(fā)出了Stetho Scope隨鉆地層壓力測試工具，在小于5min之內(nèi)直觀地提供準(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試可以直接測量地層原始壓力，但是由于其具有一定的后效性，在實時決策時，應(yīng)該綜合利用LWD數(shù)據(jù)的監(jiān)測模型和隨鉆地層壓力測試數(shù)據(jù)，以達(dá)到準(zhǔn)確、實時了解地層壓力，確定壓力梯度和安全壓力窗口。
2.2 隨鉆井底環(huán)空壓力測量
    隨鉆環(huán)空壓力測量是靠壓力傳感器測量井底環(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)商開始研發(fā)具有井下環(huán)空壓力測量能力的MWD工具。Sperry-Sun是最早推動鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度測量的公司，他們研發(fā)的隨鉆井底環(huán)空壓力測量儀，可以實時測量井底環(huán)空壓力數(shù)據(jù)，通過MWD或EM-MWD將數(shù)據(jù)實時傳送至地面，其測壓能力高達(dá)138MPa。Anadrill提供實時和存儲式兩種環(huán)空壓力隨鉆測量儀器，它的最高精度達(dá)1psi(1psi=6.895kPa)，在不能建立鉆井液循環(huán)時仍然可以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測。
    在國內(nèi)，為適應(yīng)欠平衡鉆井監(jiān)測的需要，研發(fā)了存儲式的欠平衡井底壓力采集系統(tǒng)，并在大慶油田達(dá)深2井展開了試驗并取得成功。針對試驗中存在的磨損嚴(yán)重問題，周英操等[6]對原有儀器進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，進(jìn)行了儀器減震設(shè)計，完善了井下壓力溫度測試工具與軟件，并在徐深5井進(jìn)行了下井試驗，取得了良好的效果。中國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)，也開發(fā)出了存儲式井底環(huán)空壓力測量工具，可以實現(xiàn)0～100MPa的測量壓力范圍。
2.3 鉆井液連續(xù)循環(huán)裝置
    連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)可以實現(xiàn)不中斷鉆井液在井內(nèi)的循環(huán)來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、密封膠芯和計算機(jī)控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[7]。從2000年起，英國石油技術(shù)研究院聯(lián)合6家國際大石油公司經(jīng)過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技術(shù)。
2.4 井口回壓檢測與控制
    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，國內(nèi)外對井口回壓檢測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方程，利用有限差分方法，描述了井內(nèi)流體的運動特性和瞬態(tài)壓力平衡關(guān)系，提出了利用井口回壓對井內(nèi)流動參數(shù)進(jìn)行控制，找出了井口回壓和氣體侵入量對流動參數(shù)的影響。王德玉等[9]針對鉆井井口回壓檢測和實時控制需要，設(shè)計了采用電液比例控制系統(tǒng)和PID控制方法對節(jié)流系統(tǒng)進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)。
    為適應(yīng)井控安全的要求，國外很早就開展了井控回壓檢測與控制的工作。如，At Balance為了配合控壓鉆井技術(shù)的實施研發(fā)了動態(tài)環(huán)空壓力控制系統(tǒng)(Dynamic Annular Pressure Control System)；Halliburton公司研發(fā)了自動控制節(jié)流管匯，配合Sentry控制軟件，實現(xiàn)自動控制。
2.5 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
    實現(xiàn)自適應(yīng)控壓鉆井離不開實時數(shù)據(jù)的井下和地面的雙向高速傳輸。目前，國內(nèi)外的隨鉆測量系統(tǒng)普遍采用鉆井液脈沖來傳送測量數(shù)據(jù)，該技術(shù)在液體鉆井液中能夠穩(wěn)定可靠地工作，但是對于氣體或充氣鉆井液則無法正常工作，同時鉆井液脈沖的信號傳輸速率低，實現(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，國內(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，中國石化勘探開發(fā)研究院德州鉆井所研制出了國內(nèi)首臺電磁隨鉆測量系統(tǒng)工程樣機(jī)，并在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場試驗；同時，中國石油有關(guān)研究院和中國地質(zhì)大學(xué)等單位也在陸續(xù)開展相關(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
    1) 隨著油氣資源勘探開發(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，自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)是一個很好的選擇。
    2) 國外目前已經(jīng)開發(fā)出了GeoBalance MPD系統(tǒng)和DAPC系統(tǒng)等具有自動控制井底壓力功能的裝備，但國內(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，縮小與國際先進(jìn)鉆井技術(shù)的差距，推動我國石油勘探開發(fā)的發(fā)展。
    3) 自適應(yīng)控壓鉆井技術(shù)的實現(xiàn)需要解決設(shè)備研制、自動測量儀器、儀表的開發(fā)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)研制及環(huán)空多相流動規(guī)律及軟件開發(fā)等問題，需要攻克基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究等多方面的難題，建議國內(nèi)有關(guān)科研單位聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)揮優(yōu)勢，縮短研發(fā)時間。
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(本文作者：李偉廷1 侯樹剛2 蘭凱2 龔嘉琦3 1.中國石化中原石油勘探局鉆井三公司；2.中國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)國防重點實驗室)