控制壓力鉆井技術與微流量控制鉆井技術的對比

　　(本文作者：曾凌翔 李黔 梁海波 孫凱 代峰 西南石油大學)

　　摘要：深井、復雜井目前主要面對的鉆井難題是如何在窄鉆井液密度窗口中安全鉆進，而控制壓力鉆井技術則可以解決上述難題。控制壓力鉆井主要包含控壓鉆井(Managed Pressure Drilling，縮寫為MPD)技術與微流量控制(Micro-Flux Control，縮寫為MFC)鉆井技術。為促進國內引進、吸收、應用以上新技術，從鉆井技術原理和鉆井設備及特點這兩個方面，將MPD與MFC進行了詳細對比。結論認為：①MPD可以精確控制井底壓力，實現(xiàn)平衡或近平衡鉆井，設計的鉆井液密度低于常規(guī)鉆井液密度，當循環(huán)鉆進時需要通過液柱壓力-9循環(huán)壓耗來平衡地層壓力，當停止循環(huán)時井底壓力則為液柱壓力與回壓之和，需要回壓來彌補循環(huán)壓耗以達到平衡狀態(tài);②MFC是在MPD基礎上研制中來的一種新鉆井技術，它不僅滿足了MPD技術的核心功能，而且還擁有了自己獨特的技術特點——微流量(微進口流量和微出口流量)控制，能探測到早期的侵入-9漏失，更精確地預見和控制有關事故的發(fā)生;③與MPD相比，MFC能探測到更小的井內總體流量的波動范圍;④國內有必要盡快引進和吸收以上先進技術，用以提高鉆井技術水平和解決窄鉆井液密度窗口安全鉆進問題。

　　關鍵詞：控壓鉆井技術;微流量控制鉆井技術;對比;原理;設備;窄鉆井液密度窗口;井底壓力;總體流量

　　控壓鉆井(Managed Pressure Drilling，縮寫為MPD)技術于2004年IADC/SPE阿姆斯特丹鉆井會議上被提出[1]。MPD技術能精確控制環(huán)空壓力剖面，安全鉆進窄鉆井液密度窗口。該技術具有減少套管數(shù)量、安全起下鉆、減少NPT、減小抽吸效應等特點。微流量控制(Micro Flux Control，縮寫為MFC)鉆井技術是基于MPD發(fā)展起來的一種新技術，具有一些獨特的能力(能探測到早期的侵入與漏失)。MFC可以有效地擴大鉆井液密度窗口，使鉆井液密度在安全的情況下盡可能接近孔隙壓力。Weatherford與Halli burton較先研發(fā)了MPD與MFC并取得了成功。國內需要盡快吸收和利用MPD與MFC來達到高效率、安全鉆井。因此將MPD與MFC進行技術對比，可以加深對其優(yōu)勢的認識，加快引進步伐。

　　1 鉆井技術原理

　　與傳統(tǒng)鉆井、欠平衡鉆井(UBD)相比，MPD是微過平衡鉆井，可以在窄鉆井液密度窗口安全鉆進，有效地阻止流體侵入、地層破裂與坍塌等事故的發(fā)生，如圖1所示。MPD技術沒計時使用低于常規(guī)鉆井方式的鉆井液密度進行近平衡鉆井，當停止循環(huán)時，循環(huán)壓耗消失，井底壓力減小，不滿足鉆井平衡(圖2)。此時需要用回壓彌補循環(huán)摩阻以達到平衡地層的目的。

　　MPD主要是通過對回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合精確控制，使整個井筒的壓力精確的維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，進行平衡或近平衡鉆井，如圖3所示。

　　MFC鉆井是通過監(jiān)測微進口流量或出口流量，來實現(xiàn)監(jiān)測鉆井液總流量的微小波動范圍，也是一種精確確定孔隙壓力與破裂壓力的鉆井方法。探測到小的流失與侵入，然后通過一定的方法來調整返回流量(通過回壓泵與節(jié)流閥的共同作用或只調節(jié)節(jié)流閥來實現(xiàn))，結果使井底壓力平衡地層壓力。

　　微流量控制系統(tǒng)能夠滿足快速控制的理論要求：鉆井環(huán)空中的鉆井液為不可壓縮流體，地面上控制單元的任何微小壓力變化都將在環(huán)空中得到快速響應，傳輸?shù)乃俣瓤蛇_到聲速。

　　MFC是維持在選擇的井底壓力下進行微過平衡安全鉆進。為了快速監(jiān)測到微溢流或微漏失并作出反應，要使環(huán)空內盡可能地為不可壓縮流體。

　　MFC的操作系統(tǒng)也具有其顯著特點。操作系統(tǒng)含有侵入與漏失的探測、趨勢分析等。閉循環(huán)系統(tǒng)有利于探測微溢流。因此能很早的發(fā)現(xiàn)問題。循環(huán)流體經過節(jié)流閥時，通過改變流量調節(jié)回壓來阻止侵入等情況。當發(fā)生侵入時，0.00795m3的侵入量在井眼中都可以被探測到，發(fā)現(xiàn)后立即控制，當控制住侵入后再檢測總的侵入量將會少于0.0795m3[2]。系統(tǒng)會自動將侵入循環(huán)出井眼，井控操作也會自動進行，包括壓井鉆井液的循環(huán)。與常規(guī)循環(huán)相比，早期探測漏失的能力歸功于閉循環(huán)系統(tǒng)，因而不會出現(xiàn)誤判漏失的情況。

　　許多情況可以用趨勢來分析判斷。如：在高溫高壓的井中，判斷是發(fā)生井涌還是井眼的膨脹效應，這種情況就可以利用MFC;但如果是常規(guī)鉆井的條件下，兩者的結果都是排出量增加就會使施工人員感到困惑。

　　MFC在任何時間都可以很容易安裝在傳統(tǒng)鉆井系統(tǒng)上，簡易方便。許多情況下，回壓盡量要小，可以達到更加安全的目的。如果遇到很高的孔隙壓力，可以提高靜泥漿柱，使得回壓減小。MFC的好處是適應許多類型的井，無論是在海上(包括超深水井)，還是陸地[3]。MFC也可以適應具有挑戰(zhàn)的環(huán)境：高溫高壓、深井和超深水地區(qū)、探井、不知地層壓力的區(qū)域、壓力剖面快速變化的井眼、敏感性地層等，基本上可以解決目前鉆遇的難題。

　　2 鉆井設備及特點

　　從表1可以看出，MPD因其原理與常規(guī)鉆井不同，致使井口的管線連接也有所不同，不僅多了一套MPD節(jié)流管匯，而且還有一個具有特別要求的回壓泵等[1～6]。MPD節(jié)流管匯中的節(jié)流閥的精度特別高，流量計可以精確測量多相態(tài)的數(shù)據(jù)和檢測到溢流等。

　　總的來說地面的管線布置大致相同，回壓的變化通過類似的方法來實施。不同的工況下，都是通過回壓泵與節(jié)流管匯的作用來達到平衡或近平衡井底壓力狀態(tài)。圖4為MPD鉆井工藝簡易流程圖。

　　鉆進循環(huán)過程：泥漿泵—鉆柱—環(huán)空—控制旋轉頭—節(jié)流管匯—泥漿池。

　　接單根循環(huán)或起鉆過程：回壓泵(旋轉控制頭) —節(jié)流管匯。

　　MFC鉆井技術的工藝流程‘53分為兩種類型：常規(guī)鉆井與MFC鉆井。常規(guī)鉆井時通過鉆機泵、立管、溫度與壓力傳感器、流量計、井口、鉆柱、井下設備、防噴組、旋轉控制頭、振動篩，最后到達泥漿罐。MFC鉆井是通過鉆機泵、立管、溫度、壓力傳感器、流量計、井口、鉆柱、井下設備、防噴組、壓力控制設備、流量計、傳感器、節(jié)流管匯、分離器、振動篩，最后到達泥漿罐。圖5為MFC鉆井工藝簡易流程圖。

　　值得注意的是：比較圖4與圖5可以看出，注入時MFC鉆井技術應用了先進的質量流量計與體積流量計，它們比出口的質量流量計和體積流量計要先進，這也是實現(xiàn)微流量控制的一個重要配置。

　　3 結論

　　1) 控壓鉆井技術與微流量控制鉆井技術大體上是一致的。

　　2) 控壓鉆井技術能精確控制井底壓力，自動、安全的鉆進窄鉆井液密度窗口，同時對設備的要求也需要很精確。

　　3) 微流量控制鉆井技術不僅具有控壓鉆井技術的優(yōu)點，而且能更早地探測和更精確地控制各種事故的發(fā)生。

　　參考文獻

　　[1] MALLOY K，STONE R，MEDLEY G，et al.Managed-Pressure drilling：what it is and what it is not[C]∥paper 12228-MS presented at the IADC/SPE Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference & Exhibition，12-13 February 2009，San Antonio，Texas，USA.New York：IADC/SPE，2009.

　　[2] SANTOS H，REID P，MCCASKILLJ，et al.Deepwater drilling made more efficient and cost-effective：using the micro-flux control method and an ultralow invasion fluid to open the mud weight window[J].SPE Drilling & Completion，2007，22(3)：189-196.

　　[3] SANTOS H，REID P，LEUCHTENBERG C，et al.Micro-flux control method combined with surface BOP creates en-abling opportunity for deepwater and offshore drilling[C] ∥paper 17451-MS presented at the Offshore Technology Conference，2-5 May 2005，Houston，Texas，USA.New York：SPE，2005.

　　[4] SANTOS H，MUIR K，SONNEMANN P，et al.Optimizing and automating pressurized mud cap drilling with the micro-flux control method[C] ∥paper 116492-MS presented at the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition，20-22 0ctober 2008，Perth，Australia.New York：SPE，2008.

　　[5] CHUSTZ M J，SMITH LD，DELLDWAYNE.Managed pressure drilling Success continues on Auger TLP[C]∥paper 112662-MS presented at the IADC/SPE Drilling Conference，4-6 March 2008，Orlando，F(xiàn)lorida，USA.New York：IADC/SPE，2008.

　　[6] SANTOS H，LEUCHTENBERG C，SHAYEGI S.Micrpflux control：the next generation in drilling process[C]∥paper 81183-MS presented at the SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference，27-30 Apr 2003，Port-of Spain，Trinidad and Tobago.New York：SPE.2003.

　　(本文作者：曾凌翔 李黔 梁海波 孫凱 代峰 西南石油大學)