精細控壓鉆井井底壓力自動控制技術初探

姜智博周英操劉 偉王 倩

1.中國石油勘探開發(fā)研究院研究生部 2.中國石油集團鉆井工程技術研究院 3.油氣鉆井技術國家工程實驗室

精細控壓鉆井井底壓力自動控制技術初探

姜智博1，2，3周英操2，3劉 偉2，3王 倩1，2，3

1.中國石油勘探開發(fā)研究院研究生部 2.中國石油集團鉆井工程技術研究院 3.油氣鉆井技術國家工程實驗室

姜智博等.精細控壓鉆井井底壓力自動控制技術初探.天然氣工業(yè)，2012，32（7）：48-51.

控壓鉆井技術是當前油氣鉆井工程領域的前沿技術之一。鉆井各個工況的井底壓力須保持恒定，才能確保窄密度窗口復雜地層井段的安全、順利鉆進。為此，通過分析前人對各個工況井底壓力計算的研究成果，提出了精細控壓鉆井井底壓力計算模型，該模型的環(huán)空循環(huán)壓耗計算包含了多相流動的重力壓降、摩阻壓降和加速度壓降梯度。在塔里木盆地實施了1口井的精細控壓鉆井作業(yè)，用停泵工況由地面回壓泵施加的回壓值與計算值比較，最大誤差為0.30 MPa，能滿足工程實際需要，為今后精細控壓鉆井井底壓力精確計算與控制提供了理論支撐。

精細控壓鉆井 控壓鉆井系統(tǒng) 井底壓力 自動控制 計算模型 循環(huán)壓耗 塔里木盆地

20世紀60年代，控壓鉆井技術開始在陸地鉆井中應用［1］。國際鉆井承包商協(xié)會（IADC）欠平衡與平衡壓力鉆井委員會對控壓鉆井（Managed Pressure Drilling）作出如下定義：“控壓鉆井是一種用于精確控制整個井眼環(huán)空壓力剖面的自適應鉆井過程，其目的是確定井下壓力環(huán)境界限，并以此控制井眼環(huán)空液壓剖面。該技術應用閉環(huán)、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)控制地面回壓，避免發(fā)生井涌。”隨后我國相關學者又提出了精細控壓鉆井的概念［2］：“在鉆井過程中，能夠精確控制井筒環(huán)空壓力剖面，有效實現安全鉆井的技術，簡稱為 DCPDT（Delicate Controlled Pressure Drilling Technology）。”

控壓鉆井技術具有使用較短時間、較低費用又能夠大大提高井控能力的優(yōu)勢，事實證明，MPD系統(tǒng)在陸地鉆井和海上鉆井中，均獲得了良好的經濟效益［3］。目前，美國陸地鉆機配備有控壓鉆井系統(tǒng)部分設備的比例已從1996年的15%劇增至目前的75%。我國對該技術的研究已經取得了突破性的進展，中國石油集團鉆井工程技術研究院已經研制出國內首套PCDS-I精細控壓鉆井系統(tǒng)，并且在現場試驗取得成功，打破了國外對該技術的壟斷，提高了我國復雜深井鉆井技術水平和鉆井工程技術服務核心競爭力。精細控壓鉆井技術的發(fā)展趨勢表明，MPD技術的推廣是一個必然的趨勢。

1 DCPDT井底壓力自動控制工藝原理

DCPDT自動控制系統(tǒng)的核心是地面MPD回壓泵系統(tǒng)、MPD節(jié)流管匯系統(tǒng)和MPD控制系統(tǒng)。

DCPDT井底壓力自動控制工藝原理如圖1所示，正常鉆進時，鉆井液泵處于工作狀態(tài)，較低密度的鉆井液正常循環(huán)，PWD實測的井底壓力數據輸送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過調節(jié)節(jié)流管匯相關閥門的開度［4］，提供一定范圍的井口回壓，此時回壓泵系統(tǒng)處于停止工作狀態(tài)，節(jié)流管匯系統(tǒng)和控制系統(tǒng)處于工作狀

態(tài)，井底壓力由環(huán)空液柱壓力、循環(huán)摩阻壓力和節(jié)流管匯壓力組成，可以維持在安全密度窗口之內。

圖1 DCPDT井底壓力自動控制工藝原理圖

2 DCPDT井底壓力自動控制數學模型

DCPDT的核心就是對井底壓力進行精確控制，將井底壓力控制在安全密度窗口之內，保證鉆進與停鉆等一系列作業(yè)的順利、安全進行，解決窄密度窗口帶來的復雜鉆井問題［5］，同時增加機械鉆速。通過分析前人對井底壓力計算的研究成果［6－11］，結合目前我國的精細控壓鉆井實踐經驗，初步建立了精細控壓鉆井井底壓力計算模型，為井底壓力自動控制提供理論依據。

DCPDT井底壓力計算模型，如圖2所示。

式中pBH為井底壓力，MPa；pHY為環(huán)空靜液壓力，MPa；pAF為環(huán)空循環(huán)壓耗，MPa；pBACK為井口回壓，MPa。

2.2 實時組織彈性成像（RTE）RTE是根據不同生物學組織彈性系數的不同，施加外力后目標組織的形變也不同，通過計算出形變程度，最后以彩色編碼的形式表達。目前RTE的診斷方法共3種：⑴評分法，根據彈性圖像顏色構成直接進行評分診斷；⑵應變比值法(Strain Ratio)，可以得到具體的定量數據；⑶組織彌散定量分析(Strain Histogram)，可以對組織彈性應變紋理變化的情況進行分析。評分法及應變比值法主要應用于局部占位性病變，如乳腺和甲狀腺占位的評估，組織彌散定量分析主要應用于彌漫性病變，如肝纖維化的測量[4]。

其中（pAF＋pBACK）表示環(huán)空循環(huán)壓耗與井口回壓之和要保持穩(wěn)定，正常鉆進時，循環(huán)壓耗pAF最大，井口回壓pBACK為0；停泵時井口回壓pBACK最大，循環(huán)壓耗pAF為0；如遇到氣侵狀況，需要降低泵的排量，將侵入流體低速循環(huán)出井，此時循環(huán)壓耗減小，需要適當增加井口回壓；并且在停泵的過程中，循環(huán)壓耗是逐漸減小的，與此同時，井口回壓不斷增加，兩者滿足一定的關系［8］，如圖3所示。

要精確控制井底壓力pBH，根據式（1），關鍵要確定井口回壓值的大小，又根據圖3，井口回壓值確定的依據正是環(huán)空循環(huán)壓耗的變化，下面給出環(huán)空循環(huán)壓耗計算模型：

圖2 DCPDT井底壓力計算模型圖

圖3 循環(huán)壓耗與井口回壓關系圖

本文建立的井筒環(huán)空壓降模型為直井井筒環(huán)空壓降模型，是根據力學模型考慮了加速度壓降、相間滑脫和流型分類的穩(wěn)態(tài)流動氣液兩相流模型。假定環(huán)空流型為泡狀流，考慮相間滑脫時的方程［9］：

式中E為持液率，%；Eh1為計算井段的持液率，%；ρ1為液相密度，g／cm3；ρg為氣相密度，g／cm3；Vm為混合物速度，m／s；Vsg為氣相折算速度，m／s；ρm為混合物密度，g／cm3；μm為混合物黏度，mPa·s；g 為重力加速度，常量；σ為液面張力，1／（N·m）。

其中ρ1、ρg、Vm、Vsg均為已知量，因此通過式（2），利用迭代法可以求出持液率（E），再由式（3）、（4）可計算出混合物的密度ρm和黏度μm。

兩相流壓降梯度根據Beggs-Brill模型，假設外界與混合液之間沒有能量交換，從穩(wěn)定流動的多相流機械能守恒定律出發(fā)，得出單位質量氣液固多相混合物的計算公式［10］：

將式（3）求出的ρm代入式（6）即可求得重力壓降梯度。

摩阻壓力梯度由下式計算［12］：

式中dh為水力直徑，m；fm為摩擦系數。

式（7）右側只有fm未知，fm可以由Moody圖求得，但是利用計算機程序進行求解不太方便，Colebrook（1939年）給出了摩擦系數的計算公式［12］，但是這個計算公式是一個隱式，后來的學者又提出了幾個摩擦系數的顯式計算式，例如 Wood公式、Churchill公式、Chen公式、Zigrang公式以及Sylvester公式［13］。作者通過比較以上幾個顯式計算式，發(fā)現Chen的計算式精度較高，因此本文使用的是Chen公式計算摩阻系數，如下：

式中Rem為雷諾數；ε為管壁的粗糙度，m。

顯然由式（7）、（8）、（9）、（10）可以計算出摩阻壓力梯度。

許多學者認為，大部分兩相流的計算模型中，如果流速較低，加速度壓降對總體壓降的貢獻很小，一般情況下可以忽略［11］，但是本文討論的是精細控壓鉆井井筒多相流動，正常鉆進時，鉆井液流速較高，因此不可以忽略。Beggs-Brill模型給出了加速度壓降公式的推導公式［14］，本文直接給出最后公式，如下：

然后可以計算（5）式，得出總的循環(huán)壓耗，即可由此確定回壓值的大小，從而對井底壓力剖面進行精確控制。

3 實例計算與分析

3.1 實例計算

3.2 分析

圖4表明，本文建立的數學模型在停泵工況中所計算出的井口回壓值與實際需要井口回壓值誤差較小，最大誤差僅0.30 MPa，符合現場的工程實際需要，可以實現對井底壓力的精確控制。

圖4 停泵工況的井口回壓計算值與實際值比較圖

4 結論與認識

1）精細控壓鉆井關鍵技術之一是精確計算井口回壓值，即精確計算各種工況下的環(huán)空壓降，通過對停泵工況時井口回壓的計算與誤差分析，較好地驗證了數學模型的正確性。

2）精細控壓鉆井技術的井底壓力模型對實際精細控壓鉆井作業(yè)具有極其重要的意義，為科研人員在井底壓力計算模型的研究工作中提供一定的借鑒，還有待修改與驗證。

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（修改回稿日期 2012-04-27 編輯 凌 忠）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.011

國家科技重大專項（編號：2008ZX05021-003）部分研究成果。

姜智博，1986年生，碩士研究生；從事控壓鉆井工藝技術研究與應用、鉆井地質方面的研究工作。地址：（100083）北京市海淀區(qū)學院路20號。電話：13651128411。E-mail：jiangzbdri＠cnpc.com.cn