司鉆法自動化壓井系統試驗研究*

李軼明，夏 威，羅方偉，陳澤恩，梁 爽，王 鵬

(1. 中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249； 2. 中石油安全環保技術研究院，北京 102206)

0 引言

壓井作業是處理鉆井過程中溢流、井涌或者井噴事故的關鍵手段，是石油鉆井中風險最高的施工作業之一，其成敗至關重要。同時，壓井作業屬于應急作業，要求對突發事故迅速做出正確的響應，對壓井方法的選擇和時機的把握要求十分準確，壓井計算在緊急情況下更顯復雜，對壓井工程師操作的熟練度要求非常高。雖然井控技術與常規壓井方法均已發展得較為成熟，通過井控仿真培訓系統也可以更加高效地達到實訓效果[1]，但培養擁有一流操作水平的壓井工程師仍是個較為長期的過程。因此，發展以計算機替代人工的智能化自動化壓井技術可以減少人員的風險，提高響應速度，應對復雜多變的井控事故。

司鉆法操作簡單，理論原理成熟，是現場較為常用的壓井方法[2-3]。但是在實際應用過程中，由于受到人工控制精度的限制以及人的經驗不足，操作不當，失敗的概率仍然很高[4-5]。還有很多案例發現，對于大多數連通性較好或密度窗口較窄的油氣層，司鉆法壓井失敗的幾率很高，導致多次循環才能完成壓井[6]。分析現場失敗的原因發現，雖然理論上司鉆法是通過控制立壓來維持井底壓力恒定，但是由于在壓井過程中立壓控制實現難度大，現場工程師多選用調節節流開度控制套壓平衡這種更為簡便的做法，而胡亮等[7]指出，壓井液下行的過程中控制套壓不變是造成壓井工作復雜化和失敗的根本原因。這說明對于特殊儲層，司鉆法對壓力控制的精度決定了壓井的成功與否，計算機自動化壓力控制相對人工調節有很大優勢，自動化壓井勢必能夠提高壓井的成功率。

計算機輔助壓井是借助精確的計算模型和監測設備來提高壓井成功率的手段，是介于人工壓井和完全自動化壓井之間的過渡技術。2010年，高永海等[8]設計軟件系統，對動態壓井法中井筒壓力進行計算保證壓井的成功實施；2011年，尹邦堂等[9]進行了計算機優化壓井開環控制軟件系統研究，基于兩相流理論建立了壓力實時監測模板，避免因人為操作不當可能造成的欠壓和壓漏等問題；2013年，李迅科等[10]開展了快速大排量快速混漿(DKD)裝置研制及應用，實時監測井底壓力并計算壓井泥漿量和泥漿密度，通過混漿裝置進行混漿，實現控制井底壓力。還有很多學者[11-14]利用計算機建立模型進行井筒壓力計算，判斷壓井可行性，進行水力參數設計來指導壓井。

為了提高壓井成功率，一方面可以通過加強培訓、總結現場經驗和提升井筒壓力理論預測精度來實現，另一條途徑就是采用先進的計算機閉環控制技術，形成自動化壓井技術體系和硬件系統。同時，自動化壓井系統在未來可以采用更加優化的計算模型，并不斷將已有的現場經驗引入到控制機制中來，不斷完善自動化壓井系統。以下將介紹自動化壓井的原理和實現方法，以及自動化壓井系統的設計原理和硬件組成，并通過現場試驗井模擬氣侵開展自動化壓井系統測試，評價自動化壓井的可行性、智能性和壓力控制的精確性。

1 司鉆法自動化壓井系統設計方案

1.1 司鉆法自動控制基本原理

司鉆法壓井是現場較為常用的1種壓井方法，其優點是發現氣侵后能盡早壓井，避免井內氣體不斷積聚，避免帶壓上升給井控造成過大的風險，又能避免卡鉆等異常事故的發生[15-16]。

自動壓井實際上是應用計算機采用一定的控制機制來完成手動控制壓井流程。人工壓井可采用“控制立壓—控制套壓穩定—控制立壓穩定”或“全過程控制立壓”這2種方法。第1種方法雖然簡便但失敗幾率高，而第2種方法人工調節很難實現。本文遵循與理論更加相符的第2種方法，借助計算機所具備的手動壓井不具備的精確性和便捷性優勢，實施自動化壓井。同時監測套壓變化，若出現套壓接近最大允許關井套壓將進行預警，進而采取相應措施。

1.2 自動化壓井系統硬件組成

自動化壓井系統包括軟件系統和硬件系統：軟件主要實現壓井施工單的計算、數據采集分析和對硬件的控制；硬件是具體的數據采集裝置和執行機構，主要包括自動化壓井系統中控機、電動節流控制箱、閥門組和井口數據采集傳感器組等。自動化壓井系統組成見圖1。

自動化壓井系統中控主機是自動化壓井系統的核心，通過數據接口獲取自動化壓井節流控制箱、壓力傳感器、泵沖計數器和流量傳感器等的數據信號。主機對實時數據進行處理和分析，基于分析結果向電動節流控制箱下達操作指令，實現壓力的閉環控制。

電動節流控制箱是自動化壓井系統的執行組件，能夠接收并執行中控主機的控制指令，同時作為1個數據節點可回傳節流管匯狀態數據至中控主機。節流控制箱接收到控制指令后，通過高壓液壓油對節流閥開度進行調節，通過閥位變送器獲取節流閥的實時實際開度。除了受中控主機控制之外，也可以強制斷開與中控主機的聯系，在緊急情況下實施手動壓井作業。

圖1 自動化壓井系統組成示意Fig.1 Diagram of the structure of automatic well killing system

節流管匯中液動節流閥J1是自動化壓井系統的最終執行機構，包含在節流管匯中，直接由節流控制箱控制，開度調節精度為滿行程的1/500。

1.3 自動化壓井軟件系統

自動化壓井軟件系統的核心功能是計算壓井施工單并正確控制壓井的實施，具體程序流程見圖2。包括基本參數輸入、動態參數監測、壓井施工單計算和自動壓井等4個功能模塊。

基本參數對于每口井均不同，是后期計算壓井施工單的必要基礎數據，為提高壓井響應速度需要提前加載到系統中。除了井型、鉆井液性能等參數外，低泵速泵壓也包括在其中。

動態監測參數包括鉆桿壓力、套管壓力和出口液體流量隨時間或泵沖數的實時變化。程序可根據出口流量和泥漿泵狀態參數計算溢流量，確定是否有溢流發生。系統監測到溢流發生之后，動態參數監測模塊將自動獲取關井套壓和關井立壓。

壓井施工單計算模塊根據已知參數生成壓井施工單，待司鉆、副司鉆和監督等現場人員論證準確無誤后，程序將立壓控制參數傳遞給自動壓井模塊。隨后，自動化壓井系統將執行壓井程序，該過程由計算機獨立完成。

1.4 自動化壓井系統功能和技術關鍵點

自動化壓井軟件系統示意圖如圖2所示。

圖2 自動化壓井軟件系統示意Fig.2 Diagram of automatic well killing software system

自動化壓井系統主要功能概括起來有：①準確快速生成自動化壓井施工單；②對壓井參數的實時監測；③遵循立壓控制曲線通過節流控制箱自動控制節流閥開度。

司鉆法壓井的難點在于壓力的穩定控制，即整個司鉆法壓井流程維持井底壓力略大于地層壓力。在現場人工壓井過程中，有3方面因素造成控壓困難：①剛啟動泵時，井底壓力易產生過平衡；②在第1循環周排出氣體過程中壓力振蕩劇烈，易引發二次氣侵；③較大的井深會造成閥位調節與壓力變化之間的滯后。以上3個難點也是自動化壓井的技術關鍵點。為了驗證自動壓井系統的穩定性和壓力控制機制的合理性，開展了一系列現場試驗井壓井模擬試驗，通過對控制過程中壓力變化的分析，比較人工和自動化壓井的效率與精度。

2 司鉆法自動化壓井系統現場試驗

2.1 試驗井場基本條件

測試試驗在渤海鉆探某井噴模擬試驗井S1上進行，試驗裝置見圖3。該試驗井井深1 050 m，可進行氣侵模擬，由2口300 m儲氣井C1和C2提供壓力相對穩定的氣源模擬氣侵儲層，Y1和Y2為2臺大功率壓氣機。儲氣井通過衍生管向試驗井的井底注氣，注氣點位于S1井1 000 m處。進氣速度可由開度閥CV1和CV2控制，并通過壓力傳感器對進氣過程中儲氣井壓力變化進行監測，通過氣體質量流量計Q1對注入氣體的質量流量進行測量。

SV1.電控閘閥；YT.液體電磁流量計；F,JT,J2A.節流閥；NJ.泥漿池圖3 試驗井場裝置示意Fig.3 Diagram of facilities of experimental well

2.2 試驗工況

為了比較不同進氣量和進氣速率情況下的壓井過程，選擇幾種儲氣井初始壓力、進氣調節閥開度和不同的關井時機模擬了不同的氣侵情況，應用自動化壓井系統完成司鉆法壓井第1循環周，試驗工況見表1。3組試驗的溢流量不斷增加，井內氣侵程度逐漸增大，關井壓力也有所不同。由表1可以看出，儲氣井初始壓力與通過關井立壓求取的井底壓力存在一定的偏差。該現象產生的主要原因是，關井求壓過程中井內流體被壓回至注氣寄生管中，最終造成了井底壓力的升高，即井底壓力為儲氣井壓力和衍生管內靜液柱壓力之和，但該偏差并不影響壓井施工單計算的準確性。

表1 不同工況氣侵試驗的參數數據Table 1 Parameters under different experimental conditions

3 現場試驗數據分析

3.1 不同工況下自動化壓井過程分析

圖4為工況1條件下的自動化壓井曲線。圖4中顯示了立壓、套壓和節流閥開度隨時間的變化。當井口監測溢流量為4.34 m3時，關井(圖1中的3 000 s時刻)。關井之后進行求壓操作，此時井底尚未達到平衡，仍存在進氣過程，立壓和套壓隨之逐漸增加，最終達到平衡狀態，在3 300 s測得關井立壓和關井套壓分別為3.21 和3.28 MPa。自動壓井系統計算得到壓井施工單后隨即啟動自動化壓井。

圖4 工況1下的自動化壓井壓力曲線及閥位變化曲線Fig.4 The distribution of pressure and choke valve opening during automatic killing well in case 1

為了避免泥漿泵啟動初期立壓上升劇烈，程序自動將節流閥初始開度設置為適當值。由于初期立壓目標值與關井立壓之間的差距較大，節流閥首先進行了1次減小調節，立壓隨之迅速上升。當立壓超過目標值之后，節流閥隨之進行反向增大開度動作。經過本輪調節，節流閥開度出現振幅逐漸減小的振蕩過程，而立壓一直保持在目標值附近的一個振蕩，振幅為0.6 MPa。4 500 s之后，節流閥開度振蕩幅度有所增加，立壓振蕩振幅也出現了增加。這主要是由于氣體已經運移至井筒上部，氣體體積已經有了較大的膨脹，節流閥開度與立壓的控制反饋關系出現了一定的變化。從套壓整體變化趨勢來看，5 000 s時刻達到最大值，此時整體氣柱運移至井口，隨后套壓開始出現下降，為氣體排出過程。在氣體通過節流閥的過程中，節流閥開度的振幅繼續增大，但觀察立壓的變化，不難看出自動化壓井系統對其的控制仍然是穩定的。5 500 s之后，立壓、套壓和節流閥開度的振蕩振幅迅速減小，此時全部氣體已經從井內排出，立壓與節流閥開度變化之間的延遲效應減小，系統趨于平穩，司鉆法第1循環周已經被成功實施。

圖5為工況2下的壓井曲線，關井立套壓分別為3.82 MPa和4.16 MPa。此次氣侵量較多，關井立壓和關井套壓相對較高。實際立壓曲線維持平穩，套壓在氣侵氣體被循環至井口的過程中增加，氣侵循環出井后套壓趨于平穩，約為4.5 MPa。此次壓井過程中，套壓峰值達到了6 MPa，大于氣侵程度為4 m3時的套壓最大值。這反映了在相同儲層壓力下，氣侵量越多，井筒內靜液柱壓力越小，初始關井套壓相對較高，套壓的峰值也會較高。與工況1類似，節流閥開度振蕩振幅先降低而后增大，隨后再次降低。分析表明，當氣體向上運移但未到達井口時，壓力控制逐漸趨于穩定。隨著氣侵氣體前緣到達井口，氣液混合物流經節流管匯產生的回壓將有較大的波動，此時控制變得相對不穩定，節流閥開度變化幅度也將增大。當氣體比例達到最大時，開度振幅達到最大。隨著大部分氣侵氣體的排出，控制系統再次向穩定發展。

圖5 工況2下的自動化壓井壓力曲線及閥位變化曲線Fig.5 The distribution of pressure and choke valve opening during automatic killing well in case 2

圖6為溢流量9 m3的壓井曲線，關井立壓和套壓最終分別達到了3.8和4.74 MPa。雖然溢流量較大，但與小氣侵量壓井曲線相比，立壓雖然波動增加，但仍能被控制在比較穩定的狀態。在時間為2 000～4 500 s期間，系統平穩控制立壓為5 MPa的目標值附近，最終當全部氣侵排出后，立壓保持為5 MPa。從節流閥開度變化曲線上來看，節流閥開度保持了1個較高振幅的振蕩，其主要原因是氣侵量較大，節流閥需要進行大幅度調節才能實現壓力的控制。由以上3種工況壓井過程數據來看，自動化壓井系統能夠完成對不同氣侵程度的溢流井的控制，達到了壓井的效果。

圖6 工況3下的自動化壓井壓力曲線及閥位變化曲線Fig.6 The distribution of pressure and choke valve opening during automatic killing well in case 3

3.2 自動化壓井執行機制分析

自動化壓井是根據實際壓力與目標壓力之差進行調節的過程，壓力調節的穩定性和精確性取決于調節機制的合理性。自動化節流閥開度控制基本原則遵循以下公式：

Δz=cf(pd-pdt)

(1)

pdt=ICP+pa

(2)

(3)

式中：Δz為節流閥開度調節變化量，mm；c為控制系數，無量綱；pd為實際立壓，MPa；pdt為立壓控制目標值，MPa；f為控制函數，代表系統的調節機制；ICP為初始循環立壓，MPa；pa為安全余量，MPa；pe為壓力控制余量，MPa。

在自動調節過程中要遵循井底壓力略微高于地層壓力，用于避免井底欠壓發生二次氣侵或加重溢流發展。為了實現此目的，設定目標壓力值為初始循環立壓與安全余量之和，本試驗中安全余量設定為0.5 MPa。為了增加系統調節穩定度，減少壓力控制反饋延遲造成的系統壓力振蕩，設置了調節觸發機制，如式(3)，其中pe=0.3 MPa。控制函數f可以采用不同的反饋控制函數，而在本系統中應用了帶阻尼的線性控制函數。系統設定每秒響應1次，即每秒進行1次立壓與目標值壓力的比較，根據比較結果進行相應開度調節。

由圖4～6中閥位變化曲線可知，壓力與閥位呈現反向變化趨勢。同時，控制函數中的阻尼系數比較恰當地控制了開度調節的速度，增加節流閥開度調節的時間，實現了多次小開度調節，降低了調節過度的可能性。由實際的立壓變化趨勢可見，立壓圍繞目標值緩慢地波動，當井筒中氣侵氣體逐漸被鉆井液帶出后開度調節頻率和幅度逐漸減少，最終實際立壓和套壓曲線也相應趨于平穩。

從3組自動化壓井的壓力和閥位開度變化曲線來看，整個過程大體可以分為3個階段：啟泵初期(S1)、氣體向上運移期(S2)和氣體排出過程(S3)。S1階段節流閥進行了1次下降和上升調整，壓力出現了1次較大的波動。S2階段是套壓上升至最高值階段，在這一過程中，氣體向上運移，節流管匯主要以液體排出為主。S3階段為氣體排出過程，其特征為套壓逐漸下降，通過節流管匯的流體為氣液混合物。為了比較不同進氣量情況下調節機制的實際效果，對以上3個階段節流閥開度變化范圍和壓力變化范圍進行了統計，統計結果見圖7。

圖7 不同氣侵程度下壓井過程中閥位及壓力波動的統計Fig.7 Statistics of the rang of fluctuation of pressure and choke valve openning under different gas flux degrees

在S1階段中由于泵的啟動，立管壓力急劇增加，立壓與目標值之間的差距較大，節流閥將會出現大幅度動作，這輪調節周期所產生的井底壓力波動也會較大。從圖7可以看出，在S1階段，4 m3的氣侵工況下節流閥開度調節范圍較小，為11 mm左右；氣侵量分別為6和9 m3的情況下，節流閥開度變化差距不大，為16～18 mm。觀察實際立壓在S1階段的變化范圍可知，氣侵量為4 m3時，立壓變化為1.2 MPa，而氣侵量分別為6和9 m3的情況下，立壓波動范圍約為1.9 MPa。由以上現象可以看出，隨著氣侵量的增加，S1階段泵壓波動的幅度將會增加，但當溢流量增大到一定程度之后，壓力波動幅度將達到1個極限值。另外，無論氣侵量大小，S1階段立壓波動均為最大，接近S2和S3周期內的2倍。但試驗結果表明，對于較難處理的啟動泵過程，自動化壓井系統可以很好地控制立壓使其較快地向目標值收斂。

由圖7的S2階段數據可見，隨著溢流量的增加，實際立壓波動幅度極值隨溢流量呈現線性增加趨勢，開度調節的幅度也相應增加。這反映了氣侵程度越嚴重，井筒內氣柱長度越大，壓力調節過程中氣體發生膨脹和壓縮的余量也越大，造成了壓力波動幅值的增加。而在S3階段，壓力振幅極值也隨氣侵量增加而增加。因此，隨著氣侵量的增加，壓力變化的速度和幅度都會增大，節流閥動作幅度也相應增加，給開度調節增加了難度。

從圖5和圖7可以看出，小程度井涌情況下的壓力波動范圍為0.6 MPa，實際立壓始終圍繞目標值平穩振蕩，由于1/2振幅為0.3 MPa，小于安全余量0.5 MPa，因此，立壓下限仍高于初始循環立壓，始終保證了井底壓力略高于地層壓力，所以對于小氣侵程度下的自動化壓井是成功的。對于6 m3和9 m3較大溢流量下的壓井，立管壓力波動范圍雖然相對于小程度溢流有所增加，但振幅的一半仍小于安全余量，井底壓力始終保持在過平衡狀態，沒有發生二次氣侵，這也保證了在較大溢流水平下的成功壓井。

通過3種氣侵程度下壓井過程的對比，可以預測到在氣侵氣體循環出井的過程中，隨著井深的增大以及氣侵程度的進一步增大，立壓控制難度將不斷增大。為了提高自動化壓井的適用性，須進一步優化節流開度控制策略，適當修正安全余量，引入泵速反饋控制機制，避免壓井全過程中井底欠平衡和過平衡的發生。

4 結論

1)通過在實地井場進行的自動化司鉆法壓井試驗，驗證了自動化壓井系統司鉆法壓井的基本功能，證明了自動化壓井系統進行少人甚至無人壓井的可行性，為自動化壓井在鉆井現場的廣泛應用邁出了重要的一步。在接下來的研究中，將進一步優化自動化壓井的適用范圍和提升自動化程度，將自動化壓井應用于深井、超深井、海上井壓井以及其他復雜井況。

2)進行的自動化司鉆法壓井試驗實現了自動化壓井的基本功能，包括：準確計算自動化壓井施工單、實時進行壓井參數監測并記錄、能夠通過節流控制箱自動控制開度等。通過節流產生的回壓控制立壓使其遵循立壓控制曲線，將含氣鉆井液循環出井筒，實際立壓控制曲線符合預期，通過智能化開度調節控制立壓始終維持在目標壓力值附近。

3)通過計算機智能化控制節流開度來平穩控制立壓曲線的優勢已經在文中試驗得到了證明。所建自動化壓井系統的智能化控制機制始終能將立壓控制在目標壓力附近的一定范圍以內，試驗設定的0.5 MPa的調節誤差得以實現。壓力控制的準確性和對波動偏差的抑制效果遠遠地超過了現場人工實際壓井數據，可以降低窄密度窗口地層壓井失敗的幾率。