控压钻井技术及其应用
摘 要：控压钻井技术是一项应用于复杂地层油气资源开采的技术，并因其具有降低生产成本，简化操作流程，缩短非生产时间和显著改善油井生产效率等优点，逐步成为近年国内外钻井新技术研发热点。
文章在对控压钻井技术的定义及其工作原理分析的基础上，对国内现行主要控压钻井技术进行了梳理，以期为控压钻井技术的全面推广提供参考。
下载论文网 关键词：控压钻井；控压原理；应用 中图分类号：TE242 文献标识码：A 文章编号：1006—8937（2012）11—0178—02 随着当前世界石油开采逐渐向深部复杂地层的扩展，开采过程中发生的井涌、井漏、有害气体泄漏、卡钻、起下钻时间过长等各种窄密度窗口安全钻井问题开始引起人们的广泛关注。
因为该类问题的发生不仅会拖延项目进度，还会造成项目事故频发，更会带来健康、安全、环境等方面的问题，成为制约石油深层开采的技术瓶颈。
解决问题的关键就在于对井下压力实施有效控制，即采取控压钻井技术（Managed Pressure Drilling，MPD），这也是目前国际上应用比较广泛的一种方法。
控压钻井技术最早起源于20世纪60年代，但直到2004年SPE/IADC在Amsterdam举行的钻井专题会议上才正式提出，并与UBD和Air Drilling一起被IADC定义为钻井过程中的控制压力钻井的三大体系。
在经历最近几年的快速发展后，控压钻井技术已经逐步形成了以恒定井底压力技术、加压泥浆帽钻井技术、双梯度钻井技术和健康安全环境技术为主的工艺体系，并在国外Harlliburton和Shell公司以及国内中石油钻井院和塔里木油田等的室内模拟试验和现场应用中表现出良好的效果。
1 控压钻井技术 1.1 控压钻井技术的定义 目前世界对控压钻井技术的定义比较繁多，但总体上采用国际钻井承包商协会的定义。
该定义对控压钻井技术对进行如下表述：控压钻井技术是用于精确控制整个井眼压力剖面的实用钻井程序，其目的在于保持井底压力在设定的范围以内。
国内学者也是有鉴如此，进行了“管理压力钻井”以及“控制压力钻井技术”等相关表述。
尽管国内外学者对该技术的表述不尽一致，但对其技术特点的认知还是趋于一致的，即总体上具有降低生产成本，简化操作流程，缩短非生产时间和显著改善油井生产效率等优点，具体主要表现在以下几个方面： ①控压钻井技术能够对井眼内环境压力实施有效控制，故可避免因地层流体故障性侵入而造成的钻井性能的降低或丧失，进而减少深层钻井相关风险和投资。
②控压钻井技术可以对回压、流体密度、流体流变性、环空液面、循环摩擦力和井眼几何尺寸实施动态监控，并针对监控状况自动实施应对策略，从而实现及时、高效和低成本的故障处理。
③控压钻井技术能够实施孔隙压力和破裂压力间的对比监测，从而可以预测井涌、井塌、井漏等事故，提前做好事故防范，减少生命财产损失。
1.2 控压钻井技术原理 从IADC所给出的控压钻井的定义中可以清晰地看出，该技术特点主要包括控制目标、控制策略和实现方法（图1）。
控压钻井的控制目标是整个技术的核心，也就是只有将井眼的压力控制在可操控范围内，才能实现钻井作业的顺利完成。
在这一过程中，必须要考虑井井筒液柱压力、环空循环压耗和井口回压，此外操作过程中因抽吸、侵入、流动等产生的压力波动也许考虑，并满足式1。
BHP=Pm+AEP+Pc+Pcf （1） 式中：BHP为井底压力；Pm为环空液柱压力；AEP为环空循环压耗，Pc为井口回压；Pcf为环空循环压力波动，单位MPa。
在一般的钻井过程中，井底气压的调节主要依靠改变钻井液密度或者调节循环排量的方式来实现，但前者的时效性较差，而后者在钻井液循环停止是会因封闭失效而无法实现连续压力控制。
当然，对复杂地层的石油钻井而言，常规钻井的压力控制方式无法避免问题的出现，在这种情况下，就必须借助控压钻井的地面装置对意外侵入流体进行控制。
2 国内现行主要控压钻井技术 2.1 精细控压钻井技术 精细控压钻井技术可以通过迅速提升井口回压，控制井口和井底的压力，预防钻井过程中钻探深部复杂地层出现的有害气体泄漏、井漏、井涌等安全问题，防止井侵的进一步扩散，使钻井施工作业更加安全可靠。
精细控压钻井技术可通过井下适时测压工具将井底压力、钻具组合、钻井液性能、钻井液流量等数据传送到电脑软件，通过运算发出指令，从而有效调节控制井口和井底压力。
其主要设备如表1所示。
与常规控压技术相比，精细控压技术能够实时获取井底压力数据，并根据压力状况自动进行压力补偿，实现井内压力的自动调控和压力液的不间断循环。
由于精细控压技术使用的是低密度钻井液，既确保了操作安全又实现了平衡钻井、近平衡钻井及欠平衡钻井，并且解决了在“窄压力窗口”条件下的各种钻井事故，降低了石油钻井的运作成本。
但该技术的适用性还具有一定的地质局限性，在不稳定地质区域要慎用。
2.2 微流量控压钻井技术 微流量控压钻井技术作为控压钻井技术的一种，具有装备简单，操作灵活、无风险，可对地下钻井进行实时监测且监测控制精度高等优点。
其主要工作原理为：通过精确的控制钻井液的流入量和流出量来调节钻井液流量等参数，将采集到的地层压力的所有信号传送到计算机采集系统中，经计算机处理后进行下一步指示，实现安全钻井。
该技术对微流量的监测和控制的波动范围十分小，具体工作流程见图2。
微流量控压钻井技术主要用以解决裂缝性压力敏感地层在钻井过程中的非溢即漏问题。
目前，该技术的研发主要集中在欧美发达国家，国内研发还处于一种弱势水平，但随着石油勘探地质条件的复杂化，国际间的技术交流必将进一步加强。
2.3 ReelWell 钻井技术 ReelWell钻井技术是控压钻井的一种新技术，挪威国家石油公司、挪威科学研究委员会于2004年提出这一概念，Statoil—Hydro公司对ReelWell 钻井技术进行了可行性研究，在我国这一技术的研究基本空白。
该技术在钻井安全性与作业效率，有压力挑战性的地层钻进等方面具有较强的优势。
ReelWell钻井技术主要是基于钻井液流动的控制仪器研制，设备主要有双壁钻杆、滑动活塞、双浮动阀等组成。
其主要特点有：其一，无隔水管钻井。
ReelWell 钻井技术用钻杆代替原来的隔水管，操作方便快捷，减少了深水钻井下隔水管时间；其二，闭路循环系统。
该系统能够精确的监测和控制井底压力和钻井液流量，对高于0.01 m3的流量变化能够及时作出响应，发现遗漏和破裂，适用于深水控压钻井，特别是深水窄密度窗口储层段安全钻井；其三，井眼清洁。
与传统的岩屑输送途径不同，ReelWell钻井技术从内钻杆进行输送，具有较强的清洁钻井井眼的能力。
传统的技术中，井眼的直径决定其钻井液的排量和钻井液黏度，然而ReelWell钻井，排量不受井眼直径的影响，排量只需要在1.0 m3/min左右就可以有效清洁井眼，解决水平井、大位移井的岩屑床问题。
3 结 语 控压钻井技术在复杂地层石油资源开采过程中所展现出的解决压力衰减、调节井底压力失衡和减少高渗透裂缝性油藏等的复杂钻井问题的能力十分出众。
但目前国内对该技术的使用还基本是基于国外研发成果，难以实现真正意义上的成本控制。
今后还需在井口连续循环装置、多相密闭分离装置和自动测量仪器仪表等设备研制方面继续深入研发，此外还需在多相流流动规律和控制机构及支持系统等方面做深入的理论研究。
只有这样经过不断的技术攻关和理论完善，才能促进钻井技术的进步和实现钻井施工作业的安全与质量、效率与效益的全面提高。
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