控压钻井技术探讨与展望

【摘要】控压钻井技术(MPD)是近年来发展起来的一项解决复杂钻井问题的重要技术。文章主要介绍了控压钻井技术原理及组成、应用MPD技术需要的装备等，并就其未来发展进行了展望。

【关键词】控压钻井技术；探讨；展望

中图分类号：TE2 文献标识码： A 文章编号：

引言

控压钻井技术，是一种正逐渐被应用起来的钻井技术，又称MPD技术。由国际钻井承包商协会对其的定义为：以确定井底压力目的为基础，达到有效控制环空液压剖面的目标，它是改进传统钻井技术之后实现的一种全新钻井程序。而2009年，由AGR公司给出了另一种截然不同的定义：MPD技术是一种能够对井筒中环空压力剖面惊喜精确控制的自适应钻井程序，它能够确保井底压力环境和压力剖面的一致性。

1控压钻井技术原理及组成

1.1 控压原理

在钻井作业中，在井筒里组成环空压力的因素众多，包括压力波动、井口回压、环空的循环压耗以及并简的液柱压力等等。在常规的钻井作业之中，最重要的控制手段就是对钻井液密度的调节，但其缺点是时效性太弱。另外因系统并不是全封闭型，所以虽然对井底的压力控制也能借助对循环排量的调节加以实现，但是并不能保证其控压的连续性。而控压钻井技术的控压原理则是低密度钻井液在循环状态时，保持其动态处于安全的密度窗范围里，如果循环停滞，则会加以相应程度的回压于井口位置，从而将静态继续合理控制于安全的密度窗范围中，从而起到保障钻井安全的目的。

1.2 系统组成

控压钻井技术系统组成主要有指令系统、电控系统、分析系统、监测系统等部分：

(1)指令系统。各类液压控制阀门、信号采集、显示部件、管线与其他仪表组成该指令系统。在这之中，电气控制系统的相关信号由控制柜进行接收，同时电气控制系统的工作命令由电磁阀接收，而后通过电路把相关的工作信号转换为相应的液压信号，从而能够把电信号的变量成功变为节流阀开度的变量，从而实现控压的目的。

(2)电控系统。其在对分析系统相关的指令进行接收并处理以后，发出其指令至下位机，从而对各类阀门进行控制，同时对阀门的状态与开度实行监控。其主要功能体现在：接收并处理分析系统的相关信号，而后向下位机发出指令，从一定程度上起到了中转的作用，对各阀门状态与开度进行控制；对钻井过程中诸如管道压力、控制阀板工作的状态、回压泵的压力与流量等各类数据进行采集，并向监测系统发送采集数据。

(3)分析系统。控压钻井技术的分析系统包含的模块有4个，分别是：控制模块，其以与各系统的数据交换通讯、对指令执行的情况进行监控以及对电气控制系统发送调整指令为功能体现；逻辑判断模块，根据钻井过程中的各类参数变化及控压钻井技术系统中执行反馈情况进行有效、快速地分析；计算模块，将预先输入的基础参数与钻井实时参数进行计算并比较，以得到相关控压整体数据；输入模块，这个模块就是在钻井作业前，对一些原始数据进行输入，包括钻井数据、钻井机械数据等。

(4)监测系统。该监测系统包括硬软件部分，软件包括DataWork、DMS等组成；硬件则钻井下部仪器、排量监测装置等组成。它的主要功能体现在对钻井下的各类实时参数进行监测及采集。同时提供了共享式的数据处理中心，为其他系统的工作提供数据支持。

2应用MPD技术需要的装备

控制压力钻井技术尽管有几种不同的作业形式，但要确保此项技术能够成功应用，通常要同时达到三点要求：钻前水力学优化设计；一套封闭、承压的钻井液循环系统与MPD装置相连；训练有素且熟悉这一概念的工程技术人员。其中应用MPD技术的基础是配套的装备，一般包括旋转控制装置(RCD)、连续循环系统、地面压力控制装备、多相分离装置以及其他已开发并应用的专用设备等。

2.1 旋转控制头

在进行钻井作业时，旋转控制头在钻柱与井眼环空之间起密封作用，以确保能够安全有效地控制压力。而且，还可以使井眼内的返出流体导离井口，除此之外，密封胶心还可以随钻杆或方钻杆旋转。在承压钻进过程中，靠旋转控制头胶心封住方钻杆或钻杆，当井口具有一定压力时，钻井液无法喷上钻台，只能从旁侧出口流出，使带压钻进作业得以实现，进而能够在地面对环空回压进行控制，保证井底压力能够精确维持在一定范围内，防止井喷的发生。

2.2 连续循环系统

连续循环系统(continuous circulation systern，简称CCS)可以建立一个控制方便、稳定的钻井液体系，特别是在有气体存在的情况下。采用新型连接器，可以对钻机入口压力、钻井液流量及出口压力进行设定，并能够连续进行控制。在新型连接器过程中在接单根时无需采用单向阀来预防钻井液从钻柱内上返井口。通过实践研究，单向阀作业较为复杂，在重新建立循环过程中会形成较大的压力波动。连续循环系统可以在MPD钻井中得到最优井下压力及压力梯度。以下是其工作原理：在采用顶驱钻机的情况下，辅以接箍、顶驱连接工具以及钻井液分流管汇确保连续循环得以实现，当接单根时，接箍体上下两个闸板对钻杆周围进行密封，接头位于全封闸板和下部闸板之间，钻井流体在循环压力作用下进入接箍体内，平衡钻柱内外压力。卸扣上提钻杆，关闭全封闸板，上部卸压后将公扣连接部分提出接箍体，这种情况下钻井流体经过接箍下部循环进入钻柱中。连接在顶驱上的新的单根进入接箍体上部，闸板密封钻杆周围，循环系统注入钻井液恢复上部压力。在上下两部分压力平衡情况下，全封闸板打开，下放新的单根。将接箍体内压力释放，打开密封，移开接箍，钻井中心开始，整个过程循环不间断。

2.3 当量循环密度降低工具

当量循环密度降低工具 (equivalent circulating density reduction tool，简称ECD RT)的组成部分有三个：上部是一涡轮马达，从循环液中吸收液压能并将其转换成机械能；中部是一台由涡轮马达驱动的多级混输泵；下部由轴承和密封装置组成，配有备用应急密封的密封装置密封钻柱和井眼之间的环空，当需要压力差时自动开启。在ECD RT工作的情况下，随钻柱下入井内，泵由涡轮驱动，吸取环空返回的钻井液，降低下部井段的当量循环密度，减小井底压力，而且使上部套管段的当量密度增大，使井筒上部维持较高的压力。

2.4 可控钻井液帽钻井系统

可控钻井液帽系统 (controlled mud cap system，简称CMCS)类似于PMCD，借助一个钻井泵对钻井液帽的液面高度进行调节，以此达到更好地控制井底压力的目的，如下图1所示，为CMCS系统的基本原理图。借助高压阀隔水管单根与钻井液举升泵相连，泵系统通过回流管线和灌浆液输送管线与钻井液池相连，泵能够增大或减小隔水管中钻井液的体积，对隔水管中钻井液的液面高度进行调节，以达到对井底压力的有效控制。

图1 可控钻井液帽钻井基本配置

3发展展望

（1）我国在使用控压钻井技术上已经初具规模，并在实际操作应用中也已经得到了较好的效果，但是由于其机械设备较为昂贵，所以在很大程度上限制了控压钻井技术的广泛应用。所以在其发展中，应对该技术流程进行合理简化，与此同时就能够对控压钻井的机械设备进行更为经济合理化的优化配置，从而提高其经济性与适用性，使其能够得到更为广泛的应用。

（2）目前控压钻井技术在压力衰减、高温高压等复杂钻井的问题解决上已经相当成熟。但对于环空水力学、井底的恒压、环空的动态控制等方面仍然需要进一步进行分析研究，以使该技术具备更好的理论基础。另外还要对专业操作人员进行有针对性的培训教育，以使其在应用中发挥出应有的优势。

（3）多相流的流动规律研究，从而完成建模与相关的软件研发。

（4）控制部件与支持系统。自动化也将是该技术发展方向之一，为更好地适应现代工业自动化与控制成本的需要，应对控制部件与支持系统进行深入研究，从而为该技术的自动闭环做好技术方面的储备。

结束语

随着时代的飞速发展，钻井技术也逐渐变得自动化、智能化。现在由于复杂的储层地质环境，勘探难度逐渐增加。复杂钻井问题也在飞速增加，MPD技术相比于传统技术，可以很好的控制井涌、钻井液流失等问题，减少非生产时间，降低勘探成本。

参考文献

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[3] 周英操，崔猛，查永连控压钻井技术探讨与展望[J]．石油钻探技术,2008，36(4)