微流量控压钻井系统设计

肖劲超，李黔，尹虎

（西南石油大学石油工程学院，成都 610500）①

在复杂环境中钻井时，需要面对巨额的勘探费用以及各种复杂的钻井问题。例如，在一些窄密度的地层进行施工时，极易出现井涌、井漏等问题，增加了非生产时间，导致勘探费用大幅提高［1］。正是意识到这点，国外发展了一种新的钻井技术——微流量控压钻井技术。该技术能够有效提高钻井效率和钻井安全性，同时为不同情况的井带来巨大的利益，例如：高温高压井、孔隙压力未知的探井、窄密度窗口的井、孔隙压力频繁变化的区块、含H2S的井眼、频繁出现井控事故的区块等［2］。

1 微流量控压钻井工艺原理

微流量控制技术是基于监测钻井液的进口流量与返出流量，实现监测钻井液总流量的微小波动范围。探测到微小的流失与侵入后，通过调节节流阀来调整返回流量，最终使得井底压力平衡地层压力。

在钻井液的整个循环过程中，井口一直处于密闭状态。为了在发现微溢流或微漏失后能够立即控制整个井筒，要求在理想的情况下环空内的介质尽量为不可压缩的流体［3－8］。

2 系统组成及工作原理

基于现有微流量控压钻井技术，设计了一套微流量控压钻井系统［9］，如图1所示。该系统主要由微流量数据采集与监测系统、微流量控制系统及微流量回压补偿系统3部分组成［10］，能实时采集、监测现场施工数据，并传入工控机。工控机经过计算分析后，向微流量控制系统发出控制指令，自动调节微流量节流管汇系统中的节流阀，达到控制井底压力的目的。

图1 微流量控压钻井系统框图

2.1 数据采集与监测系统

数据采集与监测系统由微流量控压钻井监测硬件系统和监测软件系统组成，如图2所示，并基于SQL Server2008数据库管理软件设计施工监测数据库，用于存放管理施工监测数据。

图2 数据采集与监测系统框图

在微流量控压钻井地面监测硬件系统中，监测系统硬件物理架构按照3层结构设计，分别是现场施工流程参数监测层、监测数据采集与传输层、计算机中心控制层。如图3所示。

各类监测传感器负责监测微流量控压钻井施工压力、流量、温度、硫化氢浓度、钻井液密度和返出泥浆电导率等施工参数。传感器监测到的施工参数采用总线传输方式进行传输，同时使用现场工控机对监测数据进行集中储存管理与分析显示，建立监测传感器与监测软件系统之间的连接。通过监测节流阀前后压力，泥浆泵入流量与泥浆返出流量，判断在钻井过程中是否发生溢流或漏失情况，同时工控机根据采集的现场施工数据结合水力学计算软件计算出井口需要向井底补偿的回压值及阀门开度并向微流量控制系统发出控制指令。

微流量控压钻井监测软件采用的是组态软件，主要是用于微流量控压钻井的数据采集与过程控制，包含数据采集功能、录井数据源数据连接显示、实时数据储存、施工工艺流程仿真与实时监测功能，实时监测数据进行曲线绘制功能，对储存在数据库中的历史数据使用历史数据曲线的方式和使用数据报表的方式进行查询显示。

图3 监测系统硬件组成

2.2 控制系统

控制系统是微流量控压钻井系统的核心，其子系统包括硬件和软件，硬件设备采用S7－300PLC、智能液压系统等。水力学计算系统与控制系统之间要保持双向实时交流，从而确保水力学参数和井底压力、地面钻井工程参数的匹配。主要工作原理是：

1）微流量控制系统在进行压力控制过程中，接收人机交互界面人为给定一些需要的关键值，如井底压力、回压以及其他相关参数。控制系统再根据这些参数来综合控制井底压力，从而使井底压力始终保持在安全窗口内。实际上就是利用PLC 接受外部传感器信号，再通过预先制定好的程序进行计算，最终输出计算结果，这些结果再送给节流阀等设备，以达到迅速控制压力的目的。

2）为能实现计算机操作控制液动节流阀的开度大小，液压系统中选用了电液比例阀，该阀根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量调节。

2.3 微流量回压补偿系统

微流量回压补偿系统包括微流量钻井节流管汇与回压泵。钻井节流管汇设计压力等级为35MPa，由安装有2个自动节流阀的管汇组成，其通径为101.6mm，节流管汇安装有高精度的涡轮流量计和高精度压力传感器，适用于大流量、高固相含量返出的钻井作业。回压泵采用五缸柱塞泵通过电机驱动，由10m 长的管线接到微流量节流管汇上游。

3 主要配套工艺

微流量控压钻井现场施工流程如图4所示。在正常钻进的过程中，开回压泵，以10L／s的泵速获得稳定液流，在整个作业中，回压泵始终保持运行，时刻准备为节流管汇施加回压提供能量；开泥浆泵以6.3L／s的排量循环，监测水力模型测定的井底压力值，确保井口回压值在0.7～1.7MPa。设定自动控制模式为开启状态，以12L／s的排量开始钻进。保持井口回压在0.7～1.7 MPa。

图4 微流量控压钻井施工流程

接单根时，起钻到接单根位置，计算回压补偿值，将泥浆泵排量降至0，节流阀A 根据回压补偿值自动调节开度。接单根完毕后，打开泥浆泵，逐渐增加泥浆泵排量至钻进排量；节流阀B 根据实时数据与水力学计算自动调节开度来达到预定的回压值，保持井口压力和立压在接单根前的水平，重新开始微流量钻进［11］。

4 结论

1）相比国外微流量控压钻井系统，本文提出的微流量控压钻井的硬件系统均采用国产设备，大幅度降低了成本。

2）系统仿真测试证明，该系统具有较高的灵敏性与准确性，能够实现对井底压力的精确控制。

3）建议深入研究微流量控压钻井技术，同时对该系统进行不断的完善，提高系统的可靠性与控制精度。

［1］曾凌翔，李黔，梁海波，等.控制压力钻井技术与微流量控制钻井技术的对比［J］.天然气工业，2011，31（2）：82－84.

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［3］史玉胜，何世明，林文秀，等.微流量控压钻井技术研究现状［J］.钻采工艺，2011，34（3）：12－14.

［4］胡志坤，柳贡慧，李军，等.利用微流量控制系统实现控制压力管理钻井技术［J］.特种油气藏.2009，16（2）：81－83.

［5］杨雄文，周英操，方世良，等.控压欠平衡钻井工艺实现方法与现场试验［J］.钻井工程，2012，32（1）：75－80.

［6］伊明，陈若铭，兰祖权，等.控压钻井系统研究［J］.石油钻采工艺，2010，32：69－72.

［7］Helio Santos，Christian Leuchtenberg，Sara Shayegi.Microflux control：the next generation in drilling process［R］.SPE81183，2011.

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［9］Santos H，Leuchtenberg C，Reid P，et al.Opening new exploration frontiers with the micro－flux control method for well design［R］.OTC 16622，2004.

［10］蒋宏伟，周英操，赵庆，等.控压钻井关键技术研究［J］.石油矿场机械，2012，41（1）：1－5.

［11］Helio Santos，Erdem Catak，Joe Kinder，et al.Kick detection and control in oil－based mud：real well－test results using microflux control equipment［R］.SPE 105454，2007.