钻井院控压钻井装备与技术介绍

2014年9月精细控压钻井装备与技术郭庆丰中国石油集团钻井工程技术研究院主要内容前言控压钻井工艺技术精细控压钻井系统主要成果与技术创新现场应用情况经济社会效益及推广应用前景精细控压钻井系统是精细控压钻井工艺技术的载体，实现了“看着井底压力来打井”，可有效解决窄密度窗口造成的井漏、井涌、井壁失稳、卡钻等复杂事故。国外在2007年开始工业化应用，目前已成为许多油田勘探、开发必备的钻井技术。3

Schlumberger公司的DAPC系统Halliburton公司的MPD系统Weatherford公司的MFC系统控压钻井核心技术一直由3大石油服务公司垄断，不出售产品，仅提供高额的技术服务：一、前言2023/2/1-3-4

2009年以来，塔里木油田引进Halliburton公司的MPD系统，在塔中完成精细控压钻井20余井次，应用结果表明：精细控压钻井技术能够有效预防和控制溢流和井漏、避免井下复杂、大幅度降低非生产时间、缩短钻井周期；能够保护油气层、提高水平段延伸能力、有利于提高单井产能一、前言2023/2/1-4-自2008年，钻井工程技术研究院依托国家科技重大专项和集团公司重大工程技术现场试验项目，历时3年，自主研发了具有国际先进、国内领先水平的PCDS-I精细控压钻井系统装备，为解决国内塔里木盆地、新疆南缘、玉门青西、四川盆地及柴达木盆地等窄密度窗口问题突出地区的漏、溢、塌、卡等复杂钻井难题提供了新的有效技术手段。该系统填补了国内空白，打破了国外垄断，达到了国外同类技术的先进水平一、前言PCDS-I精细控压钻井系统已先后在我国塔里木、川渝、华北、冀东及印尼等国内外控压钻井服务热点和难点地区，成功开展现场试验与服务20口井，取得了良好的市场应用效果，得到了油田公司的充分认可和肯定一、前言2012年以来，通过精细控压钻井系统装备的集成工业推广应用、设备产品销售、技术支持与服务等产生直接经济效益巨大主要内容前言控压钻井工艺技术精细控压钻井系统主要成果与技术创新现场应用情况经济社会效益及推广应用前景2023/2/1☼解决钻井复杂问题，提高经济性☼不许连续溢流出现☼增加自动控制系统

☼开式或闭环钻井

☼近平衡或略过平衡钻井控压钻井——MPD技术

“从欠平衡技术基础上发展起来”

简单地说：在钻井循环时直接测量井底压力，动态控制井底压力；在停止循环时，动态控制井口压力二、控压钻井工艺技术-8-井底恒压钻井CBHP加压泥浆帽钻井PMCD双梯度钻井DG应用最常用的控压钻井方法，主要解决窄窗口安全钻井问题应用溶洞、大裂缝钻井应用海洋深水钻井控压钻井工艺应用形式2023/2/1二、控压钻井工艺技术-9-控压钻井的手段

——地面加回压井底恒压钻井是陆上控压钻井的主要方式，主要解决窄窗口钻井问题，但不能解决大溶洞大裂缝地层的漏失问题，特点是需要地面节流加回压二、控压钻井工艺技术-10-破裂压力、漏失压力、压差卡钻压力，取三者的小值地层压力、坍塌压力，取二者的大值静压循环ECDMPD钻井时间常规钻井常规钻井控压钻井井底压力变化规律＞正常压力窗口窄压力窗口MPD静液压力井底压力二、控压钻井工艺技术2023/2/1-11-钻井液密度原则

正常的钻井液密度时，静液柱压力必须小于地层压力，并且有一定有压力空间，是一个欠平衡状态，在无回压的情况下存在作业风险近平衡控压钻井

当量循环密度等于或略大于地层压力，压力波动时，偶

尔有欠平衡状况欠平衡控压钻井控压钻井压力设计与控制二、控压钻井工艺技术不同工况压力控制示意图控压钻井压力的过程控制二、控压钻井工艺技术静液压力循环阻力节流压力钻进或循环

静液压力停止循环

节流压力静液压力开泵过程

节流压力静液压力停泵过程

循环阻力节流压力补偿循环、停泵期间多因素造成的井底压力波动循环阻力节流压力静液压力-13-

在不调整钻井液密度的情况下，快速应对井下情况的变化，随时调整进行液相的过、近、欠平衡作业

消除了循环压力对井底压力的影响有利于深井和高温高压井的安全施工、提高速度控制井底压力小幅度波动

有效控制井底压力在窄范围内；有利于水平井和窄压力窗口井作业。快速调节井下环空压力

控压钻井的应用优势

技术上的风险井低经济效益的井以前“不可钻”的井

减轻对地层伤害解决窄压力窗口问题降低压差卡钻提高钻速增加钻井安全性延长水平段二、控压钻井工艺技术主要内容前言控压钻井工艺技术精细控压钻井系统主要成果与技术创新现场应用情况经济社会效益及推广应用前景PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成自动节流管汇系统回压补偿系统液气控制系统自动控制系统自动控制软件随钻压力测量工具（可选）三、精细控压钻井系统-16-自动节流管汇三、精细控压钻井系统PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成2023/2/1-17-回压补偿系统三、精细控压钻井系统PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成2023/2/1-18-自动控制系统及控制中心三、精细控压钻井系统PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成自动控制系统软件中心控制房2023/2/1-19-实时控制服务器系统数据采集、通信井下压力计算设备动作控制钻井安全监控设备工作状态监控实时数据库应用程序服务器控压钻井设计系统数据接收处理控压钻井设计模拟控压钻井工况模拟与监控控压钻井数据库控制器控制及软件系统整体布局控压钻井工艺及控制软件三、精细控压钻井系统技术特点系统性能指标技术特征实现功能自动节流系统额定压力:35MPa节流度:±0.35MPa工作压力:10MPa主、备、辅助三个节流通道，能够自动切换钻进中实现在线维护专用气动平板阀研制成功并用于控压系统抗H2S设计设备动作迅速，平稳具备自动节流，冗余节流切换、安全报警、出口流量监测等功能，能够适应复杂工况的控压钻井作业要求。回压泵系统额定压力:35MPa额定流量:12L/s全自动操作控制高精度入口流量监测输出流量稳定能够在循环或停泵的作业过程中进行流量补偿，维持节流阀有效的节流功能，适应复杂工况的控压钻井作业中压力补偿的要求。三、精细控压钻井系统2023/2/1-21-系统技术特征实现功能液气控制系统工作压力<10.5MPa，动态响应时间<1s性能可靠，安全互锁具备远程和本地操作功能设备参数显示清晰安全可靠，维护简单接收自动控制系统的工作指令并进行处理，同时向下位机发送指令，来实现对各节流阀和平板阀的自动（本地/远程）控制监测及自动控制系统测量精度2‰，动态响应时间<1s系统的自检功能双冗余设计，实现故障时自动切换数字化通讯，抗干扰能力强由地面压力、温度传感器、泵冲传感器、流量计、其他PWD井下仪器、录井传感器等构成,将国际最先进控制技术用于钻井、采用现场装置－控制器－上位计算机控制的三层递阶控制结构经室内测试和现场应用，性能稳定精细控压自动控制软件个性化的控制模型超前检测控制，压力追踪快具有压力保护，工况报警功能水力模型实时校正，计算误差在0.1~0.2MPa以内具备无PWD控压钻进功能参数采集与监测、实时水力学计算、远程自动控制软件三个软件构成，完成与其它系统之间的通讯及数据交互，负责向液气控制系统发出相应的调整指令，并监控指令的执行情况，实现阀的平稳控制技术特点三、精细控压钻井系统2023/2/1-22-PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程正常钻进时流程三、精细控压钻井系统2023/2/1-23-PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程起下钻、接单根流程三、精细控压钻井系统-24-PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程气侵时流程三、精细控压钻井系统-25-PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程维护旋转头流程三、精细控压钻井系统-26-与国外同类产品性能指标对比三、精细控压钻井系统-27-对比性能HalliburtonMPDWeatherfordMFCPCDS-I精细控压钻井系统技术参数额定压力35MPa35MPa35MPa节流精度±0.35MPa±0.5MPa±0.35MPa结构三通道双通道三通道系统采用PLC控制器，接线复杂，不具备在线监测功能PLC控制器，需参数整定FF数字总线，工况自适应，具备在线自诊断功能，系统工作可靠性高，性能先进功能井底恒压微流量井底恒压和微流量27总体达到国外同类技术的先进水平主要内容前言控压钻井工艺技术精细控压钻井系统主要成果与技术创新现场应用情况经济社会效益及推广应用前景通过持续攻关、改进完善与现场应用，形成的主要成果：一套重大技术——精细控压钻井技术一套特色方法——控压钻井装备实验与检测方法一套精细控压钻井装备—PCDS-I精细控压钻井系统一个重点实验室——控压钻井模拟、测试与评价实验室申报专利21项，其中发明专利8项精细控压钻井系统标准与技术规范组建两支控压钻井试验与技术服务队伍四、主要成果与技术创新取得了控压钻井技术应用的重大突破，真正实现了国产精细控压钻井装备和技术的商业化应用2023/2/1-29-微流量监测与处理工艺技术环空压力监测与控制工艺技术回压补偿工艺技术近、过平衡精细控压技术欠平衡精细控压技术控制参数曲线图通过20口井的现场应用完善形成适应不同工况的精细控压钻井技术系列-30-四、主要成果与技术创新形成一套精细控压钻井技术形成一套控压钻井装备实验与检测方法实验、测试方法:控压钻井工艺模拟实验方法单元测试技术控压钻井装置的性能测试与评价方法测试技术评价方法模拟方法不同工况下控压钻井工艺模拟实验单元测试整机性能测试与评价实验室工艺模拟及测试、评价内容四、主要成果与技术创新2023/2/1-31-五、主要技术创新或技术突破精确近平衡控压钻井技术欠平衡控压钻井技术微流量控压钻井技术平衡流量压力不同的地质条件下的表现形式：平衡钻井，入口流量=出口流量微溢流钻井，发现产层微漏失钻井，含硫化氢地层技术方式1、根据地质要求，控制少量溢流，实现有效防漏2、欠平衡控压边点火边钻进，利于发现油气层，提高钻速3、监测钻井液出入口流量变化，实现溢流、漏失早期控制4、及时微量的井口回压调整，有利于发现油气层5、调整井口控压，寻找压力平衡点，可顺利穿越薄弱层6、实施精细控压作业，有利于水平段延长，提高单井产量控压钻井现场应用取得突破-32-控压钻井实验室是一套钻井过程的压力模拟系统，是目前国内唯一的能够进行控压钻井各种工况全尺寸模拟实验和设备测试的实验室，是控压钻井系统研制及其自动控制软件开发的基础必备条件控压钻井实验室四、主要成果与技术创新2023/2/1-33-专利、标准与技术规范、论文序号发明专利备注1一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井方法与装备发明专利201210226318.22一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装备发明专利3精细控压钻井技术解决井壁稳定的方法发明专利4一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井方法与装备实用新型201220316400.X5一种用于控压钻井的回压泵系统出口装置

实用新型201220226805.46一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装备实用新型7精细控压钻井技术解决井壁稳定的方法实用新型8一种用于控压钻井的新型井口压力控制方法和装置发明专利……申请专利21项，其中发明专利8项-34-四、主要成果与技术创新形成控压钻井技术标准和手册行业标准——《控压钻井系统》发布企业标准两项——《精细控压钻井系统设计、制造和验收标准》《精细控压钻井装备使用与维护标准》形成《精细控压钻井PCDS-I井场数据接入手册（v1.0.0）》编译《控压钻井用户手册》《技术规程》《操作规程》《维护保养规程》等手册，形成英文版本-35-四、主要成果与技术创新发表论文23篇序号名称期刊或会议名称发表日期1TheSuccessfulApplicationofaNew-styleManagedPressureDrilling(MPD)EquipmentandTechnologyinWellPenglai9ofSichuan&ChongqingDistrict2012IADCSPE亚太钻井技术会议（中国天津）2012072国产精细控压钻井装备在塔里木盆地的应用天然气工业2012083控压钻井试验检测系统研制开发与应用天然气工业2012074精细控压钻井井底压力自动控制技术初探天然气工业2012075控压欠平衡钻井工艺实现方法与现场试验天然气工业2012016控压钻井关键技术研究石油矿场机械2012017精细控压钻井技术研究进展第二届中国工程院/国家能源局能源论坛会议2012128塔里木碳酸盐岩复杂地层国产精细控压钻井技术研究2012年钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展学术研讨会2012089国产PCDS-I精细控压钻井装备研制与关键技术研究第十二届钻井院所长会议20121010控压钻井适应性评价模型建立与现场应用研究第十二届钻井院所长会议20121011恒定井底压力MPD节流控制关键问题研究2012中国石油学会天然气专业委员会学术年会201209…………-36-四、主要成果与技术创新建成了两支控压钻井技术服务队伍建立了技术服务队伍的各项管理制度（交接班制度、安全讲话记录、设备巡检记录、设备维护保养记录等）施工人员培训取证（井控证、H2S证、HSE证、上岗证）以及海外市场服务用的国际井控证、防恐证6人获得中科院计算技术所颁发的流体数值模拟计算技术应用工程师认证证书四、主要成果与技术创新控压钻井技术服务队伍建设-37-2012年3月19-21日，PCDS-I精细控压钻井系统参展第十二届中国国际石油石化技术装备展览会

2012年11月16-21日，PCDS-I精细控压钻井系统参展第十四届中国国际高新技术成果交易会，获得“优秀产品奖”参展第十四届中国国际高新技术成果交易会-38-四、主要成果与技术创新DR－39

－2011年，中国石油工程技术十大利器2012年，精细控压钻井系统入选“中国石油十大科技进展”获批“国家战略性创新产品”中国石油天然气集团公司“科技进步一等奖”2013年，“中国石油和化学工业联合会科学技术特等奖”获得奖励四、主要成果与技术创新-39-开发了一套精细控压自动控制软件控压钻井水力学模型设备在线智能监控集成控压钻井工艺应急处理研发了自动控制系统独立控制节流阀、平板阀、回压泵等执行机构多策略、自适应环空压力闭环监测与控制形成了精细控压钻井工艺适用各种钻井工况压力补偿与动态切换研制了控压钻井全尺寸工况模拟装置，形成控压钻井实验检测方法-40-四、主要成果与技术创新技术创新点主要内容前言控压钻井工艺技术精细控压钻井系统主要成果与技术创新现场应用情况经济社会效益及推广应用前景五、现场应用情况-42-PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统先后在塔里木、川渝、华北、冀东及印尼等地区成功开展现场工业化应用与服务20口井，实现了塔中Ⅰ号气田裂缝性碳酸盐岩地层、环渤海湾潜山裂缝性地层、深井高温高压复杂地层的安全高效钻井作业，有效解决了“溢漏共存”钻井难题，储层发现和保护效果明显，初步形成市场技术服务、设备产品销售、集成工业推广三位一体的良好态势苏49K-P5井牛东102井NP23-P2003南堡23-平2015井官东4井官东1X1井滨深24-5-27井千16-22井华北地区8口中古105HTZ26-H7TZ26-H9TZ26-H10依合2AHTZ83-H5TZ26-H11TZ721-8H中古5-H2TZ862H塔里木油田9口川渝地区2口蓬莱9井磨030-H25井印尼地区1口Basement-1井DR－43

－现场应用统计序号井号井型地区控压井段水平段长度钻井液漏失量1蓬莱9井直井川渝1905-2564m----0m32磨030-H25井水平井1766-2297m----0m33苏49K-P5井水平井华北3500-5067m----0m34牛东102井水平井5378-5758m----0m35南堡23-平2003井水平井5041-5182m141m103.8m3（比临井减少漏失超过2000m3）6南堡23-平2015井水平井5183-5644m461m0m37官东4井直井2682-3880m----0m38官东1X1井直井2584-3880m----0m39滨深24-5-27井直井4052-4514m----0m310千16-22井定向井4391-4518.1m----0m3-43-DR－44

－现场应用统计序号井号井型地区控压井段水平段长度钻井液漏失量11TZ26-H7井水平井塔里木4223-5699m1345m0m312TZ26-H9井水平井4343-4637m294m0m313TZ83-H5井水平井5757-6647m890m-----14TZ26-H10水平井4547-5643m1096m0m315依合2A水平井6127-6710m583m0m316TZ26-H11井水平井4588-5173m585m0m317中古105H井水平井6285-6829m496.28m0m318塔中721-8H水平井5033-6705m1561m0m319中古5-H2水平井6296-7810m1389m0m320NEBBasement-1井定向井印尼1525-2520m995m0m3-44-典型应用一川渝地区-45-五、现场应用情况46五、现场应用情况2011年4月12日至4月30日，PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统在川中蓬莱9井（预探井）三开须家河井段（1905m～2564m），完成了近、欠平衡条件下控压钻井现场试验蓬莱9井现场应用-46-典型应用二塔里木塔中地区-47-五、现场应用情况五、现场应用情况中古105H井现场应用时间：2011年12月10日-2012年2月25日井段：6285.29m～6829.28m（段长543.99米，其中水平段长496.28m）效果：控压精度达到了钻进±0.2MPa，起下钻、接单根±0.5MPa；发现

气层11个，累积厚度137米，监测和控制溢流多次，点火超过5个小

时，火焰超过5m，有效减少关井、压井造成的时间延误自动发现溢流报警点火控制溢流,恢复正常钻进-48-时间：2012年4月26日-6月6日井段：4223m～5699m，水平段进尺1345米（水平位移1647米）效果：-49-塔中26-H7井现场应用碳酸盐岩储层水平段1345m、水平位移1647m，创造塔里木油田最长纪录创目的层钻进单日进尺134米最高纪录，且连续多日进尺过百目的层钻进持续点火时长213h，占总控压钻进时长的80.4%，全过程“点着火炬钻井”长水平段钻进穿越多套缝洞单元，实现零漏失、零复杂机械钻速明显提高，平均钻速为4.23m/h平均日进尺与常规钻井相比提高103.7%五、现场应用情况TZ26-H7井，PCDS-1精细控压点火TZ26-H8井，Halliburton精细控压点火国产精细控压井深5699.39/4214.67层位奥陶系良里塔格组井段m4223m～5699.39控压进尺m1476.39水平段进尺m1345累计控压时间h784.5完钻原因钻至设计井深完钻哈里伯顿精细控压井深5029/4206.16层位奥陶系良里塔格组井段m4527～5029控压进尺m502水平段进尺m502累计控压时间h211.5完钻原因井漏严重，提前完钻五、现场应用情况塔中Ⅰ号气田最复杂的区块——塔中26井区与国际公司同台竞技，打破国外垄断，增强我国钻井技术与装备的国际竞争力-50--51-塔中26-H9井现场应用时间：2012年6月15日-7月5日井段：4343m～4637m效果：一趟钻完成整个水平井段目的层，全过程微流量监控，没有使用PWD

全过程实现了易漏地层“零漏失、零复杂”（邻井TZ26-H4井同层段漏

失3334m3），发现油气显示层6个，平均机械钻速是以往控压钻井平均

日进尺的4.14倍，提前7天完成了水平段进尺五、现场应用情况井段：4588～5173m效果：塔中26-H11井现场应用发现油气层15个，监测溢流1次、处理恶性漏失1次，共点火12次，火焰高度5-15米，最高达到25米，累计点火时间30.64小时。恶性漏失的成功处理，减少了甲方及井队的经济损失和井控风险，为我院精细控压钻井在塔里木市场的商业化服务打下坚实的基础、赢得了良好的声誉。恶性漏失成功处理五、现场应用情况-52-发现油气产层23个，点火18次，点火钻进总时长18小时47分允许少量溢流，有效防漏，控压井段无漏失维持控压起下钻单程最长超过26小时，无井下复杂发生当量泥浆密度保持在1.21~1.22之间，保证了泥浆性能，减少井下复杂发生，保证了水平井段的安全钻进时间：2013年6月-2013年8月井段：井段6421mm～7810m，水平段进尺1516m效果：中古5-H2井现场应用刷新了中国最深水平井的记录五、现场应用情况-53-时间：2013年6月13日至2013年7月11日井段：井段5144m～6705m，（水平段进尺1561m，单日进尺150米记录）效果：塔中721-8H井现场应用发现油气产层42个，点火钻进55次，累计点火时间110小时10分；控压钻井施工全井段零漏失、零复杂；控压全井段泥浆密度1.08-1.11g/cm3，当量泥浆密度1.15-1.21g/cm3，控压全井段实施微欠平衡钻井作业，保证了油气产层的发现。刷新了先前在TZ26-H7井创造的单日进尺、水平段最长的历史记录五、现场应用情况-54-典型应用三华北地区-55-五、现场应用情况试验效果安全顺利钻进无复杂有效降低钻井液密度提高机械钻速，相同井段平均机械钻速由1.5m/h提高到2.2m/h井段：3500～5067m-56-五、现场应用情况苏49K-P5井现场应用应用效果实现了目的层零漏失、零复杂解决了牛东潜山漏失、井壁垮塌等钻井复杂问题机械钻速提高90%，相同井段平均机械钻速由0.63m/h提高到1.20m/h井段：5378～5758m-57-五、现场应用情况牛东102井现场应用应用效果大大减少了钻井液漏失量大幅降低了非生产时间，提高了机械钻速有效发现、保护油气层井段：5041～5182m-58-五、现场应用情况南堡23-平2003井现场应用井段：5183～5644m效果：南堡23-平2015井现场应用全井实现安全钻进，无漏失，无井下复杂发生，缩短钻井周期，提高了机械钻速。有效发现、保护油气层。五、现场应用情况-59--60-振动筛返出的原油出现气侵时的点火井段：2682～3880m效果：精细控压钻井技术及时地发现溢流，并施加井口回压，实时监测和控制溢流11次，油气显示层36层。精细控压钻井技术及时地发现漏失，为井下复杂处理赢得了宝贵的时间。官东4井现场应用五、现场应用情况-60--61-出现气侵时的点火井段：4391-4518.1m效果：该井常规钻进至4389m时发现溢流关井，压井中出现漏失，共计6次压井未成功，钻进停滞，使用精细控压后，成功解决井下溢漏复杂，大幅缩短钻井周期，保障本井顺利完钻控压钻进中发现5段油气层（4391～4406、4406～4474、4474～4504、4504～4510、4510～4518.1），累计厚度127.1米，控压井段全为油气层千16-22井现场应用五、现场应用情况-61-典型应用四海外——印尼BETARA油田-62-五、现场应用情况井段：1522～2500m效果：TopLTAFBasementDepthStructureAA’NEBBase-1位置TopBasement该系统在安全高效钻井方面所展现的独特技术优势，得到印尼甲方和井队人员的高度赞赏。实现了控压钻井“走出去”的目标印尼BETARA油田—NEBBASEMENT1井钻进期间实现全过程“点着火炬来钻井”，点火总时间占总时间的79.5%，火焰最高达15m，确保井下安全的同时最大限度地发现和保护了油气层。在三开致密花岗岩地层井段所实施的负压钻进，有效提高了机械钻速。控压作业期间，无井漏及溢流等井下复杂和事故，达到了安全高效钻井的目的。五、现场应用情况-63-国产精细控压塔中应用效果显著：五、现场应用情况2023/2/1-64-

平均