精细控压钻井井底压力自动控制技术初探

筒多相流动 ，正常钻进时 ，钻井液流速较高 ，因此不可
以忽略 。 Ｂｅｇｇｓ‐Ｂｒｉｌｌ 模型给出了加速度压降公式的推
导公式［１４］ ，本文直接给出最后公式 ，如下 ：
抄ｐ 抄ｚ
ａｃｃ
＝
－
ρｍ Ｖ ｍ ｐ
Ｃｓｇ
抄ｐ 抄ｚ
Ｔ
（１１ ）
·４·
天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ７ 月
（９ ）
Ｒｅｍ ＝ ρｍ Ｖ ｍ ｄｈ μｍ
（１０ ）
式中 Ｒｅｍ 为雷诺数 ；ε 为管壁的粗糙度 ，ｍ 。
显然由式（７） 、（８） 、（９） 、（１０）可以计算出摩阻压力
梯度 。
许多学者认为 ，大部分两相流的计算模型中 ，如果
流速较低 ，加速度压降对总体压降的贡献很小 ，一般情
况下可以忽略［１１］ ，但是本文讨论的是精细控压钻井井
械能守恒定律出发 ，得出单位质量气液固多相混合物 的计算公式［１０］ ：
抄ｐ 抄ｚ
Ｔ
＝
抄ｐ 抄ｚ
ｈｙ
＋
抄ｐ 抄ｚ
ｆｒ
＋
抄ｐ 抄 ｚ ａｃｃ
（５ ）
式中
抄ｐ 抄ｚ
Ｔ
为总压降 ；
抄ｐ 抄ｚ
ｈｙ
为重力压降梯度 ；
抄ｐ 抄ｚ
为摩阻压力梯度 ；
ｆｒ
抄ｐ 抄ｚ
为加速度压力梯度 。
ａｃｃ
重力压降梯度由下式计算 ：
２ ＤＣＰＤＴ 井底压力自动控制数学模型
ＤＣＰＤＴ 的核心就是对井底压力进行精确控制 ，
将井底压力控制在安全密度窗口之内 ，保证钻进与停
钻等一系列作业的顺利 、安全进行 ，解决窄密度窗口带
来的复杂钻井问题［５］ ，同时增加机械钻速 。 通过分析
前人对井底压力计算的研究成果［６‐１１］ ，结合目前我国
抄ｐ 抄ｚ
ｈｙ
＝
ρｍ ｇ
（６ ）
将式（３）求出的 ρｍ 代入式 （６ ）即可求得重力压降
梯度 。
摩阻压力梯度由下式计算［１２］ ：
抄ｐ 抄ｚ
ｆｒ
＝
ｆ
ｍ
ρｍ
Ｖ
２ ｍ
２ ｄｈ
（７ ）
式中 ｄｈ 为水力直径 ，ｍ ；ｆ ｍ 为摩擦系数 。
式 （７ ）右侧只有 ｆ ｍ 未知 ，ｆ ｍ 可以由 Ｍ ｏｏｄｙ 图求
基金项目 ：国家科技重大专项（编号 ：２００８ＺＸ０５０２１‐００３）部分研究成果 。 作者简介 ：姜智博 ，１９８６ 年生 ，硕士研究生 ；从事控压钻井工艺技术研究与应用 、钻井地质方面的研究工作 。 地址 ：（１０００８３ ）北 京市海淀区学院路 ２０ 号 。 电话 ：１３６５１１２８４１１ 。 Ｅ‐ｍａｉｌ ：ｊｉａｎｇｚｂｄｒｉ＠ ｃｎｐｃ ．ｃｏｍ ．ｃｎ
１ ＤＣＰＤＴ 井底压力自动控制工艺原理
ＤＣＰＤＴ 自动控制系统的核心是地面 Ｍ ＰＤ 回压 泵系统 、Ｍ ＰＤ 节流管汇系统和 Ｍ ＰＤ 控制系统 。 ＤＣＰＤＴ 井底压力自动控制工艺原理如图 １ 所 示 ，正常钻进时 ，钻井液泵处于工作状态 ，较低密度的 钻井液正常循环 ，ＰＷＤ 实测的井底压力数据输送到控 制系统 ，控制系统通过调节节流管汇相关阀门的开 度［４］ ，提供一定范围的井口回压 ，此时回压泵系统处于 停止工作状态 ，节流管汇系统和控制系统处于工作状
ＤＯＩ ：１０ ．３７８７ ／ｊ ．ｉｓｓｎ ．１０００‐０９７６ ．２０１２ ．０７ ．０１１
目前我国部分油田的钻探过程中钻井液安全密度 窗口过窄 ，当钻遇窄窗口地层 ，使用常规钻井技术极易 出现井涌 、漏失 、压差卡钻等井下复杂问题 ，甚至无法 钻进 ，最终导致井的报废 。 另外 ，全球有至少一半的海 上油气藏通过常规钻井技术是无法实现开采的 ，并且 随着地层孔隙压力的不断衰减 ，这一比例还在不断增 加 。 而导致这些问题的一个重要原因就是常规钻井技 术单一 、粗略 、滞后的井底压力控制方法 ，因此随着钻 井工程技术的进一步发展 ，对井底压力精确控制提出 了更高的要求 。 ２０ 世纪 ６０ 年代 ，控压钻井技术开始在陆地钻井 中应用［１］ 。 国际钻井承包商协会 （ＩＡＤＣ ）欠平衡与平 衡压力 钻 井 委 员 会 对 控 压 钻 井 （Ｍ ａｎａｇｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ）作出如下定义 ：“控压钻井是一种用于精确控 制整个井眼环空压力剖面的自适应钻井过程 ，其目的 是确定井下压力环境界限 ，并以此控制井眼环空液压 剖面 。 该技术应用闭环 、承压的钻井液循环系统控制 地面回压 ，避免发生井涌 。”随后我国相关学者又提出 了精细控压钻井的概念［２］ ：“在钻井过程中 ，能够精确 控制井筒环空压力剖面 ，有效实现安全钻井的技术 ，简 称为 ＤＣＰＤＴ （Ｄｅｌｉｃａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ
图 ２ ＤＣＰＤＴ 井底压力计算模型图
第 ３２ 卷第 ７ 期 钻 井 工 程
·３·
图 ３ 循环压耗与井口回压关系图
本文建立的井筒环空压降模型为直井井筒环空压 降模型 ，是根据力学模型考虑了加速度压降 、相间滑脱
第 ３２ 卷第 ７ 期 钻 井 工 程
·１·
精细控压钻井井底压力自动控制技术初探
姜智博１ ，２ ，３ 周英操２ ，３ 刘 伟２ ，３ 王 倩１ ，２ ，３
（４ ）
式中 Ｅ 为持液率 ，％ ；Ｅｈ１ 为计算井段的持液率 ，％ ；ρ１
为液相密度 ，ｇ ／ｃｍ３ ；ρｇ 为气相密度 ，ｇ ／ｃｍ３ ；Ｖ ｍ 为混合
物速度 ，ｍ ／ｓ ；Ｖ ｓｇ 为气相折算速度 ，ｍ ／ｓ ；ρｍ 为混合物密
度 ，ｇ ／ｃｍ３ ；μｍ 为混合物黏度 ，ｍＰａ · ｓ ；ｇ 为重力加速
１ ．中国石油勘探开发研究院研究生部 ２ ．中国石油集团钻井工程技术研究院 ３ ．油气钻井技术国家工程实验室
姜智博等 ．精细控压钻井井底压力自动控制技术初探 ．天然气工业 ，２０１２ ，３２（７） ：４８‐５１ ． 摘 要 控压钻井技术是当前油气钻井工程领域的前沿技术之一 。 钻井各个工况的井底压力须保持恒定 ，才能确 保窄密度窗口复杂地层井段的安全 、顺利钻进 。 为此 ，通过分析前人对各个工况井底压力计算的研究成果 ，提出了精细 控压钻井井底压力计算模型 ，该模型的环空循环压耗计算包含了多相流动的重力压降 、摩阻压降和加速度压降梯度 。 在 塔里木盆地实施了 １ 口井的精细控压钻井作业 ，用停泵工况由地面回压泵施加的回压值与计算值比较 ，最大误差为 ０ ．３０ Ｍ Ｐａ ，能满足工程实际需要 ，为今后精细控压钻井井底压力精确计算与控制提供了理论支撑 。 关键词 精细控压钻井 控压钻井系统 井底压力 自动控制 计算模型 循环压耗 塔里木盆地
度 ，常量 ；σ 为液面张力 ，１／（Ｎ · ｍ） 。
其中 ρ１ 、ρｇ 、Ｖ ｍ 、Ｖ ｓｇ 均为已知量 ，因此通过式 （２） ， 利用迭代法可以求出持液率 （Ｅ） ，再由式 （３ ） 、（４）可计 算出混合物的密度 ρｍ 和黏度 μｍ 。 两相流压降梯度根据 Ｂｅｇｇｓ‐Ｂｒｉｌｌ 模型 ，假设外界 与混合液之间没有能量交换 ，从稳定流动的多相流机
·２·
天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ７ 月
图 １ ＤＣＰＤＴ 井底压力自动控制工艺原理图
态 ，井底压力由环空液柱压力 、循环摩阻压力和节流管 汇压力组成 ，可以维持在安全密度窗口之内 。
然后可以计算（５）式 ，得出总的循环压耗 ，即可由 此确定回压值的大小 ，从而对井底压力剖面进行精确 控制 。
３ 实例计算与分析
３ ．１ 实例计算 以塔里木某井井身结构及钻具组合为例 ，外径为 碬 ２４４ ．５ ｍｍ 的技术套管下深至 ６ ５０２ ｍ ，拟完钻井深 为 ６ ６２５ ｍ ，采用 碬 ２１５ ．９ ｍｍ 牙轮钻头开钻 ，自下而 上钻具为 碬 １７７ ．８ ｍｍ 无磁钻铤长度为 １０ ｍ ，碬 １２７ ｍｍ 的无磁承压钻杆长度为 １０ ｍ ，碬 １２７ ｍｍ 斜坡加 重钻杆长度为 ４０５ ｍ ，碬 １２７ ｍｍ 钻杆长度为 ６ ０６６ ．９６ ｍ 。 地面温度为２０ ℃ ，地温梯度为２ ℃ ／１００ ｍ ，地层 压力梯度为 １ ．１７ Ｍ Ｐａ／１００ ｍ ，机械钻速为 ３ ｍ ／ｈ ，泵 排量为 １０ ～ １２ Ｌ ／ｓ ，天然气密度为 ０ ．７１３ ｇ ／ｃｍ３ ，钻井 液密度为 １ ．０８ ～ １ ．１８ ｇ ／ｃｍ３ ，钻井液漏斗黏度为 ４５ ～ ６０ ｓ 。 ３ ．２ 分析 图 ４ 表明 ，本文建立的数学模型在停泵工况中所 计算出的井 口 回 压 值 与 实 际 需 要 井 口 回 压 值 误 差 较 小 ，最大误差仅 ０ ．３０ Ｍ Ｐａ ，符合现场的工程实际需要 ， 可以实现对井底压力的精确控制 。
ｔｅｒ 公式［１３］ 。 作者通过比较以上几个显式计算式 ，发
现 Ｃｈｅｎ 的计算式精度较高 ，因此本文使用的是 Ｃｈｅｎ
公式计算摩阻系数 ，如下 ：
ε
１ ｆｍ
＝ － ２ ．０１ｌｇ
３
ｄｈ ．７０６
５
＋
５
．０４５ ２１ｌｇ Ａ Ｒｅｍ
（８ ）
ε １ ．１０９ ８
Ａ＝
ｄｈ ２ ．８２５ ７
＋
７ ．１４９ ０ ．８９８ １ Ｒｅｍ
和流型分类的稳态流动气液两相流模型 。 假定环空流 型为泡状流 ，考虑相间滑脱时的方程［９］ ：
１ ．５３
ｇσ（ρ１ － ρｇ ） ρ２１
－ ０ ．２５
Ｅ０ ．５
＝
Ｖ ｓｇ １ － Ｅｈ１
－ １ ．２Ｖ ｍ
（２ ）
ρｍ ＝ ρ１ Ｅ ＋ ρｇ （１ － Ｅ）
（３ ）
μｍ ＝ μ１ Ｅ ＋ μｇ （１ － Ｅ）
得 ，但 是 利 用 计 算 机 程 序 进 行 求 解 不 太 方 便 ，
Ｃｏｌｅｂｒｏｏｋ（１９３９ 年 ）给出了摩擦系数的计算公式［１２］ ，
但是这个计算公式是一个隐式 ，后来的学者又提出了