摘要：为了减少钻遇压力敏感或安全压力窗口狭窄等复杂地层所产生的非生产时间，提出了对井底压力进行精确控制的自适应控制压力钻井的技术思路。探讨了控压钻井技术的井底压力控制机理，集成了所需关键技术装备，绘制了自适应控压钻井技术的关键技术路线图。系统地介绍了地层压力随钻检测技术、随钻井底环空压力测量、钻井液连续循环装置、井口回压检测与控制、数据传输技术的国内外技术现状。最后提出建议：国内相关单位应联合攻关，尽快研发具有自主知识产权的自适应控压钻井技术及相关装备，缩短与国际先进钻井技术间的差距。
关键词：深井；水平井；控压钻井；自适应控制；关键技术钻井液
0 引言
目前对井底压力进行精确控制的方法有两种：①根据地层压力与井眼稳定条件来调节钻井液密度；②控制环空摩阻。但是靠改变钻井液性能来控制环空压力的方法不仅费时而且会引起一些其他问题，控制环空摩阻的方法因没有形成有效封闭钻井液循环系统导致停泵即失效。为此，近年来控制压力钻井技术(MPD)应运而生。
国际钻井承包商协会的UBO和MPD分委员会把控制压力钻井技术定义为一种控制井身环空压力剖面的自适应钻井方法。其目的是确定井底压力安全窗口，并相应的调节环空压力剖面。该技术利用封闭[1]、承压的钻井液循环系统或者欠平衡钻井装备，通过控制钻井液密度、当量循环密度、套管回压等参数，随钻控制进入井眼的流体，防止发生与钻井有关的井下复杂问题，避免通过加重钻井液来解决这些问题。
1 自适应控压钻井技术
1.1 控压钻井技术的压力控制机理
钻井过程中的井底压力由井筒液柱压力、环空循环压耗、井口回压、循环中的压力波动组成[2～3]，即
pL=pm+pa+pt+paf
式中：pL为井底压力，MPa；pm为环空液柱压力，MPa；pa为环空循环压耗，MPa；pt为井口回压，MPa；paf为环空循环压力波动，MPa。
常规钻井过程中，调节钻井液密度是最主要的控制井底压力的手段，但是这种方法需要一定的循环时间，因而时效性差；调节循环排量也是一种控制井底压力的方式，其时效性强，但是由于缺乏有效的封闭性，在起下钻和接单根时，不能实现有效控制。控压钻井技术则是基于封闭、承压的钻井液循环系统或者欠平衡钻井装备，通过控制钻井液密度、当量循环密度和井口回压来控制井底压力，能保证起下钻、接单根等情况下的井底压力有效控制，也可以实现低于常规密度钻井液安全钻井，随钻控制地层流体进入井眼。
1.2 控压钻井技术的关键装备
1.2.1控压钻井技术的实现是一个复杂的系统工程，需要诸多核心装备
1) 旋转控制装置。旋转控制装置是控压钻井技术实现的重要装备，可以将井眼中的钻井液形成密闭的循环系统，便于井口回压的施加，以及微流量的控制。
2) 浮阀(单向阀)。避免接单根时钻柱内钻井液与大气连通，破坏系统密闭性。
3) 节流阀。用于对钻井液流量和井口回压进行精确控制。
1.2.2其他相关装备[4]
1) 井下套管封隔阀或井下控制阀。用于隔离井下油气和压力，保证井口安全作业。
2) 降低当量循环密度的工具。用于抵抗循环摩擦阻力的影响。
3) 压力和流量的实时监测。
4) 钻井液连续循环系统。用于消除接单根时的压力波动。
1.3 自适应控压钻井的关键技术
自适应控压钻井技术是指在钻井过程中，随钻精确监测环空压力剖面，同时对地层压力、破裂压力和坍塌压力实现精确预测与监测，反馈到地面后通过自适应算法自动调整流量和回压等参数，实现对井底压力的自适应精细控制。由此可见，要实现对井底压力的实肘的动态控制，首先必须要能准确采集地层3压力剖面和井底压力数据，通过钻井液脉冲、声波或者电磁波等MWD方法将数据实时传递到中心处理系统，中心处理系统通过对井底实时压力与安全压力窗口的比较，然后根据钻井液类型所确定的多相流环空水力学模型用自适应的算法逐步调节井口回压、钻井液流速、钻井液密度和黏度等参数，在此过程中，必须考虑接单根或起下钻等情况时的井底压力控制方法。自适应控压钻井的关键技术路线图见图1。
2 自适应控压钻井关键技术研究现状
2.1 地层压力随钻检测技术
随钻压力监测的方法主要有dc指数法、sigma指数法、岩石强度法、压差因子法和拟声波时差等。由于任何理论模型都需要用实测压力值来验证，考虑到理论模型的应用范围局限性以及处理上的时效性，在自适应控压钻井技术中可以考虑采用随钻地层测试的方法直接获取原始地层信息，为井底压力的精确控制奠定基础。
目前这类研究和装备多见于国外文献中。贝克休斯公司开发出了TesTrak新型随钻地层压力测试的LWD工具，其利用钻井过程中的短暂中断测量地层真实压力[5]。同样的，斯伦贝谢公司也开发出了Stetho Scope随钻地层压力测试工具，在小于5min之内直观地提供准确的地层压力数据，采用电池或涡轮发电机用MWD方式向地面传输数据。尽管随钻地层压力测试可以直接测量地层原始压力，但是由于其具有一定的后效性，在实时决策时，应该综合利用LWD数据的监测模型和随钻地层压力测试数据，以达到准确、实时了解地层压力，确定压力梯度和安全压力窗口。
2.2 随钻井底环空压力测量
随钻环空压力测量是靠压力传感器测量井底环空流体压力的技术，其历史可以追溯到20世纪80年代中期，Gearhart公司在他们的MWD工具上安装了环空压力传感器。之后，Anadrill和其他一些钻井服务商开始研发具有井下环空压力测量能力的MWD工具。Sperry-Sun是最早推动钻井液循环当量密度测量的公司，他们研发的随钻井底环空压力测量仪，可以实时测量井底环空压力数据，通过MWD或EM-MWD将数据实时传送至地面，其测压能力高达138MPa。Anadrill提供实时和存储式两种环空压力随钻测量仪器，它的最高精度达1psi(1psi=6.895kPa)，在不能建立钻井液循环时仍然可以实现连续监测。
在国内，为适应欠平衡钻井监测的需要，研发了存储式的欠平衡井底压力采集系统，并在大庆油田达深2井展开了试验并取得成功。针对试验中存在的磨损严重问题，周英操等[6]对原有仪器进行了进一步的改进，进行了仪器减震设计，完善了井下压力温度测试工具与软件，并在徐深5井进行了下井试验，取得了良好的效果。中国石油钻井院的井下控制工程研究所为配套CGDS近钻头地质导向钻井系统，也开发出了存储式井底环空压力测量工具，可以实现0～100MPa的测量压力范围。
2.3 钻井液连续循环装置
连续循环系统可以实现不中断钻井液在井内的循环来完成钻杆的上卸扣等连接工作的系统，是在顶驱、钻杆夹持装置、闸板防喷器、密封胶芯和计算机控制系统等基础上发展起来的[7]。从2000年起，英国石油技术研究院联合6家国际大石油公司经过3年的攻关研制出了钻井液连续循环系统。2005年，连续循环系统第一次在埃及的海上老井重钻项目上得到了成功应用。目前该技术已逐渐成为复杂地层安全钻井的一项技术。
2.4 井口回压检测与控制
随着欠平衡技术的推广应用，为适应井底合理压差控制的需要，国内外对井口回压检测与控制的理论方法及装备做了大量工作。庄湘琦等[8]以钻井环空多相非稳定流理论为基础，根据气液两相流体在井筒中流动方程，利用有限差分方法，描述了井内流体的运动特性和瞬态压力平衡关系，提出了利用井口回压对井内流动参数进行控制，找出了井口回压和气体侵入量对流动参数的影响。王德玉等[9]针对钻井井口回压检测和实时控制需要，设计了采用电液比例控制系统和PID控制方法对节流系统进行自动控制的系统。
为适应井控安全的要求，国外很早就开展了井控回压检测与控制的工作。如，At Balance为了配合控压钻井技术的实施研发了动态环空压力控制系统(Dynamic Annular Pressure Control System)；Halliburton公司研发了自动控制节流管汇，配合Sentry控制软件，实现自动控制。
2.5 数据传输技术
实现自适应控压钻井离不开实时数据的井下和地面的双向高速传输。目前，国内外的随钻测量系统普遍采用钻井液脉冲来传送测量数据，该技术在液体钻井液中能够稳定可靠地工作，但是对于气体或充气钻井液则无法正常工作，同时钻井液脉冲的信号传输速率低，实现双向通信的难度较大，核心部件的成本也较高。为此，近几十年来，国内外涌现了一些新的随钻数据传输方式。
自20世纪80年代起，电磁传输方式开始发展，其传输速率较高，基本不受钻井液介质的影响，可用于空气、泡沫或钻井液的欠平衡钻井。国外研制出的EM传输系统主要有Schlumberger的E-Pulse系统、Halliburton Sperry Sun的EM MWD系统、Weatherford的TrendSET MWD系统、Phoenix的CLT EM-MWD系统、NDS的EM E-link系统、Ryan的EM-MWD系统、Scientific Drilling的E-field MWD系统、俄罗斯BHHKFHC的ZTS系统等[10]。2008年9月，中国石化勘探开发研究院德州钻井所研制出了国内首台电磁随钻测量系统工程样机，并在胜利油田进行了现场试验；同时，中国石油有关研究院和中国地质大学等单位也在陆续开展相关研究。但是目前，受井下发射功率、电磁波衰减特性、井场干扰等影响，EM传输技术还只适用于有限的范围。
3 结论与认识
1) 随着油气资源勘探开发向深部延伸，在钻进压力敏感地层、喷漏同存地层或安全压力窗口狭窄的地层时，自适应控压钻井技术是一个很好的选择。
2) 国外目前已经开发出了GeoBalance MPD系统和DAPC系统等具有自动控制井底压力功能的装备，但国内具有自适应控制功能的井底压力控制钻井技术尚处于研究发展阶段，建议加强研究，缩小与国际先进钻井技术的差距，推动我国石油勘探开发的发展。
3) 自适应控压钻井技术的实现需要解决设备研制、自动测量仪器、仪表的开发、自适应控制系统研制及环空多相流动规律及软件开发等问题，需要攻克基础研究和应用研究等多方面的难题，建议国内有关科研单位联合攻关，发挥优势，缩短研发时间。
参考文献
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[3] 石道涵，王国斌，薛改珍.高压油藏钻井过程中的压力控制[J].国外油田工程，2002，18(8)：19-22.
[4] 辜志宏，王庆群，刘峰.控制压力钻井技术新技术及其应用[J].石油机械，2007，35(11)：68-72.
[5] 杨利，田树宝.新型随钻地层压力测试工具[J].国外油田工程，2005，21(11)：20-23.
[6] 周英操，刘永贵，王广新.井下压力温度测试技术在徐深5井的应用[J].天然气工业，2007，27(1)：78-80.
[7] 杨刚，陈平，郭昭学，等.连续循环钻井系统的发展与应用[J].钻采工艺，2008，31(2)：46-47.
[8] 庄湘琦，李相方，刚涛，等.欠平衡钻井井口回压控制理论与方法[J].石油钻探技术，2002，30(6)：12-14.
[9] 王德玉，李才良，徐建平，等.计算机控制在井控系统中的应用[J].石油矿场机械，2007，36(1)：52-55.
[10] 刘修善，侯绪田，涂玉林，等.电磁随钻测量技术现状及发展趋势[J].石油钻探技术，2006，34(5)：4-9.
(本文作者：李伟廷1 侯树刚2 兰凯2 龚嘉琦3 1.中国石化中原石油勘探局钻井三公司；2.中国石化中原石油勘探局钻井工程技术研究院；3.华中科技大学多谱信息处理技术国防重点实验室)
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