0 引 言

随着勘探开发的深入，深、难地层钻井规模不断扩大，使钻井安全矛盾日益突出，钻井作业风险变大，尤其是窄安全密度窗口及复杂地层成为钻井工程面临的一大主要挑战。控压钻井系统能够通过地面自动控制系统精确控制井筒环空压力，使井涌、井漏、坍塌和卡钻等井下复杂问题得到有效控制^[1-5]，保障安全、提高复杂压力地层钻探成功率、降低开发成本。国内外对控压钻井装备进行了大量研究，Halliburton、Weatherford等公司成功研制了控压钻井装备，并取得了很好的应用效果，但国内引进服务费高。在国产精细控压钻井装备研制成功后，大幅降低了国内油田控压钻井费用^[6-11]。在低油价环境下，有必要研制控压钻井新技术和装备，以进一步提高钻井效率和降低钻井成本，为此，研制了单通道控压钻井装备。该装备加强了模块化设计，能够与自带回压泵或钻井泵配合使用，开发了控压钻井专家模式和欠平衡模式，丰富了精细控压钻井装备系列和控压钻井工艺。

1 装备组成与工作原理

单通道控压钻井装备在三通道与双通道控压钻井装备的基础上研制而成，既继承了两者的优点，又有所创新。一方面，单通道控压钻井装备的节流通道去除了冗余通道和辅助通道，并优化设计了自动节流控制系统，从而降低控压钻井作业费用；另一方面，单通道控压钻井装备加强了模块化设计和自动控制软件功能设计，既可以与自带回压泵配合，也可以使用钻井泵进行控压起下钻和接单根等作业，并开发井口憋压接单根的专家模式，以及进行欠平衡控压钻进作业的欠平衡模式。

1.1 装备组成

单通道控压钻井装备包括自动节流控制系统、液气控制系统、监测及自动控制系统、精细控压自动控制软件等4大系统，采用PLC控制器和FF数字总线仪表，具备在线自诊断功能，工作可靠性高。自动节流控制系统由直通通道、节流通道、过滤测量通道和检修通道组成。直通通道是非节流状态下的应急通道；节流通道可对井口节流施加回压，过滤测量通道可过滤大块物体，监控测量井口流量，当过滤方通堵塞或流量计故障检修时，检修通道可作为临时通道使用。

1.2 工作原理

在控压钻进、起下钻及接单根等不同钻井工况下，单通道控压钻井装备能够对井底与井口压力、钻井液泵入与返出流量等钻井与工程参数进行实时采集和监控，通过自动控制软件的单通道压力控制策略和方法进行系统自动判断，进而实时、自动调节节流管汇对井口施加回压，有效实现单通道控压钻井系统对井筒压力和微流量控制，从而有效解决窄密度窗口和喷漏同存等井下复杂问题，形成一套系统的压力控制工艺。

2 压力控制方法

单通道控压钻井装备的自动控制软件有井底压力模式、井口压力模式、专家模式和欠平衡模式等4种，其中专家模式和欠平衡模式是单通道控压钻井装备新开发的功能。通过上述几种压力控制方法，单通道控压钻井装备可以完成控压钻进、控压起下钻、控压接单根及控压换胶芯等控压钻井工艺，其自动控制软件界面如图 1所示。

2.1 井底压力模式

图 2为单通道控压钻井装备井底压力模式工艺流程图。在该压力模式下，可实现正常控压钻进、微漏失控压钻进和微溢流控压钻进等工艺。通过井口节流实时控制井口压力，实现精确控制井筒压力，采用方法包括压力追踪和开度追踪。在正常钻进过程中，钻井液从钻井泵进入钻杆，并从井眼环空返回地面，从旋转控制头泄流通道进入节流管汇，然后经液气分离器和振动筛等固控设备，最终返至钻井液罐。

2.2 井口压力模式

在该压力模式下，可实现控压起下钻、控压接单根和控压换胶芯等控压钻井工艺。图 3为井口压力模式工艺流程图。

2.2.1 控压起下钻

在控压起下钻作业时，钻井液从钻井泵经过压井管汇和井口四通进入套管环空，经旋转控制头泄流通道进入单通道控压钻井装备的节流管汇，通过节流阀的调节进行压力控制，然后经液气分离器和振动筛等固控设备，最终返至钻井液罐。

2.2.2 控压接单根

通过使用单通道控压钻井装备的回压泵(可选配置)或钻井泵，可以实现控压接单根工艺，其压力控制方法和流程与控压起下钻作业类似。但是由于单通道控压钻井装备只有1个节流通道，控压接单根时的压力控制方法与三通道和双通道控压钻井装备有所不同，不能提前进行井口压力模式准备。在由正常控压钻进的井底压力模式切换到控压接单根的井口压力模式时，井口压力会有短时间的波动。

2.2.3 控压换胶芯

在控压换胶芯作业时，双闸板防喷器关闭，钻井液由钻井泵经压井管汇进入套管环空，然后从井口四通，经图 3中的粉色管路，进入单通道控压钻井装备的节流管汇，通过节流阀的调节进行压力控制，随后经液气分离器和振动筛等固控设备，最终返至钻井液罐。

2.3 专家模式

专家模式只能由有权限的控压钻井工程师进行操作。控压钻井工程师可以手动调节节流阀开度到需要的开度，不受节流阀最低开度限制，必要时还可以手动操作平板阀的开关。

图 4为单通道控压钻井装备专家模式工艺流程图。当单通道控压钻井装备没有自带回压泵，也不能使用钻井泵时，控压接单根工艺可通过专家模式进行井口憋压接单根操作来实现。当准备进行控压接单根作业时，先降低钻井泵的泵冲和排量到可调节的最低值，同时调节节流阀的开度，使井口压力达到需要的压力值。当井口压力稳定后，将钻井泵停止，并立即将节流阀开度关到最小，同时关闭气动闸板阀，关闭节流通道憋压，而后即可进行接单根作业。

2.4 欠平衡模式

欠平衡模式只能由有权限的控压钻井工程师进行操作，实现欠平衡控压钻进工艺。在欠平衡模式下，以立管压力恒定为压力控制目标。根据水力学计算软件计算的结果，设置立管压力控制目标值，然后自动或手动调节节流阀进行追压，使测量的立管压力达到设置值，并保持稳定。该模式的难点在于水力学计算软件计算的立管压力设置值的准确度，特别是环空存在气液两相流时。欠平衡模式的工艺流程与井底压力模式类似。

与常规欠平衡钻井相比，单通道控压钻井装备进行控压欠平衡钻井作业时，能够连续精确地控制井筒的压力，并且保持井底压力与地层压力之间欠压值的稳定，有效提高欠平衡钻井能力，达到安全快速钻进的目的。进入储层后，根据PWD测量或水力学计算的井底压力，实时动态控制井筒压力，使储层中进入井筒的油气量保持稳定，不超过井口设备承压范围；同时避免进入井筒气体过多，在井筒上部剧烈膨胀造成井控风险，保证环空排气的安全。

2.5 安全保护

(1) 在井底压力模式和井口压力模式下，节流阀有最低开度限制(可由控压钻井工程师设置)，无论是手动还是自动调节节流阀开度时，都不能低于最低开度。但在专家模式下，节流阀调节没有最低开度限制，且只能由控压钻井工程师手动调节节流阀开度。

(2) 井口回压极限保护。在有排量的情况下，当测量井口回压大于7 MPa时，自动控制软件将启动安全保护功能，自动将节流阀开度开到最大，并打开平板阀。这样可避免人员误操作引起的安全隐患，并且也能避免设备问题或其他原因引起的压力异常，确保钻井安全。

3 试验情况与优势分析 3.1 试验情况

单通道控压钻井装备于2016年7月3日至8月10日在大港油田官1609井进行首次现场试验。试验结果表明：单通道控压钻井装备在钻进过程中能够自动精确控制井口回压、自动监测钻井液进出口流量和立管压力，有效解决了钻井过程中漏失和溢流等问题，为安全快速钻井提供了保障。

3.2 优势分析

单通道控压钻井装备还可与井下作业和固完井作业相结合，实现全过程的控压作业。控压井下作业采用压井泵车和自动节流管汇配合，建立地面循环。它具有以下优势：

(1) 起下油管过程中，自动控制系统可自动、快速、高精度调节井口回压，有效保持井底压力不变，最大程度地维持原系统压力。

(2) 实时监测出入口流量和井口压力，保障作业安全。

(3) 可将上、下半封作为应急系统，关闭环形防喷器进行起下油管作业，既可减少对上、下半封的操作工序，又可减少充压泄压过程，大幅提高井下作业速度。

(4) 与常规带压井下作业相比，控压井下作业优势明显。

(5) 当发现溢流异常，需要压井时，可将自动节流管汇关闭，按照带压井下作业压井工艺流程进行压井作业。

综上所述可知，单通道控压钻井装备能够完成大部分控压钻井作业，并具有结构紧凑、操作简单和使用成本低等优点，适用范围广，在目前低油价环境下，具有广泛的推广应用前景。