0 引言

深层复杂油气藏地层压力高、温度梯度大、流体物性变化大、介质复杂而且常伴有H₂S，随着裸眼井段增加，可能出现压力梯度与地温梯度的转变，导致钻井液安全密度窗口窄，引发涌、漏、塌、卡等一系列钻井问题，甚至导致钻井作业无法正常进行。为避免上述问题，希望有一种更为精确的约束和控制井筒压力的方法。在2004年的IADC/SPE阿姆斯特丹钻井会议上，控制压力钻井技术被首次提出并随后开始工业化应用，运用该技术能精确控制整个井眼环空压力剖面，其技术目标是确定井下压力环境界限，进而控制井眼环空液柱压力剖面^[1-2]。

2008年，中国石油集团钻井工程技术研究院(以下简称钻井院)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，自主研发了PCDS精细控压钻井系列化装备，并形成多策略、自适应的环空压力闭环监测与优化控制技术，实现了9种工况、4种控制模式和13种复杂条件应急转换的精细控制^[3-5]，并形成了规范和行业标准，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有效技术手段。

1 理论基础

为了有效实施在窄窗口压力条件下的精确压力控制，首先需要了解钻井安全窗口，即是指钻井过程中不造成喷、漏、塌、卡等钻井事故，能维持井壁稳定的钻井压力范围，可表示为：

(1)

式中：p_ECD为循环当量压力，p_p为当量地层孔隙压力，p_c为当量地层坍塌压力，p_f为当量地层破裂压力，p_n为当量地层漏失压力。

窄窗口分析与精细控压钻井技术研发的关系如图 1所示。由图可知，钻井院自主研发的精细控压钻井技术理念与国际上流行的控压钻井技术理念略有不同，前者压力分析更加精细，压力控制范围及应用领域也更大。控压钻井技术(Managed Pressure Drilling，MPD)基本控制方法是通过控制钻井液密度、循环压耗和井口回压，使井底压力保持相对恒定。

钻进中有如下压力关系：

(2)

式中：p_b为井底压力；p_m为钻井液静液柱压力；p_l为循环压耗；p_a为井口回压。

起下钻时有如下压力关系：

(3)

(4)

式中：p_mh为重钻井液帽静液柱压力。

在控压钻井过程中改变p_b最方便快捷的方式是改变p_a。

2 系列化控压钻井装备 2.1 PCDS-Ⅰ精细控压钻井装备

PCDS-Ⅰ精细控压钻井装备集恒定井底压力控制与微流量控制于一体，可实现井底压力控制精度0.2 MPa。装备包括自动节流、回压补偿、监测及自动控制、井下随钻测量、实时水力计算及控制软件等系统，如图 2所示。该装备集成了井底压力测量、地面参数监测、控压钻井水力计算模型、设备在线智能监控与应急处理功能，各系统可独立运行，也可组合使用，实现了9种工况、4种控制模式切换和13种应急转化的精细控制，包括钻进、接单根、起钻、下钻和换胶心等9种工况，本地手动、自动，远程手动、自动4种控制模式，随钻测压工具、回压泵、自动节流管汇等失效及井口套压异常升高、严重溢流、井漏等13种应急转换的精细控制。

2.2 PCDS-Ⅱ精细控压钻井装备

PCDC-Ⅱ精细控压钻井装备(见图 3)具备模块化施工能力，将自动控制不同分系统的参数独立，实现模块化，使系统能够识别不同设备，使控压钻井工艺转换不受设备约束。而且，控制系统实现了控制模块化和工艺参数化，能够自动识别外部设备工况，实现工艺工况自动匹配、回压控制和流量补偿分离。另外，集成软件实现了控压钻井水力学模型、设备在线智能监控与应急处理于一体，实现了控制模块化和工艺参数化。

2.3 PCDS-S精细控压钻井装备

PCDS-S精细控压钻井装备(见图 4)可实现高精度、自动欠平衡作业，能够自动调节井口压力施加值，精确维持井底欠压值，并具有结构紧凑、操作简单、使用成本低和适用范围广等优势。相对已研发的PCDS-Ⅰ及PCDS-Ⅱ精细控压钻井系统，PCDS-S控压钻井系统添加了自动平衡立压的欠平衡模块及异常工况紧急处理的专家模块，并进一步完善了水力模拟和计算软件模块，实现了PLC系统、录井、井下仪器、中控机多平台数据通信及处理，在降低装备成本的基础上拓展了软件功能，增强了复杂工况下的适应性。

PCDS-Ⅰ、PCDS-Ⅱ和PCDS-S 3个型号系列化精细控压钻井装备各有优缺点，也在应用领域存在一定差异，如：PCDS-Ⅰ精细控压钻井装备特征是具有3节流通道，即主、备、辅3条通道，可随工况的变化自动切换通道，可实现出、入口流量监测/流量自动补偿以及实时技术与参数采集、监测，适用于窄密度窗口井、高温高压井、复杂压力体系井和欠平衡控压井；PCDS-Ⅱ精细控压钻井装备特征是具有双节流通道，即主、备2通道，可自由切换，实现了模块化设计和高精度出口流量监测，可选择不同的流量补偿装置(包括固井泵等第三方装备)，适用于海洋控压钻井、窄密度窗口井和欠平衡控压；PCDS-S精细控压钻井装备特征是单节流通道和出口流量监测，适用于低渗特低渗井、欠平衡控压和较大密度窗口井。

针对不同井型和不同区块勘探开发难点，能够提供适应不同特点的个性化控压钻井整体解决方案^[6-11]，如：窄窗口地层应用井底恒压控压钻井技术；压力敏感地层应用快速井底压力监控技术；易漏地层应用流量补偿控压钻井技术；低渗地层应用微欠控压钻井技术；含有毒有害气体地层应用微过控压钻井技术；密度窗口相对较宽的地层应用井口自动节流控压钻井技术。由此建立从适应性分析、工程设计到特色工艺实施等一整套控压钻井技术服务，包括控压钻井适应性分析与评价技术、控压钻井工程设计技术、控压钻井现场工艺技术、井底恒压控制技术、微流量控制技术、钻井液帽控制技术、控压欠平衡/近平衡/过平衡钻井技术、窄密度窗口控压钻井技术、裂缝溶洞型碳酸盐岩水平井控压钻井技术及低渗特低渗欠平衡控压钻井技术。

3 现场应用效果分析

系列化精细控压钻井装备先后在塔里木、川渝、华北、大港、冀东和印度尼西亚等地区成功开展控压钻井现场工业化应用与服务，有效解决了“溢漏共存”的钻井难题，现场应用效果显著，创造了多项纪录，包括塔中26-H7井创塔里木油田最长水平段纪录(水平段1 345 m、水平位移1 647 m)，创目的层钻进单日进尺134 m最高纪录；塔中721-8H井创造了复杂深井单日进尺150 m、水平段长1 561 m(5 144~6 705 m)多项新记录。

3.1 控压钻井技术助力勘探重大发现

印尼某油田致密花岗岩——基岩地层，常规钻井技术一直未发现油气显示，2013年应用控压钻井装备实施控压欠平衡钻井，油气显示良好，勘探取得重大突破。本井工程目标是：勘探基底破碎带，发现油气层；提高基底花岗岩钻井效率，提高机械钻速；预防基底破碎带发生漏失，降低钻井复杂度。考虑的施工难点包括：地层可钻性低、研磨性高；地层压力低，钻井液密度窗口窄，易发生井漏、井涌；地温梯度高，钻井液出口温度达85 ℃，浅层气发育。采用的施工方案是纯液相控压欠平衡作业，允许少量溢流，有效防漏，其原因在于：① 在钻进过程中可实现全钻进过程的欠平衡钻井，从钻井技术方面确保不遗失可能的油气层；② 可适当控制目的层(基岩破碎带)漏失，降低井下复杂情况的发生概率；③ 实现全钻进过程的欠平衡钻井，可一定程度上提高机械钻速；④ 能够保证MWD和井下定向工具的正常工作，保证井眼轨迹定向成功；⑤ 提高大井斜段的携岩效率，有效避免岩屑床的形成和井下复杂情况的发生。

通过采用欠平衡精细控压钻井技术，取得的效果包括：① 钻进期间实现全过程“点着火炬来钻井”，点火时间占总时间的79.5%，火焰最高达15 m，确保井下安全的同时最大限度地发现和保护了油气层；② 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，达到3.29 m/h；③ 控压作业期间，无井漏及溢流等井下复杂事故，达到了安全高效钻井的目的。

3.2 控压钻井技术助力油田开发，提产增效

针对碳酸盐岩易漏易喷、目的层压力系统不一致、高产储层、储层普遍含硫、油气活跃窄、储层普遍超过5 000 m，温度高于135 ℃等钻井难题，常规钻井技术无法钻达目标或者水平段进尺短的钻井现状，应用精细控压钻井技术实现了塔中Ⅰ号构造奥陶系水平井的开发。在未使用精细控压钻井之前，设计井段与实钻数据对比如图 5所示。

塔里木塔中Ⅰ号构造奥陶系水平井应用控压钻井，有效解决了碳酸盐岩地层水平井段压力控制难题，穿越多套缝洞组合，水平井段延伸提高210%以上，显著提高了单井产能。取得以上成果的原因有：① 打破了控压钻井要保持略过平衡的理念束缚，在碳酸盐岩缝洞系统控压走低限，在保障井下安全的条件下，允许少量溢流；② 充分发挥精细控压设备优势，当大量后效返出时，适时加压，通过自动节流阀，控制溢流量在1 m³以内，实现有效排出，避免关井和压井带来的复杂事故；③ 保证不发生严重溢流，可及时控制井底压力的持续升高而诱发井漏，实现了小溢流量下的安全作业，规避了重钻井液压井导致井漏的风险。

控压“蹭头皮”钻井技术技术要点：① 工程地质一体化，精细雕刻油藏形态，采取“蹭头皮”策略，水平穿越大型缝洞储集体；② 为确保“蹭头皮”策略的成功实施，将水平井剖面调整为5段制(直→增→稳→增→平)，靶前位移控制在250~300 m，每100 m井段造斜率20°~25°，并实时进行随钻动态监测，及时调整井眼轨迹，避免直接进洞，始终保持“蹭头皮”作业，待完井时进行大型酸压，有效沟通油气通道；③ 精细控压，避免压力过大波动而压漏储层。

3.3 控压钻井技术助力复杂工况的有效处理

南堡2号构造前期4口水平井普遍存在溢流和严重井漏，每口井钻井液平均漏失3 000 m³以上，而且水平段难以钻达设计地质目标，严重制约了区块的勘探开发。应用精细控压钻井技术有效解决了冀东南堡深层潜山奥陶系高温储层溢漏同存的钻井难题。南堡23-平2003井应用效果包括：极大限度地减少钻井液漏失，较邻井钻井液减少量超过3 000 m³；缩短非生产时间，提高了机械钻速；有效发现和保护油气层。控制漏失效果见图 6。

4 结束语

窄窗口钻井由于其地层情况复杂、安全窗口小，对与之相适应的工艺、手段和技术等条件限制诸多。针对窄窗口钻井的不同地质特点和工程要求，需要开展窄窗口钻井适应性技术研究。确定窄窗口区间、扩大安全窗口及环空压力与ECD控制是解决窄窗口钻井问题以及改善窄窗口钻井作业环境的有效解决方案。

精细控压钻井技术是解决“窄密度窗口”引起井下复杂情况的一把利器，能够成功实现“蹭”着非均质性储集体“头皮”，穿越多套缝洞单元，有利于降低溢漏复杂度，增强水平段延伸能力，最大限度地裸露油气层，有效提高单井产能，延长油气井寿命，实现稀井高产、稳产的目标。对于精细控压技术，需将油气田钻井特点和井控工艺要求与其有机结合，形成具有适合该油气田特色的精细控压优快钻井技术体系才能提高勘探开发效率。