2. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点试验室 ;
3. 长江大学石油工程学院 ;
4. 中石化西南工程有限公司钻井工程研究院
2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploration, Southwest Petroleum University ;
3. Petroleum Engineering College of Yangtze University ;
4. Drilling Engineering Research Institute, SINOPEC Southwest Engineering Company
0 引 言
微流量控制(Micro Flow Control，简称MFC)钻井技术在控压钻井技术的基础上发展而来，该技术通过精确监测进出口流量变化来反映井筒的压力状况，从而迅速做出节流阀开度调整，并合理控制井底压力[1-3]。与控压钻井技术相比，MFC钻井技术不仅能够精确控制井底压力，还能够探测到早期微小的溢流与漏失，更加及时地进行流量控制，防止事故发生[4]。MFC钻井技术主要用于解决窄安全密度窗口地区钻井所遇到的各种压力控制问题，同时提高钻井安全性，降低钻井成本[5-7]。
窄密度度窗口是大多数深井、超深井普遍存在的现象，进行深井窄安全密度窗口引起的卡、漏、喷、塌等事故研究，提高安全钻井时效，已成为钻井首要解决的问题[8]。2003年，H.M.SANTOS等[9]首次提出了MFC钻井的概念，并阐述了MFC技术的控制理论及实施方案。2005年，Weatherford公司开发了地面微流量控制系统，并在路易斯安那大学试验室内的试验井进行了模拟试验[10-12]，2006年下半年在海上复杂的钻井环境中进行试验。国内的MFC钻井技术从2011年国家“十二五”重大专项开始研究，并于2015年进入现场应用[13]。
1 技术分析 1.1 MFC钻井模拟试验装置为提高MFC钻井现场试验的成功率，项目组研制了一套MFC钻井模拟试验装置。该装置可实现流量监测及流量控制，由模拟钻架和地面控制管汇组成，地面节流仿真模拟系统结构如图 1所示。
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| 图 1 地面节流仿真模拟系统结构示意图 Fig.1 Structural schematic of the ground 1—钻杆；2—井筒；3—钻头；4—环空出口；5—气液两用压力表；6—气液两用流量计；7、31—节流阀；8—井漏回水 管阀门A；9—钻井液池进口阀；10—钻井液池；11—排气管；12—吸入口；13—钻井液池出口阀；14—钻井泵；15—钻井液流量计；16—钻井液压力表；17—钻杆进口阀；18—井筒下部涌漏口；19—井筒下部控制阀；20—双向气液两用压力表；21—双向气液两用流量计；22—井漏回水管阀门B；23—进水阀；24—进气阀；25—水泵；26—水池出水阀；27—水池；28—空气罐；29—空压机；30—进气口。 |
1.2 节流橇设计
图 2为地面自动节流橇结构示意图。该节流管汇尺寸为6 700 mm×2 400 mm×2 450 mm，工作压力35 MPa，工作温度-18～121 ℃，主管路公称通径103 mm，泄流管路旁通通径79 mm，适合的工作介质为钻井液、原油、天然气及H2S等。
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| 图 2 节流橇结构示意图 Fig.2 Structural schematic of the choke manifold skid 1、5、6—液动节流阀；2、4、14—由壬法兰；3、8—液动闸板阀；7、13—手动平板阀；9—流量计；10、15—手柄式手动球阀；11—涡轮式手动球阀；12—单流阀。 |
该节流橇为四翼双联结构，其中2条为节流控压管路，1条为井口回压控制管路，1条为放喷管路。每条节流控压管路上安装1个手动平板阀、1个液动闸板阀和1个液动节流阀。节流管汇有2个入口和1个出口，每个节流阀后配有4 1/16 in×34.5 MPa(5 000 psi)加厚铅堵法兰。橇上安装有电控箱和液控柜，可实现节流阀动作的实时控制。
1.3 电控液压控制系统设计图 3为微流量自动控制系统液压原理图。液压节流阀管汇控制系统通过液压控制管汇为液压节流阀提供可靠和可控动力。液压控制管汇与液压站连接，液压站通过底层通信软件与计算机连接，确保计算机对液压系统的准确控制。
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| 图 3 微流量自动控制系统液压原理图 Fig.3 Schematic of the hydraulic of MFC 1—油箱；2—过滤器；3—进油开关；4—电动齿轮泵；5—单流阀；6—蓄能器；7、12—汇管；8—油压传感器；9—油压表；10—泄压阀；11—溢流阀；13—速度调节阀；14—三位四通换向阀。 |
1.4 监测策略
自动控制系统分为地面流量监测与井下流量监测共同判断、地面流量监测判断及井下流量监测判断3种监测控制策略。
1.4.1 地面流量监测与井下流量监测共同判断当井下监测流量及地面监测流量均正常时，以井下流量为准进行控制；当井下监测流量和地面监测流量均异常时，进入人工控制模式。
1.4.2 地面流量监测判断当地面监测流量正常而井下监测流量异常时，以地面监测流量为准进行控制。
1.4.3 井下流量监测判断当地面监测流量异常而井下监测流量正常时，以井下监测流量为准进行控制。
1.5 MFC控制软件微流量控制钻井系统采用Microsoft Visual Studio 2010平台编制，具有实时监测钻井参数、报警、控制及报告输出等功能，可对井口的钻井液流量进行自动控制及手动控制。
2 流量调控试验2015年10月21日，在西南石油大学MFC钻井模拟试验室进行了气液两相流量调控及液相流量调控试验。试验参数：钻井泵频率42 Hz，地面温度23 ℃，液相(水)密度1 000 kg/m3，气相(空气)密度1.29 kg/m3，模拟试验井架采用2根串联钻杆，其尺寸为ø127.0和ø108.6 mm，模拟井筒直径224.5 mm，设定目标流量调控精度为6%。
2.1 试验过程设出口液相流量为4.930 L/s，模拟井架底部气相侵入时微流量控制系统自动监测和控制流量的过程，其结果见图 4和图 5。从图 4可见，当井架底部气相溢流量为2.481 L/s时，气相溢流发生时间为7.1 s，控制溢流至目标流量(4.930 L/s)的时间为24.1 s，超调量1.356 L/s，超调率27.5%。
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| 图 4 气相溢流量为2.481 L/s时流量调控结果 Fig.4 Flow adjustment results under the gas influx of 2.481 L/s |
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| 图 5 气相溢流量为 1.758 L/s时流量调控结果 Fig.5 Flow adjustment results under the gas influx of 1.758 L/s |
从图 5可以看出，当井架底部气相溢流量为 1.750 L/s时，气相溢流发生时间为9.8 s，控制溢流至目标流量(4.930 L/s)的时间为23.2 s，超调量为0.418 L/s，超调率为8.48%。
设出口液相流量为 4.930 L/s，模拟井架底部液相侵入时微流量控制系统自动监测和控制流量的过程，结果如图 6所示。从图可见，当时间为9.8 s，液相以2.302 L/s的流量侵入时，控制溢流至目标流量(4.930 L/s)的时间为13.2 s，超调量为0.182 L/s，超调率为3.69%。
2.2 试验结果及分析(1) 随侵入气体量增大，流体平均可压缩性增大，流量超调现象严重，使控制溢流时间延长。
(2) 在流量调控试验过程中，节流阀控制的超调率与流体特性、PID设置、目标流量及节流阀特性有关。
(3) 由于单相钻井液的压缩性比气液两相小，相对多相流动其控制难度降低，所以在节流阀调整过程中，目标流量调整速度快，超调率较小。
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| 图 6 液相溢流量为2.302L/s时流量调控结果 Fig.6 Flow adjustment results under the liquid influx of 2.302 L/s |
3 结 论
(1) MFC钻井控制系统液相目标流量的调整时间可控制在25 s之内，节流阀动作引发的超调率可控制在25.0%之内；随气体含量增大，气液两相目标流量调整时间可控制在60 s之内，超调率可控制在35.0%之内，满足现场微流量控制需要。
(2) 目标流量的调控效果不仅与节流阀、传感器等相关硬件设备有关，也取决于自动化PID参数设置及管道中流体类型。在相同控制条件下，气液两相流体比单相(液相)的可压缩性大，液相流量的控制比气液两相容易，且流量调控速度快，控制精度较高，超调率大大降低。
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