摘要：控壓鉆井是目前世界上最先進(jìn)的鉆井技術(shù)之一，能夠?qū)讐毫M(jìn)行實(shí)時(shí)精確的控制、解決現(xiàn)場(chǎng)遇到的井下復(fù)雜鉆井問(wèn)題；理論研究與應(yīng)用實(shí)踐均表明，它可以有效解決國(guó)內(nèi)外普遍遇到的窄密度窗口安全鉆井難題。為了更好的掌握和運(yùn)用該技術(shù)，從宏觀角度將控壓鉆井看作為一項(xiàng)較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既要保證系統(tǒng)內(nèi)任一組成部分能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又要提高系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的協(xié)調(diào)能力，從而發(fā)揮其最大效率。為此，提出了控壓鉆井系統(tǒng)工程(MPDSE)的概念——控壓鉆井系統(tǒng)工程就是將系統(tǒng)工程理論應(yīng)用到控壓鉆井技術(shù)中的一種研究方法，其主要內(nèi)容是研究系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的精確設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析各組成部分之間的相互關(guān)系和內(nèi)部地位，優(yōu)化處理各組成部分之間的相互制約性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化；進(jìn)而運(yùn)用綜合集成法分析了控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟；最后還對(duì)控壓鉆井系統(tǒng)的基本框架進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。結(jié)論認(rèn)為：應(yīng)以系統(tǒng)工程的方法對(duì)控壓鉆井技術(shù)進(jìn)行研究，并且框架內(nèi)的任一部分都關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)能否成功應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：控壓鉆井技術(shù)；系統(tǒng)工程；綜合集成法；基本框架；井底壓力；實(shí)時(shí)精確控制；窄密度窗口；安全鉆井
廣義上的控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用范圍包括過(guò)平衡、近平衡、欠平衡以及精細(xì)控壓鉆井，傳統(tǒng)意義的過(guò)平衡鉆井以及近些年基本成熟的欠平衡鉆井對(duì)井底壓力的控制精度較低，具有很大的不確定性和局限性[1]，常規(guī)鉆井過(guò)程中極易出現(xiàn)井涌、漏失、壓差卡鉆、地層孔隙壓力與破裂梯度間壓力窗口狹窄造成“涌-漏同層”等井下復(fù)雜問(wèn)題。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，通過(guò)常規(guī)鉆井方法，不能開(kāi)發(fā)的油氣資源占70%左右[2]。控壓鉆井系統(tǒng)具有使用較短時(shí)間、較低費(fèi)用而能夠大大提高井控能力的優(yōu)勢(shì)，它可以有效解決這些復(fù)雜的鉆井問(wèn)題，減少下入套管層數(shù)，降低鉆井成本，提高鉆井效益。事實(shí)證明，控制壓力鉆井(MPD)系統(tǒng)在陸地鉆井和海上鉆井中，均獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[3]。還有人提出，MPD技術(shù)很可能是未來(lái)天然氣水合物鉆井中唯一可行的技術(shù)[4～5]。目前，美國(guó)陸地鉆機(jī)配備有控壓鉆井系統(tǒng)部分設(shè)備的比例已從1996年的15%劇增至目前的75%，目前已經(jīng)有1/4陸地鉆井項(xiàng)目在應(yīng)用MPD技術(shù)[6]。精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)表明，MPD技術(shù)的推廣是一個(gè)必然的趨勢(shì)。
目前控壓鉆井技術(shù)有10多種基本類型，加之多種相關(guān)配套技術(shù)、龐大的設(shè)備體系和計(jì)算機(jī)水力參數(shù)模擬系統(tǒng)，而且，現(xiàn)場(chǎng)施工中復(fù)雜的作業(yè)流程與施工要求、應(yīng)急處理程序以及健康、安全等都應(yīng)該成為控壓鉆井系統(tǒng)的一部分。一方面，如果技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜或者相關(guān)要求過(guò)于苛刻，則可能因?yàn)闈M足不了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況而使得技術(shù)設(shè)計(jì)與施工無(wú)法實(shí)現(xiàn)；另一方面。如果現(xiàn)場(chǎng)控壓鉆井的作業(yè)程序、施工要求以及應(yīng)急程序沒(méi)有做到精確設(shè)計(jì)和靈活應(yīng)用，那么任何一個(gè)小的疏忽也都可能造成復(fù)雜甚至嚴(yán)重的鉆井事故，反過(guò)來(lái)會(huì)嚴(yán)重阻礙MPD技術(shù)的研究發(fā)展和推廣應(yīng)用。因此，筆者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將MPD技術(shù)看作為一項(xiàng)較復(fù)雜系統(tǒng)工程來(lái)加以研究和應(yīng)用。
1 控壓鉆井系統(tǒng)工程
系統(tǒng)工程是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的科學(xué)，是一門(mén)綜合學(xué)科，它是研究一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的局部與整體關(guān)系的科學(xué)，其理論的核心體系是模擬、最優(yōu)化及評(píng)價(jià)系統(tǒng)[7]。
MPD技術(shù)也是一項(xiàng)由多環(huán)節(jié)組成的投資較大且較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。根據(jù)系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)具有相互約束性，并非每個(gè)環(huán)節(jié)都追求最優(yōu)化，而是舍小取大，在各種約束條件下追求整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化。然而系統(tǒng)追求的目標(biāo)有時(shí)是相互矛盾的，而且受到各種條件的約束，系統(tǒng)工程就是研究如何在這些相互矛盾的因素中實(shí)現(xiàn)對(duì)立統(tǒng)一的科學(xué)。
控壓鉆井系統(tǒng)工程就是將系統(tǒng)工程理論應(yīng)用到控壓鉆井技術(shù)中的一種研究方法。其主要內(nèi)容是研究系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的精確設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析各組成部分之間的相互關(guān)系和內(nèi)部地位，優(yōu)化處理各組成部分之間的相互制約性，目的就是實(shí)現(xiàn)MPD系統(tǒng)的最優(yōu)化，從而應(yīng)用于鉆井作業(yè)中解決實(shí)際問(wèn)題。
2 控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟
前人在研究解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，提出了從定性到定量的綜合集成法，簡(jiǎn)稱綜合集成(meta-synthesis)。綜合集成的實(shí)質(zhì)是將專家群體、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料、計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)以人為主的高度智能化、自動(dòng)化的人一機(jī)交互系統(tǒng)，發(fā)揮這個(gè)系統(tǒng)的整體優(yōu)勢(shì)，去解決復(fù)雜的決策問(wèn)題[8]。
綜臺(tái)集成的主要特點(diǎn)是：①定性研究與定量研究有機(jī)結(jié)合；②科學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合；③應(yīng)用系統(tǒng)思想把多種學(xué)科結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合研究；④根據(jù)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，把宏觀研究與微觀研究統(tǒng)一起來(lái)；⑤具有大型計(jì)算機(jī)支持系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等功能[8]。
對(duì)于控壓鉆井系統(tǒng)，無(wú)論是對(duì)每項(xiàng)技術(shù)還是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的研究，都應(yīng)當(dāng)遵循從定性到定量的綜合集成方法，下面運(yùn)用綜合集成法對(duì)控壓鉆井系統(tǒng)的研究步驟進(jìn)行分析(圖1)。
1) 明確控壓鉆井系統(tǒng)的框架，收集每一組成部分的相關(guān)資料，調(diào)用有關(guān)方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，作為開(kāi)展研究工作的基礎(chǔ)性準(zhǔn)備。
2) 邀請(qǐng)相關(guān)方面的專家對(duì)控壓鉆井系統(tǒng)的狀態(tài)、特性、運(yùn)行機(jī)制等進(jìn)行分析研究，對(duì)技術(shù)研究的突破口，研究方向以及解決問(wèn)題的可能途徑做出定性判斷和經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)，初步確定系統(tǒng)模型。
3) 以經(jīng)驗(yàn)性假設(shè)為前提，運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)，對(duì)控壓鉆井系統(tǒng)的每一組成部分和整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、行為、特性等以及各組成部分的相互關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型。
4) 依據(jù)初步建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)控壓鉆井系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲得關(guān)于系統(tǒng)特性和行為走向的定量數(shù)據(jù)資料。
5) 組織專家對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)系統(tǒng)模型的有效性，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行修改，調(diào)整有關(guān)參數(shù)，再進(jìn)行模擬試驗(yàn)；根據(jù)新一輪試驗(yàn)結(jié)果再進(jìn)行分析評(píng)價(jià)、檢驗(yàn)、修改、模擬，如此反復(fù)，直到符合實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用理論。
6) 在不同地區(qū)、不同井況對(duì)控壓鉆井系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)遇到的實(shí)際問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行再評(píng)價(jià)、檢驗(yàn)、修改、模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如此反復(fù)，直到控壓鉆井系統(tǒng)可以在現(xiàn)場(chǎng)成熟應(yīng)用。
7) 推廣應(yīng)用控壓鉆井系統(tǒng)。
3 控壓鉆井系統(tǒng)基本框架設(shè)計(jì)
MPD系統(tǒng)較為復(fù)雜，無(wú)法將所有涉及內(nèi)容一一列舉，在此只對(duì)其基本框架進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)(圖2)。
控壓鉆井系統(tǒng)包括：①控壓鉆井技術(shù)；②控壓鉆井設(shè)備；③控壓鉆井水力參數(shù)模擬；④控壓鉆井作業(yè)流程；⑤控壓鉆井施工要求；⑥控壓鉆井崗位責(zé)任；⑦現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)改動(dòng)程序；⑧控壓鉆井應(yīng)急程序；⑨HSE管理。以下分述之。
3.1 MPD技術(shù)
MPD技術(shù)包括：精細(xì)控壓鉆井技術(shù)、常規(guī)控壓鉆井技術(shù)、相關(guān)配套技術(shù)以及各項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)合使用。
1) 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)包括：Halliburton公司的MPD系統(tǒng)；Schlumberger公司的自動(dòng)節(jié)流控壓鉆井(DAPC)系統(tǒng)；Weatherford公司的Secure Drilling系統(tǒng)(精細(xì)流量控制系統(tǒng))等[1]。
2) 常規(guī)控壓鉆井技術(shù)包括：簡(jiǎn)易導(dǎo)流控壓鉆井技術(shù)；簡(jiǎn)易流量監(jiān)測(cè)控壓鉆井技術(shù)；手動(dòng)節(jié)流控壓鉆井技術(shù)；充氣控壓鉆井技術(shù)；泥漿冒控壓鉆井技術(shù)；加壓泥漿冒控壓鉆井技術(shù)；雙梯度控壓鉆井技術(shù)；HSE控壓鉆井技術(shù)；降ECD工具；井口連續(xù)循環(huán)鉆井系統(tǒng)[9]等。
3) 相關(guān)配套技術(shù)包括：隨鉆井底環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)(APWD)；隨鉆壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)(PWD)、隨鉆地層測(cè)試技術(shù)(FTWD)；電磁波傳輸式隨鉆監(jiān)測(cè)技術(shù)(EMMWD)；無(wú)風(fēng)險(xiǎn)鉆井系統(tǒng)(NDS)；井下隨鉆診斷系統(tǒng)(DWD)；地層壓力預(yù)測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)；井深結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)；井筒多相流分析模擬技術(shù)；鉆井液多相密閉分離系統(tǒng)；優(yōu)質(zhì)鉆井液技術(shù)；化學(xué)方法提高井壁承壓能力技術(shù)；膨脹管、波紋管技術(shù)；防漏堵漏固井技術(shù)；設(shè)計(jì)與分析軟件；試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)和評(píng)價(jià)方法等[9]。
3.2 MPD設(shè)備
MPD設(shè)備包括：地面設(shè)備、井下設(shè)備、輔助設(shè)備以及與井隊(duì)設(shè)備的配套連接(圖3)。
1) 地面設(shè)備：節(jié)流管匯系統(tǒng)，自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)，回壓泵控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
2) 井下設(shè)備：鉆具止回閥，PWD隨鉆測(cè)壓裝置等。
3) 輔助設(shè)備：正壓式呼吸器，H2S檢測(cè)儀，防爆手提對(duì)講機(jī)等。
4) 與井隊(duì)設(shè)備的配套連接包括：旋轉(zhuǎn)控制頭與環(huán)形防噴器的連接；控壓鉆井系統(tǒng)輔助泥漿返出管線與井隊(duì)節(jié)流管匯的連接[10]等。
3.3 MPD水力參數(shù)模擬
MPD水力參數(shù)模擬主要是指運(yùn)用大型計(jì)算機(jī)模擬軟件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)井筒內(nèi)單相或多相流體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，從而得出在相應(yīng)井段應(yīng)使用的特定鉆井液類型和密度，特定排量和鉆速以及特定回壓值等水力參數(shù)。
3.4 MPD作業(yè)流程
MPD作業(yè)流程包括：安裝控壓鉆井地面設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，對(duì)設(shè)備進(jìn)行試壓，現(xiàn)場(chǎng)操作培訓(xùn)，安裝旋轉(zhuǎn)控制頭，連接、下入井下鉆具組合，循環(huán)泥漿系統(tǒng)，采集井下與地面數(shù)據(jù)，記錄壓力排量等數(shù)據(jù)，鉆進(jìn)過(guò)程中調(diào)整相關(guān)參數(shù)等。
3.5 MPD施工要求
MPD施工要求包括：控壓鉆進(jìn)作業(yè)前對(duì)全員進(jìn)行工藝及施工安全培訓(xùn)，鉆井工程師、司鉆和副司鉆必須熟悉控壓鉆井應(yīng)急程序和控壓鉆井井控方案；控壓鉆進(jìn)期間每天進(jìn)行工作安全分析并記錄；控壓鉆進(jìn)過(guò)程要密切注意控壓鉆井設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。
3.6 MPD崗位責(zé)任
MPD崗位責(zé)任包括：控壓鉆井項(xiàng)目經(jīng)理，控壓鉆井工程師，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)督，控壓鉆井設(shè)備操作人員，控壓鉆井助理，控壓鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集工程師，旋轉(zhuǎn)控制頭操作人員以及控壓鉆井系統(tǒng)支持專家等崗位責(zé)任。
3.7 施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)改動(dòng)程序
施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)改動(dòng)程序：由于控壓鉆井設(shè)計(jì)不可能完全覆蓋施工現(xiàn)場(chǎng)所有情況，如果甲方根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)情況以及多年的施工經(jīng)驗(yàn)，要求井隊(duì)做出與控壓鉆井設(shè)計(jì)不相符或是設(shè)計(jì)中沒(méi)有涵蓋的作業(yè)時(shí)，為保證施工安全，將作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)降至最低，作業(yè)之前應(yīng)執(zhí)行一套必要的程序。
3.8 MPD應(yīng)急程序
MPD應(yīng)急程序主要包括：控壓鉆進(jìn)時(shí)遇到節(jié)流閥堵塞(一個(gè)、多個(gè)或全部堵塞)，隨鉆測(cè)壓工具PWD失效，回壓泵失效等情況需要采取的應(yīng)急措施。
3.9 HSE管理
健康、安全、環(huán)境(HSE)管理是一項(xiàng)復(fù)雜的體系，包括：嚴(yán)格遵守相關(guān)法律法規(guī)等基本要求，健全完善HSE管理體系，作業(yè)區(qū)人身安全保護(hù)規(guī)定，醫(yī)療器械和藥品配置要求，設(shè)備的安全檢查與維護(hù)要求，H2S防護(hù)技術(shù)措施及管理要求，井噴預(yù)防和應(yīng)急措施。
以上是對(duì)MPD系統(tǒng)基本框架進(jìn)行的初步設(shè)計(jì)，要保證MPD系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)能夠成功應(yīng)用，框架內(nèi)每一部分都需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，很多設(shè)計(jì)涉及其他相關(guān)專業(yè)，例如流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械工程、油田化學(xué)、巖石力學(xué)、管柱力學(xué)、管理學(xué)等?？梢?jiàn)，控壓鉆井技術(shù)并不只是一種簡(jiǎn)單的技術(shù)，而是一項(xiàng)較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)以系統(tǒng)工程的方法對(duì)其進(jìn)行研究。
4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
1) 控壓鉆井系統(tǒng)以其精確控制井筒壓力剖面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以解決大量復(fù)雜的鉆井問(wèn)題，一定會(huì)在今后的石油鉆井行業(yè)中廣泛應(yīng)用，因此結(jié)合目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用控壓鉆井系統(tǒng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)控壓鉆井技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究意義重大。
2) 我國(guó)目前還有多項(xiàng)控壓鉆井的核心技術(shù)尚未完全掌握，眾多科研工作者都集中力量對(duì)此進(jìn)行攻克，但是對(duì)于MPD系統(tǒng)的其他部分也應(yīng)當(dāng)根據(jù)輕重緩急投入相應(yīng)的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研究，框架內(nèi)的任一部分都關(guān)系著整個(gè)控壓鉆井系統(tǒng)能否成功應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 周英操，崔猛，查永進(jìn).控壓鉆井技術(shù)探討與展望[J].石油鉆探技術(shù)，2008，36(4)：1-4.
[2] 向雪琳，朱麗華，單素華，等.國(guó)外控制壓力鉆井工藝技術(shù)[J].鉆采工藝，2009，32(1)：27-30.
[3] 嚴(yán)新新，陳永明，燕修良.MPD技術(shù)及其在鉆井中的應(yīng)用[J].天然氣勘探與開(kāi)發(fā)，2007，30(2)：62-66.
[4] HANNEGAN DON，TODD R J，PRITCHARD D M，et al.MPD-uniquely applicable to methane hydrate drilling[C]∥paper 91560 presented at the SPE/IADC Underbalanced Technology Conference and Exhibition，11-12 0ctober 2004，Houston，Texas，USA.New York：SPE/IADC，2004.
[5] KADASTER A，MILLHEIM K K，THOMPSON TOM MYW.The planning and drilling of hot ice #1-gas hydrate exploration well in the Alaskan[C]∥paper 92764 presented at the SPE/IADC Drilling Conference，23-25 February 2005，Amsterdam，Netherlands.New York：SPE/IADC，2005.
[6] HANNEGAN D M.Managed pressure drilling in marine environments-case studies[C]∥paper 92600 presented at the SPE/IADC Drilling Conference，23-25 February 2005，Amsterdam，Netherlands.New York：SPE/IADC，2005.
[7] 王眾托.系統(tǒng)工程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.
[8] 黃志澄.以人為主，人機(jī)結(jié)合，從定性到定量的綜合集成法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2005，25(2)：55-59.
[9] 周英操，楊雄文，方世良，等.窄窗口鉆井難點(diǎn)分析與技術(shù)對(duì)策[J].石油機(jī)械，2010，38(4)：1-7.
[10] 周英操，翟洪軍.欠平衡鉆井技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003.
(本文作者：姜智博1,2,3 周英操2,3 王倩1,2,3 蔣宏偉2,3 1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院研究生部；2.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院；3.油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)
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