摘要：钻井过程中井底压力的稳定是保障井控安全的基础，但是由于地质条件可预知性差，特别是在窄安全密度窗口地层中，钻井过程中的起下钻、活动钻具、接单根以及泵入排量的变化均会引起较大的井底压力波动，导致井漏、井涌等问题，增加非生产时间，导致勘探开发费用大幅度提高。常规的钻井工艺过程中，主要通过改变钻井液密度实现环空压力的控制，但该处理措施一般耗时较长，容易使复杂情况恶化，而且需要额外的钻井液添加剂，增加了作业成本；另外，在窄密度窗口地层（如裂缝性漏失地层）中钻进时，安全钻井液密度窗口往往不到0.02g/cm3，而环空循环摩阻通常在0.03-0.15g/cm3之间，因此极易发生开泵漏失、停泵溢流的复杂情况。为此，文章对高压气井动态控压固井新技术及应用方面进行分析，具有重要的现实意义。
关键词：动态控压；新技术；固定
引言：控压钻进是实现井底压力快速地稳定在安全钻井液密度窗口内的重要钻井工艺技术，自动节流管汇是实施该技术的关键。综合考虑控压钻井工艺要求和海上钻井平台面积有限的局限性，设计一种具有层式空间结构的撬装自动节流管汇，并配套设计液压控制系统。该自动节流管汇是一套集压力、流量、温度等参数采集和井口回压控制于一体的自动化系统，具有节流控压、压力补偿、放喷、流量和压力监测等功能，而且优化了阀件布置，大大降低了整套设备的占地面积，提高了设备通用性，为海上控压钻井技术的应用和设备配套提供了借鉴。
一、控压钻井节流控制原理
常规钻井主要通过调整钻井液密度，继而改变静液柱压力，实现井底压力的改变，但该处理方法一般耗时较长。考虑在井口处施加一定的回压，通过改变也能起到改变井底压力的目的，这就是所谓的控压钻井，由于压力改变为机械波传播速度，井底压力调控速度较快。控压钻井的实质是在井口处安装一定的节流装置，通过对井底压力的实时监测、水力参数的分析计算，对节流装置的开度进行精确调整，改变钻井液流过该装置时产生的节流压差，从而在井口环空处的产生一定的回压，最终影响井底压力。控压钻井自动控制的对象是回压值。根据钻井过程中钻井液的循环状态，钻井施工可以分为钻进或循环、停泵、开泵和停止循环四种工况，为了实现不同工况下的安全高效钻进，有必要保持井底压力的恒定。
二、控压钻井自动节流管汇设计
自动节流管汇是控压钻井技术的执行机构，决定着控压钻井作业的成败。在钻井过程中，由于受钻井工况、设备及施工操作等因素的影响，井眼环空压力经常发生变化，并且各影响因素（如井眼轨迹、钻压、转速）之间相互关联、相互作用。要实现井底压力的快速准确控制，必须具备一整套集压力、流量、温度等参数采集和井口回压控制于一体的自动节流管汇，要求该管汇具备以下基本功能：第一，正常钻进时，能够利用节流作用在井口套管环空处形成回压；第二，停止循环时，能够利用回压泵形成小循环，在井口环空处形成回压；第三，能够实时准确监测钻井液返出量；第四，发生紧急情况时，具有放喷功能。由于海上钻井平台面积有限，为了节省管汇安装空间和满足海上控压钻井的需要，作者采用了层式空间撬装结构设计，顶层包括液动节流阀A、液动节流阀B、1个流量计、3个四通和2个手动板阀；中间层包括液动板阀A和3个手动板阀；底层包括液动板阀B、手动板阀C、手动板阀D、5个四通、1个单向阀、1个岩屑过滤装置和1个压力传感器。管汇与外部设备及管汇内部设备间的连接及安装如下图所示，顶层和中层的设备按图中箭头所示向上翻转，该管汇与控制柜等配套设备安装在撬装底座上，结构合理而紧凑，不仅满足了节流、压力补偿、流量监测和放喷等工艺需要，而且便于运输安装及海上平台安装使用，有效节省管汇占地面积（中石油钻井院研制的精细控压钻井自动节流管汇占地面积14.63m2，与其相比减少近5m2），扩展了控压钻井的应用范围。
节流管汇示意图如下：
为了适用于海洋平台环境及场地要求，该液控系统的高压管路材质选用316L不锈钢，集中组装在控制柜内，与节流管汇一起安装在撬装底座上。该系统额定工作压力为10.5MPa，采用一台气动液泵和一台手动泵为系统提供液压源，通过蓄能器为系统保压，以维持各阀的正常工作及换向关闭，而且能够实现超压（≥23.5MPa）自动排放功能，以维持各阀的正常开启。该系统可通过远程自动控制、本地手动控制两种模式精确控制两只液动节流阀和两只液动平板阀的开关，而且为了保证操作安全，远控和手动控制具有互锁功能。第一，远程控制模式。通过计算机采用电控液方式控制高压液压油导通或关闭，从而对管线系统进行控制，实现对两只液动节流阀和两只液动平板阀开关的远程控制。第二，本地手动控制模式。若计算机控制系统出现问题，可以通过控制柜面板手动调节节流阀开度和平板闸阀的开关，本地控制采用液动换向阀直接控制液压回路，实现通道的切换和阀门开度的调节。自动节流管汇液控系统的回路设计主要包括气体回路、节流阀控制回路、平板阀控制回路。其中，气体回路。气体回路采用干净干燥的压缩气体，主要用于驱动气动液体增压泵的启停、调节气动增压泵的输出压力等。节流阀控制回路。节流阀控制是整个液控系统设计的关键，需要确保钻进期间井底压力的伺服控制。管汇中有两个液控节流阀YJ1_top和YJ2_top，要求能够同时对两个节流阀进行独立控制，因此，设计了两个相同的节流阀控制回路。自动控制时，节流阀阀位传感器接收信号，计算机自动控制比例电磁阀的阀芯开口度，调整高压液体的流量，可实现管汇节流阀开大或关小的速度及位置。现场手动控制时，能够手动控制三位四通换向阀，可控制高压液体进入节流阀上腔（或下腔），同时节流阀下腔（或上腔）的回油流回回液管道，手动控制管路配有流量调节阀，可控制节流阀开大或关小的速度及位置。而平板阀控制回路管汇中有两个液控节流阀YF1_top和YF1_mid，用于实现流道切换，必须能够对两个液控平板阀进行独立控制，因此设计了两个相同的平板阀控制回路。自动控制时，远程开启三位四通电磁阀，高压液体进入液动平板阀油缸上腔（或
下腔），同时平板阀油缸下腔（或上腔）的回油进入回液管道，实现对平板的开启和关闭。当节流管汇压力过高时，系统会自动关闭平板阀。现场手动控制时，现场开启三位四通手动换向阀，高压液体进入液动平板阀油缸上腔（或下腔），同时平板阀油缸下腔（或上腔）的回油进入回液管道，实现对平板的开启和关闭。
结论
简而言之，海上钻井平台等特殊井场场地面积较小，要求设备的占地面积要小，所设计的具有层式空间结构的撬装自动节流管汇占地面积仅10m2左右，大大降低了整套设备的占地面积，提高了设备通用性，为海上控压钻井技术的应用和设备配套提供了一定的借鉴[2]。
参考文献：
[1]辜志宏，王庆群，刘峰，等．控制压力钻井新技术及其应用［J］．石油机械，2017，35（11）：68－72．
[2]姜智博，周英操．实现窄密度窗口安全钻井的控压钻井系统工程［J］．天然气工业，2016（8）：76－79．
论文作者:陈婉怡
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/14
标签：节流阀论文; 压力论文; 井底论文; 平板论文; 回路论文; 井口论文; 设备论文; 《基层建设》2018年第28期论文;