精细控压钻井技术是在常规钻井与欠平衡钻井技术基础上发展起来的、解决窄安全密度窗口地层安全钻进难题的先进技术，可以控制因“无法预知”、“无法控制”情况造成的井涌、漏失、坍塌和卡钻等井下故障，保障钻井作业安全，提高复杂压力地层钻探的成功率，降低开发成本。国际钻井承包商协会欠平衡作业和控制压力钻井委员会（IADC Underbalanced Operations & Managed Pressure Drilling Committee）将精细控压钻井（managed pressure drilling，MPD）定义为：“精细控压钻井是一种用于精确控制整个井眼环空压力剖面的自适应钻井过程，其目的是确定井下压力环境界限，并以此控制井眼环空液柱压力剖面的钻井技术”。该技术的最初目标是避免地层流体不断侵入井筒，钻井作业中地层流体任何偶然的侵入都要采用适当的方法进行安全处理。中国石油集团工程技术研究院通过“十一五”以来的科技攻关，进一步拓展了该技术的应用方法与领域，笔者等人将“MPD”译为“精细控压钻井技术”，使之更贴近钻井实际情况，并提出了“欠平衡精细控压钻井技术”的理念^[1–2]，它有别于控压钻井（controlled pressure drilling，CPD）。

1.   国内外技术发展现状

控压钻井技术早在20世纪60年代中期开始在陆地钻井作业中应用，但没有引起业界足够的关注。近年来，随着复杂压力系统钻井和对钻井安全的关注，特别是海上勘探开发的不断发展，该技术越来越受到钻井决策者的重视，从而得到了快速发展。精细控压钻井技术于2003年IADC/SPE会议上提出，主要是通过综合控制井口回压、流体密度、流体流变性、环空液面高度、钻井液循环摩阻和井眼几何尺寸，使整个井筒的压力得到有效控制，以控制地层流体侵入井筒，减少井涌、井漏和卡钻等井下故障的发生，非常适用于钻进安全密度窗口较窄的地层。据报道，控压钻井对井筒压力的精确控制可解决80%的常规钻井问题，非生产时间缩短20%～40%，从而降低钻井成本。国外Schlumberger、Weatherford和Halliburton等油田技术服务公司率先成功研制出控压钻井系统并推广应用，取得了良好效果，其具有以下特点：

1）Schlumberger公司的DAPC系统，即动态环空压力控制系统，通过高速网络把钻井泵、节流管汇和精确的水力学模型连接成一个系统，可自动测量、管理和控制井下压力。

2）Weatherford公司的MFC系统，在传统钻井液循环管汇上安装精确的传感器和节流控制装置，可以实时监测钻井液进出口的压力、流量等参数，并根据监测情况快速调节井口压力，以及时预防和处理井下故障。

3）Halliburton公司的MPD系统，与DAPC系统的工作原理类似，最大的不同是改进了回压泵的自循环功能，使井口回压更加稳定，压力波动幅度更小；并且在钻井液返出口和回压泵入口增加了流量计，可精确分析钻井液循环系统出入口的流量差。因此，与DAPC系统相比，MPD系统具有识别井下溢流、漏失的功能。

中国石油从2008年开始进行精细控压钻井技术研究和精细控压钻井装备的研制，形成的代表性技术与装备有：工程技术研究院的PCDS精细控压钻井技术与装备，川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院的CQMPD精细控压钻井技术与装备，西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院的XZMPD精细控压钻井系统。其中，PCDS精细控压钻井技术与装备具有以下特点^[3]：

1）自主研发了精细控压钻井装备，包括自动节流系统、回压补偿系统、监测与控制软件系统。形成了多策略、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压力控制，井底压力控制精度小于0.2 MPa。

2）建立了集钻井、录井和测井于一体的控压钻井方法，实现了现场数据采集、处理与实时控制；形成了井筒压力与流量双目标融合控制的钻井工艺，建立了井筒动态压力实时、快速、精确的计算方法。

3）突破了国际控压钻井采用微过平衡的作业理念，进行了欠平衡控压钻井技术研究与应用，形成了井筒压力控制、井壁稳定及溢流控制理论和欠平衡精细控压钻井工艺。现场应用表明，欠平衡控压钻井优于国外的微过平衡控压钻井，更加安全，并拓宽了应用范围。

4）研制了控压钻井工况模拟装置。该装置可完成井底压力模式、井口压力模式、井底转井口压力模式、井口转井底压力模式、高节流压力工作模式、主备阀切换、低流量补偿、溢流、漏失及溢漏同存控压钻进等10类模拟与测试。

2.   PCDS精细控压钻井系列装备的研制

中国石油集团工程技术研究院自2008年开展精细控压钻井技术攻关，自主研制了PCDS–Ⅰ、PCDS–Ⅱ和PCDS–S精细控压钻井系列装置^[4–5]。这些装置集井底压力恒定控制与微流量控制于一体，可实现欠/近/过平衡精细控压钻井，能满足缝洞型碳酸盐岩地层、低渗特低渗储层和高温高压地层等多种复杂地质条件下安全钻井的工程需求^[6–10]。

2.1   PCDS–Ⅰ精细控压钻井装备

PCDS–Ⅰ精细控压钻井装备集井底压力恒定控制与微流量控制于一体，井底压力控制精度小于0.2 MPa。该装备主要由自动节流控制系统、回压补偿系统、监测及自动控制系统、实时水力计算软件等组成，如图1所示。该装备将井底压力测量、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等功能集成在一起，各系统可独立运行，也可组合在一起，可实现9种工况、4种控制模式切换、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、本地自动、远程手动及远程自动等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、严重溢流和严重井漏等13种应急转换的精细控制，适用于窄安全密度窗口、高温高压和复杂压力体系条件下控压钻进和欠平衡控压钻进。

图  1  PCDS-I精细控压钻井装备布局

Figure  1.  Layout of PCDS-I fine precise pressure management equipment

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2.2   PCDS–Ⅱ精细控压钻井装备

PCDS–Ⅱ精细控压钻井装备在PCDS–Ⅰ的基础上，重点对软件系统进行了升级，主要包括2方面：1）控制系统实现了分模块控制和工艺转换自动识别，流量监控、节流控制和水力实时模拟计算等核心模块既可独立工作，也可组合工作，系统能够识别不同设备（自有设备或第三方设备），控压钻井模式转换时不受设备约束，工艺及工况自动匹配、回压控制和流量补偿功能分离；2）集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，真正实现了兼容外部设备功能。该装备适用于海洋控压钻井、窄安全密度窗口控压钻井和欠平衡控压钻井。

2.3   PCDS–S精细控压钻井装备

PCDS–S精细控压钻井装备可实现高精度、自动欠平衡钻井作业，能够自动调节井口压力，精确维持井底欠压值，并具有结构紧凑、操作简单和使用成本低等优势，适用范围广。相对于PCDS–Ⅰ和PCDS–Ⅱ精细控压钻井装备，PCDS–S精细控压钻井装备添加了自动平衡立压的欠平衡模块与异常工况紧急处理专家模块^[10]，并进一步完善了水力模拟模块和计算模块，实现了PLC系统、录井、井下仪器和中控机的多平台数据通讯及数据处理，在降低装备成本的基础上拓展了软件的功能，增强了对复杂工况的适应性，适用于低渗特低渗地层控压钻井、欠平衡控压钻井、较大密度窗口控压钻井。

2.4   新型控压钻井装备

新型控压钻井装备由自动分流系统、组合式自动节流管汇系统和复合式流量监测系统组成，如图2所示。该装备将分流、节流和监控等系统组合在一起，拓宽了精细控压钻井的应用领域，各组成单元既具备独立工作的能力，也具备组合工作能力，能够实现单独控制井口压力、监测流量等功能，并能通过节流通道控制组合、流量测量组合，形成串并联节流通道和不同流量监测形式，满足不同工况下钻井液自动分流、高精度压力控制和流量监测的需求，进一步提高了控压钻井装备压力控制和流量监测方面的能力。

图  2  新型控压钻井装备布局

Figure  2.  Layout of new pressure management drilling equipment

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3.   PCDS精细控压钻井关键技术

为满足油气勘探开发对钻井技术的要求，对PCDS精细控压钻井技术进行了发展，逐渐形成了工程适应性评价、控压水力参数模拟、控压钻井方式优选和应急处理等一系列技术。

3.1   精细控压钻井适应性分析

从地层特点、工程要求等方面入手，定制个性化控压钻井整体解决方案，推荐了技术使用范围，结果见表1。

表  1  精细控压钻井技术使用范围推荐

Table  1.  Recommended scope of fine pressure management drilling technology

序号	地层特点	工程要求	推荐的控压钻井技术
1	窄安全密度窗口地层	控压精度高	井底恒压控压钻井技术
2	压力敏感地层	实时调整井底压力	快速井底压力监控钻井技术
3	易漏地层	流量补偿	流量补偿控压钻井技术
4	低渗地层	气体监测和压力控制	欠平衡控压钻井技术
5	含有毒有害气体地层	气体监测和压力精确控制	微过平衡控压钻井技术
6	宽安全密度窗口地层	井口自动节流	井口自动节流控压钻井技术

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3.2   精细控压钻井工程设计

工程设计是成功实施精细控压钻井作业的关键。精细控压钻井工程设计主要包括精细控压钻井作业现场设备的选择及要求、施工参数的设计、作业流程、应急预案、安全环保要求、数据记录以及设备的维护保养等。主要设计原则概括为“一个目标”、“两个满足”和“三个合理”，分别为：以最佳综合成本实现油气安全勘探开发目标；满足地质设计要求，满足安全健康环保（HSE）要求；合理选择控压钻井方式，合理配套工具和设备，合理设计控压钻井水力参数。

3.3   精细控压钻井方式

为保证钻井作业安全，根据地质情况和钻井要求选择PCDS精细控压钻井方式。在整个钻井过程中，无论是钻进、循环钻井液还是停钻接单根，都需要精确控制井底压力，并使其维持恒定。PCDS精细控压钻井主要有井底恒压控压钻井、欠平衡精细控压钻井和微流量控压钻井3种控压钻井方式。

1）井底恒压控压钻井方式。该方式要求在闭合承压循环系统中采用略低于常规密度的钻井液进行钻进，实时采集钻井数据进行水力学模拟计算，并与实时监测的井下参数进行对比分析，自动节流管汇系统根据对比分析结果自动调节节流阀开度，将井底压力控制在安全压力范围内，以实现井底压力的恒定控制。接单根、起下钻时，施加井口回压补偿循环压耗，以保持井底压力处于合理的过平衡状态，保证整个钻井过程中井底压力平稳，避免地层流体侵入。

2）欠平衡精细控压钻井方式。该方式要求配备高精度自动节流管汇和流量监测系统，以保障井筒坍塌压力低于地层压力的储层井筒安全稳定，是一种最优的钻井技术方案，可以实现储层发现与保护、井壁稳定及降低井控风险的目的，大幅提高钻井的综合效率，并且防止在此条件下由于常规欠平衡钻井无法实施而被迫转换为常规过平衡钻井引发的二次污染。

3）微流量控压钻井方式。该方式无需使用随钻环空压力测量工具，通过安装在地面钻井液返出管线上的高精度流量计精确计量钻井液泵入和返出体积，以维持井筒内流体质量守恒为控制目标，自动调节井底压力实现不溢不漏，以克服窄安全密度窗口甚至无安全密度窗口的裂缝性压力敏感地层非溢即漏的钻井难题，实现安全无风险钻进。

3.4   精细控压钻井应急处理技术措施

常规钻井发现溢流即关井，疑似溢流关井检查，发生漏失停止钻进并关井检查，而精细控压钻井在同时满足井口压力不超过7 MPa、欠平衡溢流量小于1 m³（重力置换溢流量小于3 m³）、井口硫化氢体积分数不超过2.0×10^–5的安全工作要求时，以逐步调整井口压力为主，并配合调整钻井液密度和流量，寻找压力平衡点，以降低溢流量或漏失量，甚至消除溢流或漏失。若井口压力超过7 MPa，或溢流量大于1 m³，或井口硫化氢体积分数超过2.0×10^–5，则由精细控压钻井转入常规井控流程，重新建立井筒平衡后再转入精细控压钻井流程。

4.   现场应用效果分析

PCDS精细控压钻井技术与装备先后在中国石油塔里木、西南、辽河、新疆、华北、大港和冀东等7个油气田，中国海油印度尼西亚BETARA、渤海等2个油气田及山西致密砂岩气区块，中国石化西北油田顺南区块2个区块的60余口井进行了现场应用，实现了深部裂缝性、溶洞型碳酸盐岩等复杂地层的安全高效快速钻进，解决了溢、漏共存的窄安全密度窗口地层的安全钻井难题^[11–16]，应用效果显著。

1）缝洞型碳酸盐岩地层。塔里木油田塔中作业区为典型的缝洞型碳酸盐岩储层，主要技术难点为储层非均质性严重、易漏易喷、压力系统不一致、储层普遍含硫、油气活跃和安全密度窗口窄，储层埋深普遍超过5 000 m，温度大于135 ℃，水平段钻穿多套缝洞单元，钻至设计井深的难度大，采用常规钻井技术钻进的水平段长度短，甚至无法钻至设计井深。因此，该作业区应用了精细控压钻井技术，解决了水平段井底压力控制难的问题，穿越了多套缝洞组合，水平段长度增长210%以上，显著提高了单井产能。如塔中721–8H井应用PCDS精细控压钻井技术，解决了溶洞型碳酸盐岩水平井水平段长度只能达到200～500 m的问题，创造了水平段长度1 561 m、单日进尺150 m的纪录。

2）低渗特低渗储层。印尼某油田的致密花岗岩地层属于典型的低渗特低渗储层，存在的主要技术难点为：地层可钻性差、研磨性高，地层压力低、安全密度窗口窄、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，采用常规钻井技术一直未发现油气显示。为此，采用低密度钻井液进行欠平衡精细控压钻进，通过精确控制井口回压，维持井底压力略低于地层压力，使地层气体在有控制的情况下进入井筒，及时发现油气层。在套管内注入重浆帽，保持裸眼段为低密度钻井液，防止重浆接触裸眼段和固相颗粒入侵储层，以保护油气层^[17]。以欠平衡精细控压钻井的方式揭开储层，待有油气显示后，及时监测入口、出口流量，快速控制溢流和漏失，每钻遇一个气测显示层或钻进90 m，以0.3 MPa递增或者递减，反推地层压力，钻进期间始终保持井底压力略低于地层压力。该油田应用PCDS精细控压钻井装备实施欠平衡精细控压钻井，实现了钻进期间全过程“点着火炬来钻井”，点火时间占钻井总时间的79.5%，火焰最高达15.0 m，油气显示良好，勘探取得重大突破。

3）高温高压地层。塔里木油田库车山前深部巨厚盐膏层钻井遇到的主要技术难题包括：超高压盐水层普遍发育（压力最高达190 MPa），超高温（温度最高达170 ℃），盐膏层中夹杂破裂压力梯度低的泥岩层，安全密度窗口窄，喷、漏、卡等复杂问题频发。为此，采用微流量控压钻井技术钻进高压盐水层^[18]，顺利钻穿了高压盐水层，且避免了钻穿盐底，大幅缩短了非生产时间，提高了钻井综合效率。如该油田克深某井钻遇高压盐水层后，最初采用传统的放水泄压，放水41次，共放水1 717.5 m³，49 d无进尺，采用微流量控压钻井技术恢复钻进，一趟钻就完成170 m进尺，用时11 d钻穿高压盐水层，取得了显著效果。

4）海底地层。海底地层疏松，在相同沉积厚度的地层条件下，随着水深增加，地层破裂压力梯度会降低，致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄，易发生涌、漏、塌、卡等井下复杂情况，海洋钻井风险较大，对井控和安全提出了更为严格的要求^[19–21]。为此，采用井底恒压控压钻井方式，降低井底压力波动幅度，以保证安全钻穿窄安全密度窗口地层。如渤海油田应用PCDS精细控压钻井技术发现了大型凝析气田，同时降低了井底压持效应，提高了机械钻速，与邻井同层位相比，机械钻速提高了107.7%。

5.   结论与建议

1）精细控压钻井技术能随钻实时保障井筒安全，井控技术是在井筒出现严重问题时重新构建井筒平衡的一种应急技术，两者有明显的区别，但是随着技术的发展，两者将逐步融合，在提高井口装备控压能力、完善控压钻井与井控转换方法的基础上，形成一项新的全过程井筒安全控制钻井技术，并最终替代井控作业。

2）随着石油勘探转向超深层、深水等复杂地层和天然气水合物等蕴含新能源资源的勘探开发，钻遇窄安全密度窗口地层的概率增大，尤其是高压气井、高气油比井的井控难度大；溢流、漏失等井下故障难以早期识别，处理手段滞后、控制难度大；井下信息不清，井下故障发生原因不明，处理措施缺乏针对性，导致处理井下故障的难度大。虽然精细控压钻井技术是应对该类问题的有效手段，但要更好更快地处理该类问题，仍需进一步研究，以满足极端地层及其工况条件的控压钻井需求。

3）精细控压钻井技术采集井底、地面大量的数据，是闭环钻井系统重要的一环，因此未来将与先进的钻井优化设计、实时钻井测控理论结合，形成精细控压钻井安全、优化理论^[22]，并在此基础上进一步发展为一体化智能井筒安全控制钻井技术，为智能钻井技术发展提供有力支撑。