■ EKM^® 智能精细控压钻井系统研发

随着国家对能源需求的不断增长，能源危机日益显著。提高石油和天然气井的勘探开发能力成为解决这一紧迫问题的重要途径。在此背景下，解决常规钻井过程中遇到的问题变得至关重要，而精细控压钻井技术正是可以有效解决这些难题的方法。通过采用精细控压钻井技术，我们能够更加精准地掌握钻井过程中的压力变化，从而有效解决常规钻井中常见的问题。这一先进技术不仅提高了勘探开发的效率，还有助于降低事故风险，提高作业安全性。因此，在国家能源需求迫切且不断增长的情况下，我们迫切需要采用精细控压钻井技术，以推动石油和天然气勘探开发能力的提升，为能源问题的解决提供可行而可持续的解决方案。

精细控压钻井技术旨在调整和控制井筒环空压力体系，确保在受限的地层压力窗口范围内进行钻井工艺及技术。这一钻井方式对提高石油天然气井钻探的安全性、时效性、经济性和环保性具有显著优势，同时有助于增强石油天然气井的可钻性，突破了常规钻井过程中的技术瓶颈，提升了钻井的技术水平和能力。

根据井底压力的不同控制方式，主要分为三类：常规钻井、欠平衡钻井和控压钻井。常规钻井属于过平衡钻井，其井底压力需要在地层压力和漏失压力之间保持，受泥浆密度、环空压耗、泵排量等因素影响，井底压力波动大且不稳定。欠平衡钻井通过控制井底压力，将其保持在地层坍塌压力与地层压力之间，主要适用于低压力地层钻井，包括空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井和充气钻井等方式。而控压钻井则在微过地层压力的基础上，保持井底压力稳定，提高机械钻时，避免溢流或漏失，提高井控安全性、时效性，节约钻井成本，同时提高油气井可钻性。

功能

■ 消除循环压耗、激动及抽汲压力对井底压力的影响，有利于深井、风险井、高温高压井等的施工安全，提高钻井时效；

■ 精细探测地层安全窗口，并有效控制井底压力在窗口范围内，有利于窄压力窗口井的安全、高效作业；

■ 及时精准发现井下复杂，快速调整和控制环空压力，应对井下复杂情况的发生。

精细控压钻井技术是通过采用旋转防喷器导流和控压节流管汇形成封闭、加压的钻井液循环系统，利用计算机智能技术、PLC自动控制技术、自动控压软件技术和液压（或电动）机械技术等融合的自动压力控制技术，将实钻过程中的钻井参数的采集、监测、计算、分析、决策和控制都融集到集成压力控制平台(IPM)，通过调整和控制井口压力从而实现控制井底压力或井底压力ECD，并保持井底压力稳定在地层压力安全窗口范围之内，从而实现安全高效钻井。

确定地层安全窗口是钻井工程中的首要任务，它直接关乎到整个钻井过程的安全与效率。在设计和实施钻井作业时，尤其是在选择钻井液密度以确保井壁稳定方面，精准测定地层压力窗口至关重要。常规钻井实践中，为保证井下安全，通常会基于预测的地层压力数据选取较高泥浆密度值作为上限，以防潜在的井涌或井漏事故。然而，一旦发生井漏，常规做法首先是进行堵漏处理；若堵漏措施未能奏效，可能被迫降低泥浆密度以阻止进一步漏失，但这无疑增加了井控风险，并可能导致钻井时效损失。

对于那些具有极窄压力安全窗口的地层，传统的钻井方法容易陷入“不溢则漏、既溢又漏”的复杂状况中，这不仅限制了钻井深度的实现，还可能导致项目无法达成预定的设计目标。相反，精细控压钻井技术凭借其动态调整井底压力的能力，对测量地层压力窗口的方法和技术提出了更为精密且科学的要求。通过运用这些先进技术手段，可以实时优化泥浆密度，在接近但微高于地层破裂压力的条件下（即微过平衡状态）进行钻进，从而既能有效提升钻井速度，又能大幅增强井控能力，同时减少粘吸卡钻的可能性以及对储层的损害，最终降低井下复杂情况的发生率，保障钻井作业的安全高效进行。

精细控压钻井技术主要是控制井底压力。如何控制井底压力，我们对井底压力进行分析与研究，它的计算公式如下：

常规钻井：井底压力=环空液柱压力+环空压耗+激动压力-抽汲压力

精细控压钻井：井底压力=环空液柱压力+环空压耗+激动压力-抽汲压力+井口压力

由上述公式不难看出，在精细控压钻井过程中增加了井口压力，而井口压力是根据钻井工况和钻井参数变化而变动，其变动根本是实施调整和控制井底压力应对井底出现的任何复杂情况。

其中，环空液柱压力（MPa) = ρ x g x h；ρ - 返出泥浆密度（g/cm³)；g - 0.00981；h - 井底垂深（m)

环空摩阻：是指在循环时，钻井液从井底返出至井口引起的摩擦阻力，其主要受井底温度、钻速、钻盘钻速、岩石密度、泥浆流变性、泵速、井身结构、钻具组合等影响。

激动压力：是指钻具下放时，由于钻具挤压钻井液从而引起激动压力作用在钻头以下从而传递到井底，其主要受泥浆流变性、下放速度、井身结构、钻具组合等影响。

抽汲压力：是指钻具上起时，由于钻具带动钻井液上起，从而引起抽汲压力作用在钻头以下从而传递到井底，其主要受泥浆流变性、上起速度、井身结构、钻具组合等影响。

井口压力：是指通过地面节流系统对井口施加的压力，根据不同钻井工况和钻井参数变化而变化，实现对井底压力的调整和控制，保持井底压力稳定，以下是常规钻井和控压钻井井底压力示意图：

图示显示，常规钻井井底压力在不同的钻井工况和钻井参数变化下，井底压力不断发生变化，如遇窄压力窗口地层钻进就会出现停泵溢流开泵漏失等钻井难题，而控压钻井井底压力在不同的钻井工况和钻井参数变化下，由于施加了不同的井口压力补偿环空摩阻、抽汲压力和激动压力等始终保持井底压力恒定，完全解决了常规钻井井底压力变化大从而引起的井下复杂，实现安全、快速、高效钻井作业。

■ 如何控制井底压力？

首先进行控压钻井系统研究，其中包括控压控制界面研发、控压数据库研发、数据采集系统研发、控压控制系统研发、溢流预警系统研发、控压节流管汇研发、控压钻井工艺研发、控压现场操作程序及应急程序研究、控压设备研发等。

一、控压控制界面研发
特点 ■ 直观友好，易于监察和操作 ■ 多种压力控制模式 ■ 井口压力与井口设置压力曲线展示 ■ 钻井工况时时展示 ■ 远程及当地控制转换 ■ 实时井下情况显示
二、控压数据库及采集研发
特点 ■ 采集所有钻井参数 ■ 具有与录井、定向的数据传输功能 ■ 具有远程数据传输 ■ 具有所有参数单位转换 ■ 具有数据导出功能 ■ 具有数据回放功能 ■ 具有数据输入功能 ■ 具有参数设置功能

拥有自主研发的《EKM^® 智能精细控压数据采集》系统专著权

三、EKM^® 智能控压控制系统研发

1. 测量系统：

（1）采用PA总线压力变送器、PA总线液位变送器等信号测量电气设备，测量精度可靠、高效，有效的降低现场采集过程中的误差。

（2）采用易福门接近开关，易于维护，测量效果精准。

2. 电源系统：

现场设备采用高品质开关电源，稳定高效，适应极端工作环境。CPU采用自身电源模块，电源采取冗余配对。在电源极其不稳定的现场工作环境中也能正常工作，提高CPU电源容错性。（系统为每个CPU配置两个电源）

3. 控制系统：

采用双通道硬件冗余控制系统，包含两个CPU及其配件（CPU电源、同步模块）、两个分布式I/O（ET200M）。ET200M装配冗余结构的DI/DO、AI/AO信号模块。电气设备通MTA板与ET200M双向连接，为设备控制、声光报警、安全状态提供双向保障。正常工作状态下，主CPU进行控制读取，备用CPU进行同步，保存现场数据，互为冗余的模块同时读取信号、控制输出。当冗余系统出现故障时，系统通过自主判断进行切换。

拥有自主研发的《EKM^® 智能精细控压》钻井系统软件著作权

拥有自主研发《精细控压数据分析系统》专著权

四、EKM^® 溢流漏失预警系统研发

在钻井作业中，溢流和漏失是常见的挑战性问题。未能及时察觉溢流可能导致井下状况复杂化，降低钻井效率，增加成本，并可能引发重大的井控安全风险，甚至酿成人员伤亡、设备损坏以及对环境的破坏性影响。针对现有常规钻井方法存在的监测手段局限性和较高的人为依赖性，导致溢流难以被精准、及时发现的问题，格瑞迪斯公司深入研发了溢流与漏失监测技术。

EKM^® 溢流预警智能系统正是利用先进的计算机智能化技术和海量钻井大数据，建立了适应不同钻井工况的溢流及漏失数学模型。该系统能够实时采集钻井参数，并将这些数据与模型进行连续不断地对比分析，以达到每秒一次的高频“体检”速率，从而实现对溢流漏失情况的精确预警和及时响应，有效提升了井控安全系数和钻井作业效能。

拥有自主研发的《EKM^® 智能控压溢流漏失预警系统》著作权

五、EKM^® 智能控压固井系统研发

当地层压力窗口窄的时候，固井过程中会出现漏失，造成水泥浆不能上返到设计高度，造成固井质量差，达不到设计要求，故而格瑞迪斯研发了控压钻井系统，包括设备及控压固井软件系统，并在现场多次施工成功，得到了客户的广泛认可，在提高固井质量和成功率的同时节约了固井成本。

自主研发的《控压固井参数采集及控制系统》专著权

格瑞迪斯通过10多年EKM^® 智能精细控压钻井系统的自主研发，从第一代设备及软件控制系统到目前的第七代控压钻井系统，从陆地到海洋自升式控压钻井系统，从自升式海洋钻井平台到深水半潜式平台，我们仍然在控压钻井系统的研发上继续努力，为将来全功能、全方位的智能控压控制系统的研发做出应有的贡献。