A Managed Pressure Balance Method for Wellbore Pressure Fluctuation during Downlink Communication while Drilling
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摘要:
针对旋转导向钻井中负脉冲下行通讯引发的井筒压力波动对井控安全不利的问题，根据负脉冲下行通讯系统的工作原理和特征，建立了以立压为参照的控压平衡方法和井筒瞬态流动模型，分析了负脉冲下行通讯过程中井筒中钻井液的流动规律，并验证了以立压为参照控压平衡方法的效果。数值模拟发现：负脉冲下行通讯过程中，信号从立管向井口传播，流量波动显著畸变，压力波动显著减小，且都具有时滞效应；立压与井底压力的变化趋势基本一致，证明了立压可以作为调节回压的参照数据；控压下行通讯过程中，井底压力负波动降低了80.9%，且井底流量波动形态与恒定井口回压下行通讯的井底流量波动形态基本一致。研究结果表明，以立压为参照的控压平衡方法可以有效抑制负脉冲下行通讯过程中井底压力的波动，有利于保持井底压力稳定，且不会对负脉冲下行通讯流量信号造成干扰，为现场作业提供了理论指导。
Abstract:The wellbore pressure fluctuation caused by negative pulse downlink communication in rotary steerable drilling is unfavorable to well control safety. Therefore, based on the operating principle and characteristics of the negative pulse downlink communication system, a managed pressure balance method with standpipe pressure as the reference and a wellbore transient flow model were established. The flow law of drilling fluid in the wellbore during negative pulse downlink communication was analyzed, and the effect of the managed pressure balance method based on standpipe pressure was verified. The numerical simulation results show that the signal propagates from the standpipe to the wellhead during the negative pulse downlink communication, and the flow rate fluctuation is significantly distorted; the pressure fluctuation is significantly reduced, both of which have time delay effects. The variation pattern of standpipe pressure and bottom hole pressure is basically consistent, proving that standpipe pressure can be used as reference data for regulating back pressure. The negative fluctuation of bottom hole pressure is decreased by 80.9% during downlink communication under managed pressure, and the fluctuation pattern of the bottom hole flow rate is basically consistent with that under constant wellhead back pressure. The research results indicate that this managed pressure balance method with standpipe pressure as the reference can effectively suppress the fluctuation of bottom hole pressure during negative pulse downlink communication and maintain stable bottom hole pressure, and it does not interfere with the flow signal of the negative pulse downlink communication, providing theoretical guidance for on-site operations.
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精细控压钻井通过自动控制系统和执行装置，在井筒停止循环、气侵、井漏工况下，可以迅速调整井口回压，平衡井筒压力，保障钻井安全，广泛应用于“溢漏同存”窄安全密度窗口地层[1–7]。旋转导向钻井可以自动旋转定向钻进，实现精确、高效的井眼轨迹控制，是复杂超深定向井和大位移水平井的高端钻井技术[8–11]。旋转导向钻井中需要向井下仪器发送命令，调整其工作参数，该过程可称为随钻下行通讯。目前，国内外旋转导向钻井系统的下行通讯系统主要采用钻井液负脉冲形式通信[12–17]，多以流量波动加载信息，相比传统活动钻具的通讯方式，具有通信速率高、无需停止钻进的优点，但此过程会引起井筒压力负波动。
随着非常规、难动用油气资源的深入勘探开发，需同时应用旋转导向钻井技术和精细控压钻井技术的高难度复杂井越来越多。经过多年发展，控压钻进、起下钻、接卸钻柱等工艺逐渐完善[18–20]，但是旋转导向钻井与精细控压钻井相结合，控压钻井平衡负脉冲随钻下行通讯井筒压力负波动的方法鲜见报道。国际方面，哈里伯顿Flex MPD系统的服务包含了MWD下行通讯补偿，但是没有见到介绍其具体原理或方法的报道。国内方面，研究基本针对旋转导向钻井系统下行通讯系统的工作原理，以及编码、解码、信号测量和识别等方面开展，目的在于提升通讯效率和准确率，鲜有关于下行通讯对于井底压力影响的详细报道[15–17，21–22]。采用精细控压钻井技术的井往往存在压力敏感地层，井筒压力波动不利于井筒安全。所以，针对该技术问题，有必要开展分析，建立对应的控压方法，以保持井筒压力稳定。为此，笔者通过分析下行通讯系统结构与工作原理，基于井筒流动特征，提出了一种基于立压数据的控压钻井平衡随钻下行通讯井筒压力波动的方法（以下简称控压下行通讯），并建立了数学模型，采用数值模拟方法模拟了恒定井口回压下行通讯和控压下行通讯，验证了该方法的可行性和效果。
1. 负脉冲下行通讯原理
1.1 负脉冲下行通讯系统的组成和工作原理
负脉冲下行通讯系统主要由控制系统、分流管汇、井下仪器传感器和钻机组成，如图1所示。分流管汇入口连接在钻井泵与立管之间，分流管汇出口与钻井液罐连接。
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图 1 负脉冲随钻下行通讯系统和MPD系统的主要组成Figure 1. Main components of negative pulse downlink communication system while drilling and MPD system旋转导向钻井系统向井下发送命令时，计算机发送信息编码，通过控制系统将编码转换为控制信号，驱动分流管汇执行机构开启、关闭阀门。当分流管汇阀门开启时，钻井泵排出的钻井液部分返回钻井液罐，钻井液进入井筒的流量减小、压力降低；当分流管汇阀门关闭，钻井液全部进入井筒，井筒内钻井液的流量恢复、压力恢复。根据控制信号，分流管汇阀门规律性地开启、关闭时，引起井筒内钻井液流量、压力相应变化。井下仪器的传感器实时测量钻柱内钻井液流量的变化，识别信号、解码，接收下发命令的信息并传送至井下仪器的控制器，完成下行通讯过程[12–14，23]。
1.2 通讯编码
钻井液作为传送信号的介质，信道耗散作用强，受钻柱振动干扰，且井下仪器处理信息的能力远低于地面设备。因此，相比上行通讯编码，下行通讯编码应具有信号频率较低、信号幅值较大和负脉冲与间隔组合规则简单等特征。图2所示为一条贝克休斯下发命令的通讯编码，由脉宽16 s、间隔12 s、脉宽8 s、间隔12 s、脉宽8 s、间隔24 s、脉宽8 s、间隔16 s、脉宽24 s、间隔8 s、脉宽8 s、间隔16 s、脉宽8 s、间隔8 s、脉宽8 s、间隔48 s和脉宽24 s所组成。分流管汇阀门的开启、关闭对应控制系统的高、低控制电平。
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图 2 负脉冲下行通讯信息编码Figure 2. Information encoding of negative pulse downlink communication1.3 工况特征
负脉冲下行通讯，进入井筒钻井液的流量规律性降低、恢复，产生向井底传播的负脉冲流量波动信号。为了保障负脉冲信号特征明显，分流管汇执行器驱动阀门开启、关闭的动作必须迅速，一般完全开启、关闭的时间不能超过3 s。因此，下行通信具有以下特征：1）井筒内钻井液的流量以秒级迅速剧烈变化；2）钻井泵的排量保持稳定，泵冲无变化；3）立压和井底压力变化迅速。
2. 控压下行通讯方法与流程
根据上述分析，若依靠录井通讯数据进行下行通讯，相对信号变化时间和监测数据时间延迟较长，且泵冲信号也无效。下行通讯井筒内钻井液流动的变化是由于进入钻井液的流量规律性变化而引起动态变化的传播过程，考虑数据的实时性，立压数据接近信号源，作为参照更具实时优势。而且，立压与井底压力的变化趋势基本相同，详细分析见第4节，以其为参照利于实时调节回压，平衡井底压力的变化。因此，将基于控压钻井系统实时高采样监测的立压数据作为调节井口回压的参照。
在控压下行通讯之前，需要发送一条下行命令进行测试，测量正常钻进的立压、钻井液流量、最小立压和最小返出流量，并根据测量结果计算控压下行通讯预测回压所需的参数。若钻井泵排量改变或调整钻井液性能等直接影响钻进的重要工程参数，应再次测试一次，并重新计算参数。根据正常钻井参数，采用稳态模型预测正常钻进时的井底压力p；根据最小返出流量，采用稳态模型预测最低井底压力pmin；根据井底压力的差值Δp、正常钻进时的井口回压pb0以及测试立压最大变化与正常立压的比γ，确定井口回压调整基础值dp。
Δp=p0−pmin (1) \gamma = \frac{\Delta {p_{\text{s}}}}{p_{{\text{s}}0}} (2) {d_{\text{p}}} = \frac{\left( {\Delta p - {p_{{\text{b0}}}}} \right)} { \gamma} (3) 式中：Δp为正常钻进与下行通讯测试的井底压力差，Pa；p0为稳态模型预测正常钻进时的井底压力，Pa；pmin为稳态模型预测的最低井底压力；Δps为下行通讯测试立压降低的最大幅度，Pa；ps0为正常钻进时的立压，Pa；γ为测试立压最大变化与正常立压的比；dp为井口回压调整基础值，Pa。
控压下行通讯，实时测量立压psr，实时计算立压变化比n，以dp为井口回压调整基础值，控制井口回压的变化。控压下行通讯执行流程如图3所示。
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图 3 控压下行通讯执行流程Figure 3. Execution process of managed pressure for downlink communication3. 数学模型与求解
3.1 瞬态流动模型
根据上述分析可知，负脉冲下行通讯过程中，井筒内钻井液流量变化剧烈，属于变质量瞬变流，必须采用瞬态流动模型才能模拟其流动特征[24–25]。为了便于模型封闭，降低问题的复杂程度，作以下简化：1）忽略钻柱振荡、扭曲；2）忽略上行通讯脉冲器动作所产生的钻柱内的压力正脉冲；3）忽略地层流体的侵入。
基于N−S方程，建立负脉冲下行通讯过程中井筒流动预测模型。该模型为偏微分方程组，其包括连续方程和运动方程。
连续方程为：
\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho v} \right)}}{{\partial x}} = 0 (4) 运动方程为：
\frac{{\partial \left( {\rho v} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho {v^2}} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial p}}{{\partial x}} = - \rho g\sin \theta - \frac{{2f\rho v\left| v \right|}}{D} (5) 其中
D=\left\{\begin{array}{ll}{d}_{{\mathrm{si}}}& 钻柱\\ {d}_{{\mathrm{ci}}}-{d}_{{\mathrm{so}}}& 环空\end{array}\right. (6) 式中：ρ为钻井液密度，kg/m3；v为流速，m/s；p为压力，Pa；t为时间，s；x为空间位置，m；g为重力加速度，m/s2；θ为流速方向与水平面夹角，rad；f为流动摩阻系数；dsi为钻柱内径，m；dci为套管内径或裸眼直径，m；dso为钻柱外径，m。
3.2 数值求解方法
瞬态流动模型属于双曲线型偏微分方程组，采用特征线法进行线性离散，得到离散线性方程组，采用牛顿−拉夫逊法迭代求数值解[26]。该求解方法具有物理意义明确、收敛稳定、效率较高的优点。
4. 数值模拟结果与分析
某井井深5 300 m，为大斜度井，钻井液密度为1 400 kg/m3，钻井液排量为35 L/s。下行通讯编码如图2所示，设定阀门开启、关闭时间为2 s。设定返回钻井液罐钻井液的流量为钻井泵排量的25%，进入井筒钻井液的流量如图4所示，忽略钻井泵自身的波动。忽略控制系统精度和时滞的影响，以上述参数为基础分析下行通讯井筒中钻井液的流动规律和控压下行通讯效果。
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图 4 恒定井口回压下行通讯过程中井筒内钻井液流量的变化Figure 4. Variation of flow rate of drilling fluid in wellbore during downlink communication under constant wellhead back pressure4.1 恒定井口回压下行通讯
地层条件比较稳定的井段，井筒内钻井液的流动状态也比较稳定，以恒定井口回压钻进即可满足安全钻进要求，且该模式便于分析。所以，设定控压钻井模式为恒定井口回压模式，即井口回压pb设定为0.5 MPa，模拟负脉冲下行通讯过程。为便于比较压力波动的幅度，对压力数据进行归一化处理，归一化处理公式为：
{p_{\text{u}}} = \frac{{{p_{\text{i}}}}}{{{p_{\max }}}} (7) 式中：pu为归一化压力；pi为计算出的压力，MPa；pmax为计算出的最大压力，MPa。
图4所示为恒定井口回压模式下行通讯过程中，井筒、井底、井口环空返出钻井液流量变化的对比。从图4可以看出，进入立管钻井液的规则负脉冲流量信号传播至井底、环空井口，由矩形波衰减为近似三角形波形，且返出钻井液流量的波形畸变更为明显。因为作为信道的井筒环空具有耗散作用，波峰流量明显减小、波谷流量明显增大，呈现波幅减小。进入立管钻井液流量的波峰值为35.00 L/s、波谷值为26.25 L/s，井底流量最大波峰值为34.53 L/s、最小波谷值为26.25 L/s，返出流量最大波峰值为34.16 L/s、最小波谷值为27.44 L/s。虽然波动幅度呈现衰减趋势，但是波动趋势明显。因为流体的压缩特性，进入立管钻井液流量的波动传播至井底、井口，流量的变化具有明显的滞后效应。如图4内标注，a为进入立管钻井液流量的最初降低时刻，b为井底流量的最初降低时刻，c为返出流量的最初降低时刻，a=30.2 s、b=34.7 s、c=39.4 s。
图5所示为恒定井口回压模式下行通讯过程中立压、井底压力变化的对比。从图5可以看出：立压的最大波峰值为27.43 MPa、最小波谷值为19.90 MPa，井底压力的最大波峰值为54.87 MPa、最小波谷值为53.46 MPa；立压波动幅度大于井底压力波动幅度，立压的最大波动幅度为7.53 MPa，井底压力的最大波动幅度为1.41 MPa；立压与井底压力的变化趋势基本趋同，虽然变化值不同，但形态基本一致。流量与压力关系密切，呈现对应关系，立压和井底压力也呈近似三角波形，压力传播具有明显的滞后效应。
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图 5 恒定井口回压下行通讯过程中立压与井底压力的变化Figure 5. Variation of standpipe pressure and bottom hole pressure during downlink communication under constant wellhead back pressure恒定井口回压模式下行通讯过程中井深4 300，4 500，4 700，4 900，5 100和5 300 m处环空压力的最大负波动分别为0.48，0.60，0.69，0.79，0.93和1.41 MPa，表明越接近井底压力波动越大。
立压和井底压力归一化结果的对比如图6所示。从图6可以看出，与自身对比，立压波动程度远大于井底压力波动程度，可以通过立压监测下行通讯过程中井底压力的波动趋势。
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图 6 归一化立压和井底压力的变化Figure 6. Normalization of standpipe pressure and bottom hole pressure模拟结果显示，下行通讯以进入井筒钻井液流量的变化为信号源，以井筒内流动的钻井液为信道，传播过程中压力波动具有显著的耗散，延迟明显，波幅值衰减明显。流量波动具有显著的畸变，延迟明显，进入井筒流量传播至井底时波动衰减显著，但井底至井口流量的衰减较小。压力变化与流量变化呈对应关系，流量减小压力降低，流量恢复压力升高。
4.2 控压下行通讯
初始井口回压pb0为0.5 MPa，井口回压调整基础值dp为4.8 MPa，根据所建立的控压下行通讯方法和流程调节井口回压。下行通讯过程中根据立压变化调节井口回压，如图7所示，井口回压迅速变化，与立压呈反向对应。控压下行通讯过程中返出流量仍呈现衰减，如图8所示，受井口回压调节的影响，相比井底流量，更接近入口流量的变化形态。控压下行通讯过程中井底压力的最大波动幅度0.27 MPa，波动幅度受到了明显抑制，如图9所示。与图5恒定井口回压模式相比，其立压波动幅度增大微小，波形基本一致。
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图 7 控压下行通讯过程中井口回压的变化Figure 7. Variation of wellhead back pressure during downlink communication under managed pressure![]()
图 8 控压下行通讯过程中井筒流量的变化Figure 8. Variation of flow rate in wellbore during downlink communication under managed pressure![]()
图 9 控压下行通讯过程中立压与井底压力的变化Figure 9. Variation of standpipe pressure and bottom hole pressure during downlink communication under managed pressure控压下行通讯过程中井深4 300，4 500，4 700，4 900，5 100和5 300 m处环空压力的最大负波动分别为0.41，0.28，0.15，0.05，0.13和0.27 MPa，显示井底至井口压力波动呈现先减小后增大的趋势，整体波动幅度较小。与恒定井口回压模式相比，控压下行通讯过程中下部井筒压力波动幅度减小，平衡压力波动效果良好。
4.3 对比分析
恒定井口回压和控压下行通讯过程中井底压力的对比如图10所示。由图10可知，与恒定井口回压下行通讯相比，控压下行通讯过程中井底压力波动幅度明显减小，最大波动幅度从1.41 MPa降至0.27 MPa，波动幅度减小约80.9%，达到了控压抑制井底压力波动的目的。恒定井口回压下行通讯和控压下行通讯过程中井底流量的对比如图11所示。从图11可以看出，恒定井口回压下行通讯和控压下行通讯过程中井底流量的波峰、波谷、波动宽度等形态基本一致，后者井底流量的波动幅度轻微增加。由此可知，控压下行通讯过程中流量负脉冲信号传播至井底，信号基本没有受到额外干扰，井下仪器可以解码井底流量负脉冲信号所加载的信息，完成通讯过程。
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图 10 恒定井口回压与控压下行通讯的井底压力对比Figure 10. Comparison of bottom hole pressures under constant wellhead back pressure and managed pressure during downlink communication![]()
图 11 恒定井口回压与控压下行通讯的井底流量对比Figure 11. Comparison of bottom hole flow rates under constant wellhead back pressure and managed pressure during downlink communication5. 结 论
1）基于现有控压钻井系统，在不增加新设备的情况下，建立了一种下行通讯过程控压平衡方法，其以立压数据为参照调节井口回压，指导旋转导向钻井下行通讯过程中平衡井筒压力波动。
2）模拟结果显示，恒定井口回压下行通讯过程中进入钻柱钻井液流量的波动向井底传播，流量波动的传播具有显著的时滞、耗散、畸变效应。立压与井底压力的变化趋势基本相同，可以用立压表征井底压力的变化。
3）模拟结果显示，建立的下行通讯过程控压平衡方法可以有效抑制下行通讯过程中井筒压力的波动，与恒定井口回压下行通讯相比，波动幅度降低了80.9%。流量负脉冲信号传播至井底，基本没有受到干扰，不会影响井下仪器的解码。
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图 1 负脉冲随钻下行通讯系统和MPD系统的主要组成
Figure 1. Main components of negative pulse downlink communication system while drilling and MPD system
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图 2 负脉冲下行通讯信息编码
Figure 2. Information encoding of negative pulse downlink communication
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图 3 控压下行通讯执行流程
Figure 3. Execution process of managed pressure for downlink communication
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图 4 恒定井口回压下行通讯过程中井筒内钻井液流量的变化
Figure 4. Variation of flow rate of drilling fluid in wellbore during downlink communication under constant wellhead back pressure
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图 5 恒定井口回压下行通讯过程中立压与井底压力的变化
Figure 5. Variation of standpipe pressure and bottom hole pressure during downlink communication under constant wellhead back pressure
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图 6 归一化立压和井底压力的变化
Figure 6. Normalization of standpipe pressure and bottom hole pressure
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图 7 控压下行通讯过程中井口回压的变化
Figure 7. Variation of wellhead back pressure during downlink communication under managed pressure
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图 8 控压下行通讯过程中井筒流量的变化
Figure 8. Variation of flow rate in wellbore during downlink communication under managed pressure
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图 9 控压下行通讯过程中立压与井底压力的变化
Figure 9. Variation of standpipe pressure and bottom hole pressure during downlink communication under managed pressure
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图 10 恒定井口回压与控压下行通讯的井底压力对比
Figure 10. Comparison of bottom hole pressures under constant wellhead back pressure and managed pressure during downlink communication
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