控压钻井技术

控制压力钻井(MPD)技术内容oMPD的概念、特点与作用oMPD的原理、分类、设备o三大控压钻井系统oMPD的关键o胜利钻井院控压钻井系统oMPD应用与展望控制压力钻井（MPD）的概念IADC对MPD（managedpressuredrilling)的定义（Feb2004toJan2008）o控制压力钻井是一种在整个井眼内精确控制环空压力剖面的自适应钻井过程（Adaptivedrillingprocess）。o其目的在于确定井下压力窗口，从而控制环空液压剖面。oMPD旨在避免地层流体连续地流入到地面，钻井作业任何意外的流动将使用适当的方法进行安全的控制。（Jan2008）MPD也有翻译为：压力管理钻井MPD的特点o始终精确控制井眼压力稍大于地层孔隙压力，不会诱导地层流体侵入。o钻井液密度低于常规钻井密度，避免超出地层破裂压力梯度。o通常使用液相钻井液。o使用闭合、承压的钻井液循环系统。控制压力钻井（MPD）的作用o在地层破裂—孔隙压力窗口小的时候，减少井涌—井漏现象，提高井控安全性，能够钻更深的裸眼段；o能够使套管下得更深，从而有可能减少一层甚至更多层次的套管；o提高较大井眼钻达目的层的可能性；o减少由于环空压力引起的井漏；控制压力钻井（MPD）的作用o减少钻遇大裂缝发生严重井漏时的钻井液成本，及井漏引起的井控问题；o避免地下井喷；o提高HSE效果，尤其是在要求更高的海上；o减少非生产作业时间GravityDisplacementFluidBalance21钻井三压力剖面o地层孔隙压力o地层坍塌压力o地层破裂压力（或漏失压力）钻井压力（密度）窗口窄压力（密度）窗口问题常规钻井钻井液密度设计：o油井，地层孔隙压力当量钻井液密度附加0.05-0.10g/cm3o气井，附加0.07-0.15g/cm3钻井液窄密度窗口条件下的问题：o密度窗口油井小于0.05（气井小于0.07），不能找到不漏不喷的平衡点，静止、循环都发生井漏o密度窗口油井小于0.10（气井小于0.12）（假定环空摩阻折算当量钻井液密度为0.05），静止不漏，但循环发生井漏。窄密度窗口条件下常规钻井处理o控制钻井液密度o下技术套管封o堵漏提高承压能力背景o地层漏失、压差卡钻、钻杆扭断、地层孔隙压力与地层破裂压力窗口狭窄造成涌—漏等问题，增加非生产时间，导致勘探费用大幅度提高。o需要精确地管理和控制井眼压力。o美国在上世纪60年代后期开始应用控制压力钻井。oMPD第一次正式出现是在2004年阿姆斯特丹的IADC/SPE钻井会议上。oMPD技术的意图是利用欠平衡工具和技术控制进入井眼的地层流体，其主要目的是避免通过加重钻井液来解决钻井复杂问题。减少套管层数，提高钻井效益，降低钻井成本。MPD与UBD、PD的关系o欠平衡钻井的主要目标是避免损害将要开发的产层，是以储层为本的。气体、雾化、泡沫、充气、液体钻井。o而控制压力钻井MPD的主要目标是解决与钻井有关的复杂压力控制问题，是以钻井为本的。液体。o提速钻井PD(performancedrilling)或AD(airdrilling)用于提高机械钻速。气体、雾化、泡沫。oCPD（controlledpressuredrilling)井眼压力欠平衡钻井坍塌压力～孔隙压力控压钻井油井，孔隙压力～孔隙压力+1.5-3.5MPa气井，孔隙压力～孔隙压力+3-5MPa近平衡钻井油井，孔隙压力+1.5-3.5MPa气井，孔隙压力+3-5MPa过平衡钻井油井，孔隙压力+3.5MPa～破裂压力气井，孔隙压力+5MPa～破裂压力欠平衡、控压、常规钻井划分MPD原理常规钻井：井底循环压力=静液柱压力+环空摩阻MPD：井底循环压力=静液柱压力+环空摩阻+地面回压（环控压耗折算当量钻井液密度0.03-0.15g/cm3）MPD解决井漏的原理o井漏是经常发生的钻井复杂问题之一，常规钻井采用堵漏提高承压能力往往费时、费钱、费力，而且效果往往不好。o直井高角度缝，缝宽达到毫米级时，就会出现严重井漏，甚至失返，缝宽在100微米以上的裂缝就比较难以封堵了。o孔隙性漏失，漏失量与过平衡压差成正比（符合达西渗流定律），裂缝性漏失，漏失量与过平衡压差成1.5至1.6次方的关系，且无任何内外泥饼作用。oMPD解决井漏的原理是控制环空压力接近于地层孔隙压力，其过平衡压差不足以克服钻井液向孔隙性漏失层的渗流或向裂缝性地层的流动阻力。MPD解决漏涌并存的原理o在裂缝性井漏情况下，钻井液密度窗口非常狭窄，往往不到0.02g/cm3，环空循环摩阻足以造成漏失。MPD解决井漏的原理o环空摩阻当量钻井液密度一般不高于0.05g/cm3。o在深井和超高压地层，由于采用极高的钻井液密度，环空摩阻高达0.15g/cm3。o在这种情况下，即使不是窄密度窗口，也会造成漏喷并存或压裂地层的复杂情况。3008001300180023002800330038004300480053000.811.21.41.61.822.22.42.6当量泥浆密度（g/cm3）井深（m）地漏试验破裂压力坍塌压力孔隙压力实际密度漏失压力蓬当组蓬当组蓬当组塔本组蓬当组塔本组MPD分类IADCUBO协会的MPD分会将MPD技术划分为二大类：o被动型MPD（ReactiveMPD）使用MPD方法和/或设备作为应急，以减轻所出现的钻井问题。采用常规套管程序和钻井液程序。配备旋转控制装置、节流管汇、钻具浮阀等设备。提高安全性和钻遇意外压力时（如孔隙压力或破裂压力高于或低于预计值）的施工效率。目前在陆地施工的控制压力钻井大多是采用被动型方式。MPD分类IADCUBO协会的MPD分会将MPD技术划分为二大类：o主动型MPD（ProactiveMPD）使用MPD方法和/或设备，积极控制整个裸眼的压力剖面。钻井设计时就充分考虑到精确控制井下环空压力在套管程序、钻井液程序、和裸眼段施工等方面可能带来的好处。施工时井下压力完全按照设计曲线进行，包括接单根时依靠增加井口回压控制井下压力。为钻井作业带来更多的好处，如用较少的套管钻更深的井，较少的非生产作业时间，钻达目的井深时较少的钻井液密度变化，更强的井控能力等。MPD分类恒定井底压力和可变井底压力的分类（SIGNA2000）：o可变井底压力方法间歇的欠平衡钻井变化的过平衡井底压力加压泥浆冒钻井(PMCD)o恒定井底压力方法无隔水管钻井双梯度钻井(DGD)连续循环系统(CCS)使用回压泵使用自动/半自动/手动节流阀ChokesMPD分类变型与方法的分类（Hannegan2005），MPD大的子类叫变型：o恒定井底压力MPD（CBHPMPD）o加压泥浆帽钻井（PMCD）o双梯度钻井MPDoHSE（健康、安全、环境）MPDMPD分类变型又可分为方法：o恒定井底压力MPD连续循环系统(CCS)使用回压使用回压泵使用节流阀：自动/半自动/手动恒压点(PoCP)o双梯度钻井MPD泥浆稀释无隔水管泥浆回收海底泥浆举升钻井(SMD)使用特殊工具注入不可压缩的轻固体和液体（在研）恒定井底压力MPD控制回压(AtBalance的动态环空压力控制DAPC)被Schlumberger收购系统包括：o自动节流管汇o回压泵o集成压力控制器o流体力学模型控制回压(AtBalance的动态环空压力控制DAPC)被Schlumberger收购控制回压(Halliburton的GeoBalanceMPD)oGeoBalanceSelf-Managed：旋转控制装置、双液动节流阀的节流管汇。oGeoBalanceAutomated：采用地面监测系统、实时流体力学模型、自动节流阀进行远程软件控制的节流作业。中石油2009年在塔里木油田塔中碳酸盐岩地层实施了9口井。oGeoBalanceOptimized：实时地质力学性质（孔隙、破裂和坍塌压力）确定，并集成到自动节流管汇控制软件中。oGeoBalanceSigma：多相流模拟、地面分离和注入设备，用于低压或衰竭地层。控制回压(Halliburton的GeoBalanceMPD)回压泵流量计撬节流管汇撬控制流量(SecureDrilling的微流量控制方法)被Weatherford收购o80-160L发现溢流，120秒内控制溢流，总溢流量控制在0.24(0.9)方内。可以早期发现溢流，并快速作出处理，能够真正实现近平衡钻井和控压钻井，大大提高了近海、深海以及地层压力未知的探井、深井的井控安全性。o通过监测溢流和漏失，保持溢流量或漏失量尽可能的少。这意味着井眼问题在早期就得到了解决，而不是待到发展成更大的复杂问题（巨大风险和成本的危险情况）时再解决。o能够在任意选择的井底压力（恒定的、可变的、固定的过平衡）下钻井。o旋转控制头、自动节流管汇、实时数据采集（包括质量流量计）、控制器。o用于高温高压井、深水井、探井、孔隙压力未知地层或压力剖面变化剧烈的井、环保要求高的井。o在德阳1井和大港的一口井上进行了应用。控制流量(SecureDrilling的微流量控制方法)控制流量(SecureDrilling的微流量控制方法)o2005年-2006年初，SecureDrilling系统在Louisiana大学成功的进行了多次实验。2006年8月，Petrobras在巴西东北部的一口215.9mm井眼的井，用水基钻井液，5天钻进556m。oChevron在南德克萨斯的一口探井，215.9mm井眼，7天钻进845m。该系统成功地检测到接单根时井底发生的气体溢流。o通过两个井的应用进行了改善，然后Petrobras用于后续的钻井作业。oChevron在2006-2007年用SecureDrilling系统共打了4口井。控制泥浆帽(CMC)控制泥浆帽钻井:用低隔水管返回系统LowRiserReturnSystem(LRRS)和海底举升泵。控制回压(恒压点PoCP)连续循环系统(CCS）控制环空摩擦压力加压泥浆帽MPD容许在严重井漏或全井段漏失的条件下安全钻井。要点：o地面无返回o高粘泥浆以刚低于储层压力条件下低速泵入环空o不处理的钻井液（水）沿钻柱泵入o回压用来平衡储层压力，并维持系统平衡双梯度钻井无隔水管泥浆回收系统(RMR)•RMR在下表层套管前就能使用。•使用一台自动海底泵，将返回的泥浆通过一个返回管线从泥线返回到钻台。•计算机控制系统和其它监测设备，通过改变泵速维持所需的井底压力。•AGRSubseaAS.海底泥浆举升钻井(SMD)SMD是一个联合工业项目,参与的公司：BP,Conoco,Chevron,Texaco,Schlumberger,Hydril。海底泥浆举升钻井(SMD)泥浆稀释注入不可压缩的轻固体和液体或使用特殊工具•在返回管线注入更低密度的材料能够减少返回流体的密度，从而减少注入点之上的静液压力。•注入材料可以是不可压缩的固体或液体，也可以是气体。•特殊工具如ECD减小工具。井下泵(ECD减少工具/ECDRT）HSE（健康、安全、环境）MPDMPD设备o地面和海底旋转控制装置RCDo手动、半自动、过程控制的节流管汇o电缆可回收钻具浮阀o套管隔离阀或井下套管阀oECD减小工具o制氮设备o海底泥浆返回泵o地面泥浆录井设备o实时压力和流量监测装置o连续循环系统o随钻压力测量MPD设备旋转控制头隔水管旋转控制头MPD设备隔水管内旋转控制头无隔水管旋转控制头o用于双梯度钻井o能够使泥线以上的隔水管内使用海水并与泥线下的钻井液和岩屑隔离开o钻井液和岩屑则通过海底泵由泥线送回到钻井船上o可以大大减小钻井液当量循环密度，避免超过地层破裂压力梯度的情况发生。MPD的关键o封闭、承压的循环系统；o流体力学计算与设计、随钻压力测量（PWD）；o井口回压控制，包括手动或自动节流控制，国外威德福、哈里伯顿、斯伦贝谢公司都有自动节流控制装置。o为了确定钻井液密度窗口，进行地层压力监测和三压力剖面解释也是必要的。00.020.040.060.080.10.120.140.160.185607.75618.525628.045638.3