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1、控制压力钻井(MPD)技术,内容,MPD的概念、特点与作用 MPD的原理、分类、设备 三大控压钻井系统 MPD的关键 胜利钻井院控压钻井系统 MPD应用与展望,控制压力钻井（MPD）的概念,IADC对MPD（managed pressure drilling)的定义（Feb 2004 to Jan 2008）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（Adaptive drilling process）。其目的在于确定井下压力窗口，从而控制环空液压剖面。MPD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。（Jan 2008）MP
2、D也有翻译为：压力管理钻井,MPD的特点,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。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。通常使用液相钻井液。使用闭合、承压的钻井液循环系统。,控制压力钻井（MPD）的作用,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；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；提高较大井眼钻达目的层的可能性；减少由于环空压力引起的井漏；,控制压力钻井（MPD）的作用,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；避免地下井喷；提高HSE效果，尤其是在要求更高的海上；减少
3、非生产作业时间,钻井三压力剖面,地层孔隙压力地层坍塌压力地层破裂压力（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：油井，地层孔隙压力当量钻井液密度附加0.05-0.10g/cm3气井，附加0.07-0.15g/cm3钻井液窄密度窗口条件下的问题：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,控制钻井液密度 下技术套管封 堵漏提高承压能力,背景,地层漏失、压差卡钻、
4、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。需要精确地管理和控制井眼压力。美国在上世纪60年代后期开始应用控制压力钻井。MPD第一次正式出现是在2004年阿姆斯特丹的IADC/SPE钻井会议上。MPD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,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。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
5、钻井为本的。液体。提速钻井PD(performance drilling)或AD(air drilling)用于提高机械钻速。气体、雾化、泡沫。CPD（controlled pressure drilling),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,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。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1
6、00微米以上的裂缝就比较难以封堵了。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。MPD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,在裂缝性井漏情况下，钻井液密度窗口非常狭窄，往往不到0.02 g/cm3，环空循环摩阻足以造成漏失。,MPD解决井漏的原理,环空摩阻当量钻井液密度一般不高于0.05g/cm3。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。在这种情况下，即
7、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。,MPD分类,IADC UBO协会的MPD分会将MPD技术划分为二大类：被动型MPD（Reactive MPD）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,IADC UBO协会的MPD分会将MPD技术划分为二大类：主动型MPD（Proactive MPD）使用MPD方法和/或设备，积极控制整个裸眼的压力剖面。钻井
8、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（SIGNA 2000）：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)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 Chokes,MPD分类,
9、变型与方法的分类（Hannegan 2005），MPD大的子类叫变型：恒定井底压力MPD（CBHP MPD）加压泥浆帽钻井（PMCD）双梯度钻井MPD HSE（健康、安全、环境）MPD,MPD分类,变型又可分为方法：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)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：自动节流管汇 回压泵 集成压力控制器
10、 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GeoBalance MPD),GeoBalance Self-Managed：旋转控制装置、双液动节流阀的节流管汇。GeoBalance Automated：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。GeoBalance Optimized：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。GeoBalance Sigma：多相流模拟、地面
11、分离和注入设备，用于低压或衰竭地层。,控制回压(Halliburton的GeoBalance MPD),回压泵,流量计撬,节流管汇撬,控制流量(Secure Drilling的微流量控制方法)被Weatherford收购,80-160L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。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。,能够在任意
12、选择的井底压力（恒定的、可变的、固定的过平衡）下钻井。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。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。在德阳1井和大港的一口井上进行了应用。,控制流量(Secure Drilling的微流量控制方法),控制流量(Secure Drilling的微流量控制方法),2005年-2006年初，Secure Drilling 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。Chevron在南
13、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。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。Chevron在2006-2007年用Secure Drilling 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 Low Riser Return System(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：地面无返回 高粘泥浆以刚低于储层压力条件下低速泵入环空 不处理的
14、钻井液（水）沿钻柱泵入 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。AGR Subsea AS.,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
15、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）MPD,MPD设备,地面和海底旋转控制装置RCD 手动、半自动、过程控制的节流管汇 电缆可回收钻具浮阀 套管隔离阀或井下套管阀 ECD减小工具 制氮设备 海底泥浆返回泵 地面泥浆录井设备 实时压力和流量监测装置 连续循环系统 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,用于双梯度钻井 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 钻井液和岩屑则通过海底泵
16、由泥线送回到钻井船上 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,封闭、承压的循环系统；流体力学计算与设计、随钻压力测量（PWD）；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。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。,控压钻井的应用类型,1、传统应用解决与窄压力窗口有关的钻井问题用带回压的CBHP 钻严重衰竭油藏的加密井用PMCD 钻全漏或几乎全漏的高度裂缝或溶洞地层在海上，用DGD解决尚未钻达目的层而无合适尺寸的套管可下 2、高级应用用PoCP钻更窄压力窗口的地层（甚至用CB
17、HP也没法钻）在同样裸眼段使用两种MPD方法，如PMCD+HSE 3、扩展应用提高机械钻速地层压力验证减轻地层侵入增强井涌和漏失检测,控压钻井技术选择步骤,1、确定目的确定目标明确项目的驱动因素 2、获取信息获取邻井的资料、地质资料了解钻探区块和钻井问题了解控压钻井方式或方法的选择 3、评价或分析常规水力分析MPD水力分析 4、结果不需要，需要而且可能，需要但没有可供选择的技术,应用控压钻井的理由,1、使用恒定井底压力MPD减小过平衡提高机械钻速避免压差卡钻防止井漏减少地层损害 2、使用 CBHP 和 DGD 使技套下得更深避免溢流和漏失交替发生达到目的井深钻窄的井涌余量或压力窗口的地层钻衰竭
18、的致密气层 3、使用PMCD钻巨大溶洞和循环漏失的层位 4、使用HSE在安全、健康和环境要求的地区钻井需要封闭循环系统的钻井,压力管理的参数,常规钻井：流变性泥浆密度固相含量循环流量岩屑浓度 控压钻井：回压-CBHP,DGD 和 PMCD液柱高度 DGD第二种流体的参数/泥浆柱/牺牲流体 DGD 和 PMCD 设计工具/阀的位置和地面设备,式中：p塑性粘度，mPas；L钻柱（钻杆或钻铤）长度，m；Q排量，L/s；Dh井径，mm；D钻柱（钻杆或钻铤）外径，mm；y屈服值，Pa。,井底循环压力=静液柱压力(单或双梯度）+环空摩阻+回压,压力管理的参数,除了常规压力管理参数（流变性、泥浆密度和循环流
19、量）外，CBHP 需要优化回压 PoCP 需要确定恒压点的深度 CCS没有额外参数 PMCD 需要确定地面回压，加压泥浆柱的高度、密度和流变性，牺牲流体的性能 泥浆稀释的DGD需要确定第二种或稀释泥浆的密度 海底泥浆举升DGD需要确定回压、海底泵的循环流量 LRRS需要计算隔水管中泥浆柱的深度 HSE 不需要额外参数,流体力学分析,单相流与多相流静态与动态模型实时计算（模拟）和设计计算,等效静态密度(ESD)、等效循环密度(ECD)的计算；不同作业条件下温度剖面的计算；流体密度和粘度剖面的计算；随钻测压数据(PWD)的解释；激动和抽吸压力计算；最大允许起下钻速度计算；参数敏感性分析；水力参数优
20、化。,控压钻井方法选择,候选井控压钻井技术选择流程,胜利钻井院MPD系统,自动节流管汇回压泵实时数据采集回压、立压和流量控制的综合控制器实时流体力学计算旋转控制头,胜利钻井院MPD系统,胜利钻井院MPD系统,应用概况,MPD已在全球的陆上和海上应用。MPD已在美国，加拿大，墨西哥，南美洲，北海，欧洲，非洲，中东，澳大利亚，东南亚，中国，印度和世界其它一些地区应用。截止到2008年，在海上已钻350多口MPD井（Hannegan2009年）。BP,Shell,ConocoPhillips,Chevron,Total,and Statoil大油公司,以及相对较小的业务范围小的油公司如Cheyenn
21、e Petroleum,Cypress E&P(both Onshore Texas),Pioneer(Alaska),Sinopec(China),E&I Libya等都进行了 MPD 作业。通常这些油公司的MPD项目的各个阶段，从服务提供商获得帮助，诸如井的设计，流体力学，设备选型，许可，MPD程序等。,应用概况,雪佛龙和德士古公司（现在归雪佛龙）是海底举升钻井(SMD)联合工业项目的成员。在中亚的Tengiz油田钻了几口PMCD的井用于减轻硫化氢和井漏问题。优尼科（现在归雪佛龙）从一个平台，钻了3口 CBHP井。在安哥拉和非洲做了一些MPD项目。在墨西哥海湾（GOM）海上进行了CBHP/
22、DGD。壳牌在墨西哥湾深水的Mars和Auger张力腿平台（TLP）进行了 CBHP应用。在亚洲和南美洲也有一些PMCD的应用。壳牌还参与了CCS开发的联合工业项目（JIP）。,应用概况,BP:参加了CCS和SMD的联合工业项目（JIPs）。在墨西哥湾钻了几口CBHP井，在亚洲钻了几口DGD井。它也在世界的不同地方钻了一些PMCD井。TOTAL:在北海钻了一些CBHP井。在非洲进行了几个应用，计划在非洲和东南亚进行更多井的应用。康菲石油：参加SMD的联合工业项目（JIP)。它在世界各地进行了CBHP、PMCD和HSE钻井。,国外实例1：,世界上第一次从浮式平台上应用加压泥浆帽MPD技术于200
23、4年7月完成。在马来群岛东部Sarawak海域的深水钻井作业中，以前一直存在钻井液大量漏失、钻井液费用过高、井控问题、钻井时间过长等复杂情况。在钻入孔洞型碳酸盐岩之后，Shell Malaysia公司应用了主动型MPD技术、加压泥浆帽钻井（PMCD）。向环空注入一段泥浆帽段塞，以价格便宜的盐水作为“牺牲流体”，旋转控制装置对返出钻井液加压，挠性管可以补偿船舶的升沉运动。PMCDMPD避免了常规钻井液的大量漏失，显著缩短了非生产时间，钻达目的井深（以前的几口邻井钻井液费用很高，而且未能钻达目的井深）。由于试验获得成功，又在79口漏失井上应用。,国外实例2：,2005年，Transocean和Sa
24、ntos公司将地面防喷器技术与MPD技术相结合，在印尼海域水深2240ft（683m）的Sedec 601半潜式平台上进行了应用。用常规技术钻井时地层总体上倾向于漏失，并存在井控和粘附卡钻问题。解决办法是将PMCD（加压泥浆帽钻井）技术与CBHP（井底压力恒定）技术相结合，配以Weatherford 7100控制头形成一种新型技术集合，从而解决了上述问题。Sedco 601平台所取得的突破是首次应用旋转控制装置控制环空压力，用地面防喷器从浮式钻机上钻进。,国外实例3：,委内瑞拉东部的San Joaquin气田是该国最重要的气田，2003年度的钻井液平均漏失量达4000桶/口井以上。其主力产层S
25、an Juan的上层压力衰竭并有裂缝，压差2000psi（13.8MPa）。采用MPD技术完成了一次多底井现场试验，对钻井液密度增加造成机械钻速降低的问题进行了研究及定量分析，钻井液密度增加会造成复杂地层过压和高压低产（HPLV）方面的问题，采用MPD技术无需提高钻井液密度即可控制超压，无须下入封隔漏失层的技术套管，可以安全、费用合理地钻过超压层。,评价井，钻至2951.37m时，钻井液密度 1.06g/cm3 井漏，1.04g/cm3 井涌，打不成钻。因浅海平台不能点火，不能实施欠平衡钻井。采用旋转控制头实现控制压力钻井（保持微漏），既保证了钻井的成功，又有效地保护了油气层，确保了勘探成功率
26、。试油取得10mm油嘴产油235t/d、产气6940m3/d。,胜利实例1：胜利浅海埕岛油田埕北244井,埕北30区块共完钻8口井，均采用控制压力钻井技术解决钻井施工中出现又漏又涌的技术难题、堵漏污染油气层。,该区块开发CB30-3、CB30-4两口井时，采用常规的钻井工艺及钻井液未取得好的开发效果。采用控制压力钻井技术、海水无固相钻井液，较好地保护了潜山油藏，在对CB30B-1井太古界进行钻杆测试表明，表皮系数为-2.9。,胜利实例2：樊深1井,位于济阳坳陷东营凹陷博兴洼陷带樊家鼻状构造北部。钻到井深4016.73m（孔一段）发生井涌(盐水)，压井过程中又发生井漏，在压井液中跟进堵漏材料堵漏
27、未能成功。此后一直处于漏、涌并存状态，频繁地进行压井、堵漏作业，都未成功。采用控制压力钻井成功钻穿漏失层。施工过程中套压控制在13MPa，通过控制套压维持钻井液液面恒定（微流量），解决了又漏又涌复杂情况，避免了频繁的压井、堵漏作业，既达到了勘探的目的，又节省了成本、缩短了钻井周期。,胜利实例3：土库曼斯坦项目,土库曼斯坦项目010井因钻遇高压盐水层引起漏涌并存而无法继续钻进，主要是盐水结晶、污染钻井液，造成井眼堵塞，采用控压钻井技术，节流保持循环罐液面不变，为了防止盐水进入井眼，控压时稍保持微漏，钻进了324.79m。随后011、08、09A井都采用控压钻井技术，有效解决了大段盐膏层的钻井复杂
28、和安全问题。,MPD展望,在美国所有的陆地钻井作业中，约1/4的井未使用闭合、承压的钻井液循环系统；有1/4的井使用该系统来实现真正的欠平衡钻井；1/4的井在应用该系统钻井时需要使用可压缩流体（空气、天然气、泡沫、雾）；1/4的井正在使用闭合、承压的循环系统以MPD的某种形式进行作业。,MPD展望,在美国墨西哥湾水深不超过600ft（183m）的海域对与钻井有关的非生产时间进行的量化分析结果显示，在墨西哥湾的浅水中钻井时漏失，由此造成压差卡钻和钻杆脱扣、井底压力窗口狭窄造成的涌漏现象、以及由于中断钻井作业进行“配浆”和“钻井液损耗”而造成的钻时延长等等，在钻井非生产时间中约占40，在深水区耗费
29、的非生产时间更多。在墨西哥湾地区损耗的钻井时间反映出一个全球性问题。如果应用MPD，在继续钻进时实现更精确的压力控制，从而减少40的非生产时间，那么，或许多达1015的“边际”油藏可以在批准预算内获得良好的经济效益。,MPD展望,目前，应用常规钻井技术经济效益不佳的情况越来越多，控制压力钻井技术为提高钻井作业的经济效益提供了一种方法。MPD技术所带来的突破性变化不如真正的欠平衡钻井，但MPD技术是钻井界容易接受的技术。目前，我国对该技术普遍了解不够。随着油气勘探难度的增加，井下复杂情况会增多、钻井费用剧增，钻井界将会越来越深入地认识、理解和应用MPD技术，解决石油工业上最困难、最昂贵的井下难题，达到提高钻井经济效益、减少非生产时间、降低钻井成本的目的。,MPD展望,许多新发现的油气资源往往存在窄密度窗口的问题，如火山岩、碳酸盐岩、断层、不整合、破碎带、山前构造、推覆构造、异常高低压等地层，存在失返性井漏或漏喷并存等钻井复杂问题，这些复杂问题的处理需要耗费大量的人力、财力、物力，而且往往效果很差，安全隐患大，需要采用控压钻井技术。深海油气资源普遍存在窄密度窗口问题。天然气水合物的开发被认为必须采用控压钻井技术。,
