《控壓鉆井技術》PPT課件.ppt

1、控制壓力鉆井(MPD)技術,內容,MPD的概念、特點與作用 MPD的原理、分類 、設備 三大控壓鉆井系統(tǒng) MPD的關鍵 勝利鉆井院控壓鉆井系統(tǒng) MPD應用與展望,控制壓力鉆井（MPD）的概念,IADC對MPD（managed pressure drilling)的定義（Feb 2004 to Jan 2008） 控制壓力鉆井是一種在整個井眼內精確控制環(huán)空壓力剖面的自適應鉆井過程（ Adaptive drilling process） 。 其目的在于確定井下壓力窗口，從而控制環(huán)空液壓剖面。 MPD旨在避免地層流體連續(xù)地流入到地面，鉆井作業(yè)任何意外的流動將使用適當?shù)姆椒ㄟM行安全的控制。（ Jan

2、2008 ） MPD也有翻譯為：壓力管理鉆井,MPD的特點,始終精確控制井眼壓力稍大于地層孔隙壓力，不會誘導地層流體侵入。 鉆井液密度低于常規(guī)鉆井密度，避免超出地層破裂壓力梯度。 通常使用液相鉆井液。 使用閉合、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)。,控制壓力鉆井（MPD）的作用,在地層破裂孔隙壓力窗口小的時候，減少井涌井漏現(xiàn)象，提高井控安全性，能夠鉆更深的裸眼段； 能夠使套管下得更深，從而有可能減少一層甚至更多層次的套管； 提高較大井眼鉆達目的層的可能性； 減少由于環(huán)空壓力引起的井漏；,控制壓力鉆井（MPD）的作用,減少鉆遇大裂縫發(fā)生嚴重井漏時的鉆井液成本，及井漏引起的井控問題； 避免地下井噴； 提高HSE

3、效果，尤其是在要求更高的海上； 減少非生產(chǎn)作業(yè)時間,鉆井三壓力剖面,地層孔隙壓力 地層坍塌壓力 地層破裂壓力（或漏失壓力）,鉆井壓力（密度）窗口,窄壓力（密度）窗口問題,常規(guī)鉆井鉆井液密度設計： 油井，地層孔隙壓力當量鉆井液密度附加0.05-0.10g/cm3 氣井，附加0.07-0.15g/cm3 鉆井液窄密度窗口條件下的問題： 密度窗口油井小于0.05（氣井小于0.07），不能找到不漏不噴的平衡點，靜止、循環(huán)都發(fā)生井漏 密度窗口油井小于0.10（氣井小于0.12）（假定環(huán)空摩阻折算當量鉆井液密度為0.05），靜止不漏，但循環(huán)發(fā)生井漏。,窄密度窗口條件下常規(guī)鉆井處理,控制鉆井液密度 下技術套

4、管封 堵漏提高承壓能力,背景,地層漏失、壓差卡鉆、鉆桿扭斷、地層孔隙壓力與地層破裂壓力窗口狹窄造成涌漏等問題，增加非生產(chǎn)時間，導致勘探費用大幅度提高。 需要精確地管理和控制井眼壓力。 美國在上世紀60年代后期開始應用控制壓力鉆井。 MPD第一次正式出現(xiàn)是在2004年阿姆斯特丹的IADC/SPE鉆井會議上。 MPD技術的意圖是利用欠平衡工具和技術控制進入井眼的地層流體，其主要目的是避免通過加重鉆井液來解決鉆井復雜問題。減少套管層數(shù)，提高鉆井效益，降低鉆井成本。,MPD與UBD、PD的關系,欠平衡鉆井的主要目標是避免損害將要開發(fā)的產(chǎn)層，是以儲層為本的。氣體、霧化、泡沫、充氣、液體鉆井。 而控制壓力

5、鉆井MPD的主要目標是解決與鉆井有關的復雜壓力控制問題，是以鉆井為本的。液體。 提速鉆井PD(performance drilling)或AD(air drilling)用于提高機械鉆速。氣體、霧化、泡沫。 CPD （controlled pressure drilling),欠平衡、控壓、常規(guī)鉆井劃分,MPD原理,常規(guī)鉆井：井底循環(huán)壓力= 靜液柱壓力+ 環(huán)空摩阻 MPD：井底循環(huán)壓力= 靜液柱壓力+ 環(huán)空摩阻+ 地面回壓 （環(huán)控壓耗折算當量鉆井液密度0.03-0.15g/cm3）,MPD解決井漏的原理,井漏是經(jīng)常發(fā)生的鉆井復雜問題之一，常規(guī)鉆井采用堵漏提高承壓能力往往費時、費錢、費力，而且效

6、果往往不好。 直井高角度縫，縫寬達到毫米級時，就會出現(xiàn)嚴重井漏，甚至失返，縫寬在100微米以上的裂縫就比較難以封堵了。 孔隙性漏失，漏失量與過平衡壓差成正比（符合達西滲流定律），裂縫性漏失，漏失量與過平衡壓差成1.5至1.6次方的關系，且無任何內外泥餅作用。 MPD解決井漏的原理是控制環(huán)空壓力接近于地層孔隙壓力，其過平衡壓差不足以克服鉆井液向孔隙性漏失層的滲流或向裂縫性地層的流動阻力。,MPD解決漏涌并存的原理,在裂縫性井漏情況下，鉆井液密度窗口非常狹窄，往往不到0.02 g/cm3，環(huán)空循環(huán)摩阻足以造成漏失。,MPD解決井漏的原理,環(huán)空摩阻當量鉆井液密度一般不高于0.05g/cm3。 在深井

7、和超高壓地層，由于采用極高的鉆井液密度，環(huán)空摩阻高達0.15g/cm3。 在這種情況下，即使不是窄密度窗口，也會造成漏噴并存或壓裂地層的復雜情況。,MPD分類,IADC UBO協(xié)會的MPD分會將MPD技術劃分為二大類： 被動型MPD（Reactive MPD） 使用MPD方法和/或設備作為應急，以減輕所出現(xiàn)的鉆井問題。 采用常規(guī)套管程序和鉆井液程序。 配備旋轉控制裝置、節(jié)流管匯、鉆具浮閥等設備。 提高安全性和鉆遇意外壓力時（如孔隙壓力或破裂壓力高于或低于預計值）的施工效率。 目前在陸地施工的控制壓力鉆井大多是采用被動型方式 。,MPD分類,IADC UBO協(xié)會的MPD分會將MPD技術劃分為二大

8、類： 主動型MPD（Proactive MPD） 使用MPD方法和/或設備，積極控制整個裸眼的壓力剖面。 鉆井設計時就充分考慮到精確控制井下環(huán)空壓力在套管程序、鉆井液程序、和裸眼段施工等方面可能帶來的好處。 施工時井下壓力完全按照設計曲線進行，包括接單根時依靠增加井口回壓控制井下壓力。 為鉆井作業(yè)帶來更多的好處，如用較少的套管鉆更深的井，較少的非生產(chǎn)作業(yè)時間，鉆達目的井深時較少的鉆井液密度變化，更強的井控能力等。,MPD分類,恒定井底壓力和可變井底壓力的分類（SIGNA 2000）： 可變井底壓力方法 間歇的欠平衡鉆井 變化的過平衡井底壓力 加壓泥漿冒鉆井 (PMCD) 恒定井底壓力方法 無隔

9、水管鉆井 雙梯度鉆井 (DGD) 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng) (CCS) 使用回壓泵 使用自動/半自動/手動節(jié)流閥 Chokes,MPD分類,變型與方法的分類（Hannegan 2005），MPD大的子類叫變型： 恒定井底壓力MPD（CBHP MPD） 加壓泥漿帽鉆井（PMCD） 雙梯度鉆井MPD HSE（健康、安全、環(huán)境） MPD,MPD分類,變型又可分為方法： 恒定井底壓力MPD 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng) (CCS) 使用回壓 使用回壓泵 使用節(jié)流閥：自動/半自動/手動 恒壓點 (PoCP) 雙梯度鉆井MPD 泥漿稀釋 無隔水管泥漿回收 海底泥漿舉升鉆井 (SMD) 使用特殊工具 注入不可壓縮的輕固體和液體（在研）

10、,恒定井底壓力MPD,控制回壓(AtBalance的動態(tài)環(huán)空壓力控制DAPC) 被Schlumberger收購,系統(tǒng)包括： 自動節(jié)流管匯 回壓泵 集成壓力控制器 流體力學模型,控制回壓(AtBalance的動態(tài)環(huán)空壓力控制DAPC) 被Schlumberger收購,控制回壓(Halliburton的GeoBalance MPD),GeoBalance Self-Managed：旋轉控制裝置、雙液動節(jié)流閥的節(jié)流管匯。 GeoBalance Automated：采用地面監(jiān)測系統(tǒng)、實時流體力學模型、自動節(jié)流閥進行遠程軟件控制的節(jié)流作業(yè)。中石油2009年在塔里木油田塔中碳酸鹽巖地層實施了9口井。 Ge

11、oBalance Optimized：實時地質力學性質（孔隙、破裂和坍塌壓力）確定，并集成到自動節(jié)流管匯控制軟件中。 GeoBalance Sigma：多相流模擬、地面分離和注入設備，用于低壓或衰竭地層。,控制回壓(Halliburton的GeoBalance MPD),回壓泵,流量計撬,節(jié)流管匯撬,控制流量(Secure Drilling的微流量控制方法) 被Weatherford收購,80-160L發(fā)現(xiàn)溢流，120秒內控制溢流，總溢流量控制在0.24 (0.9)方內?？梢栽缙诎l(fā)現(xiàn)溢流，并快速作出處理，能夠真正實現(xiàn)近平衡鉆井和控壓鉆井，大大提高了近海、深海以及地層壓力未知的探井、深井的井控安

12、全性。 通過監(jiān)測溢流和漏失，保持溢流量或漏失量盡可能的少。這意味著井眼問題在早期就得到了解決，而不是待到發(fā)展成更大的復雜問題（巨大風險和成本的危險情況）時再解決。,能夠在任意選擇的井底壓力（恒定的、可變的、固定的過平衡）下鉆井。 旋轉控制頭、自動節(jié)流管匯、實時數(shù)據(jù)采集（包括質量流量計）、控制器。 用于高溫高壓井、深水井、探井、孔隙壓力未知地層或壓力剖面變化劇烈的井、環(huán)保要求高的井。 在德陽1井和大港的一口井上進行了應用。,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 Drilli

13、ng 系統(tǒng)在Louisiana大學成功的進行了多次實驗。2006年8月，Petrobras在巴西東北部的一口215.9mm井眼的井，用水基鉆井液，5天鉆進556m。 Chevron在南德克薩斯的一口探井， 215.9mm井眼，7天鉆進845m。該系統(tǒng)成功地檢測到接單根時井底發(fā)生的氣體溢流。 通過兩個井的應用進行了改善，然后Petrobras用于后續(xù)的鉆井作業(yè)。 Chevron在2006-2007年用Secure Drilling 系統(tǒng)共打了4口井。,控制泥漿帽(CMC),控制泥漿帽鉆井:用低隔水管返回系統(tǒng) Low Riser Return System (LRRS) 和海底舉升泵。,控制回壓(

14、恒壓點 PoCP ),連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(CCS）,控制環(huán)空摩擦壓力,加壓泥漿帽MPD,容許在嚴重井漏或全井段漏失的條件下安全鉆井。 要點： 地面無返回 高粘泥漿以剛低于儲層壓力條件下低速泵入環(huán)空 不處理的鉆井液（水）沿鉆柱泵入 回壓用來平衡儲層壓力，并維持系統(tǒng)平衡,雙梯度鉆井,無隔水管泥漿回收系統(tǒng)(RMR ),RMR 在下表層套管前就能使用。 使用一臺自動海底泵，將返回的泥漿通過一個返回管線從泥線返回到鉆臺。 計算機控制系統(tǒng)和其它監(jiān)測設備，通過改變泵速維持所需的井底壓力。 AGR Subsea AS.,海底泥漿舉升鉆井 (SMD),SMD 是一個聯(lián)合工業(yè)項目, 參與的公司： BP, Conoco,

15、 Chevron, Texaco, Schlumberger, Hydril 。,海底泥漿舉升鉆井 (SMD),泥漿稀釋,注入不可壓縮的輕固體和液體或使用特殊工具,在返回管線注入更低密度的材料能夠減少返回流體的密度，從而減少注入點之上的靜液壓力。 注入材料可以是不可壓縮的固體或液體，也可以是氣體。 特殊工具如ECD 減小工具。,井下泵(ECD減少工具/ECDRT）,HSE（健康、安全、環(huán)境） MPD,MPD設備,地面和海底旋轉控制裝置RCD 手動、半自動、過程控制的節(jié)流管匯 電纜可回收鉆具浮閥 套管隔離閥或井下套管閥 ECD減小工具 制氮設備 海底泥漿返回泵 地面泥漿錄井設備 實時壓力和流量監(jiān)

16、測裝置 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng) 隨鉆壓力測量,MPD設備,旋轉控制頭,隔水管旋轉控制頭,MPD設備,隔水管內旋轉控制頭,無隔水管旋轉控制頭,用于雙梯度鉆井 能夠使泥線以上的隔水管內使用海水并與泥線下的鉆井液和巖屑隔離開 鉆井液和巖屑則通過海底泵由泥線送回到鉆井船上 可以大大減小鉆井液當量循環(huán)密度，避免超過地層破裂壓力梯度的情況發(fā)生。,MPD的關鍵,封閉、承壓的循環(huán)系統(tǒng)； 流體力學計算與設計、隨鉆壓力測量（PWD）； 井口回壓控制，包括手動或自動節(jié)流控制，國外威德福、哈里伯頓、斯倫貝謝公司都有自動節(jié)流控制裝置。 為了確定鉆井液密度窗口，進行地層壓力監(jiān)測和三壓力剖面解釋也是必要的。,控壓鉆井的應用類型,1、

17、傳統(tǒng)應用 解決與窄壓力窗口有關的鉆井問題 用帶回壓的CBHP 鉆嚴重衰竭油藏的加密井 用PMCD 鉆全漏或幾乎全漏的高度裂縫或溶洞地層 在海上，用DGD解決尚未鉆達目的層而無合適尺寸的套管可下 2、高級應用 用PoCP鉆更窄壓力窗口的地層（甚至用CBHP也沒法鉆） 在同樣裸眼段使用兩種MPD方法，如PMCD + HSE 3、擴展應用 提高機械鉆速 地層壓力驗證 減輕地層侵入 增強井涌和漏失檢測,控壓鉆井技術選擇步驟,1、確定目的 確定目標 明確項目的驅動因素 2、獲取信息 獲取鄰井的資料、地質資料 了解鉆探區(qū)塊和鉆井問題 了解控壓鉆井方式或方法的選擇 3、評價或分析 常規(guī)水力分析 MPD水力分

18、析 4、結果 不需要，需要而且可能，需要但沒有可供選擇的技術,應用控壓鉆井的理由,1、使用恒定井底壓力MPD減小過平衡 提高機械鉆速 避免壓差卡鉆 防止井漏 減少地層損害 2、使用 CBHP 和 DGD 使技套下得更深 避免溢流和漏失交替發(fā)生 達到目的井深 鉆窄的井涌余量或壓力窗口的地層 鉆衰竭的致密氣層 3、 使用PMCD 鉆巨大溶洞和循環(huán)漏失的層位 4、使用HSE 在安全、健康和環(huán)境要求的地區(qū)鉆井 需要封閉循環(huán)系統(tǒng)的鉆井,壓力管理的參數(shù),常規(guī)鉆井： 流變性 泥漿密度 固相含量 循環(huán)流量 巖屑濃度 控壓鉆井： 回壓- CBHP, DGD 和 PMCD 液柱高度 DGD 第二種流體的參數(shù)/泥漿

19、柱/犧牲流體 DGD 和 PMCD 設計工具/閥的位置和地面設備,式中：p塑性粘度，mPas； L鉆柱（鉆桿或鉆鋌）長度，m； Q排量，L/s； Dh井徑，mm； D鉆柱（鉆桿或鉆鋌）外徑，mm； y屈服值，Pa。,井底循環(huán)壓力= 靜液柱壓力(單或雙梯度）+ 環(huán)空摩阻+ 回壓,壓力管理的參數(shù),除了常規(guī)壓力管理參數(shù)（流變性、泥漿密度和循環(huán)流量）外， CBHP 需要優(yōu)化回壓 PoCP 需要確定恒壓點的深度 CCS沒有額外參數(shù) PMCD 需要確定地面回壓，加壓泥漿柱的高度、密度和流變性，犧牲流體的性能 泥漿稀釋的DGD需要確定第二種或稀釋泥漿的密度 海底泥漿舉升DGD需要確定回壓、海底泵的循環(huán)流量

20、LRRS需要計算隔水管中泥漿柱的深度 HSE 不需要額外參數(shù),流體力學分析,單相流與多相流 靜態(tài)與動態(tài)模型 實時計算（模擬）和設計計算,等效靜態(tài)密度(ESD)、等效循環(huán)密度(ECD)的計算； 不同作業(yè)條件下溫度剖面的計算； 流體密度和粘度剖面的計算； 隨鉆測壓數(shù)據(jù)(PWD)的解釋； 激動和抽吸壓力計算； 最大允許起下鉆速度計算； 參數(shù)敏感性分析； 水力參數(shù)優(yōu)化。,控壓鉆井方法選擇,候選井控壓鉆井技術選擇流程,勝利鉆井院MPD系統(tǒng),自動節(jié)流管匯 回壓泵 實時數(shù)據(jù)采集 回壓、立壓和流量控制的綜合控制器 實時流體力學計算 旋轉控制頭,勝利鉆井院MPD系統(tǒng),勝利鉆井院MPD系統(tǒng),應用概況,MPD已在全

21、球的陸上和海上應用。MPD已在美國，加拿大，墨西哥，南美洲，北海，歐洲，非洲，中東，澳大利亞，東南亞，中國，印度和世界其它一些地區(qū)應用。截止到2008年，在海上已鉆350多口MPD井（Hannegan2009年）。 BP, Shell, ConocoPhillips, Chevron, Total, and Statoil大油公司, 以及相對較小的業(yè)務范圍小的油公司如Cheyenne Petroleum, Cypress E&P (both Onshore Texas), Pioneer (Alaska), Sinopec (China), E&I Libya等都進行了 MPD 作業(yè)。 通常這

22、些油公司的MPD項目的各個階段，從服務提供商獲得幫助，諸如井的設計，流體力學，設備選型，許可 ，MPD程序等。,應用概況,雪佛龍和德士古公司（現(xiàn)在歸雪佛龍）是海底舉升鉆井(SMD)聯(lián)合工業(yè)項目的成員。在中亞的Tengiz油田鉆了幾口PMCD的井用于減輕硫化氫和井漏問題。優(yōu)尼科（現(xiàn)在歸雪佛龍）從一個平臺，鉆了3口 CBHP井。在安哥拉和非洲做了一些MPD項目。在墨西哥海灣（GOM）海上進行了CBHP/ DGD。 殼牌在墨西哥灣深水的Mars和Auger張力腿平臺（TLP）進行了 CBHP應用。在亞洲和南美洲也有一些PMCD的應用。殼牌還參與了CCS開發(fā)的聯(lián)合工業(yè)項目（JIP）。,應用概況,BP:

23、 參加了CCS和SMD的聯(lián)合工業(yè)項目（ JIPs）。在墨西哥灣鉆了幾口CBHP井，在亞洲鉆了幾口DGD井。它也在世界的不同地方鉆了一些PMCD井。 TOTAL:在北海鉆了一些CBHP井。在非洲進行了幾個應用，計劃在非洲和東南亞進行更多井的應用。 康菲石油：參加SMD的聯(lián)合工業(yè)項目（ JIP) 。它在世界各地進行了CBHP 、PMCD和HSE鉆井。,國外實例1：,世界上第一次從浮式平臺上應用加壓泥漿帽MPD技術于2004年7月完成。在馬來群島東部Sarawak海域的深水鉆井作業(yè)中，以前一直存在鉆井液大量漏失、鉆井液費用過高、井控問題、鉆井時間過長等復雜情況。 在鉆入孔洞型碳酸鹽巖之后，Shell

24、 Malaysia公司應用了主動型MPD技術、加壓泥漿帽鉆井（PMCD）。向環(huán)空注入一段泥漿帽段塞，以價格便宜的鹽水作為“犧牲流體”，旋轉控制裝置對返出鉆井液加壓，撓性管可以補償船舶的升沉運動。 PMCDMPD避免了常規(guī)鉆井液的大量漏失，顯著縮短了非生產(chǎn)時間，鉆達目的井深（以前的幾口鄰井鉆井液費用很高，而且未能鉆達目的井深）。 由于試驗獲得成功，又在79口漏失井上應用。,國外實例2：,2005年，Transocean和Santos公司將地面防噴器技術與MPD技術相結合，在印尼海域水深2240ft（683m）的Sedec 601半潛式平臺上進行了應用。 用常規(guī)技術鉆井時地層總體上傾向于漏失，并存

25、在井控和粘附卡鉆問題。解決辦法是將PMCD（加壓泥漿帽鉆井）技術與CBHP（井底壓力恒定）技術相結合，配以Weatherford 7100控制頭形成一種新型技術集合，從而解決了上述問題。 Sedco 601平臺所取得的突破是首次應用旋轉控制裝置控制環(huán)空壓力，用地面防噴器從浮式鉆機上鉆進。,國外實例3：,委內瑞拉東部的San Joaquin氣田是該國最重要的氣田，2003年度的鉆井液平均漏失量達4000桶/口井以上。其主力產(chǎn)層San Juan的上層壓力衰竭并有裂縫，壓差2000psi（13.8MPa）。 采用MPD技術完成了一次多底井現(xiàn)場試驗，對鉆井液密度增加造成機械鉆速降低的問題進行了研究及定

26、量分析，鉆井液密度增加會造成復雜地層過壓和高壓低產(chǎn)（HPLV）方面的問題，采用MPD技術無需提高鉆井液密度即可控制超壓，無須下入封隔漏失層的技術套管，可以安全、費用合理地鉆過超壓層。,評價井，鉆至2951.37m時，鉆井液密度 1.06g/cm3 井漏，1.04g/cm3 井涌，打不成鉆。 因淺海平臺不能點火，不能實施欠平衡鉆井。 采用旋轉控制頭實現(xiàn)控制壓力鉆井（保持微漏），既保證了鉆井的成功，又有效地保護了油氣層，確保了勘探成功率。 試油取得10mm油嘴產(chǎn)油235t/d、產(chǎn)氣6940m3/d。,勝利實例1：勝利淺海埕島油田埕北244井,埕北30區(qū)塊 共完鉆8口井，均采用控制壓力鉆井技術解決鉆

27、井施工中出現(xiàn)又漏又涌的技術難題、堵漏污染油氣層。,該區(qū)塊開發(fā)CB30-3、CB30-4兩口井時，采用常規(guī)的鉆井工藝及鉆井液未取得好的開發(fā)效果。 采用控制壓力鉆井技術、海水無固相鉆井液，較好地保護了潛山油藏，在對CB30B-1井太古界進行鉆桿測試表明，表皮系數(shù)為-2.9。,勝利實例2：樊深1井,位于濟陽坳陷東營凹陷博興洼陷帶樊家鼻狀構造北部。 鉆到井深4016.73m（孔一段）發(fā)生井涌(鹽水)，壓井過程中又發(fā)生井漏，在壓井液中跟進堵漏材料堵漏未能成功。 此后一直處于漏、涌并存狀態(tài)，頻繁地進行壓井、堵漏作業(yè)，都未成功。 采用控制壓力鉆井成功鉆穿漏失層。施工過程中套壓控制在13MPa，通過控制套壓維持鉆井液液面恒定（微流量），解決了又漏又涌復雜情況，避免了頻繁的壓井、堵漏作業(yè)，既達到了勘探的目的，又節(jié)省了成本、縮短了鉆井周期。,勝利實例3：土庫曼斯坦項目,土庫曼斯坦項目010井因鉆遇高壓鹽水層引起漏涌并存而無法繼續(xù)鉆進，主要是鹽水結晶、污染鉆井液，造成井眼堵塞，