控制壓力鉆井理論

1、控制壓力鉆井理論研究進展,-2-,1.控制壓力鉆井研究的意義,在復雜地層情況下鉆井，孔隙壓力和破裂壓力之間的窗口通常比較小，在高壓、深水和欠平衡井中尤為普遍和典型。常會遇到噴、漏、卡、塌等各種井下復雜情況和鉆井問題，同時還帶來過多的鉆井時間和HSE（健康、安全、環(huán)境）等問題。為避免上述問題，希望有一種更為精確地約束和控制井眼壓力的方法。美國在上世紀60年代后期開始應(yīng)用控制壓力鉆井技術(shù)，也稱為MPD（Managed Pressure D

2、rilling）壓力管理鉆井技術(shù)。,研究背景,-3-,2.控制壓力鉆井相關(guān)概念,IADC關(guān)于控制壓力鉆井的定義：控制壓力鉆井（MPD）是一種適用的鉆井程序，用于精確地控制整個井眼環(huán)空壓力剖面，目的在于確定井底壓力的范圍，從而控制環(huán)空液壓剖面。,控制壓力鉆井定義,-4-,2.控制壓力鉆井相關(guān)概念,壓力控制的目標：,,-5-,2.控制壓力鉆井相關(guān)概念,控制變量,-6-,2.控制壓力鉆井相關(guān)概念,MPD與UBD的對比,UBD：UBD鉆井是

3、在鉆進的過程中有目的的保持井底環(huán)空壓力低于井底油藏壓力以引起地層流體的流入。欠平衡鉆進的首要目標是通過減輕鉆進過程中引起的地層損害和提供油藏描述來高油井產(chǎn)值和資產(chǎn)開發(fā)策略。 MPD：MPD鉆井不引入溢流，但是它的裝備可以用來處理任何在鉆進過程中可能發(fā)生的溢流情況。它的目標是使用UBD技術(shù)的優(yōu)點來更精確的控制整個井眼內(nèi)的壓力剖面，同時它的優(yōu)點是通過縮短非生產(chǎn)時間和減少鉆井事故來最優(yōu)化鉆井程序。,-7-,2.控制壓力鉆井相關(guān)概念,MPD

4、技術(shù)可以精確的控制井眼壓力剖面，避免流體的侵入。MPD鉆井使用封閉、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，能夠控制和處理任何形式的溢流。MPD鉆井可以在停泵時應(yīng)用回壓，確保停泵時的井底壓力接近循環(huán)時的井底壓力，使井底壓力恒定。MPD鉆井能更好的通過窄壓力窗口。MPD鉆井避免超過井眼破裂壓力，減少發(fā)生井塌，井漏等事故，減少處理井下事故的時間。MPD鉆井能夠優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)。MPD鉆井能降低經(jīng)濟成本。,控壓鉆井的優(yōu)點,-8-,3.MPD的分類與應(yīng)用

5、方式,3.1 MPD分類,,,MPD的分類,-9-,3.MPD的分類與應(yīng)用方式,井底常壓MPD （Constant bottomhole pressure MPD）雙梯度MPD （Dual gradient MPD）加壓泥漿帽MPD（pressurized mud cap MPD）無隔水管MPD （riserless MPD）井下泵送MPD（Downhole pumping MPD）…………,3.2多種MPD應(yīng)用形式,-10

6、-,3.MPD的分類與應(yīng)用方式,MPD的應(yīng)用形式的技術(shù)原理示意,井底常壓MPD又稱為當量循環(huán)密度（ECD）控制。設(shè)計時使用低于常規(guī)方式的鉆井液密度進行近平衡鉆井。循環(huán)時井底壓力等于靜液柱壓力加上環(huán)空壓耗，當停泵、接單根時，循環(huán)壓耗消失，井底壓力處于欠平衡狀態(tài)，加入一定的地面回壓使井底壓力保持一定程度的過平衡，以防止地層流體的侵入。理想的情況是靜止時加入的地面回壓等于循環(huán)時的環(huán)空壓耗。,-11-,3.MPD的分類與應(yīng)用方式,MPD的應(yīng)用形

7、式的技術(shù)原理示意,當井眼內(nèi)有兩種不同的鉆井液密度梯度時，我們稱之為“雙梯度MPD”。這種技術(shù)的典型實現(xiàn)方式是通過往雙壁鉆桿的環(huán)空、附著在套管外面的寄生管內(nèi)或者隔水導管內(nèi)注入低密度的鉆井液來完成的。從連接點處開始輸入空氣、惰性氣體、輕泥漿或者固體添加物以降低從這一點到地面之間的泥漿密度。應(yīng)用雙梯度的目的并不完全為了降低井底壓力(BHP)。這樣做的目的是為了調(diào)整環(huán)空壓力剖面避免超過某些層的破裂壓力梯度。,-12-,3.MPD的分類與應(yīng)用方式

8、,MPD的應(yīng)用形式的技術(shù)原理示意,這是一種處理嚴重井漏的鉆井方法。把一段預先設(shè)計好的重泥漿(可能是壓井泥漿)通過旋轉(zhuǎn)控制頭泵入到環(huán)空中，這段“泥漿帽”起到封隔環(huán)空的作用。使用比重較小并且無害的鉆井液（可能是海水）來鉆開壓力衰竭地層。泥漿和巖屑被壓入易發(fā)生復雜情況的裂縫地帶。其結(jié)果是：使用輕泥漿鉆進將會極大的提高ROP。其泥漿漏失到壓力衰竭地層的成本低于常規(guī)鉆井的成本。相當于全部漏失。,-13-,3.MPD的分類與應(yīng)用方式,MPD的應(yīng)用形

9、式的技術(shù)原理示意,使用海水進行無隔水導管鉆井時，為了在海底建立井口，需要使用水下旋轉(zhuǎn)控制頭和遠程操縱潛水器。使用遠程操縱潛水器或者水下自動節(jié)流裝置來調(diào)整泥漿管線的回壓。調(diào)節(jié)水下節(jié)流閥開度以控制井底壓力，看起來就好像使用隔水導管鉆進一樣。,-14-,3.MPD的分類與應(yīng)用方式,MPD的應(yīng)用形式的技術(shù)原理示意,一個新出現(xiàn)的MPD應(yīng)用形式是在鉆桿上裝備一個鉆井液動力泵，使用這個泵給環(huán)空內(nèi)上返的泥漿增加動力。這種降低ECD的工具，會在泵送點產(chǎn)生

10、突然的壓力改變，從而限制了摩擦阻力對井底壓力的影響。,-15-,4. MPD的系統(tǒng)組成,保證MPD技術(shù)成功應(yīng)用，一般要滿足3個條件：一套封閉、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)與MPD裝置相連；鉆前水力學優(yōu)化設(shè)計；訓練有素且熟悉這一概念的工程技術(shù)人員。 MPD技術(shù)的本質(zhì)就是應(yīng)用閉合、承壓的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)鉆進,旋轉(zhuǎn)控制裝置(RCD)、節(jié)流器、或許還有鉆柱浮閥以及其它已開發(fā)并主要用于欠平衡鉆井作業(yè)的專用設(shè)備,對于MPD技術(shù)具有獨特的作用。,MPD基

11、礎(chǔ)——封閉、加壓的鉆井液系統(tǒng),點擊查看示例系統(tǒng)（Weatherford示例）,,-16-,4. MPD的系統(tǒng)組成,MPD的裝備需求,,,旋轉(zhuǎn)控制頭,,鉆柱浮閥,連續(xù)循環(huán)系統(tǒng),,ECD降低工具,可控泥漿帽,,,壓力泥漿帽,,-17-,5.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國際上解決窄密度窗口問題的最新方法是控制壓力鉆井，國外的窄密度窗口安全鉆井完井裝備系統(tǒng)是鉆井工程前言技術(shù)之一，2004年由shell公司首次在油田應(yīng)用成功，目前已廣泛用于世界各地，成為許

12、多油田開發(fā)必備的鉆井技術(shù)。,5.1國外研究現(xiàn)狀,-18-,5.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,5.1國外研究現(xiàn)狀,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2001-10 墨西哥灣半潛浮動平臺，第一次成功應(yīng)用雙梯度鉆井,2003~04 在灘海開始應(yīng)用被動式MPD技術(shù),2004-7 在浮式平臺上第一次應(yīng)用加壓泥漿帽鉆井,2004-8 第一例裝備水上BOP的自升式平臺應(yīng)用加壓泥漿帽,2004-12 第一次在墨西哥灣的外大陸架應(yīng)用MPD技術(shù)鉆井,2006

13、 巴西國家石油公司以微流控制（MFC）技術(shù)進行了4口井試驗,,更廣泛的應(yīng)用,-19-,5.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國內(nèi)窄密度窗口安全鉆完井裝備系統(tǒng)基本屬于空白，研究工作還處于起步階段。且目前控壓鉆井技術(shù)在還空多相流壓降計算、井下環(huán)空壓力隨鉆監(jiān)測以及配套的控壓、調(diào)壓裝備等方面基礎(chǔ)薄弱。,5.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀,-20-,5.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,5.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,控壓鉆井技術(shù)在埕島油田埕北30區(qū)塊得到成功應(yīng)用。,塔

14、中62-27井，在井深4929~5016m的三個井段實進行控壓鉆井試驗,塔中722井進行控壓鉆井試驗,塔中723井進行了控壓鉆井試驗,中古2井實施了控壓鉆井試驗,輪南633井實施了控壓鉆井試驗,,開始深入研究,-21-,6.MPD技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,天然水合物鉆井特點：與常規(guī)油氣鉆井相比,在開采天然氣水合物的鉆井過程中,會打破水合物依存的平衡條件,由于壓力的降低或溫度的增加會造成水合物的分解并釋放出游離氣和水,由此會加重井眼的不穩(wěn)定、井

15、底壓力的波動、水合物在井眼外的分解,以及在海洋開采時會有潛在的涌流和海床下沉。這就要求在鉆井過程中,必須精確控制井眼壓力和溫度,以維持易碎水合物儲存的應(yīng)力和條件,在鉆井過程中防止其分解。解決方案：有文獻認為MPD是目前唯一可用的開采天然氣水合物鉆井技術(shù)。,開采天然氣水合物,-22-,6.MPD技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,由于海上鉆井平臺日費用很高,出現(xiàn)井漏或鉆井中產(chǎn)生氣體的井用常規(guī)的壓力控制很難連續(xù)、安全地鉆井。MPD在海上的應(yīng)用數(shù)量在不斷增加

16、，成為海上安全鉆井的一種新技術(shù)。,用于海洋鉆井,-23-,7. 控壓鉆井的技術(shù)研究,單相流水力學模型：更符合非牛頓流體流變特性的鉆井液四參數(shù)流變性分析模型的建立，并對其作出對其進行評價 。基于該流變性分析模型的水力學計算模型的推導。研究影響井下壓力計算精度的因素，析接頭以及鉆具旋轉(zhuǎn)、偏心、井下設(shè)備等對水力壓耗計算影響的方法，并且在計算實例中加以驗證 。,7.1控壓鉆井水力學模型,-24-,7.控壓鉆井的技術(shù)研究,多相流水力學模型：

17、環(huán)空氣-液-固三相流動的分析中，把其分為由鉆井液、鉆屑等組成的混合相和注入氣作為氣相，按氣液兩相流動問題研究該混合體系的流動過程，建立系統(tǒng)的理論模型。采用計算流體力學的方法對氣液兩相流模型進行數(shù)值求解。,7.1控壓鉆井水力學模型,-25-,7.控壓鉆井的技術(shù)研究,控壓鉆井的設(shè)計計算：通過對常用的控壓鉆井形式的技術(shù)原理進行研究，進行多梯度鉆井、多梯度與井口回壓結(jié)合的綜合方法研究，建立計算模型，并對其應(yīng)用進行探討性研究。根據(jù)地層壓力

18、剖面及井場相關(guān)參數(shù)進行控壓鉆井方案設(shè)計，主要包括：控壓段的定位與分析、回壓值大小的確定、多密度梯度的設(shè)計計算等。進行控壓鉆井水力學模型的實時計算：建立水力學與控制參數(shù)的實時計算模型，為實時監(jiān)控系統(tǒng)提供調(diào)整參數(shù)。,7.2控壓鉆井基礎(chǔ)理論研究,-26-,7.控壓鉆井的技術(shù)研究,井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：改進的自上而下的設(shè)計方法：針對綜合MPD鉆井應(yīng)用模型，根據(jù)在裸眼井段安全鉆進必須滿足的壓力平衡約束條件，在已確定表層套管下深的基礎(chǔ)上，從表層套管