控制壓力鉆井理論

1、控制壓力鉆井理論研究進(jìn)展,-2-,1.控制壓力鉆井研究的意義,在復(fù)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(huì)遇到噴、漏、卡、塌等各種井下復(fù)雜情況和鉆井問(wèn)題，同時(shí)還帶來(lái)過(guò)多的鉆井時(shí)間和HSE（健康、安全、環(huán)境）等問(wèn)題。為避免上述問(wèn)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(guó)在上世紀(jì)60年代后期開(kāi)始應(yīng)用控制壓力鉆井技術(shù)，也稱(chēng)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(gè)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(biāo)：,,-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(duì)比,UBD：UBD鉆井是

3、在鉆進(jìn)的過(guò)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(jìn)的首要目標(biāo)是通過(guò)減輕鉆進(jìn)過(guò)程中引起的地層損害和提供油藏描述來(lái)高油井產(chǎn)值和資產(chǎn)開(kāi)發(fā)策略。 MPD：MPD鉆井不引入溢流，但是它的裝備可以用來(lái)處理任何在鉆進(jìn)過(guò)程中可能發(fā)生的溢流情況。它的目標(biāo)是使用UBD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)更精確的控制整個(gè)井眼內(nèi)的壓力剖面，同時(shí)它的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)縮短非生產(chǎn)時(shí)間和減少鉆井事故來(lái)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(shí)應(yīng)用回壓，確保停泵時(shí)的井底壓力接近循環(huán)時(shí)的井底壓力，使井底壓力恒定。MPD鉆井能更好的通過(guò)窄壓力窗口。MPD鉆井避免超過(guò)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(shí)間。MPD鉆井能夠優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)。MPD鉆井能降低經(jīng)濟(jì)成本。,控壓鉆井的優(yōu)點(diǎn),-8-,3.MPD的分類(lèi)與應(yīng)用

5、方式,3.1 MPD分類(lèi),,,MPD的分類(lèi),-9-,3.MPD的分類(lèi)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(wú)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(lèi)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(chēng)為當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）控制。設(shè)計(jì)時(shí)使用低于常規(guī)方式的鉆井液密度進(jìn)行近平衡鉆井。循環(huán)時(shí)井底壓力等于靜液柱壓力加上環(huán)空壓耗，當(dāng)停泵、接單根時(shí)，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(guò)平衡，以防止地層流體的侵入。理想的情況是靜止時(shí)加入的地面回壓等于循環(huán)時(shí)的環(huán)空壓耗。,-11-,3.MPD的分類(lèi)與應(yīng)用方式,MPD的應(yīng)用形

7、式的技術(shù)原理示意,當(dāng)井眼內(nèi)有兩種不同的鉆井液密度梯度時(shí)，我們稱(chēng)之為“雙梯度MPD”。這種技術(shù)的典型實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)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(dǎo)管內(nèi)注入低密度的鉆井液來(lái)完成的。從連接點(diǎn)處開(kāi)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(diǎn)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(guò)某些層的破裂壓力梯度。,-12-,3.MPD的分類(lèi)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(yán)重井漏的鉆井方法。把一段預(yù)先設(shè)計(jì)好的重泥漿(可能是壓井泥漿)通過(guò)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(wú)害的鉆井液（可能是海水）來(lái)鉆開(kāi)壓力衰竭地層。泥漿和巖屑被壓入易發(fā)生復(fù)雜情況的裂縫地帶。其結(jié)果是：使用輕泥漿鉆進(jìn)將會(huì)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(dāng)于全部漏失。,-13-,3.MPD的分類(lèi)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(jìn)行無(wú)隔水導(dǎo)管鉆井時(shí)，為了在海底建立井口，需要使用水下旋轉(zhuǎn)控制頭和遠(yuǎn)程操縱潛水器。使用遠(yuǎn)程操縱潛水器或者水下自動(dòng)節(jié)流裝置來(lái)調(diào)整泥漿管線的回壓。調(diào)節(jié)水下節(jié)流閥開(kāi)度以控制井底壓力，看起來(lái)就好像使用隔水導(dǎo)管鉆進(jìn)一樣。,-14-,3.MPD的分類(lèi)與應(yīng)用方式,MPD的應(yīng)用形式的技術(shù)原理示意,一個(gè)新出現(xiàn)的MPD應(yīng)用形式是在鉆桿上裝備一個(gè)鉆井液動(dòng)力泵，使用這個(gè)泵給環(huán)空內(nèi)上返的泥漿增加動(dòng)力。這種降低ECD的工具，會(huì)在泵送點(diǎn)產(chǎn)生

10、突然的壓力改變，從而限制了摩擦阻力對(duì)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(mǎn)足3個(gè)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(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)；訓(xùn)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(jìn),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(kāi)發(fā)并主要用于欠平衡鉆井作業(yè)的專(zhuān)用設(shè)備,對(duì)于MPD技術(shù)具有獨(dú)特的作用。,MPD基

11、礎(chǔ)——封閉、加壓的鉆井液系統(tǒng),點(diǎn)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國(guó)際上解決窄密度窗口問(wèn)題的最新方法是控制壓力鉆井，國(guó)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(kāi)發(fā)必備的鉆井技術(shù)。,5.1國(guó)外研究現(xiàn)狀,-18-,5.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,5.1國(guó)外研究現(xiàn)狀,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2001-10 墨西哥灣半潛浮動(dòng)平臺(tái)，第一次成功應(yīng)用雙梯度鉆井,2003~04 在灘海開(kāi)始應(yīng)用被動(dòng)式MPD技術(shù),2004-7 在浮式平臺(tái)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(tái)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(guó)家石油公司以微流控制（MFC）技術(shù)進(jìn)行了4口井試驗(yàn),,更廣泛的應(yīng)用,-19-,5.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,國(guó)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(jì)算、井下環(huán)空壓力隨鉆監(jiān)測(cè)以及配套的控壓、調(diào)壓裝備等方面基礎(chǔ)薄弱。,5.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀,-20-,5.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,5.2國(guó)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(gè)井段實(shí)進(jìn)行控壓鉆井試驗(yàn),塔中722井進(jìn)行控壓鉆井試驗(yàn),塔中723井進(jìn)行了控壓鉆井試驗(yàn),中古2井實(shí)施了控壓鉆井試驗(yàn),輪南633井實(shí)施了控壓鉆井試驗(yàn),,開(kāi)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(diǎn)：與常規(guī)油氣鉆井相比,在開(kāi)采天然氣水合物的鉆井過(guò)程中,會(huì)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(huì)造成水合物的分解并釋放出游離氣和水,由此會(huì)加重井眼的不穩(wěn)定、井

15、底壓力的波動(dòng)、水合物在井眼外的分解,以及在海洋開(kāi)采時(shí)會(huì)有潛在的涌流和海床下沉。這就要求在鉆井過(guò)程中,必須精確控制井眼壓力和溫度,以維持易碎水合物儲(chǔ)存的應(yīng)力和條件,在鉆井過(guò)程中防止其分解。解決方案：有文獻(xiàn)認(rèn)為MPD是目前唯一可用的開(kāi)采天然氣水合物鉆井技術(shù)。,開(kāi)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(tái)日費(fèi)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(xué)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(duì)其作出對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià) 。基于該流變性分析模型的水力學(xué)計(jì)算模型的推導(dǎo)。研究影響井下壓力計(jì)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(duì)水力壓耗計(jì)算影響的方法，并且在計(jì)算實(shí)例中加以驗(yàn)證 。,7.1控壓鉆井水力學(xué)模型,-24-,7.控壓鉆井的技術(shù)研究,多相流水力學(xué)模型：

17、環(huán)空氣-液-固三相流動(dòng)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(dòng)問(wèn)題研究該混合體系的流動(dòng)過(guò)程，建立系統(tǒng)的理論模型。采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)氣液兩相流模型進(jìn)行數(shù)值求解。,7.1控壓鉆井水力學(xué)模型,-25-,7.控壓鉆井的技術(shù)研究,控壓鉆井的設(shè)計(jì)計(jì)算：通過(guò)對(duì)常用的控壓鉆井形式的技術(shù)原理進(jìn)行研究，進(jìn)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(jì)算模型，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行探討性研究。根據(jù)地層壓力

18、剖面及井場(chǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控壓鉆井方案設(shè)計(jì)，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(jì)計(jì)算等。進(jìn)行控壓鉆井水力學(xué)模型的實(shí)時(shí)計(jì)算：建立水力學(xué)與控制參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算模型，為實(shí)時(shí)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(jì)：改進(jìn)的自上而下的設(shè)計(jì)方法：針對(duì)綜合MPD鉆井應(yīng)用模型，根據(jù)在裸眼井段安全鉆進(jìn)必須滿(mǎn)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