《控压钻井技术》PPT课件.ppt

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 managedpressuredrilling 的定义 Feb2004toJan2008 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 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 Jan2008 MPD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 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 是以钻井为本的 液体 提速钻井PD performancedrilling 或AD airdrilling 用于提高机械钻速 气体 雾化 泡沫 CPD controlledpressuredrilling 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100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 02g 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 IADCUBO协会的MPD分会将MPD技术划分为二大类 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 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 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 变型与方法的分类 Hannegan2005 MPD大的子类叫变型 恒定井底压力MPD CBHPMPD 加压泥浆帽钻井 PMCD 双梯度钻井MPDHSE 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 GeoBalanceSelf Managed 旋转控制装置 双液动节流阀的节流管汇 GeoBalanceAutomated 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 GeoBalanceOptimized 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 GeoBalanceSigma 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 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 SecureDrilling的微流量控制方法 控制流量 SecureDrilling的微流量控制方法 2005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 Chevron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 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 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 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 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CBHP也没法钻 在同样裸眼段使用两种MPD方法 如PMCD HSE3 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 mPa s 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 andStatoil大油公司 以及相对较小的业务范围小的油公司如CheyennePetroleum CypressE P bothOnshoreTexas Pioneer Alaska Sinopec China E ILibya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 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2004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 ShellMalaysia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 PMCD MPD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7 9口漏失井上应用 国外实例2 2005年 Transocean和Santos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Sedec601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Weatherford7100控制头形成一种新型技术集合 从而解决了上述问题 Sedco601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SanJoaquin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SanJuan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 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1 3MPa 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