控制压力钻井理论

控制压力钻井理论研究进展,-2-,1.控制压力钻井研究的意义,在复杂地层情况下钻井，孔隙压力和破裂压力之间的窗口通常比较小，在高压、深水和欠平衡井中尤为普遍和典型。常会遇到喷、漏、卡、塌等各种井下复杂情况和钻井问题，同时还带来过多的钻井时间和HSE（健康、安全、环境）等问题。为避免上述问题，希望有一种更为精确地约束和控制井眼压力的方法。美国在上世纪60年代后期开始应用控制压力钻井技术，也称为MPD（Managed Pressure Drilling）压力管理钻井技术。,研究背景,-3-,2.控制压力钻井相关概念,IADC关于控制压力钻井的定义：控制压力钻井（MPD）是一种适用的钻井程序，用于精确地控制整个井眼环空压力剖面，目的在于确定井底压力的范围，从而控制环空液压剖面。,控制压力钻井定义,-4-,2.控制压力钻井相关概念,压力控制的目标：,-5-,2.控制压力钻井相关概念,控制变量,-6-,2.控制压力钻井相关概念,MPD与UBD的对比,UBD：UBD钻井是在钻进的过程中有目的的保持井底环空压力低于井底油藏压力以引起地层流体的流入。欠平衡钻进的首要目标是通过减轻钻进过程中引起的地层损害和提供油藏描述来高油井产值和资产开发策略。 MPD：MPD钻井不引入溢流，但是它的装备可以用来处理任何在钻进过程中可能发生的溢流情况。它的目标是使用UBD技术的优点来更精确的控制整个井眼内的压力剖面，同时它的优点是通过缩短非生产时间和减少钻井事故来最优化钻井程序。,-7-,2.控制压力钻井相关概念,MPD技术可以精确的控制井眼压力剖面，避免流体的侵入。MPD钻井使用封闭、承压的钻井液循环系统，能够控制和处理任何形式的溢流。MPD钻井可以在停泵时应用回压，确保停泵时的井底压力接近循环时的井底压力，使井底压力恒定。MPD钻井能更好的通过窄压力窗口。MPD钻井避免超过井眼破裂压力，减少发生井塌，井漏等事故，减少处理井下事故的时间。MPD钻井能够优化井身结构。MPD钻井能降低经济成本。,控压钻井的优点,-8-,3.MPD的分类与应用方式,3.1 MPD分类,MPD的分类,-9-,3.MPD的分类与应用方式,井底常压MPD （Constant bottomhole pressure MPD）双梯度MPD （Dual gradient MPD）加压泥浆帽MPD（pressurized mud cap MPD）无隔水管MPD （riserless MPD）井下泵送MPD（Downhole pumping MPD）,3.2多种MPD应用形式,-10-,3.MPD的分类与应用方式,MPD的应用形式的技术原理示意,井底常压MPD又称为当量循环密度（ECD）控制。设计时使用低于常规方式的钻井液密度进行近平衡钻井。循环时井底压力等于静液柱压力加上环空压耗，当停泵、接单根时，循环压耗消失，井底压力处于欠平衡状态，加入一定的地面回压使井底压力保持一定程度的过平衡，以防止地层流体的侵入。理想的情况是静止时加入的地面回压等于循环时的环空压耗。,-11-,3.MPD的分类与应用方式,MPD的应用形式的技术原理示意,当井眼内有两种不同的钻井液密度梯度时，我们称之为“双梯度MPD”。这种技术的典型实现方式是通过往双壁钻杆的环空、附着在套管外面的寄生管内或者隔水导管内注入低密度的钻井液来完成的。从连接点处开始输入空气、惰性气体、轻泥浆或者固体添加物以降低从这一点到地面之间的泥浆密度。应用双梯度的目的并不完全为了降低井底压力(BHP)。这样做的目的是为了调整环空压力剖面避免超过某些层的破裂压力梯度。,-12-,3.MPD的分类与应用方式,MPD的应用形式的技术原理示意,这是一种处理严重井漏的钻井方法。把一段预先设计好的重泥浆(可能是压井泥浆)通过旋转控制头泵入到环空中，这段“泥浆帽”起到封隔环空的作用。使用比重较小并且无害的钻井液（可能是海水）来钻开压力衰竭地层。泥浆和岩屑被压入易发生复杂情况的裂缝地带。其结果是：使用轻泥浆钻进将会极大的提高ROP。其泥浆漏失到压力衰竭地层的成本低于常规钻井的成本。相当于全部漏失。,-13-,3.MPD的分类与应用方式,MPD的应用形式的技术原理示意,使用海水进行无隔水导管钻井时，为了在海底建立井口，需要使用水下旋转控制头和远程操纵潜水器。使用远程操纵潜水器或者水下自动节流装置来调整泥浆管线的回压。调节水下节流阀开度以控制井底压力，看起来就好像使用隔水导管钻进一样。,-14-,3.MPD的分类与应用方式,MPD的应用形式的技术原理示意,一个新出现的MPD应用形式是在钻杆上装备一个钻井液动力泵，使用这个泵给环空内上返的泥浆增加动力。这种降低ECD的工具，会在泵送点产生突然的压力改变，从而限制了摩擦阻力对井底压力的影响。,-15-,4. MPD的系统组成,保证MPD技术成功应用，一般要满足3个条件：一套封闭、承压的钻井液循环系统与MPD装置相连；钻前水力学优化设计；训练有素且熟悉这一概念的工程技术人员。 MPD技术的本质就是应用闭合、承压的钻井液循环系统继续钻进,旋转控制装置(RCD)、节流器、或许还有钻柱浮阀以及其它已开发并主要用于欠平衡钻井作业的专用设备,对于MPD技术具有独特的作用。,MPD基础封闭、加压的钻井液系统,点击查看示例系统（Weatherford示例）,-16-,4. MPD的系统组成,MPD的装备需求,旋转控制头,钻柱浮阀,连续循环系统,ECD降低工具,可控泥浆帽,压力泥浆帽,-17-,5.国内外研究现状,国际上解决窄密度窗口问题的最新方法是控制压力钻井，国外的窄密度窗口安全钻井完井装备系统是钻井工程前言技术之一，2004年由shell公司首次在油田应用成功，目前已广泛用于世界各地，成为许多油田开发必备的钻井技术。,5.1国外研究现状,-18-,5.国内外研究现状,5.1国外研究现状,2001-10 墨西哥湾半潜浮动平台，第一次成功应用双梯度钻井,200304 在滩海开始应用被动式MPD技术,2004-7 在浮式平台上第一次应用加压泥浆帽钻井,2004-8 第一例装备水上BOP的自升式平台应用加压泥浆帽,2004-12 第一次在墨西哥湾的外大陆架应用MPD技术钻井,2006 巴西国家石油公司以微流控制（MFC）技术进行了4口井试验,更广泛的应用,-19-,5.国内外研究现状,国内窄密度窗口安全钻完井装备系统基本属于空白，研究工作还处于起步阶段。且目前控压钻井技术在还空多相流压降计算、井下环空压力随钻监测以及配套的控压、调压装备等方面基础薄弱。,5.2国内研究现状,-20-,5.国内外研究现状,5.2国内研究现状,控压钻井技术在埕岛油田埕北30区块得到成功应用。,塔中62-27井，在井深49295016m的三个井段实进行控压钻井试验,塔中722井进行控压钻井试验,塔中723井进行了控压钻井试验,中古2井实施了控压钻井试验,轮南633井实施了控压钻井试验,开始深入研究,-21-,6.MPD技术的应用与发展,天然水合物钻井特点：与常规油气钻井相比,在开采天然气水合物的钻井过程中,会打破水合物依存的平衡条件,由于压力的降低或温度的增加会造成水合物的分解并释放出游离气和水,由此会加重井眼的不稳定、井底压力的波动、水合物在井眼外的分解,以及在海洋开采时会有潜在的涌流和海床下沉。这就要求在钻井过程中,必须精确控制井眼压力和温度,以维持易碎水合物储存的应力和条件,在钻井过程中防止其分解。解决方案：有文献认为MPD是目前唯一可用的开采天然气水合物钻井技术。,开采天然气水合物,-22-,6.MPD技术的应用与发展,由于海上钻井平台日费用很高,出现井漏或钻井中产生气体的井用常规的压力控制很难连续、安全地钻井。MPD在海上的应用数量在不断增加，成为海上安全钻井的一种新技术。,用于海洋钻井,-23-,7. 控压钻井的技术研究,单相流水力学模型：更符合非牛顿流体流变特性的钻井液四参数流变性分析模型的建立，并对其作出对其进行评价 。基于该流变性分析模型的水力学计算模型的推导。研究影响井下压力计算精度的因素，析接头以及钻具旋转、偏心、井下设备等对水力压耗计算影响的方法，并且在计算实例中加以验证 。,7.1控压钻井水力学模型,-24-,7.控压钻井的技术研究,多相流水力学模型：环空气-液-固三相流动的分析中，把其分为由钻井液、钻屑等组成的混合相和注入气作为气相，按气液两相流动问题研究该混合体系的流动过程，建立系统的理论模型。采用计算流体力学的方法对气液两相流模型进行数值求解。,7.1控压钻井水力学模型,-25-,7.控压钻井的技术研究,控压钻井的设计计算：通过对常用的控压钻井形式的技术原理进行研究，进行多梯度钻井、多梯度与井口回压结合的综合方法研究，建立计算模型，并对其应用进行探讨性研究。根据地层压力剖面及井场相关参数进行控压钻井方案设计，主要包括：控压段的定位与分析、回压值大小的确定、多密度梯度的设计计算等。进行控压钻井水力学模型的实时计算：建立水力学与控制参数的实时计算模型，为实时监控系统提供调整参数。,7.2控压钻井基础理论研究,-26-,7.控压钻井的技术研究,井身结构优化设计：改进的自上而下的设计方法：针对综合MPD钻井应用模型，根据在裸眼井段安全钻进必须满足的压力平衡约束条件，在已确定表层套管下深的基础上，从表层套管鞋处开始向下逐层设计