控制压力钻井新技术

控制压力钻井新技术

报告人：孙宝江

中国石油大学（华东）

2

2

二、工作原理与系统组成

三、基本工艺及应用模式

四、国内外应用情况

一、引言

3

3

复杂油气藏面临诸多问题

窄泥浆密度窗口

地层压力高

井下复杂情

况发生频繁

井控难度大

地层压力预测困难

腐蚀介质

复杂

油气藏

特点

问题

4

4

地层漏失

压差卡钻

钻杆脱扣

增加非生产时间

压力控制不准确

不适用

不经济

更为精确地约束和控制井眼压力——控制压力钻井技术

常规钻井装置和方法不适用

5

5

压力控制钻井技术特点

6

压力控制钻井技术特点

由图可以看出

与常规钻井相

比，MPD井底

过平衡量明显

低于常规钻井

有效保护油气层

防止涌漏问题

增加ROP

优化套管程序

动态控制环空压力

7

7

一、引言

三、基果工艺及应用模式

四、国内外应用情况

二、工作原理与系统组成

8

8

1、概念

MPD是一种改进的钻井程序，可以精确地控制整个井眼的环空压

力剖面。其目的在于确定井底压力窗口，从而控制环空液压剖面。

2、分类

被动型"MPD(ReactiveMPD)

采用常规钻井方法钻井，但将设备组装成能够迅速应对意料外的压力变化。

生动型"MPD(ProactiveMPD)

充分利用配套设备及控制系统，对整个井眼实施精确的压力剖面控制。

9

9

3、工作原理

常规钻井：

井底压力=1<(泥浆密度+泥浆当量循环密度)

只能通过开泵、关泵、控制泵速来调整井眼中的泥浆。

控制压力钻井

井底压力=1<(泥浆密度+泥浆当量循环密度)+井口回压

通过控制地面压力和井眼摩擦力可以显著的调整井底压力，而

且很少需要中断钻进。

1()

10

3、工作原理

调控参数：

旋转控制头

节流管汇

泥浆泵

回压泵

钻井液密度

钻井液粘度

钻井液排量

井口回压

井眼摩擦力

11

11

4、系统组成

旋转控制装置（RCD）

钻柱浮阀

封闭流动管线

节流装置（手动、半自动、微机自动控制）

脱气装置或钻井液液一气分离系统

数据采集系统

MPDM二个类键特征是可以将循环的流体系统作为一个压力容器系统来看。

12

12

4、系统组成

MPD系统构成示意图

1一钻井泵;2—

开关;3—钻杆；

4—压缩空气管

件;5—旋转控制

装置;6—环形

防喷器;7—防

喷器;8—减压

阀;9—闸阀；

10—气控阀；

11—辅助控制；

12—地面分离

组件；13—振动

筛;14—钻井液

池；15—离心机；

16—钻机井眼控

制管汇；17—自

动压力控制系统；

18—命令中心和

试验泵装置；

19一信号和控制

管线

13

13

4、系统组成

MPD闭合回压系统

14

14

4、系统组成——旋转控制装置

采用“被动密封”

设计的RCD简图

15

15

4、系统组成——旋转控制装置

海上旋转分流RCD双密封能力的AlpineRCD3()00图示

16

16

4、系统组成——节流压井管汇和节流阀

MPD节流管汇模型

管汇包括一个高性能

驱动钻井节流器、逆

流和顺流隔离阀、隔

热管线和一个单向阀。

安装在管汇处的单向

阀阻止任何井内回流

通往辅助泵。

17

17

4、系统组成——钻杆浮阀

钻柱浮阀

两个主要功能：

?阻止出现U型

管效应；

?提供足够的摩

擦损耗以便于

在所有泵速都

能看到正的地

面泵压。

18

18

4、系统组成——井下套管阀

井下套管阀是weatherford公司独家拥有的专利技术；

井下套管阀由套管阀体、地面控制系统、控制管线、套管悬

挂短节、张开锁定工具等几部分组成。

系统组成——数据采集系统

了能精确控制井底压力需要数据采集系统提供立管压力、套

压、钻井泵速、钻深、扭矩、转速、和其它数据；

根据采集的数据进行水力学设计：钻井液类型、钻井液密度、

钻罕昧段俊⑲晁佟⑬倚汲叽维驮艘扑俾实取？19

19

一、引言

二、工作原理与系统组成

四、国内外应用情况

三、基本工艺及应用模式

20

20

1、典型的工艺流程

井口设备从上往下配备：旋转控制装置、万能防喷器、双闸板防

喷器、四通、套管头。

钻井液从井口出来后，一路由常规循环管线返回泥浆罐，另一路由节

流管汇、油气分离管汇回到泥浆罐。

泥浆循环路线为：泥浆泵——立管——水龙头——钻杆——钻头——环

空——井口——四通——节流阀——液气分离——油水分离——振动

筛——泥浆罐

21

21

1、典型的工艺流程

22

22

2、应用模式

恒定井底压力控制压力钻井（CBHPMPD）

压力泥浆帽钻井（PMCD）

控制泥浆帽钻井（CMC）

HSE（健康、安全、环境）MPD

23

23

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

用比传统钻井液系统较轻的钻井液钻进，属于近平衡钻井；

当关井或接钻杆时，地表回压使井底压力保持过平衡，控制地层流体注入;

在闭合的钻井系统中利用控制节流压力和井眼摩阻来保持恒定井底压力；

使用旋转控制头和可调节的钻井节流器控制回压来控制井底压力。

基本特征

24

24

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

动态环空压力控制系统（DAPC）

传统井底压力与DAPC井底压力的比较

优点：

更小的油层损害

防止泥浆漏失

防止地层流体的注入

增加ROP（机械钻速）

套管柱下入的更深

瞬时控制井底压力

不需中断钻井控制井涌井漏

25

25

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

控制系统：

单相流动模型

数据接口和历史数据库

GUI（图形用户界面）

PID控制器

PLC、传感器和控制器

动态环空压力控制系统（DAPC）

DAPC管汇流程图

环空压力动态控制系统由控制系统/水力模型和节流管汇/回压泵组成。

26

26

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

动态环空压力控制系统（DAPC）

硬件组成：

旋转控制头

钻柱浮标

辅助压力泵

节流管汇

节流管汇的返回线路

随钻测压工具

DAPC系统的安装原理图

27

27

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

动态环空压力控制系统（DAPC）

工艺：

井底压力设计值和井身结构、钻具组合、泥浆性能、温度等参数输入系统；

经过水力计算，求出井底压力变化值和所需的补偿值,通过施加回压进行调节;

控制系统与录井数据系统相连，并且由PLC控制节流阀、辅助泵，保持相对稳

的井底压力；

为了保证井底压力的实时性，DAPC被设计成无操作者介入的连续操作系统，

一旦

自动操作失效，系统可以转为人为的连续操作。

28

28

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

连续循环系统（CCS）

消除接钻杆时压力波动

无连接前为循环岩屑清洗井眼的停钻时间

提高钻井液的管理

提高对泥浆当量循环密度的控制

减少总的连接时间

减少连接过程中卡钻的机会

高温高压井中循环出连接气气无停工时间

减少油井缩径和膨胀

改善井眼环境

增加钻井平台的安全性

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

连续循环系统（CCS）

系统组成：

连续循环连接器

钻井液分流及输送装置

顶驱连接工具

控制系统

液压动力系统

连续循环系统主要组成部分

30

30

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

连续循环系统（CCS）

工艺：

卸完扣后，提升耐磨短接，并用全封防喷器闸板将其与钻柱隔开;

卸压以后，耐磨短节和连接器分开，提起下一个立柱或单根；

新提起的立柱或单根被插入连接器，控制压力上升；

打开全封，下放新立柱或单根连到钻柱上。

31

31

2、应用模式——恒定井底压力控制压力钻井

连续循环系统（CCS）

连续循环系统泥浆流动图

CCS的核心——连续循环连接器

32

32

2、应用模式——压力泥浆帽钻井(PMCD)

应用范围：

压力严重衰竭油藏

泥浆漏失严重油藏

裂缝溶洞大量发育油藏

典型的泥浆帽钻井方式

33

33

2、应用模式——压力泥浆帽钻井(PMCD)

工艺流程：

旋转控制装置封闭环空；

将加重的高粘钻井液向下泵入环空；

将一段“牺牲流体”注入钻柱，向上携带钻屑，使钻屑沉入钻头之上的

孔洞或裂缝；

环空“泥浆帽”可起到环空隔离的作用，避免油气返出地面造成高压。

34

34

2、应用模式——压力泥浆帽钻井(PMCD)

压力泥浆帽钻井循环简图

35

35

2,应用模式——控制泥浆帽钻井(CMC)

控制泥浆帽钻井还是一项正被检测的新技术，它是

MPD在深海应用的新发展。该系统与压力泥浆帽系

统相类似，只是通过水下钻井液举升泵系统调节钻

井液帽液面位置，能更好的控制井底压力。

36

36

2、应用模式——控制泥浆帽钻井(CMC)

系统组成：

水上和水下分别使用的

两个独立的BOP

新型深水隔水管附带中间

隔水管钻井液返回系统

水下钻井液举升泵系统

控制泥浆帽MPD图

中国石油大学(华东)

控制泥浆帽压力钻井技术

控制泥浆帽压力钻井技术(Control

MudCapDrillingMethod),简称

CMC钻井技术。钻井设备布置图如

左图所示，在隔水管的一定位置上

旁接一个水下泵，钻井时，隔水管

内的泥浆液面位于海平面以下，液

面至水下泵的这段泥浆柱即为“泥

浆帽”。通过水下泵来调节泥浆帽

的高度，进而达到调节井底压力的

目的。

适

用

环

境

压力枯竭地层高裂缝性地层

CMC控制台

泥浆池

泥浆泵

压井管线节流管线

1

水下泵

3

海水泵

钻台

样本采集

4

说明：

1-接气体分离器，用来分离

溢流气体

2-接气体燃烧塔

3-接油库

4-APWD,将井筒内环空压

力信息反馈到控制台

海底

CMC控制台

井控措施

第一道井控线

第二道井控线

第三道井控线

泥浆静液压力

水下防喷器组

表面防喷器组

隔水管短节

APWD

水卜泵

第

一

井

控

操

作

水

卜防喷器组——旁通

CMC设备安装及工艺简要流程图

中国石油大学（华东）

控制泥浆帽压力钻井技术

1

2

压力

深度

泥线

me

h

P

泵Bit

P

3

me

P

CMC钻井与常规钻井压力剖面图对比

图中1为钻杆内的压力剖

面，2为常规钻井方法中

环空内的压力剖面，3为

CMC方法中隔水管短节

以下的环空及水下泵后

续管线内的压力剖面。

可以看出，使用水下泵

后，可采用更大密度的

钻井液，以使泥线以下

环空内的压力剖面曲线

更多的位于孔隙压力和

破裂压力之间，达到减

少套管层次的目的。

中国石油大学（华东）

水下泵

旋转控制器

APWD

高

压

控

制

缸

体

活

塞

柱

塞

海

面

平

台

接隔水管

I

控制泥浆帽压力钻井技术

相

关

设

备

海水驱动容积式泵

动力来源：

高压海水泵供应的海

水

主要作用：

参与泥浆循环，调节/

控制泥浆帽高度

中国石油大学（华东）

隔水管系统

钻柱阀

节流管汇

控制泥浆帽压力钻井技术

相

关

设

备

隔水管主要组成部件

主要作用：

为泥浆循环提供通道，

隔水管短节用于连接水

下泵系统

中国石油大学（华东）

旋转控制器

水下泵

APWD

控制泥浆帽压力钻井技术

相

关

设

备

旋转控制器，RCD

主要作用：

将返回泥浆导入节流管

汇；为环空内液柱提供

回压，防止井喷

中国石油大学（华东）

APWD

水下泵旋转控制器

控制泥浆帽压力钻井技术

相

关

设

备

随钻环空压力测量工具

APWD

主要作用：

对环空压力实时测量，

监测钻井参数与溢流

现象，提高钻进安全

性，缩短了井控时间

中国石油大学（华东）

钻柱阀

隔水管系统

节流管汇

控制泥浆帽压力钻井技术

相

关

设

备

钻柱阀

主要作用：

有效抑制因U形管效应

引起的流体不平衡状态

中国石油大学（华东）

H

I

h

1

P

B

P

1f

p

2f

p

2

p

f

p

3

p

3f

p

mc

h

p

1232

f

stffffbff

P

PPPPPPPP

泵

压力传递

流态判别

Re=2()0()作为临界值

32

Re

mi

P

D

64

Re

f

0.2

P

mi

fk

D

钻柱内压耗计算公式

2

0.2

m

tf

ti

f-L

层流

紊流

控制泥浆帽压力钻井技术

循环压耗计算

中国石油大学（华东）

隔水管短节局部压耗

0.20.81.8

1.8

22

3.8

0.521

pm

f

i

Q

pKQ

d

0.20.8

2

3.8

0.521

pm

d

me

h

钻

柱

隔水管环

空

接水下

泵

环空内压耗计算与水下泵系统管线内压耗计算

2

0.2

mm

f

fL

当

0.25

e

0.06551.8598

R(l)

x

f

钻头压耗

2

2

24

0.081

m

bfb

ne

pQ

PKQ

Cd

控制泥浆帽压力钻井技术

中国石油大学（华东）

泥浆帽「司度计算

水下泵泵压计算

1

()

mmeMfB

pghgH1pP

2123mmefMf

ppghpglpp

泵

321Mff

CglPPP

令

mme

phgC

泵

H

1

h

1

P

B

P

1f

P

2

P

2

p

f

P

3

p

3f

P

me

h

s

P

控制泥浆帽压力钻井技术

中国石油大学（华东）

深度

1250m

2300m

3800m

1940m

12.5”隔水

管

133/8”套管

12.25”井筒

8.5”井筒

95/8”套管

钻杆外径(in)5表层套管内径(in)13

3

/

8

隔水管内径(in)12.5技术套管内径(m)9

5

/

8

钻头尺寸(in)8.5水下泵管线直径(in)5

喷嘴数量(个)6喷嘴直径(in)5

控制泥浆帽压力钻井技术

模拟井基本数据

模拟井示意图

模拟井计算

中国石油大学(华东)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0123456

压耗(MPa)

井

深

(

m

)

排量为250()L/min

排量为2000L/min

排量为1500L/min

排量为1000L/min

排量为500L/min

海底

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

-0.20.30.81.31.8

压耗（MPa）

深

度

1

m

)

排量为2500L/min

排量为2000L/min

排量为1500L/min

排量为lOOOL/min

排量为500L/min

海底

0

100

200

300

400

50()

600

00.20.40.60.81

压耗/MPa

深

度

/

m

排量25()()L/min

排量2000L/min

排量1500L/min

排量1000L/min

排量500L/min

钻柱内循环压耗

环空内循环压耗

水卜泵系统管线内循环压耗

管线内的循环压耗随着深度的增加

而增加；

泥浆排量对压耗有着明显的影响，

排量越大压耗变化越大

控制泥浆帽压力钻井技术

中国石油大学(华东)

0

5()

100

150

200

250

300

350

400

450

500

3008001300180023002800

排量(L/min)

帽

高

(

m

)

密度为L57g/cmA3

密度为1.4g/cmA3

密度为1.45必5人3

密度为L5g/cmA3

0

50

100

150

200

250

300

350

3008(X)13(X)180023002800

排量(L/min)

帽

高

(

in

)

密度为1.57g/cmA3

密度为1.4g/cmA3

密度为1.45g/cmA3

密度为1.5g/cm八3

当井底压力确定以后，泥浆帽的高度将随着排量的增大而降低

在同一排量下，注入泥浆密度越大，泥浆帽的高度越低

控制泥浆帽压力钻井技术

井深3800m井深2300m

不同密度下泥浆帽高度随排量的变化曲线

中国石油大学(华东)

0

10()

200

30()

400

500

600

5052545658606264

井底压力(MPa)

帽

高

(

m

)

排量为2500L/min

排量为2000L/min

排量为1500L/min

排量为1000L/min

排量为500L/min

0

50

100

150

200

250

300

35()

400

450

2122232425262728

井底压力(MPa)

帽

高

m

)

排量为2500L/min

排量为2000L/min

排量为15()0L/min

排量为1000L/min

排量为500L/min

给定密度且同一排量下，泥浆

帽高度随着井底压力增大而增

高

泥浆帽高度主要是由井底压力

的大小来决定的，通过调节泥

浆帽的高度可以控制井底压力

控制泥浆帽压力钻井技术

不同排量下泥浆帽的高度随井

底压力变化曲线

井深3800m

井深2300m

中国石油大学(华东)

0

100

20()

300

400

500

600

0246810

泵压(MPa)

帽

高

(

m

)

排量2500L/min

排量2000L/min

排量1500L/min

排量l()()()L/min

排量500L/min

排量400L/min

0

5()

100

150

200

250

300

35()

400

450

0246810

泵压(MPa)

帽

高

）

排量为2500L/min

排量为2000L/min

排量为15（）0L/min

排量为1000L/min

排量为500L/min

排量为400L/min

同一排量下，泥浆帽的高度随着泵压的增大而降低，随着泵压的减小而升高;

同一泵压下，排量越大帽高越高；确保井底压力处在安全范围的条件下，排

量越大，泵压和泥浆帽的变化范围将越窄。

控制泥浆帽压力钻井技术

不同排量下泵压随泥浆帽高度的变化曲线

井深3800m

井深2300m

中国石油大学（华东）

控制泥浆帽压力钻井技术

结论

1.针对“窄''压力窗口问题，在CMC钻井技术中引入了“泥浆帽”

概念和水下泵设备，通过调节水下泵泵压控制泥浆帽高度能够改变

环空井筒压力剖面，使井底压力得到快速、安全有效的控制，可以

很好地解决因孔隙压力和破裂压力间的“窄”压力窗口而引起的系

列问题；当CMC钻井中需要压井时，CMC操作系统只需要增高或降

低泥浆帽的高度即可达到要求，既降低了钻井的成本又缩短了井控

的时间。

2.与常规钻井技术相比，采用CMC钻井时，降低了泥线处环空压力，

增大了套管鞋处压力安全余量，减少了套管下入层次。

54

54

2、应用模式——HSE（健康、安全、环境）MPD

充分利用钻井平台上密封的泥浆循环系统实现健康、安全、环保钻井。

HSEMPD是MPD形式之一。尽管技术应用可能有所变化，但与敞开式循环

系统相比，HSEMPD应用了闭合、承压的钻井液循环系统，一般在发生危

险而被迫停钻或因此影响开采时，应用该技术。闭合式钻井液循环系统可防

止钻屑和气体从钻台进入大气，因此可降低H2s气体的含量，减少钻台闪火

花的危险。该技术可对整个井眼提供精确的压力控制，比常规作业更安全，

可以更好地解决由于井下压力忽大忽小所造成的漏失一井涌现象。

55

55

一、引言

二、工作原理与系统组成

三、基本工艺及应用模式

四、国内外应用情况

56

56

美国压力控制钻井

57

57

全球几大压力控制钻井服务商

SHELL

58

58

SHELL

壳牌马来西亚公司在钻井时遇到碳酸

盐溶洞而发生井漏，采用压力控制钻井技术

将问题解决。该井成功后，壳牌马来西亚石

油公司又在该地区采用相同方法对付井漏问

题，共钻了至少7口井。

最近壳牌钻采公司成为马来西亚东部

海域墨西哥湾印度尼西亚海域第一家在张力

腿平台上采用压力控制钻井技术进行钻探的

公司。在遇到压力枯竭地层而导致井漏时，

采用环空压力控制系统维持井底压力平衡，

完成该井的钻探。

59

59

在2005年，Transocean和澳大利亚

Santos公司合作，在的sedco601半潜式

平台采用水上防喷器及压力控制钻井技

术进行了钻探，该区块水深2240英尺，

地层孔隙压力较低，经常发生井漏甚至

卡钻，采用威德福的model7100型防喷

装置，使用压力控制钻井技术完成了钻

井，这是第一次采用水上防喷器在浮式

钻井平台上使用压力控制钻井技术。

Model710():

60

60

雪弗龙公司在西非Trident自升式钻

井平台钻井时，遇到井漏，采用威德

福的model7100型防喷装置对井筒压

力进行控制并取得成功。

61

61

时间地点作业公司应用方式解决问题钻机类型

2004

年7月

马来群岛东

部Sarawak海

域

沙捞越壳牌PMCD井漏浮式平台

2004

年8月

安哥拉海域沙捞越壳牌PMCD严重漏失、

钻时延长

自升式平台

2005印尼海域Transocean

和Santos公

司

PMCD