控制压力钻井新技术及其应用

一６８一　石油机械　ＣＨＩＮＡ　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　２００７年第３５卷第１１期　●国外石油机械　

控制压力钻井新技术及其应用　

辜志宏　王庆群　刘　（１，江汉机械研究所　峰　李丽娜　杜　珂　２．江汉石油管理局第四石油机械厂）　潘建武　

摘要　针对欠平衡钻井技术在海上钻井中难以解决的固有１＇７题，近几年国外开发了控制压力　钻井（ＭＰＤ）和控制钻井液帽（ＣＭＣ）钻井技术。ＭＰＤ是由欠平衡钻井（ＵＢＤ）和动力钻井技　术综合而发展起来的一项新技术，它利用封闭的钻井液循环系统，通过液力井的模拟程序来反馈　数据，预测环空压力剖面，从而使自动控制压力系统自动调节节流阀，产生微小调节量来精确控　制整个井眼的环空压力剖面。控制钻井液帽（ＣＭＣ）钻井技术是ＭＰＤ在深水钻井应用的新发展，　它既能当作开式循环系统操作，又能当作封闭式循环系统操作，同时使用较重的钻井液。通过水　下钻井液举升泵系统调节钻井液帽在隔水管内的位置，就能快速、准确调节井底压力。实践证明，　ＭＰＤ和ＣＭＣ一定会有广阔的应用前景。　

关键词　ＵＢＤ　ＭＰＤ　ＣＭＣ　控制压力　钻井技术　应用　

引　言　

为了控制井底压力（ｂｏｔｔｏｍ　ｈｏｌｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，　ＢＨＰ）或井内钻井液的环空压力，通常的钻井方法　是要求增加或减少钻井液的重力，即根据地层压力　和井壁的稳定条件来调节钻井液的重力。增加静液　压力需要增加钻井液所含化学成分和加重材料，这　是一个浪费时间和增加成本的过程。同时，当停止　钻井液循环时，该井就会存在超平衡状态。　另一种控制ＢＨＰ的方法是控制摩擦压力。较　高的钻井液循环速度会产生较高的环空摩擦压力，　同时会在井底产生较高的压力。钻井泵转速的变化　会引起ＢＨＰ的迅速变化。采用这种摩擦压力控制　的缺点是当钻井液循环停止时，压力控制便会　失效。　同时，随着欠平衡钻井技术（ｕｎｄｅｒ—ｂａｌａｎｃｅｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ＵＢＤ）在海上钻井所表现出的难以解决的　固有问题（如钻井过程中产生的碳氢化合物的处　理、ＵＢＤ专有设备对钻机空间和人员的限制，以　及在某些情况下受调节工况的限制等¨　），人们希　望研制出能够解决上述问题的钻井工具和技术。　控制压力钻井（ｍａｎａｇｅｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，　ＭＰＤ）是钻井过程中进行压力控制的一个较新方　法。采用ＭＰＤ技术能很好地解决上述问题。ＭＰＤ　是从ＵＢＤ和动力钻井（ｐｏｗｅｒ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ）等老概念，　通过研究与综合而发展起来的一项新技术。　

ＭＰＤ的系统组成和工作原理　

１．定义和技术特点　（１）ＭＰＤ的定义　国际钻井承包商协会　（ＬＡＤＣ）欠平衡和控制压力委员会（Ｕｎｄｅｒｂａ１．　ａｎｃｅｄ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｄ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）　将ＭＰＤ定义为：ＭＰＤ是用于精确控制整个井眼压　力剖面的适宜钻井程序，其目的是确定井下压力的　环境限制，并以此控制环空液压剖面　Ｊ。　（２）技术特点　它不同于常规的开式压力控　制系统，而是依赖于封闭的循环系统，通过调节井　眼的环空压力来补偿钻井液循环而产生的附加摩擦　压力。　ＭＰＤ技术的一个重要特点就是使用了一套封　闭的系统，可增加钻井液返回系统的钻井液压力，　以提供钻进的能力和在保持适当环空压力剖面的情　况下能连续接钻杆。适当的环空压力剖面阻止了钻　井液流人地层造成对地层的伤害。ＭＰＤ技术的这　种控制压力变化还提供了更好地控制井的能力，以　及取得更精确的井眼压力控制、保持和返回钻井液　的导流，较少中断钻井过程。　

ＭＰＤ这种工艺是在地层孔眼压力和裂缝压力　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年　第３５卷第１１期　辜志宏等：控制压力钻井新技术及其应用　梯度之间，完全允许“工作管线”通过精确控制　环空压力剖面的一项技术。　ＭＰＤ不是设计来增加油井产量或最小化趋肤　危害的，而是为了克服一些钻井问题，如低渗透　率、循环钻井液损失、差压卡钻，简化套管尺寸和　获得深层开孔井眼等。　对ＭＰＤ的技术注解　如下：　・ＭＰＤ工艺的采用可以减少具有狭窄井眼环　境限制的、与钻井有关的风险和投资；　・ＭＰＤ可以对包括回压、流体密度、流体变　性、环空液面、循环摩擦力和井眼几何尺寸或这些　因素的组合进行控制；　・ＭＰＤ可以较快地靠纠正作业来处理观察到　的压力变化，它动态控制环空压力的能力容易完成　其他技术不能很好完成的钻井作业；　・ＭＰＤ技术可用于避免流体侵入地层，操作　（包括用适当的工艺）容易发生的任何流动都是安　全的。　２．系统组成　ＭＰＤ钻井系统中的封闭系统依靠连接到位于　旋转控制装置（ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｖｉｃｅ，ＲＣＤ）　下方的钻井液返回出口的节流阀来控制压力。与此　同时，环空压力剖面通过节流阀背压的增加或减　少，以补偿由于环空流量增加或减少时产生的环空　摩擦压力（ａｎｎｕｌａｒ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ＡＦＰ），如图１　所示　引。　

一　一：　１４　到除　

Ｌ一一一　一一一一ｉ一一一［　、１５　到钻井液　补给罐　图１　ＭＰＤ系统的构成示意图　１一钻井泵；２一开关；３一钻杆；４一压缩空气管件；５一旋转控　制装置；６～环形防喷器；７一防喷器；８一减压阀；９——闸阀；　ｌ０一气控阀；１１一辅助控制；１２一地面分离组件；１３一振动筛；　１４一钻井液池；１５一离心机；１６一钻机井眼控制管汇；１７一自动压　力控制系统；１８一命令中心和试验泵装置；１９一信号和控制管线　封闭系统由浮阀（单向阀（ｎｏｎｒｅｔｕｒｎ　ｖａｌｖｅ，　ＮＲＶ））、旋转控制装置、封闭流动管线（不同于　现有常规钻井的控制管汇）、脱气装置或钻井液液．　气分离系统（可选）等组成。　３．工作原理　在ＭＰＤ的封闭循环系统中，钻井液从钻井液　池通过钻井泵进入立管下降到钻杆，通过浮阀和钻　头上部的环空，然后从ＲＣＤ下方的环形防喷器流　出。再通过一系列的节流阀，到振动筛或脱气装　置，最后回到钻井液池。　环空中的钻井液压力通过使用ＲＣＤ和节流管　汇，被保持在钻井泵出口和节流阀之间。ＲＣＤ允　许管柱和全部钻柱旋转，所以，立管、钻杆和钻柱　能连续工作。　（１）井的模拟控制　ＭＰＤ系统通过液力井的　模拟程序来反馈数据，该程序能阅读和处理包括井　身和直径、地层数据、钻柱转速、渗透率、钻井液　粘度、钻井液密度和温度等数据，然后预测环空压　力剖面。　任一点的环空压力由静钻井液量、环空摩擦压　力和地面的背压３部分组成。由于静钻井液重力在　给定的期间内基本上是常数，所以，能快速变化的　其余２个参数是环空摩擦压力（适当改变钻井泵速　度）和地面的背压（通过自动的节流系统控制）。　当决定需要调控压力剖面时，为了达到所需要　的环空压力剖面，在模拟控制下，节流阀自动调节　以改变因环空的钻井液流速增加或减小而引起的环　空摩擦压力的变化。用于ＭＰＤ系统的自动控制压　力（ＰｏｗｅｒＡＭＰＳ）系统能自动调节节流阀，产生必　要的微小调节量来维持所需的环空压力剖面。　（２）下套管后钻井　下套管后钻井时，静态　的钻井液重力、环空摩擦压力和节流阀背压的曲线　是相对稳定的。当接钻杆时，就会产生由ＭＰＤ系　统提供的压力值，即使钻井泵因接钻杆而停泵，也　能维持环空系统所需要的压力值。　在增强功能的ＭＰＤ系统中，当钻井泵减速且　钻井液流量减少时，由于ＡＦＰ的减小，会出现较　低的流动速度，也就会产生较低的环空摩擦力，　ＡＦＰ的减小量一定会同时被节流阀的背压所代替，　井的模拟控制也就连续不断地送出新的压力校正信　号，并且自动控制压力系统就会调节并保持所需的　压力。　

ＭＰＤ与ＵＢＤ的比较　

１．ＭＰＤ是从ＵＢＤ发展起来的一项新技术　为ＵＢＤ安全钻井而研制的工具——ＲＣＤ（又　称旋转控制头，ＲＣＨ），是陆地和海上用ＭＰＤ最主　要的应用装置。ＲＣＤ和专用节流管汇在钻井过程　火线　到管　体的　．　叫ｊ＼＿　ｒ　

＼　维普资讯 http://www.cqvip.com 石　油机械　２００７年第３５卷第１１期　中对封闭的、增压钻井液循环系统的压力起作用。　最初研究用于ＵＢＤ的其他专用装置也用于ＭＰＤ作　业，包括钢丝绳可回收钻柱浮鞋、井下阀、隔膜氮　气生产装置、实时压力和温度检测仪、地面封闭系　统、套管柱和套管钻进尾套管。根据文献［１］的　作者Ｄｏｎ　Ｈａｎｎｅｇａｎ先生统计，在美国和加拿大有　７０％的在役钻机在每一口井的钻井程序中使用了　ＲＣＤ。　预计大约有一半的海上油藏（包括天然气水　合物）用常规的钻井工具和方法正在进行不经济　的钻井。这个比例在水深超过２　２８７　ｍ时的不经济　钻井百分比正在增加　』，并且当孔隙压力降低时　将增加钻井时日。防碍经济的因素包括：损失循环　钻井液、差压卡钻、低渗透率、以过度套管程序为　条件的小孔裂缝压力余量、无隔水管而钻上部井眼　时造成的浅地层损害、花费在循环出气体和井涌等　问题上的处理时间、用较大的生产管柱而未能达到　地质目的等。　可见，ＭＰＤ技术正是从ＵＢＤ发展起来解决上　述钻井问题的新技术。　２．ＭＰＤ较ＵＢＤ更先进和安全　ＭＰＤ是目前最安全的钻井方式。ＭＰＤ的焦点　是更精确地控制井眼压力，而不是像ＵＢＤ依靠通　过地层产生压力降　Ｊ。归纳起来，ＭＰＤ具有如下　优势　卜　：　（１）在海上环境，ＭＰＤ不会像ＵＢＤ一样缺乏　安装ＵＢＤ地面装置的空间；　（２）不像ＵＢＤ，ＭＰＤ是唯一适宜于处理被告　之超平衡时的井眼不稳定性问题的技术；　（３）全过程欠平衡钻井包括ＵＢＤ和欠平衡完　井（ｕｎｄｅｒｂａｌａｎｃｅｄ　ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ），ＭＰＤ不需要如　ＵＢＤ完井工具系统；　（４）改善了ＳＨＥ；　（５）通过精确控制井眼压力剖面，不同的卡　钻风险和循环钻井液的损失在频率和幅度上都减少　了，同时这些钻井风险的减少显著地减少了非生产　时间（ｎｏｎ—ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ　ｔｉｍｅ，ＮＰＴ）；　（６）增加了渗透率；　（７）减轻了钻井液和岩屑侵人地层对油井生　产的损坏；　（８）对整个井眼而言，ＭＰＤ仅有较小的钻井　液粘度变化；　（９）增加了可采储量；　（１０）封闭的带压钻井液循环系统能够允许旋　转管柱和起下钻；能够在预计将损失循环钻井液的　地层位置减轻钻井液重力；能够在钻井液池（或　其他注人口指示位置）发现钻井液渐增时，及时　关闭节流阀，并马上增加井眼底部压力；　（１１）更简单的套管程序，操作者能用较小的　半潜式钻井船钻井，进一步降低成本；　（１２）在可能消除套管尺寸的影响时，能采用　井眼压力与地层压力之间非常小的压力差钻深井。　

ＭＰＤ的应用与发展　

由于ＭＰＤ的技术特点，目前在现场有如下几　方面的应用。　１．开采天然气水合物　天然气水合物具有非常高的商业价值。全世界　天然气水合物的资源量相当可观，仅美国探明的几　块水域的最终可采水合物储量中的天然气含量就高　达４．２５×ｌ０”一５．６６×ｌ０　ｍ　，这虽接近美国目前　国内天然气可采量，但可能还不足美国地下天然气　水合物总储量的１％　Ｊ。　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。　文献［６］认为ＭＰＤ是目前唯一可用的开采　天然气水合物钻井技术。　ＭＰＤ系统能使储层保持规定的井底压力，以　减少因压力降低而导致的水合物的分解；同时使用　３３９．７２５　ｍｍ（１３％英寸）的隔热隔水管和冷却钻　井液体系，使井底温度保持在１１　ｃＩ＝以下以避免水　合物因温度升高而分解。　２．在委内瑞拉、挪威、加拿大和墨西哥解决　钻井中的技术问题　已证实，将近有１４种ＭＰＤ系统可用于深水钻　井　。　在委内瑞拉Ｓａｎ　Ｊｏａｑｕｉｎ油田５口井ＭＰＤ的成　功应用表明，ＭＰＤ没有循环钻井液损失，增加了　渗透率，减少了钻头使用数量，优化了井身结构，　减少了ＮＰＴ，常规钻井问题也减少了　。　在挪威近海的Ｇｕｌｌｆａｋｓ油藏，用欠平衡和压力　平衡技术，于２００４年夏天成功钻井和完井的第１