控压钻井技术、设备与应用

控压钻井技术、设备与应用在大多数钻井作业中，大量经费用于解决钻井相关的问题，包括卡钻、井漏和过高的泥浆成本。

为了降低这类问题所引起的非生产时间（NPT）百分比，其目的是控制环空压力损失，特别是在因孔隙压力和破裂压力梯度太靠近而被称为窄安全密度窗口，如果我们能够解决这个问题，钻探井花费将下降，从而使以前认为难以钻进的窄安全密度窗口井也可以实现钻井。

控压钻井（MPD）是一种新技术，它通过控制环空压力损失使我们能够克服这些类型的钻井问题。

由于石油行业对这项技术了解程度还不够深入，文章讲述了控压钻井技术原理，并着重描述在钻井中应用的巨大优势。

标签：控压钻井（MPD）；恒定井底压力（CBHP）；压泥浆帽钻井（PMCD）；双梯度（DG）；返出流量控制（RFC）1 简介1.1 简介世界能源需求在不断增加以满足发展中国家对能源的需要。

日益增长的能源消耗，迫使科学家和工程师们去发现另一种能源获取的新方法，或寻找更好的方法以更高效率的获取我们已使用多年的能源。

世界上现有的大部分剩余油气资源将比过去更难开采。

事实上，很多人认为容易开采部分的能源已经被开采。

随着石油价格的飙升，生产井的安全钻井和成本控制效益尤为重要。

考虑到所有的这些问题，MPD现在应该被视为一种技术，它可以通过减少与传统海上钻井有关的过度钻井相关费用，以显著增长钻井效益。

由于NPT（非生产时间）成本对海上钻井具有更大的经济影响，海底环境是这项技术潜力最大化行业环境。

此外，作为MPD的主要优势，减少钻井相关的非生产时间，使在技术上和经济上较常规方法更具钻探前景，这将不可避免的借助目前MPD在几个条件和环境中所呈现出的优点。

许多钻井决策者的规避风险心理导致该行业在接受新技术方面已经落后其他行业。

至目前为止，正如那些在陆地上和海上已经首次应用MPD的公司所期望，这些应用大多有最具挑战性和以其他方式不可替代的优势，即替代传统邻钻井失败或严重超预算的应用前景。

1.2 基本概念的定义1.2.1 地层孔隙压力地层流体压力或孔隙压力，是被钻地层内的流体施加形成的压力。

沉积岩在油田的寻找和开发中占主要作用，由于它们的形成方式使其包含了流体。

大多数沉积岩是由岩石碎片沉积或有机物与地下水形成的。

众所周知，地球表面超过三分之二的地方是海洋，因此绝大多数的沉积岩都是由陆地周围的浅海海洋沉积物形成的。

在一般情况下，高于海平面的地球表面地区会受到侵蚀过程（陆地的碎裂和磨损）的影响。

碎片被冲入到浅海盆地从而沉淀在海床上，材质粗糙的通常沉淀的比细泥沙和粘土更接近岸边。

这个沉积过程可能会随着地球表面的缓慢移动持续很长时间，部分地区在推高，以提供新的侵蚀面，与之相邻的海盆地则慢慢加深以允许大长度的沉积物聚积。

因而沉积岩中含有水，且通常是海水，作为其形成的的一个重要组成部分。

由于沉积物深度的增加，岩石被压缩，水被挤压出。

相对较小的水分子通过岩石的孔隙流动，而较大的盐分子则被保留，岩石中所包含的水逐渐变得更咸。

这样的结果是，地层流体压力，或孔隙压力由水柱压力产生的，相当于由一个自由盐水柱从沉积层序中排出，该盐水比典型的海水更咸，浓度更大。

几年前美国墨西哥湾沿岸地区的海相盆地沉积物正常地层压力梯度平均数测定为0.465磅/英尺。

这是由约10万ppm的氯化水柱所产生的压力梯度。

相比之下，海水的典型值是23，000ppm的氯化物。

由于盐度或氯离子浓度根据沉积盆地而变化，地层孔隙压力应根据区域影响来确定，而不是使用特定盆地的具体估计的压力梯度。

0.465磅/英尺压力梯度，或表示为一个等效泥浆比重，8.94PPG被普遍认为是海相盆地中正常孔隙压力值的代表。

有一些证据表明，全球范围内，这个数字是有点偏高的。

总体而言，预期压力偏高是更安全的选择。

然而，从正常压力趋势的变化中应该能清楚地识别或估算，以做出准确的钻井设计，其中压力评估是一个重要的问题，且存在次正常/异常压力分布。

低压地层的压力梯度比正常压力地层的压力梯度小。

低压在地层中可以自然发生，由于地壳运动中的较深埋藏而经历了压力回归，或者说是因旧领域中地层流体生产而导致的地层枯竭的结果。

在异常压力地层中，压力梯度大于正常压力地层，孔隙中的流体被加压且施加的压力大于已含地层流体的压力梯度。

防渗水-沉积物填充或邻近页岩（diogenesis）的压实过程中创造了许多异常压力地层。

当一个巨大的页岩地层被完全密封时，地层流体的挤压导致孔隙空间的流体偶然获得一些表土层压。

异常压力地层可能以其他方式形成，它可能在断层，盐丘，或不连续性地质中被发现。

这个过渡区域到较高的压力梯度可以在几英尺到几千英尺中变化。

此外，用于生产注入流体也可能导致现有的压力分布增加。

在钻井行业中，地层孔隙压力是钻井规划中主要的变量，而孔隙压力测量，估算和预测是指导精确水力设计的重要依据。

利用地震、日志、生产和测试数据，以及钻井参数评估来估计和预测地层压力是最常见的方式。

此外，技术开发带来了实时评价用法。

1.2.2 上覆层压力上覆层压力是指上覆沉积物的总重量在地层中的任意点施加形成的压力。

这是一个静态负载，是岩层厚度和密度的函数。

然而，如果我们需要考虑近海和深水环境的话，这个定义就应该如控压钻井所需进行修改。

由岩石及岩石区域上所含流体的总重量形成的压力称为上覆岩层压力。

等效密度中上覆岩层压力的常见范围在18和22PPG之间变化。

这个范围所产生的上覆层压力梯度约为1磅/英尺。

而1磅/英尺的上覆层压力梯度并不适用于浅海沉积物或块状盐。

因为上覆岩层应力分布的变化取决于预测压力的假设，上覆层压力的测定是一个重要的概念。

由于上覆岩石的分布并非同假设的均质，所以无法预测覆盖层的实际值。

1.2.3 破裂压力破裂压力是发生水力破裂时必须加以克服的应力。

这个应力被称为最小横向应力。

当压裂发生时，裂缝的方位通常是平行于最大应力（这是通常的过压），而这意味着裂缝将是垂直的。

对于发生的水平裂缝，上覆岩层压力将必须被超过。

这将发生在较大的水平构造应力区域。

1.2.4 坍塌压力坍塌压力代表在倒塌前保持地层“完整”要求下的最低泥浆重量。

地层坍塌压力不应该被忽略。

在一些情况下，坍塌压力等于或大于孔隙压力。

作业在坍塌压力曲线上的钻井侵占可能会看到大量的地层碎片弹进井筒，而不是由钻头产生的岩屑切碎。

井筒的不稳定可能导致通过从地层坍塌处密封井筒时卡住钻头。

1.2.5 常规钻井在常规钻井循环流路径中，钻井流体通过导向短节流向井口，随后通过管线到气液分离器和固体分离设备，是一个敞口容器的方法。

在敞口容器中钻井为操作带来了麻烦，这个麻烦困扰着每一个钻井工程师。

环空压力主要由泥浆密度和泥浆泵流量进行控制。

在静态条件下井底压力（BHP）为静液柱压力函数。

在动态条件下，当泥浆泵循环时，井底压力是泥浆柱静水压力和环形摩擦压力（AFP）函数。

在陆地和某些浅水环境中，适合的钻探窗口往往在孔隙压力和破裂压力梯度之间存在，该井可安全有效的完成。

在常规钻井中，当泵被关闭或由于钻机设备而引起任何故障时，泥浆被设计成静态地失去平衡或略高于平衡形式以防止任何溢流。

1.2.6 欠平衡钻井钻井工程协会（DEA）定义欠平衡（UB）钻孔为刻意钻遇地层，其中地层压力或孔隙压力大于由环形流体或气体所施加的压力。

在这方面，“平衡”压力钻井是欠平衡钻井的一个子类，因为环空压力在管柱运动过程中有望低于地层压力。

最初，欠平衡钻井仅在静态泥和无管柱运动的不平衡条件下使用。

换句话说，当钻井继续时该系统是超平衡或近平衡，因为在动态条件下，无论是环空摩擦损失还是管柱运动产生的压力都被增加到由钻井液液柱所施加的压力上。

1.3 窄钻井窗口原因通常在深水前景下，在海床下相对较浅的地方，由于快速沉淀和缺乏压实导致孔隙水压力高得离谱。

另一方面，由大水柱代替密集的沉积物引起的覆盖（岩）层减少使得破裂压力通常低下。

这导致了孔隙压力和破裂压力之间的窄窗口。

然而，相比较浅水前景而言，深水前景在项目领域大小、生产速度和净储备中普遍更具价值。

由于窄钻井窗口的限制，常规的方法将离开其位置到新兴技术。

从海上应用来看，控压钻井过去和现在仍然是通过地层孔隙压力和地层破裂压力井底之间很微小的差值来控制。

狭窄的差值在深水钻井中是最明显的，其中大部分表土是海水。

在这种情况下，它的标准做法是在较浅深度设置众多的套管柱，以避免大量漏失。

在控压钻井变化的帮助下，有可能通过控制井底压力来解决这类问题。

在更成熟的领域中由于生产和消耗，崩塌、孔隙压力、破裂压力和上覆岩层剖面经常会改变，曾经宽敞的钻井窗口变得更窄，这使得它在没有漏失或邀请涌入下对“行内钻”更具挑战性。

另一方面，当遇到原始储层时，尤其是在过去，钻井窗口是相当宽广的。

今天的环境下所面临的挑战包括重新进入部分耗尽储层或上覆岩层中水占很大一部分的深水应用中。

2 控压钻井基础知识2.1 控压钻井的历史和背景控压钻井不仅是一项新技术，在同行业中其新工具的优势显而易见，而且它将现有的技术和以前成熟的工具结合。

为了阐明控压钻井的演变，需要理解技术背后的历史和背景。

在1500年达芬奇为自流井勾画出一台机器。

“弹簧杆”电缆钻机于1806年开发。

1859年，德雷克用蒸汽机驱动的电缆工具钻机钻出西半球第一个具有经济价值的油井。

1901年东南部德克萨斯州的德尔托普的欠平衡钻井。

在1937的谢弗工具公司目录描述了旋转头。

在20世纪60年代，旋转控制装置（RCDs）使可压缩的流体（气体、空气、薄雾和泡沫）钻井方法蓬勃发展。

现在被称为排驱钻井（PD）或简易空气钻井，其价值主要体现在提高普及率，增加钻头寿命和降低预期钻井整体成本。

1967年和1972年之间，在路易斯安那州立大学举行的三种压力异常座谈会上控压钻井的众多预测想法首次正式提出。

这些研讨会着重异常压力的起源和程度，以及如何从现有的数据中预测压力和破裂梯度。

当量循环密度（ECD）在1970年开发的井控实践中有效地使用。

目前技术结合和定性了这些带历史性的新技术，用以处理一些最常见的钻井问题，如井涌和井漏。

在20世纪70年代，一个主要的石油公司在路易斯安那州近海中从“kicktokick”钻井到提高钻井速度，避免钻井液失返。

这是墨西哥湾的一个显著的控压钻井案例。

从最初的不接受，水平钻井方法到70年代和80年代才最终被接受。

这引发了一个令人兴奋和有效的钻井技术前景，但是，水平钻入高孔隙压力碳氢化合物的斜裂缝偶尔会带来令人不愉快的意外。

用来防止主井控屏障井喷的液柱向下进入断裂面，然后流到表面，而导致高孔隙压力碳氢化合进入井筒的结果，相当数量的井控事故发生。

泥浆压盖钻井（MCD）多年来一直被认为是常见的“干钻”或“无返回钻”。

更正式的泥浆压盖钻井版本在20世纪80年代的委内瑞拉，90年代的新斯科舍省的海伯尼亚领域，随后在哈萨克斯和前苏联均有提出。