控压钻井装备与技术介绍
控压固井技术简介
2019年第1期西部探矿工程37控压固井技术简介王小文；张维滨，郑会错,李宗要，卢海川，滕兆健（天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451）摘要：介绍控压固井的国内外应用现状，哈里伯顿、斯伦贝谢和挪威Enhanced Drilling公司的控压固井的系统组成及工作原理，以及各自的优缺点：控压固井技术可以解决常规固井无法解决的难题，具有广阔的应用前景。
关键词：控压固井；环空压力；窄窗口；高压地层中图分类号:TE24文献标识码：B文章编号:1004-5716（2019）01-0037-04窄密度窗口以及浅层气侵、水侵问题对常规固井技术提出了挑战，常规固井技术通常是通过提高水泥浆密度来预防井涌和气窜，但是高密度水泥浆和循环压力容易压裂地层、导致漏失。
此外，海上固上部地层套管时,因为井眼尺寸较大，采用传统固井技术的话,在水泥浆凝固阶段，水泥浆失水及流体静压力的下降严重，很容易导致气窜、水侵.破坏井筒完整性叫需要进行补救,严重时不得不弃井。
控压固井技术（Managed Pressure Cementing）是在控压钻井技术（Managed Pressure Drilling）的基础上提出的，主要在固井前循环、注固井液、替钻井液及后续反循环等固井过程中.通过压稳计算,并结合控压装置精确动态控制正注入排量和返出口流量，产生反向回压，从而调节井筒液柱压力，实现安全固井的技术叫控压固井技术可以成功解决以上常规固井难以解决的问题。
1控压固井应用现状目前控压固井主要应用在海洋或陆上的窄密度窗口井固井、高温高压井固井，以及海洋浅层气、浅层水的上部地层固井。
国内在这方面的应用报道较少:2016年，中石化中原石油工程公司在新疆塔中顺南区块成功封固7〃尾管（水泥浆密度2.15g/cm\井底静止温度178°C）叫2017年.中石油西南油气田公司在四川盆地成功进行了4-1/2〃尾管固井（井深7793m的超深井严。
关于井控设备与井控技术
第四节井控设备与井控技术一、井控设备井控设备系指实施油气井压力控制所需的一整套设备、仪器仪表和专用工具。
(一)油气钻井井控设备的安全配套标准为了满足油气井压力控制的要求，井控设备必须能在钻井过程中对地层压力、地层流体、钻井主要参数、钻井液参数等进行准确地监测和预报；当发生溢流、井喷时，能迅速控制井口、节制井眼中流体的排放，并及时泵人压井钻井液使之在维持稳定的井底压力条件下重建井底与地层之间的压力平衡。
即使发生井喷失控乃至着火事故，也具备有效的处理条件。
因此，标准配套的井控设备应由以下主要部分组成。
1．以液压防喷器为主体的钻井井口，又称防喷器组合。
其主要包括：(1)液压防喷器；(2)套管头；(3)四通；(4)过渡法兰。
2．液压防喷器控制系统。
其主要包括：(1)司钻控制台；(2)远程控制台；(3)辅助遥控控制台。
3．以节流管汇为主的井控管汇。
其主要包括：(1)节流管汇及液动节流阀控制箱；(2)放喷管线；(3)压井管汇；(4)注水管线；(5)灭火管线；(6)反循环管线。
(二)液压防喷器组合液压防喷器组合选择包括压力级别、公称尺寸(通径)、组合形式及控制系统的控制点数的选择等。
选择液压防喷器组合应考虑的因素主要有：井的类别、地层压力、套管尺寸、地层流体类型、人员技术状况、工艺技术要求、气候影响、交通条件、物资供应状况以及环境保护要求等。
总之，应能实现平衡钻井，确保钻井安全和节省钻井费用。
1．压力级别的选择液压防喷器组合的工作压力取决于所用套管的抗内压强度、套管鞋处裸眼地层的破裂压力和预计所承受的最大井口压力。
但主要是根据防喷器组合预计承受的最大井口压力来决定。
防喷器压力级别共有五种：14MPa、21 MPa、35MPa、70MPa、105MPa、140MPa。
2．通径的选择防喷器组合的通径取决于井身结构设计中的套管尺寸，即必须略大于所连套管的外径。
防喷器通径共有九种：180mm、230mm、280mm、346mm、426mm、476mm、528mm、540mm、680mm。
控压钻井技术及实践培训讲义PPT工艺
当检测到井壁出现掉块时，立即增加井口回压，抑制 井壁掉块。
精细控压钻井优点
➢ 工程方面： 1、井控安全：及时发现溢流或漏失并迅速处理。 2、钻井提速： （1）井下安全：及早发现溢流、漏失并迅速方便处置，快速抑制井壁掉 块，减少卡钻几率； （2）提高机械钻速：降密度，减压持效应； （3）提高钻井时效：通过调整套压减少加重泥浆、堵漏时间。
➢ 油气层发现与保护 1、随钻测试地层孔隙压力，及时发现油气层； 2、用较低密度的钻井液钻油气层，保护油气层。
控压钻井具有独特的优势：
勘探上：及时发现和有效保护油气层。 开发上：除具有勘探上的优势外，还能降低综 合开发成本，实现开发目的。 钻井工程上：及时发现、处置溢流和漏失乃至 井壁坍塌，防止粘卡，提高机械钻速，缩短加重时 间和堵漏时间。
说明在循环期间井底的正压差当量密度=密度附加值+环
空循环压耗当量密度。这个值一般为0.05至0.15g/cm3，压 力3至6MPa。
控压钻井技术的奥妙
➢控压钻井与常规钻井的比较优势：
★井漏：开泵就漏，停泵井内钻井液液面不降；开泵就不返，停泵井内 井液液面下降，但漏失速度可以接受。此时控压钻井技术能够解决。
控压钻井包括：欠平衡、过平衡和泥浆帽等钻井方式。
优势—
1、将设备、工具与工艺相结合，通过控制环空压力剖面，减少窄安全 密度窗口钻井相关的风险和投资；
2、可以对回压、钻井液密度、钻井液流变性、环空液面、环空循环 压耗和井眼几何尺寸进行综合分析并加以控制；
3、可以快速应对。及时处理观察到的井口与井底压力变化、钻井液 进出口流量变化，动态控制环空压力、出口流量，更经济地完成其 它技术不可能完成的钻井作业；
压力控制钻井技术
压力控制钻井技术根据国际钻井承包商协会（IADC）的定义[1]，压力控制钻井（Managed Pressure Drilling—MPD）是一种适应性的钻井方式，用于精确控制某个井段的井底环空压力，其目的在于根据地层压力的变化相应地控制环空压力，使井底压差保持在设计的范围内。
压力控制钻井过程中要避免地层流体连续进入井筒，偶尔发生油气侵时要通过合理的作业程序进行控制，防止进一步地井侵。
1.2 技术应用压力控制钻井的应用方式包括四种：恒定井底压力钻井、泥浆帽钻井、双梯度钻井和HSE钻井。
其中恒定井底压力钻井技术是应用最广的技术，也最适合渤海地区应用。
恒定井底压力钻井（MPD-CBHP）是在钻完井过程中始终将井底压力控制在较恒定的压力窗口内，是压力控制钻井主要的应用方式。
例如中－沙油气公司SSG（SINO-SAUDI GAS）在沙特KAS地区利用CBHP技术在探井中减少钻井复杂问题、避免卡钻等重大意外问题，在钻进、起下钻、接单根等过程中保持了井底压力的恒定。
北海StatoilHydro公司的Kvitebjørn高温高压井CBHP作业中，使用了连续循环系统CCS、随钻井底压力检测APWD、随钻地层压力检测FPWD、平衡泥浆段塞BMP、自动节流控制技术等新技术，在钻进及起下钻、接单根时使井底压力以当量密度0.02 g/cm3高于地层孔隙压力，避免了高温高压、高产地层的复杂问题[4]。
2 海上MPD作业流程设计压力控制钻井设备应至少包括压力控制系统、流体处理系统、井下工具系统等。
现场应用时要针对作业井的具体情况进行合理优选，特别要结合海上平台的具体情况，在满足作业能力和安全环保要求的前提下，尽量简化设备，减少平台的空间占用。
2.1 作业流程设计设计MPD时考虑了以下几种工况：（1）在钻储层上部的水泥塞或未发现油气显示前，通过液压系统打开液动闸板阀3，井口返出流体经泥浆槽8至振动筛，与常规钻井相同；（2）进行MPD作业期间，关闭液动闸板阀3，关闭MPD节流管汇中路阀，流体进入液气分离器后，游离的气体被分离出来，输送到点火器燃烧掉。
精细控压钻井技术简介
1、MPD提出背景
近年来随着对石
BHP
油天然气勘探开发力 度的加大，各种复杂 地区钻井日益增多， 应 用 常 规 OBD技 术 以 及 UBD 技 术 均 不 能 很 好 解 决 窄 密 度 窗 口 安 BHP 全 钻 井 、 含 H2S 气 体 、高密度泥浆漏失引
井涌
起的钻井复杂和井控 风险等问题。
即 ：MPD是一种适用的钻井程序，用于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范围（使环空压力剖面在安 全密度窗口之类），从而合适地控制环空液压剖面。
一、 精细控压钻井技术概述
2、精细控压钻井技术定义（Managed Pressure Drilling-MPD）
技术注解： (1)MPD将工具与技术相结合，通过预先控制环空液压剖面，可以减少 与井底压差范围狭窄的井眼钻井有关的风险和投资； (2)MPD可以包括对回压、流体密度、流体流变性、环空液面、循环摩 擦力和井眼几何尺寸进行综合分析与加以控制； (3)MPD可以更快地纠正作业，来处理观察到的压力变化。能够动态控 制环空压力，从而能够完成其他技术不可能经济地完成的钻井作业； (4)MPD技术可用于避免地层流体侵入，使用适当的工艺作业中产生的 任何流动都是安全的。
井底恒压 CBHP
加压泥浆帽 PMCD
窄密度窗口... 高温高压层
大漏失地层
双梯度 DGD
海洋钻井
一、 精细控压钻井技术概述
应用最广泛，适用区域最 广，技术上最先进 溶洞、大裂缝地区 地层压力梯度规律突变 （深海海底）
HSE 健康安全环保
减少污染
仅在概念阶段
陆上力
地层压力
一、 精细控压钻井技术概述
2、精细控压钻井技术定义（Managed Pressure Drilling-MPD）
控压钻井
实时调整井口回压，维持井底压力相对稳定，保证井筒内
的压力满足地层密度窗口的要求。井底恒压控压钻井技术 适用于处理海洋窄密度窗口、浅表层钻井等问题。
井底恒压控压钻井技术装备布置示意图
5
控制压力钻井
泥浆帽钻井
泥浆帽钻井技术作业是向环空注入高密度钻井液， 钻杆中注入“牺牲流体”；通常牺牲流体密度较低， 以此获得较高的机械钻速。牺牲流体与环空注入的 高密度钻井液在环空相遇，形成钻井液 — 牺牲流体 界面，界面以上的高密度钻井液被称为泥浆帽。
3
控制压力钻井
控压钻井技术方式
1. 恒定井底压力MPD（CBHP MPD）
2. 泥浆帽钻井（PMCD） 3. 双梯度钻井MPD 4. HSE（健康、安全、环境） MPD 又称回流控制钻井技术
4
控制压力钻井
井底恒压控压钻井
井底恒压控压钻井适用于窄密度窗口和未 知密度窗口情况下的钻井作业，可通过调节井 口回压维持井底压力等于或略大于地层压力， 保证钻井作业安全、高效。 井底恒压控压钻井装备的布置主要是在旋转防喷器与液 气分离器之间加入一个自动节流管汇系统，根据井底压力
旋转防喷器可以避免关闭闸板防喷器，将碳氢化合物释 放至钻台的可能性降至最低，且在循环出侵入流体或在 处理气侵钻井液过程中允许活动钻柱。 HSE控压钻井技术装备布置示意图
8
2
控制压力钻井 欠平衡、控压、常规钻井划分
井眼压力 欠平 坍塌压力～孔隙压力 衡钻 井 控压 油井，孔隙压力～孔隙压力+1.5钻井 3.5MPa 气井，孔隙压力～孔隙压力+3-5MPa 近平 油井，孔隙压力+1.5-3.5MPa 衡钻 气井，孔隙压力+3-5MPa 井 过平 油井， 孔隙压力+3.5MPa ～破裂压力 衡钻 气井， 孔隙压力+5MPa ～破裂压力 井
控压钻井概述讲解
HSE
❖ 健康、安全、环保MPD（HSE）：是控压钻井的重要组 成部分，主要用于含H2S地层，使用闭合承压钻井液循环 系统更严格控制井底气体产出，通过专用的分离器处理 H2S等有害气体，降低地面危险等级。
控压钻井主要装备
旋转防喷器（RCD） 单向阀（NRV） 节流管汇系统
❖ 旋转防喷器又叫旋转控制 头，在井眼环空与钻柱之 间起封隔作用，并提供安 全有效的压力控制，同时 具有将井眼返出流体导离 井口的作用。
旋转防喷器
钻杆内单向阀
❖ 又称钻具止回阀，是MPD中的重要装备。由于MPD需要 向环空中加回压，根据U型管原理，钻井液有可能被压回 钻柱内。泥浆中岩屑会堵塞钻具，甚至泥浆会从喷出钻柱 ，所以需要在钻柱内安装单向阀。下图为球形止回阀结构 。
节流管汇系统
❖ 节流管汇：利用节流管汇中的节流阀启闭,控制一定的回 压来保持井底压力的平衡。
❖ 控压钻井筛选步骤 ①确定作业目的； ②获取数据； ③评价分析；常规水力学、控压钻井水力学分析；确定重 要的参数。
MPD筛选流程图
Hale Waihona Puke 控压钻井的主要分类加压泥浆帽钻井
井底恒压控压钻井
传统分为四大类
双梯度控压钻井
HSE/密闭控压钻井
井底恒压控压钻井（CBHP）
❖ 井底恒压控压钻井（CBHP）：是一种通过环空水力摩 阻、节流压力和钻井液静液柱压力来精确控制井眼压 力的方法，主要用于钻过窄或不明压力梯度窗口。
先进控压钻井技术
连续循环钻井（CCS） 微流量控压钻井（MFC）
充气控压钻井 钻井泵分流器（RPD）
连续循环钻井
❖ 连续循环钻井技术是指在钻井过程中，起下钻接卸单根时 ，可以不停泵而保持井眼处于连续循环状态的技术。该技 术可有效克服因开/停泵造成的井下压力波动，减少因压 力波动造成的井下复杂情况及事故。
控压钻井(推荐完整)
决海洋钻井中遇到的溶洞型及裂缝地层导致的严
重漏失有良好效果。
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双梯度钻井技术
控制压力钻井ຫໍສະໝຸດ 作业时，隔水管内充满海水（或不使用隔水 管），通过海底泵和小直径回流管线旁路回输钻井 液；或在隔水管中注入低密度介质（空心微球、低 密度流体、气体），降低隔水管环空内返回流体的 密度，使之与海水相当，在整个钻井液返回回路中 保持双密度钻井液体系，有效控制井眼环空压力、 井底压力，确保井底压力处于安全的压力窗口之内。
泥浆帽钻井
泥浆帽钻井技术作业是向环空注入高密度钻井液， 钻杆中注入“牺牲流体”；通常牺牲流体密度较低， 以此获得较高的机械钻速。牺牲流体与环空注入的 高密度钻井液在环空相遇，形成钻井液—牺牲流体 界面，界面以上的高密度钻井液被称为泥浆帽。
海洋应用泥浆帽钻井的井口装备示意图
此方法已在海洋钻井作业中获得成功应用，对解
1. 解决了钻井中的窄密度窗口问题 2. 解决了海洋浅表层作业的相关问
题 3. 解决了隔水管进气对深水钻井的
影响问题 4. 减少非生产时间，降低作业成本
1
控制压力钻井
控压钻井原理
常规钻井：井底循环压力= 静液柱压力+ 环空摩阻 控压钻井：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）
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控制压力钻井
控压钻井技术方式 1. 恒定井底压力MPD（CBHP MPD） 2. 泥浆帽钻井（PMCD） 3. 双梯度钻井MPD 4. HSE（健康、安全、环境） MPD 又称回流控制钻井技术
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控制压力钻井
井底恒压控压钻井
井底恒压控压钻井适用于窄密度窗口和未 知密度窗口情况下的钻井作业，可通过调节井 口回压维持井底压力等于或略大于地层压力， 保证钻井作业安全、高效。
钻 井 井 控 装 置(课件)
五、液压防喷器组合的选用
• 合理选用井控装置组合或配置是安全、顺利、高 效钻井的重要环节。液压防喷器组合选择包括压 力级别、通径尺寸、组合形式及控制系统的控制 点数等。选择液压防喷器组合应考虑的因素主要 有：井的类别、地层压力、套管尺寸、地层流体 类型、人员技术状况、工艺技术要求、气候影响、 交通条件、物资供应状况以及环境保护要求等。 总之，应能实现平衡钻井，确保钻井安全和节省 钻井费用。
井控设备的组成
(1) 井口防喷器组。 (2) 控制装置。 (3) 节流与压井管汇。 (4) 钻具内防喷工具。
井控设备的组成
(5) 加重钻井液装置。 (6) 起钻灌泥浆装置。 (7) 钻井液气体分离器。 (8) 监测仪表。
液压防喷器的特点
关井动作迅速 操作方便 安全可靠 现场维修方便
四、液压ห้องสมุดไป่ตู้喷器的工作压力与公称通径
5、闸板防喷器的壳体上有侧孔，在侧孔上 连接管线，可用以代替节流管汇，循环钻 井液或放喷。
闸板防喷器的类型
▪ 根据所配置的闸板数量 分为：
1、单闸板防喷器 2、双闸板防喷器 3、三闸板防喷器
闸板防喷器的侧孔
闸板防喷器的类型
▪ 按闸板形状：
全封
半封
闸板防喷器的类型
按闸板作用：
剪切
变径
闸板防喷器的结构概况
闸板防喷器闸板的特 点
闸板的浮动和自进式密封： 闸板总成与壳体放置闸板的体腔有一定的间隙，允许
闸板在壳体腔内有上下浮动。平时闸板上部胶芯不接触 顶部密封面。而在闸板关井时，闸板室底部高的支承筋 和顶部密封面均一渐缓的斜坡，能保证在闸板到达密封 部位之前，闸板与壳体之间有充分间隙。实现密封时闸 板前端橡胶首先接触钻具，在活塞推力下，封紧钻具。
井口控压钻井技术方案
若不再溢流，且不漏失（或漏失量较小），则进行控压钻进，井口控压1-3MPa；
3、若井口控压3MPa后，仍不能平衡地层压力，则连续提高钻井液密度（原 则上钻井液密度控制在1.20g/cm3左右），利用钻井液密度和井口控压相结合
在高密度压井条件下水平段钻井困难，大量压井材料由于地层承压能力低井漏 使得固相堆积在井眼中，造成在水平段钻井过程中钻时慢、易阻卡等井下复杂。
二、井口控压钻井技在注水区块应用的可行性分析
1、两道防线控制井口，更安全
安装井口控压装置降低注水区块
溢流井控风险至少要提供两道防线控
制井口，第一道防线旋转控制头承受 一定压力，控制地层流体的侵入，当
降低高压注水区块水平井水平段钻进过 程中的钻井液密度，提高钻井速度，减
少井下复杂。
控压钻井的 原则
控压钻井原则上以“微过平衡、微漏失 状态”为核心
三、井口控压钻井技术方案
2、控压钻井方案 正常钻进 （不控压）
一开、二开 直井段
否
斜井段入窗 水平段
溢流 出水
正常钻进 （不控压）
是
控压钻进 （1-2MPa）
开节流阀泄压。拆除旋转总成(可将旋转总成带在1根钻杆上，摆放在大门坡
道)，继续起钻至完(井口断流时应连接灌钻井液)。
三、控压钻井作业流程
6、井口控压钻井技术措施 起下钻
5、安装有全封闸板防喷器情况下，起钻完关闭全封闸板防喷器，控制套 压略低于或等于关井套压(若无套压、断流时及时开泵小排量通过侧井口向井 内注入钻井液并控制套压略低于或等于关井套压) 6、更换钻头、钻具组合，下钻到钻杆后安装旋转总成(或接带旋转总成的 钻杆)。 7、继续下钻，下钻钻具悬重达到50KN时，开始控制套压(每下1柱钻具， 控制套压增加1MPa，直至控制套压略低于或等于关井套压) 8、下钻过程中根据溢流量的大小，始终控制套压低于关井套压1～2MPa。
关于控压钻井技术的研究与应用
境 压力的控制 力度， 这样一 来 ， 就可 以防止 因为地 层流体 故障性 侵入而 现 在三个方面。 分 别是 无隔水管钻井、 闭路循 环系统以及井 眼清洁 。 影 响到钻井 的性能 。 一旦钻井 性能得 到有 效的保 障 ， 就可 以对深 层钻井 ３ ． 结 束语 相关 的风 险以及投 资进行一定程度 上的减少。 本文 主要 针对控 压钻 井技 术 的研究 与应用进 行研 究与分析。 首 先
【 关键词 】 控压钻井技术 ； 控压 原理； 应用
实时监测 。 微流 量控 压钻井技 术的工作原 理主要如下： 通过 精确的控制 钻 井液 的流 入量 和流 出量 来调 节钻井液 流量 等参 数， 将 采集 到的地 层
１ ．算机 采集 系统 中， 经计算 机处 理后 进行下一
效的技术 ， 它主要应 用于底层较 为复杂的油气资源开采之中。除此之外， 控 压钻井技术还具 有较 大的优越性 ， 突出表现在生产成 本较低 、 操作流程 简
底 的压力数 据， 并对压 力状 况进行 充分的结合， 然后 在此基 础之上完成 压 力补 偿操 作 ， 有效 实现 了井 内压 力的 自动调 控和 压力液 的不 间断循
１ ． １控压钻 井技 术的定义 步指示 ， 实现 安全 钻井。 通过 对微流 量控压 钻井技 术进行有效 的使用 ， 目 前状 况下， 存在 着对控 压钻井 技术 的多种 定义 ， 而 在这些 定义之 能够 在很 大程 度哈 桑 对压液 的监 控 精度 进行提 高 ， 同 时， 它还能 够提 中， 最 为主流的便 是国际钻井 承包商协 会对于控 压钻井 技术 的定义 。 定 高 石油钻 井的安全 性 ， 目 前状 况下， 该技 术的研发 主要集 中在 欧美发达 义如下 ： 控压 钻井技 术是指 以保持井底 压 力在设 定范 围之 内为 目的， 用 国家， 国内研发还 处于 一种弱势水平 ， 但 随着石油勘 探地 质条件的复杂 于 精确 控制 整个井 眼压 力剖 面的实 用钻井 程序 。 虽然国 内外 存在 着多 化 ， 国际 间的技 术交流 必将进 一步加 强。 种 控压钻井 技 术的定义， 但在这些 定义的表 述中， 都涉及 到控 压钻 井技 ２ ． ３ Ｒ ｅ ｅ ｌ Ｗｅ ｌ ｌ 钻井技术 术 的特性 ， 即能 够有 效降低 生产成 本、 简化 操作流 程 ， 同时又能够对 非 生产时 间进行一定程度上 的缩短并 有效改善 油井生产效率 等。
控压钻井技术及其应用
控压钻井技术及其应用姓名： XX班级：序号：学号：摘要：控压钻井是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。
本文介绍了控压钻井的概念和原理及其应用和发展。
关键词：控压钻井；MPD；钻井技术；应用控压钻井是目前世界上最先进的钻井技术之一，能够对井底压力进行实时精确的控制、解决现场遇到的井下复杂钻井问题；理论研究与应用实践均表明，它可以有效的解决国内外普遍遇到的窄密度窗口安全钻井难题。
为了更好的掌握和运用该技术，从宏观角度将控压钻井看作为一项较复杂的系统工程，既要保证系统内任一组成部分能够正常运转，又要提高系统内各部分之间的协调能力，从而发挥其最大效率。
为此，提出了控压钻井系统工程（MPDSE）的概念——控压钻井系统工程就是将系统工程理论应用到控压钻井技术中的一种研究方法。
其主要内容是研究系统内部各组成部分的精确设计，系统分析各组成部分之间的相互关系和内部地位，优化处理各组成部分之间的相互制约性，实现系统的最优化。
一、MPD的系统组成和工作原理[1]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(Underba1anced Operation and Managed Pressure Commitee) 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。
(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技术义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。
控压钻井技术
MPD解决漏涌并存的原理
o 在裂缝性井漏情况下，钻井液密度窗口非常狭窄，往 往不到0.02 g/cm3，环空循环摩阻足以造成漏失。
MPD解决井漏的原理
o 环空摩阻当量钻井液密度一般不高于
0.05g/cm3。
o 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。
o 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。
点，静止、循环都发生井漏 o 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
o 控制钻井液密度 o 下技术套管封 o 堵漏提高承压能力
背景
o 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。
o CPD （controlled pressure drilling)
欠平衡、控压、常规钻井划分
井眼压力 欠平 坍塌压力～孔隙压力 衡钻 井 控压 油井，孔隙压力～孔隙压力+1.5钻井 3.5MPa
气井，孔隙压力～孔隙压力+3-5MPa 近平 油井，孔隙压力+1.5-3.5MPa 衡钻 气井，孔隙压力+3-5MPa 井 过平 油井， 孔隙压力+3.5MPa ～破裂压力 衡钻 气井， 孔隙压力+5MPa ～破裂压力 井
MPD与UBD、PD的关系
o 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。
o 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。
钻井院控压钻井装备与技术介绍
详细描述：某油田采用钻井院控压钻井装备和技术，成功地控制了钻井过程中的 压力，提高了钻井效率，减少了井漏等复杂情况，为油田开发带来了显著的经济 效益。
案例二：某海上油田控压钻井实践
总结词：高效稳定
详细描述：在某海上油田的控压钻井实践中，钻井院的技术和装备表现出了高效和稳定的特性。通过精确控制井底压力，有 效防止了井喷、漏失等问题，大幅提高了海上钻井作业的安全性和效率。
保护油气层
控压钻井技术能够精确控制钻井液压力，减少对油气层的伤害，保 护油气资源。
控压钻井技术应用场景
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高压、高油气比油气田
在高压、高油气比油气田中，采用控压钻井技术 可以有效控制地层压力，防止井喷等事故发生。
复杂地层
对于复杂地层，如断层、裂缝发育地层等，采用 控压钻井技术可以降低地层破裂的风险，提高钻 井成功率。
控压钻井泵的调节系统能够根 据需要调整泵的排量和压力， 实现钻柱内压力的精确控制。
控压节流阀
控压节流阀是控压钻井系统中的关键部件之一，主要作用是调节和控制钻柱内的压 力。
控压节流阀通常采用球阀或滑阀结构，具有高精度、高可靠性、快速响应等特点。
通过调节控压节流阀的开口度，可以精确控制钻柱内的压力和流量，实现控压钻井 的目的。
定性和可靠性，降低应用成本，提升市场竞争力。
提升技术应用水平
02
加强技术培训和技术服务，提高钻井工程师和技术人员的技能
水平，确保技术的正确和有效应用。
拓展技术应用领域
03
将控压钻井技术应用于更广泛的领域，如深海钻井、非常规能
源开发等，以拓展技术的应用范围和市场空间。
政策与资金支持建议
制定优惠政策
加强知识产权保护
控压钻井技术及其应用
式中 ：ＨＰ为井底压力 ； Ｂ Ｐ 为环空液柱压力 ； Ｅ Ａ Ｐ为
环空循环压耗 ，。 Ｐ 为井 口回压 ； Ｐ 为环空循环压力波动 ， 单位 Ｍ ａ Ｐ。 在一般 的钻井过程中 ，井底气压 的调节主要依靠改 变钻井液密度或者调节循环排量 的方式来实现 ，但前者 的时效性较差 ，而后者在钻井液循环停止是会因封闭失 效而无法实现连续压力控制 。 当然 ， 对复杂地层的石油钻 井而言 ， 常规钻井 的压力控制方式无法避免 问题的出现 ， 作者简介 ： 师璨 （ ９ ２ ） 硕 士研 究生 ， 理 工程 师 ， １８一 ， 助 主要 研 究方 在这种情况下 ，就必须借助控压钻井的地 面装置对意外 向 ： 油 钻 井 工 程 石 侵人流体进行控制 。
国 内中石油钻井 院和塔里木 油 田等 的室 内模拟试验 和现 场 应 用 中 表 现 出 良好 的 效
果。
通 过 装备 垮１： 『艺槲 结 台。合 理逻 辑判 断 ．实现 ｌ 葛 Ｈ 力动态 、 自通 麻 挣 制 环 苎ｉ
图 ｌ控 压 钻 井 的 控 制 要 素
１ 控压钻井技术
有将井 眼的压力控制在可操控范 围内，才能实现钻井作
随着 当前 世界石 油开采逐 渐 向深 部复 杂地层 的扩 制 ，故可避免因地层流体故障性侵入而造成 的钻井性能 展， 开采过程 中发生的井涌 、 井漏 、 害气体 泄漏 、 有 卡钻、 的降低或丧失 ， 进而减少深层钻井相关风险和投资 。 起下钻时间过长等各种窄密度窗 口安全钻井问题开始引
术 的定 义及 其 工作 原理分 析 的 基础 上 ， 国 内现行 主要 控 压 钻 井技 术进 行 了梳 理 ， 对 以期 为控 压钻 井技 术的 全 面推
提 供 参考 关 键 词 ： 压钻 井 ； 压原 理 ； 用 控 控 应 中图 分 类 号 ：Ｅ ４ Ｔ ２２ 文献标识码： Ａ 文 章编 号 ：０ ６ ８３ （０ ２ ｌ— １８ ０ １０ — ９７ ２ １） １ ０７ — ２
控制压力钻井技术
主要内容：
井底压力恒定MPD (CBHPMPD) 双梯度MPD(Dual-gradientMPD) 加压泥浆帽MPD (Pressured-mud-cap MPD，PMCD) HSEMPD（HSE or返回流量控制 (RFC)
其它演变的钻井方法
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二、控压钻井（MPD）各种应用模式
10
一、控压钻井（MPD）概述
存在窄密度窗口地层的几种情况 压力敏感地层裂缝、溶洞等连通性好的地层，停泵井涌，
开泵漏失； 长井段同一压力系统当平衡上部地层时，钻开下部地层
会发生漏失，降低密度上部地层流体会有外溢； 上部存在异常高压层钻遇下部正常压力目的层，由于地
层压力降低发生漏失；
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按其压力控制方式可分为主动型和被动型。 “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。钻井
程序中至少需要装备有旋转控制装置(旋转防喷器或旋转头)、
节流管汇，或许还有钻柱浮阀等。 “主动型”MPD (ProactiveMPD)：充分利用组装设备
——井底压力恒定MPD
(CBHPMPD)
井底压力恒定MPD又称为 当量循环密度( ECD) 控制。 设计时使用低于常规钻井方式 的钻井液密度进行近平衡钻井。 循环时井底压力 = 静液柱压
力+环空压耗
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二、控压钻井（MPD）各种应用模式
当关井、接钻杆时，循环压耗消失，井底压力处于欠平衡 状态，在井口加回压使井底压力保持一定程度的过平衡，防止
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二、控压钻井（MPD）各种应用模式
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二、控压钻井（MPD）各种应用模式
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二、控压钻井（MPD）各种应用模式
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系统 性能指标
自动节 流系统
额定压力:35MPa 节流 度:±0.35MPa 工作压力:10MPa
回压泵 额定压力:35MPa
系统
额定流量:12L/s
技术特征
实现功能
✓主、备、辅助三个节流通道，
能够自动切换
具备自动节流，冗余节流切换、安全报警、
✓钻进中实现在线维护
出口流量监测等功能，能够适应复杂工况
精细控压钻井装备与技术
郭庆丰 中国石油集团钻井工程技术研究院
2014年9月
— 前言
主
— 控压钻井工艺技术
要
— 精细控压钻井系统
内
— 主要成果与技术创新
容
— 现场应用情况
— 经济社会效益及推广应用前景
一、前 言
精细控压钻井系统是精细控 压钻井工艺技术的载体，实现了 “看着井底压力来打井”，可有效 解决窄密度窗口造成的井漏、井涌、 井壁失稳、卡钻等复杂事故。国外 在2007年开始工业化应用，目前已 成为许多油田勘探、开发必备的钻 井技术。
静液压力
静液压力
不同工况压力控制示意图
-13-
二、控压钻井工艺技术
控压钻井的应用优势
消除了循环压力对井底压力的影响
有利于深井和高温高压井的安全施工、提高速度 控制井底压力小幅度波动
有效控制井底压力在窄范围内； 有利于水平井和窄压力窗口井作业。 快速调节井下环空压力 在不调整钻井液密度的情况下，快速应对井 下情况的变化，随时调整进行液相的过、近、欠 平衡作业
PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成
自动节流管汇系统 回压补偿系统 液气控制系统 自动控制系统 自动控制软件 随钻压力测量工具（可选）
震动筛
泥 浆 罐
液 气 分 离 器
泵
泥浆罐
RCD
井控节流
5
4
控制器
回压泵
2 3
液气泵
1
自动节流管汇
6
PWD
1 自动节流管汇 2 回压泵系统 3 液气控制系统 4 监测及自动控制系统 5 自动控制及应用软件 6 PWD
取得了控压钻井技术应用的重大突破，真正实现了国产精细 控压钻井装备和技术的商业化应用
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四、主要成果与技术创新
形成一套精细控压钻井技术
通过20口井的现场应用完善形成适应不同工况的精细控压钻井技术系列
微流量监测与处理工艺技术 环空压力监测与控制工艺技术 回压补偿工艺技术 近、过平衡精细控压技术 欠平衡精细控压技术
形成一套控压钻井装备实验与检测方法
实验、测试方法: 控压钻井工艺模拟实验方法 单元测试技术 控压钻井装置的性能测试与评价方法
实验室工艺模拟及测试、评价内容 不同工况下控压钻井工艺模拟实验 单元测试 整机性能测试与评价
模拟方法
测试技术
评价方法
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五、主要技术创新或技术突破
-16-
三、精细控压钻井系统
PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成 自动节流管汇
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三、精细控压钻井系统
PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成
回压补偿系统
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三、精细控压钻井系统
PCDS-Ⅰ精细控压钻井系统构成 自动控制系统及控制中心
自动控制系统软件
中心控制房
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控压钻井现场应用取得突破
技术方式
精确近平衡控压钻井技术 欠平衡控压钻井技术 微流量控压钻井技术
1、根据地质要求，控制少量溢流，实现有效防漏 2、欠平衡控压边点火边钻进，利于发现油气层，提高钻速 3、监测钻井液出入口流量变化，实现溢流、漏失早期控制 4、及时微量的井口回压调整，有利于发现油气层 5、调整井口控压，寻找压力平衡点，可顺利穿越薄弱层 6、实施精细控压作业，有利于水平段延长，提高单井产量
数
节流精度
结构
系统
功能
Halliburton MPD
Weatherford MFC
PCDS-I 精细控压钻井
系统
35MPa
35MPa
35MPa
±0.35MPa ±0.5MPa
±0.35MPa
三通道
双通道
三通道
采用PLC控 制器，接线 复杂，不具 备在线监测 功能
PLC控制器， 需参数整定
FF数字总线， 工况自适应， 具备在线自诊 断功能，系统 工作可靠性高， 性能先进
参数采集与监测、实时水力学计算、远程自动控制软件 三个软件构成，完成与其它系统之间的通讯及数据交互， 负责向液气控制系统发出相应的调整指令，并监控指令 的执行情况，实现阀的平稳控制
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三、精细控压钻井系统
PCDS-Ⅰ精细控压钻井工艺流程
正常钻进时流程
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井底恒压
微流量
井底恒压和微 流量
总体达到国外同类 技术的先进水平
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— 前言
主
— 控压钻井工艺技术
要
— 精细控压钻井系统
内
— 主要成果与技术创新
容
— 现场应用情况
— 经济社会效益及推广应用前景
四、主要成果与技术创新
通过持续攻关、改进完善与现场应用，形成的主要成果：
一套重大技术——精细控压钻井技术 一套特色方法——控压钻井装备实验与检测方法 一套精细控压钻井装备—PCDS-I精细控压钻井系统 一个重点实验室——控压钻井模拟、测试与评价实验室 申报专利21项，其中发明专利8项 精细控压钻井系统标准与技术规范 组建两支控压钻井试验与技术服务队伍
三、精细控压钻井系统
技术特点
系统
技术特征
实现功能
液气控 制系统
监测及 自动控 制系统
精细控 压自动 控制软 件
✓工作压力<10.5MPa，动态响应时 间<1s ✓性能可靠，安全互锁 ✓具备远程和本地操作功能 ✓设备参数显示清晰 ✓安全可靠，维护简单
✓测量精度2‰，动态响应时间<1s ✓系统的自检功能 ✓双冗余设计，实现故障时自动切 换 ✓数字化通讯，抗干扰能力强
破裂压力、漏失压力、压差卡钻压力，取三者的小值
正常压力窗口 窄压力窗口
循环
井
底 压
静压
力
地层压力、坍塌压力，取二者的大值
ECD
时间
常规钻井 MPD钻井 MPD静液压力
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二、控压钻井工艺技术
控压钻井压力设计与控制
钻井液密度原则
正常的钻井液密度时，静液柱压力必须小于地层压力，并 且有一定有压力空间，是一个欠平衡状态，在无回压的情 况下存在作业风险
平衡
压力
流量
不同的地质条件下的表现形式： ✓平衡钻井，入口流量=出口流量 ✓微溢流钻井，发现产层 ✓微漏失钻井，含硫化氢地层
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四、主要成果与技术创新
控压钻井实验室
控压钻井实验室是一套钻井过程的压力模拟系统，是目前国内唯一的能 够进行控压钻井各种工况全尺寸模拟实验和设备测试的实验室，是控压钻井 系统研制及其自动控制软件开发的基础必备条件
国外垄断，达到了国外同类技术的先进水平
一、前 言
PCDS-I精细控压钻井系统已先后在我国塔里木、川渝、 华北、冀东及印尼等国内外控压钻井服务热点和难点地区，成功 开展现场试验与服务20口井，取得了良好的市场应用效果，得到
了油田公司的充分认可和肯定
2012年以来，通过精 细控压钻井系统装备的集成 工业推广应用、设备产品销 售、技术支持与服务等产生 直接经济效益巨大
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四、主要成果与技术创新
专利、标准与技术规范、论文
申请专利21项，其中发明专利8项
序号
发明专利
1
一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井方法与装备
2
一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装备
3
精细控压钻井技术解决井壁稳定的方法
☼ 解决钻井复杂问题，提高经济性 ☼ 不许连续溢流出现 ☼ 增加自动控制系统 ☼ 开式或闭环钻井 ☼ 近平衡或略过平衡钻井
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二、控压钻井工艺技术
控压钻井工艺应用形式
井底恒压 钻井 CBHP
应用
最常用的控压 钻井方法，主 要解决窄窗口 安全钻井问题
加压泥浆 帽钻井 PMCD
应用
三、精细控压钻井系统
控压钻井工艺及控制软件 控制及软件系统整体布局
➢应用程序服务器 ➢控压钻井设计
➢实时控制服务器
控 制
➢系统数据采集、通信
器
➢系统数据接收处理
➢井下压力计算
➢控压钻井设计模拟 ➢控压钻井工况模拟与监控 ➢控压钻井数据库
➢设备动作控制 ➢钻井安全监控 ➢设备工作状态监控 ➢实时数据库
新疆南缘 玉门青西
塔里木盆地 柴达木盆地
南海莺琼盆地
渤海湾盆地 四川盆地
— 前言
主
— 控压钻井工艺技术
要
— 精细控压钻井系统
内
— 主要成果与技术创新
容
— 现场应用情况
— 经济社会效益及推广应用前景
二、控压钻井工艺技术
控压钻井——MPD技术
“从欠平衡技术基础上发展起来”
简单地说：在钻井循环时直接测量井底压力，动态控制井底压力； 在停止循环时，动态控制井口压力
近平衡控压钻井
当量循环密度等于或略大于地层压力，压力波动时，偶 尔有欠平衡状况
欠平衡控压钻井
二、控压钻井工艺技术
控压钻井压力的过程控制
钻进或循环
停泵过程
开泵过程 停止循环
节流压力
节流压力
节流压力
节流压力
补偿循环、停泵期间多因 素造成的井底压力波动