国外控制压力钻井工艺技术

一、控制压力钻井工艺
１．井底压力恒定的控制压力钻井 井底压力恒定的控制压力钻井（ＣＢＨＰ ＭＰＤ）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。保持井底压力恒 定就是对ＥＣＤ进行精确控制，在钻进、接单根或起 下钻过程中均维持一个恒定的环空压力，实现“近 平衡”钻井。如图１所示，停泵时，环空摩擦压力 （ＡＦＰ）升高，在井口施加一个水力回压，而开泵时， 环空摩擦压力降低，此时则停止施加回压，这一操作 使得井筒压力更为恒定，从而有效避免了开停泵时 出现井涌一井漏的恶性循环。通常情况下，当地层 破裂压力梯度接近孔隙压力时（即压力窗口窄）才 会采用这种控制压力钻井工艺。
钻酸性高压裂缝性地层时往往会遇到复杂和不 可预见的灾难性井喷问题。Ｓｈｅｌｌ委内瑞拉Ｓ．Ａ．公 司采用带压泥浆帽钻井工艺成功钻人Ｃｏｇｏｌｌｏ海洋 酸性高压裂缝性碳酸盐岩地层，并钻达总井深，成功 完成了钻井作业，这是常规钻井方法不能实现的，具 有首创性。
地质条件：Ｃｏｇｏｌｌｏ油藏位于委内瑞拉马拉开波 湖Ｕｒｄａｎｅｔａ西部。该油藏目的层段岩性为致密灰 岩，主要产出轻质原油，ＴＶＤ３９４～４１９ Ｉｎ，厚约２５ ｍ，间有白云岩、砂岩和页岩夹层，致密灰岩层段发 育有大型天然裂缝，渗透率较高。地层原始压力当 量泥浆比重约１．６８ ｇ／ｃｍ３，Ｈ２Ｓ含量３０ ０００ ｍｓ／Ｌ， 井下温度１３７．８０Ｃ。
２００９年１月
Ｊａｎ．２００９
控制压力钻井 图１ ＣＢＨＰＭＰＤ井底压力变化图
从图３看出，带压泥浆帽钻井工艺是采用低密 度钻井液钻衰竭层段，然后采用高密度钻井液将低 密度钻井液压人漏失层段，继续钻进，所有低密度钻 井液和流入井眼的流体都被压入衰竭地层。采用这 种方法，即使所有低密度钻井液都循环失返，侵入衰 竭地层，也能够有效控制井眼。
向雪琳等．国外控制压力钻井工艺技术．钻采工艺，２００９，３２（１）：２７—３０
摘要：控制压力钻井（Ｍａｎａｇｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ）是一项先进钻井工艺，通过对井底压力的有效控制，可以解
决孔隙压力和破裂压力窗口较窄地层钻进中的诸多钻井复杂情况。文章主要介绍了控制压力钻井定义、与欠平衡 钻井的区别、不同控制压力钻井工艺，包括井底压力恒定的控压钻井、带压泥浆帽控压钻井和双梯度控压钻井以及
＼瓣
总
垂
深
／
Ｉ 当量单 密度梯度
低密度钻井液 （如海水等）
Ｐａ 一
圈２ ＰＭＣＤ压力梯度分布
带压泥浆帽钻井过程中（图３），从地面向钻杆／ 套管环空内注入液态“泥浆帽”，通常，注入的泥浆 帽已经过加重和增粘处理，注意高密度钻井液应缓 慢注入环空，防止油气上窜进入环空，从而保持良好 的井控状态。为了更好地携带钻屑，避免钻屑在钻 头以上层段的孔洞或裂缝中沉积，在岩屑上返的同 时，还需要向钻杆内注入一种Ｓａｃ钻井液，通常是清 水或盐水。若所钻地层含腐蚀性物质，则应向清水 或盐水中添加缓蚀剂。
三、结论及建议
控制压力钻井工艺技术可提高井眼的可钻性， 缓解由于地层压力波动引起的一系列钻井问题。由 于采用控制压力钻井可以钻常规钻井方法不可钻入
图５双梯度钻井隔水管和设备简图
二、控制压力钻井应用实例
控制压力钻井的作业目的是确定井下压力范 围，并控制环空液压分布，以解决诸多钻井难题。据 统计，２００４年以来，国外海洋钻井实施了５０余次 ＭＰＤ作业，作业区域主要位于亚太地区，但在委内 瑞拉、北海、墨西哥湾和巴西也迸行了ＭＰＤ作业。 １．ＭＰＤ在委内瑞拉海上酸性高压裂缝性地层的应 用实例
万方数据
图３ ＯＢＨＰＴ艺流程
３．双梯度钻井技术 双梯度钻井（ＤＧＤ）技术是国外近年来提出的
一种深水钻井技术新概念，其基本原理是在同一井 筒内控制两种密度的流体，作业时井眼上部井段打 入低密度钻井液，下部井段打人高密度钻井液，通过 双泥浆密度体系，使压力窗口维持在地层孑Ｌ隙压力 和破裂压力之间。实现双梯度可采用水下泵系统或 灌注海水等方法降低隔水管中钻井液的密度。图４ 为双梯度钻井压力分布图。
２。带压泥浆帽钻井技术 泥浆帽钻井技术是一种“钻井液不返出地面”
的较为成熟的钻井工艺，带压泥浆帽钻井（ＰＭＣＤ） 则是在钻井中因环空流体密度较小而需在井口施加 一个正压，因此称为带压泥浆帽钻井（见图２），这也 是与泥浆帽钻井的主要区别。带压泥浆帽钻井是一 种控制严重井漏的作业方法，适用于陆上和海洋油 气井眼严重漏失地层的钻进作业。泥浆帽钻井和带 压泥浆帽钻井都适用于钻严重漏失地层，但是，若储 层压力低于静水压头，则应采用泥浆帽钻井工艺，在 钻井液漏失过程中，向环空打入清水，一旦侵入井眼 的气体被环空内的清水压回漏失层段，即可继续钻 进，然而，当储层压力高于静水压头时，就必须采用 带压泥浆帽钻井工艺，利用加重钻井液来平衡储层 压力。
东南亚地区实施海上带压泥浆帽钻井时，基本 上实施的是如下方案：在需要实施带压泥浆帽钻井 的井眼，事先安装好带压泥浆帽设备，包括ＲＣＤ轴 承装置。常规钻井时，返排的流体通过一根从ＲＣＤ 接出来的１５２ ｍｍ软管回流至井队节流管汇。一旦 出现严重井漏，液压阀立即隔离流动管线，并通过一 根专用管线向环空注入流体，开始实施带压泥浆帽 钻井。这一转换只需几分钟时间。与带压泥浆帽系 统连接的其它管线，包括钻井液补给泵管线、卸压管 线和节流管汇，直径都是５０．８ ＩＴｌｍ。若有少量气体 泄露到地面，可以将其排出，不需将气体压回地层。
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采
工
艺
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向雪琳１，朱丽华１，单素华２，盛 勇３，赵 莉４
（１川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院科技信息中心２胜４，１石油管理局渤海钻井总公司 ３塔里木油田公司开发事业部４四川川庆国际石油工程有限公司）
裂压力窗口较窄的地层作业，主要解决的是钻井问 题；而欠平衡钻井主要用于钻压力衰竭地层，降低表 皮系数，提高油气采收率，主要解决储层伤害问题。
随着控制压力钻井技术的兴起，国外逐渐形成 了系统的工艺理论，提出了不同控制压力钻井的工 艺技术，如井底压力恒定的控制压力钻井技术、带压 泥浆帽钻井技术、双梯度钻井技术等。目前，国外 Ｗｅａｔｈｅｒｆｏｒｄ、Ｓｈｅｌｌ和Ｓｔａｔｏｉｌ等公司已进行了相关的 控制压力钻井技术研究和现场试验应用，取得了较 好的应用效果。
国外该项技术的应用实例。
关键词：控制压力钻井；井底压力恒定；带压泥浆帽钻井；双梯度钻井
中图分类号：ＴＥ２４２
文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７６８Ｘ（２００９）０１—００２７一０４
随着已发现油气资源的日渐衰竭，对更深更复 杂地层的勘探开发活动越来越多，而在钻探这些深 层复杂地层时，常常出现许多如井涌、井漏、有害气 体泄漏、卡钻、起下钻时间过长等钻井复杂问题。据 行业专业人员估计，通过常规钻井方法，不能开发的 油气资源达７０％左右，如果在钻进过程中对井下压 力实施有效控制则可以较好地解决上述难题。控制 压力钻井（ＭＰＤ）技术就是可以缓解上述复杂情况 的有效方法。
收稿日期：２００８—０５—２０ 作者简介：向雪琳（１９７６一），女，工程师，１９９９年毕业于原西南石油学院英语专业，现从事石油科技情报调研工作。地址：（６１８３００）四川 广汉市。电话：０８３８—５１５１３４３。
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２．ＭＰＤ在东南亚裂缝性碳酸盐岩地层的应用 在东南亚碳酸盐岩地层的钻井情况非常复杂，
钻遇高度裂缝性和多孔碳酸盐岩地层时常常出现严 重井漏，有时钻井液甚至全部漏失。在这些地区，主 要采用水泥和多种堵漏材料（ＬＣＭ）进行堵漏，但作 业时间不长，效果不佳，很快又会出现新的漏失，需 要注入更多水泥堵漏，使作业时间延长。据统计，单 井注水泥堵漏次数常常超过３０次，严重影响井眼采 收率。而采用控制压力钻井技术则可以解决上述相 关钻井问题，在印度尼西亚和马来西亚东部采用带 压泥浆帽钻井工艺，在越南，成功运用钻井液返出控 制技术，在钻井过程中分流气体而不需关井。
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窜，则应将气体回注到地层。②钻入油气层时，孔隙 压力增加：可大幅度提高环空泥浆比重，将井口压力 维持在旋转控制装置或井口设备允许的范围内。③ 裂缝堵塞：由于钻屑堵塞裂缝导致地层裂缝闭合或 局部闭合，则不能继续采用带压泥浆帽钻井，应恢复 常规钻井。
注：双梯度系统将打
开下部上覆岩层压力 窗口，或者迅速扩大 孔隙压力环境
总
垂
单密度梯度
深
ｌ
双密度梯度
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图４双梯度ＮＰＤ压力梯度分布
双梯度钻井能够Leabharlann Baidu效钻入破裂压力梯度低的深 部地层，其作业目的并不是将井底压力降低至欠平
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带压泥浆帽钻井工艺是东南亚地区应用最多的 控制压力钻井技术之一，其常规作法是在环空中注 入一种黏稠的加重（或非加重）钻井液，设计静液柱 压力为Ｏ．７一１．４ ＭＰａ，小于地层孑Ｌ隙压力，表示所 对应产生的地面关井压差为０．７ ５一１．４ ＭＰａ。通过 井口压力波动监测以下三方面：①环空气窜：当以设 计排量和体积向环空内注入钻井液时，环空出现气
控制压力钻井技术主要是通过对回压、流体密 度、流体流变性、环空液位、水力摩阻和井眼几何形 态的综合控制，使整个井筒的压力维持在地层孔隙 压力和破裂压力之间，进行平衡或近平衡钻井，有效 控制地层流体侵入井眼，减少井涌、井漏、卡钻等多 种钻井复杂情况，非常适宜孔隙压力和破裂压力窗 口较窄的地层作业。
控制压力钻井和欠平衡钻井有相同的地方，都 能够在钻井过程中对井筒压力进行控制，但是这两 种方法却有着本质的区别：控制压力钻井时，井底 压力始终维持在地层孔隙压力和地层破裂压力范围 之间，与地层孔隙压力始终处于平衡或近平衡状态， 其目的是在钻井过程中控制地层流体的向井流动， 使地层流体不侵入井筒；而欠平衡钻井时钻井液柱 施加的井底压力总是小于地层孔隙压力，因此地层 流体会流入井筒。控制压力钻井适宜孔隙压力和破
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衡状态，而是为了防止因环空钻井液柱比重过大而 出现地层压裂。作业时，钻井液按常规方法打入钻 柱内，返出时，钻井液并不是通过海洋隔水管环空返 出，而是通过一根寄生管线将钻井液和钻屑从海底 返出到地面（如图５所示）。随后，泥浆管线之上的 环空被注满海水，其目的是使临界井深保持一个适 当的静水压力。钻井液仍然会通过环空，但是流程 较短，仅从井底流到海底泵，这减少了下至总井深的 套管数量。
作业设计：设计采用１．２ ｓ／ｅｒａ３饱和氯化钠作为 万方数据
钻井液，泥浆泵上连接１１４．３ ｍｍ管线，用于连续传 输３１ ＭＰａ立压。Ｄｏｗｅｌｌ Ｓｅｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ、Ｉｎｔｅｒｖｅｐ和委 内瑞拉国家石油公司研究院共同研发了混合一金属 一氢氧化物（ＭＭＨ）体系，用作泥浆帽流体，这种流 体不易与原油混合，从而有效降低漏入地层的钻井 液量。
施工：钻人目的层段后，钻井液全部漏失，因此 转为采用带压泥浆帽钻井方法。在一次下钻过程 中，井壁失稳，为了保证能够顺利实施压井，因此要 大幅度降低液柱压力。当钻具上提至井口后，从震 击器冒出原油，这表明原油和钻井液在井下大量混 合。随着钻井深度的加深，储层压力升高缓慢，经分 析，认为这是由于钻井液在裂缝系统中的胶凝作用 造成注人压力升高引起的。该井最大井口环空压力 为８．２７ ＭＰａ，机械钻速较常规钻井差不多，ＰＤＣ钻 头磨损严重，但是该井采用带压泥浆帽钻井技术后， 成功钻达总井深，且地面未监测到Ｈ：ｓ，若采用常规 钻井工艺，是不可能实现的。
作业设备：钻井平台为小型自升式平台，采用标 准泥浆泵、立管和顶驱系统，额定压力为３１．５ ＭＰａ。 对钻机作了一系列改动，现有防喷器组未进行改动， 用于二次井控。一次井控则通过泥浆帽和旋转头提 供的井口回压共同实施。因此需要辅助防喷器组和 相关控制设备。循环系统也有所改变，使其中一个 泵用于向钻柱内打入盐水，另一个泵向环空打入泥 浆帽。