MPD工艺技术及其在海洋钻井中的应用模式

MPD工艺技术及其在海洋钻井中的应用模式

王子建1 曹式敬2 周文军1 孙宝江1

（1中国石油大学（华东），山东 东营 257061；2中海油田服务有限公司（北京）100027）

摘要：MPD技术是国外近年来发展较快的一种钻井新技术，该项技术能够有效解决海洋油气钻探所出现的复杂技术难题，如地层孔隙压力和破裂压力之间的窗口狭窄、地层漏失、压差卡钻等。为了解决不同地层钻进难题，国外研究的MPD应用模式多种多样，其中一些已开发了相关设备和工艺，并开始进入工业应用。国外成功的应用经验证实该技术是一种更安全、更快、更有效的钻井技术。

关键词：MPD技术；井筒压力；工艺流程；应用模式

MPD Technology and Its Variations to Marine Drilling

Wang Zijian1 Cao Shijing2 Zhou Wenjun1 Sun Baojiang1

(1China University of Petroleum (East China), Shandong Dongying 257061; 2China Oilfield Services

Limited, Beijing, 100027)

Abstract: A drilling technique that is quickly developing in foreign is Managed Pressured Drilling. This advanced technology is able to associate with comprehensive tech-challenge, such as the narrow margin between pore pressure and friction pressure, the losses of formation and the sticking of pressure difference. In order to resolve the challenge of different formation drilling, MPD have developed into varied variations in foreign study. Some of the variations have exploited relevant installation and process for industry application. The successful application in foreign is proven that this technique is a more safely, more fast and more efficient drilling operation.

Key words: MPD; Borehole pressure; Technologic flow; Variations

1引言

海洋油气钻探时，地层孔隙压力与破裂压力之间的泥浆密度窗口变窄，使用常规钻井技术很难将井筒压力控制在窗口范围里，钻进时易发生漏失和气侵现象。常规钻井为避免发生此类事故会在已经很窄的泥浆窗口上，再加上一定的安全余量，这无疑使密度窗口变得更小，从而使套管下入深度受到了限制，进而增加了套管级数，钻井投资也因长时间钻进和高额的套管及其附件投资变得昂贵。随着海洋油气钻井难度和深度的不断增加，诸如地层漏失、压差卡钻、钻杆脱扣、地层孔隙压力与地层破裂梯度间窗口狭窄造成井涌和井漏等问题也日益突出，采用常规钻井装置和方法进行钻探（包括天然气水合物钻井）有许多是不适用也是不经济的[1][2]。

为有效解决上述问题，美国自20世纪60年代后期开始应用控制压力钻井技术，也

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称MPD（Managed Pressure Drilling）技术。它是应用先进的井控设备和方法来实现钻井最优化的一种工艺技术。该项技术采用一种闭合承压钻井系统，与单独调节泥浆重度和泥浆泵率的方法相比，它能精确控制井筒压力剖面，并且泥浆返还系统能有效降低钻井非生产时间。

现今，美国陆地钻机配备闭合承压钻井系统的比例已从1995年的10%剧增至目前的75%[3]。该项技术的优势及其未来钻井的发展趋势表明，MPD 技术很可能是不远将来深水油气钻探乃至水合物钻探的首选钻井技术。

2 MPD的定义及其优点

控制压力钻井并不是提出的一种钻井新概念，它是在以往钻井过程中对井筒内压力的控制的基础上改进的。IADC（国际钻井承包商协会）对MPD的定义为：“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]。”IADC同时指出[3]：MPD是要在不压裂上覆岩层的前提下，在易发生漏失、地层坍塌、卡钻和气侵事故的地层中下钻出较长的井眼。

控制压力钻井通过控制钻井液密度、当量循环密度和套管回压，使井底压力几乎保持恒定。与常规钻井相比，该技术具有以下几个优点：

（1）MPD采用更为精确的井内压力控制来降低钻井的中断事件发生，提高钻进效率，并且减少套管级数，实现“经济钻井”。

（2）MPD使用一个封闭的压力控制系统，在其允许可控注入量的条件下，利用动态压力控制或自动油嘴控制方法会更加迅速、安全。

（3）MPD设计时保持井底压力稍微高于或等于油层孔隙压力（例如过平衡或平衡钻井），这样能够有效的减少钻井液损害，通过利用廉价的、轻流体体系来消除或有效的减小泥浆漏失。

MPD技术的其它优点也在钻井过程中得到了体现，如提高机械钻速、延长钻头生命、有效预防各种卡钻以及限制循环损失等。同时，MPD是精确控制井筒压力、减少流体或固体侵入地层、阻止碳氢化合物和潜藏的H2S到达地层的工具。

3 MPD的基本工艺

MPD主要考虑的是不引入储层侵入流体，其工艺流程和循环系统都是在此基础上进行的，专业的MPD地面设备、节流管汇、注入管汇以及三相分离器组成了MPD循环流程[4]，如图1所示。在钻井过程中MPD使用闭合、承压的钻井液循环系统，或许

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还可使用欠平衡钻井设备，来控制作业中可能出现的任何流体侵入。闭合循环系统使得钻井液循环系统不会直接暴露于大气中，因此，可以安全的钻进可能存在气体的地层，尤其是酸性地层。一个闭合承压系统（Closed and Pressured Circulating System）的主要基本结构包括旋转控制器、钻井节流阀和钻柱单向阀[5]，这样一个系统可以将循环流体系统视为一个压力容器系统。井筒压力的主要变化可以由钻机泥浆泵率和应用环空泥浆返还节流来引起，在变化中很少中断钻井过程，而且整个过程中泥浆密度变化比较小。表面回压可以应用一个中性节流阀、半自动节流阀、或者一个全制动节流阀，这样可以使管路连接更安全。

图1 MPD工艺流程图

由MPD技术的定义可以看出，MPD技术的本质就是应用闭合、循环的钻井液系统进行钻进的。欠平衡钻井技术中的钻井液循环系统和一些专业的设备，对于MPD技术有着独特的作用。欠平衡钻井操作中应用的设备与Milligan[6]等所描述的没有多大不同，如图2所示。可以看出在钻柱底部的单向循环阀、旋转控制器(RCD)对接在连续油管上，并以此来连接管路。UBD节流管汇、四相分离器和一个燃烧烟囱组成了一套UBD流程控制设备。在地面对碳氢化合物的控制和收集中，闭合系统降低了由于UBD操作而引起的问题。

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图2 欠平衡钻井闭合循环系统

4 MPD的应用模式

IADC UBO（欠平衡作业协会）的MPD子协会将控制压力钻井技术划分为“被动型”和“主动型”两大类，其中“被动型” MPD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；“主动型”MPD充分利用组装设备能够主动更改环空压力剖面这一优势，对整个井眼实施更精确的压力剖面控制。被动型MPD技术已在复杂井上应用多年，但主动型的应用则很少，直到近年来需要增加钻井作业的替换方案才得到较多的应用[2]。

MPD的实际应用模式多种多样，不同文献对其分类不同。本文系统总结了MPD的应用模式，其中MPD的许多应用模式已经在工业领域证实是经济可行的[7][8]。 4.1双梯度钻井（DGD）

双梯度钻井技术（Dual Gradient Drilling），就是采取一定的措施使隔水导管内的流体密度与海水密度接近，在同尺寸的井眼中产生两个液柱梯度，所有的压力梯度均以海底为参考点，如图3所示，使地层破裂压力和孔隙压力之间的余量相对增大，从而使有关深水钻井的问题迎刃而解[9]。

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图3 常规钻井与DGD钻井液静水压力曲线图

该技术的主要思想是：隔水管内充满海水（或不使用隔水管），采用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，实现安全、经济的钻井。

双梯度钻井技术是针对深水钻井存在的“窄密度窗口”问题而研制的，是深海钻井技术的一个新突破[10][11]。该技术具有以下主要优点：

（1）采用双梯度钻井技术进行钻井时，可使破裂压力和孔隙压力间的余量相对增大，解决了深水钻井工艺中的部分技术难题，使钻井作业中的井涌和井漏事故大大减少。

（2）与常规深水钻井技术相比，双梯度钻井技术可减少套管层数，节省了套管及下套管的时间和固井时间，从而缩短了建井周期，提高了操作效率，节约了钻井成本。据有关资料统计，采用双梯度钻井技术可以将建井周期缩短约65%，每口井可节约钻井成本50万～1500万美元[12]，并且可以用较大直径的油管来开采，从而有效的提高了油井的产能。

（3）可使隔水导管内、外受力平衡,并且可避免隔水导管内泥浆密度增加，降低了环空流动摩阻，进而解决了隔水导管内返速过低和岩屑携带方面的问题等。

与常规深水钻井技术相比，双梯度钻井技术具有节省钻井成本和时间的优势，能以更低廉的成本、更短的建井时间和更安全的作业方式实现深水区域的油气勘探与开发。 4.2恒定井底压力控制压力钻井（CBHP MPD）

恒定井底压力控制压力钻井（Constant Bottomhole Pressure MPD），是一种采用“当

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