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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量循环密度”进行控制钻井的一种方法。该项技术采用略低于常规经验密度的钻井液进行近平衡钻井，无论是在钻进、接单根、还是起下钻时均可以保持恒定的环空压力剖面。在井底压力恒定控制压力钻井作业中，通过控制流体密度、流体流变性能、环空液面、井眼几何尺寸、地面的环空回压、水力学摩擦阻力等，使得司钻能够精确地控制井底压力，使之接近于恒定，从而避免压裂地层或发生井涌，这样就可以安全地钻过狭窄的压力窗口。

恒定井底压力技术主要适用于以下几种情况： （1）容易造成油层漏失的破裂油层；

（2）容易发生爆炸的高温高压油井，即HP/HT井； （3）容易发生卡钻和漏失的枯竭地层和窄密度窗井等。

尽管在CBHP钻井过程中，钻井液密度可能低于孔隙压力，但这并非欠平衡钻井，因为总的钻井液当量密度仍高于地层孔隙压力，属于MPD技术。在这种情况下，对发生意外侵入的流体应当使用MPD井口装置使侵入流体得到适当控制[2]。在典型的CBHP钻井作业中井眼压力保持在略高于孔隙压力的水平上，井眼压力由是水力压力、环空摩阻以及井口回压的组合得到的。在使用该技术进行钻井时泥浆的水力压力不需要高出孔隙压力太多（常规钻井往往是过平衡状态）。也就是说，在进行CBHP钻井设计时，泥浆的静液柱压力往往小于孔隙压力（常规钻井时大于孔隙压力）。当接钻杆时，泥浆循环停止，利用节流管汇控制回压来补偿损耗的环空摩阻，以保持全过程的过平衡。

恒定井底压力是控制压力钻井技发展中应用较广的技术之一，它的主要优点如下： 1）相对于UBD技术而言，CBHP对油层的损害更小了；

2）由于采用了“当量循环密度”控制钻井，所以能够有效的防止泥浆漏失； 3）采用合理的MPD井口装置，能够有效的控制地层流体的侵入事件；

此外，采用CBHP钻井可以有效的增加ROP（机械钻速）、消除或减少泥浆的循环周期并最终达到降低钻井成本的效果。 4.3连续循环系统（CCS）

移动式海上钻机（MODU）是深水钻井中主要的钻井平台模式之一，MODU的升沉运动将会产生激动/抽吸压力。由于MODU的位置总在移动，所以在MODU上钻井中保持井底压力在可控制的范围之内是很复杂的。在传统的钻井过程中，钻井者必须在连接钻杆时关泵，且在钻柱连接过程中对激动/抽吸压力不进行控制，这就有可能引起高环空压力漏失。

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连续循环系统（Continuous Circulation System）是一项新技术，它能使钻井管在不停止循环的状态下进行连接。因此，采用连续循环方法可以使井筒内动态环空压力的漏失现象得到改善。由于地面校正的压力和流速，传递到钻头是需要时间的。所以根据连续循环系统中的压力模型，必须预测井压随时间的变化，同时依此变化校正地面参数。

连续循环系统的关键设备是连续循环连接器。通过连接器，钻井管被固定在压力容器上，该压力容器包括两个放喷器闸板和一个全封闭闸板。此安装方法可以使钻井液在整个断面上保持上下循环。在起下钻和钻井管路连接中，允许钻井液在钻柱和环空中连续循环，钻屑将会与悬浮液和泥浆胶体混在一起，而不会扰乱原始循环[13]。连续循环方法如图4所示。

图4 采用连续循环阀（CCV）的连续循环方法

连续循环系统的主要优点如下：

（1）在钻井过程中，该系统能够有效调节当量循环密度，并以此来补偿因MODU的升降运动而产生的抽吸/激动压力；

（2）连续循环系统中采用海底泵控制空气/泥浆界面，使得该界面达到设计水平。通过调节隔水管中空气/泥浆界面的高低，可以有效控制井筒内的压力状态；

（3）在循环过程中，旋转控制头（RCH）可以快速有效的补偿激动/抽吸压力，即使在没有环空回压设备和节流阀的情况下也可以保持井底压力。

（4）在起下钻和钻井管路连接中，允许钻井液在钻柱和环空中连续循环，并不会

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扰乱原始循环。 4.4反循环系统（RCS）

反循环系统（Reverse Circulation System）是MPD的另一种模式[14]，这种技术是与MPD的其他技术一起发展起来的。它的主要目的是采用暴露在井筒中的无岩屑钻井流体系统进行过平衡钻井。RC系统主要通过反转钻井液流向来实现该过平衡钻井，且常常会去掉钻头的喷嘴。这就使得在一些RC技术应用中，钻头的实际作用相当于一个井下节流器。

应用RC技术可以降低由于岩屑在环空中的研磨性而引起的侵蚀程度，这样可以得到较为理想的井径。RC技术应用在大位移井的一小段中，可以最小化水平段的岩床。该系统是一个全封闭系统，不需要点火系统，显然这不仅有利于环保而且能产生显著的经济效益， 因为产出气可直接送到生产设备或重新注入井中，对环境的危害极小。 4.5软管控制压力钻井（CDMPD）

许多海上平台遇到的主要约束之一是缺少容纳空间。要使得油田持续开发与现有生产以及平台的完整性保持平衡，必然需要人员安排方面做出让步。软管控制压力钻井（Coiled-tubing Drilling MPD）便是为解决此问题而提出的一种MPD模式。

该技术已经应用到钻井现场，并且取得了较好的成效。壳牌Gannet Alpha平台在进行CDMPD作业时，减少了20%的作业人员[15]。能够成功的减少工作人员，主要在于该平台利用了陆上控制中心，该控制中心是由挪威的供应商为遥控技术而建立的。Gannet Alpha平台上建立了双向实时数据传输，这就为平台上减除了两项人工工作：钻井数据采集工作与质量控制和动态环空压力系统控制工作。 4.6 HSE（健康、安全、环境）MPD

HSE MPD是IADC所列举的MPD形式之一[2]。与敞开式循环系统相比，HSE MPD应用了闭合、承压的钻井液循环系统。该系统可防止钻屑和气体从钻台进入大气，因此可降低H2S气体的含量，减少钻台闪火花的危险。HSE MPD一般应用在发生危险而被迫停钻或因此影响开采时使用。由于该技术可对整个井眼提供精确的压力控制，本身就比常规作业更安全，可以更好地解决前面所说的由于井下压力波动所造成的漏失——井涌现象。

4.7压力泥浆帽钻井（PMCD）

泥浆帽钻井（Mud Cap Drilling）有时称为压力泥浆帽钻井（Pressured Mud Cap Drilling），是一种处理严重漏失问题的方法[2]。PMCD技术属于“钻井液失返”的一种

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钻进形式，在得克萨斯和路易斯安那的Austin白垩岩勘探期间得到发展。在Austin白垩岩地层，从高压裂缝向衰竭裂缝层间窜流造成费用高昂的钻井液漏失以及危险的地面高压，当时采用了流动钻井（Flow drilling）技术。随着钻井作业的发展与改进，演化为PMCD技术。可见，PMCD技术适用于高压裂缝性地层和枯竭地层。

PMCD作业期间，用旋转控制装置封闭环空，将加重的高粘钻井液向下泵入环空。将一段“牺牲流体”（Sacrificial Fluid，注入井筒但不返出的低成本流体，一般为淡水或盐水）注入钻柱向上携带钻屑，使钻屑进入钻头上方的孔洞或裂缝（孔洞为天然洞穴，因可溶性盐类溶解而形成），即钻井液和钻屑“单向进入”其它易发生复杂情况的地层。环空“泥浆帽”可起到环空隔离的作用，避免油气返出地面造成高压。

在常规钻井过程中，钻井液梯度随着井深增加，井内压力增大，它的钻井液密度基本保持不变。而在MPD钻井过程中，在钻柱环空中采用高密度流体来形成一个泥浆帽，它的位置主要依靠闭合承压循环系统控制环空回压来确定。与泥浆帽接触的流体是由钻柱注入枯竭地层（目标地层）的“牺牲流体”。“牺牲流体”所采用的是低密度流体，如水等，该流体在注入目标地层后，允许漏失，如图5所示。井内的钻屑以及返回的低密度泥浆可以直接注入到地层，而不用上返地面。

回压 泥浆帽流体梯度 井深 泥浆帽界面 返回泥浆注常规钻井液流体梯度 入漏失层 牺牲流体梯度 井底压力 压力

图5 压力泥浆帽压力钻井方法压力剖面图

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压力泥浆帽技术可以持续的降低环空压力，使作业人员能够继续钻穿裂缝地层或断层钻达总井深，减少发生井下复杂情况的时间与费用，使钻井液漏失最小化。其结果使低密度钻井液提高了机械钻速，进入衰竭地层的钻井液费用低于常规钻井液。同时，PMCD技术可以有效处理漏失及气侵问题。 4.8控制泥浆帽钻井（CMC）

控制泥浆帽钻井技术目前还是一项被测试的新的钻井概念[16]。该系统与泥浆帽钻井系统类似，主要由一个高压钻井隔水管（14-in外径/12.5-in内径）、一个表面BOP、一个连在隔水管上的海底泥浆举升泵以及一个独立的泥浆返回管线组成。CMC系统的基础理论是通过补偿ECD来控制BHP。钻井与井控操作中，隔水管中的泥浆线将保持在海水位之下，以形成一个泥浆/空气界面（如“泥浆帽”）。该界面可以通过泥浆泵体系连续上下调整，最终达到控制井底静水压力的目的。

控制泥浆帽钻井技术可以应用于深水区、窄压力窗口地层、高压/高温（HP/HT）区、高裂缝性地层以及枯竭性地层等。

目前，CMC系统的测试循环系统已经建立起了。该系统中安装有12.5英寸内径（14英寸外径）的隔水管，并在隔水管出口位置连接了一个泥浆举升泵。在出口连接器上安装的高压阀将泥浆泵和隔水管分隔。泥浆泵与泥浆池之间安装有两条管线（注入管线和返回管线）。使用泥浆泵增加或降低隔水管中的泥浆液量。在隔水管中安装有压力传感器以监测隔水管内泥浆液面。在泥浆帽以上的隔水管中充满空气，如图6所示。

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图6 控制泥浆帽MPD基础系统图

理论上，CMC系统的主要优点如下：

（1）有效降低了井控过程中水合物堵塞地层的潜在危险； （2）减少了井内套管柱数量，节约了钻井成本；

（3）因为气体和液体在隔水管内即可分离，因此所需的气体分离设备较少； （4）采用CMC系统，在单相流下钻井，允许BHP得到精确快速的控制，平衡钻井或欠平衡钻井将会更安全。

在国外深水钻井中，该系统的相关软件已经在钻井和井控方面的多相流水力条件下都得到了发展。然而，因为可以应用于CMC系统的泵技术的固有缺陷，可能会限制该系统的实际作用。

5结语

MPD技术被认为是一种有效增加商业开采能力且降低钻井相关成本的技术，尤其对于常规的海上钻井来说，对于实现最优化钻井，解决海洋油气工业上最困难、最昂贵的井下难题，达到提高钻井经济效益、减少非生产时间、降低钻井成本有着巨大的优越性。然而MPD技术直到最近才在海洋钻井市场得到重视。

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目前，我国海上控制压力钻井技术研究刚刚起步，仅仅是利用该技术进行了减少井漏方面的尝试，没有掌握其技术核心，也没有发挥出它的技术优势，因此很有必要开展对MPD技术的深入研究工作，借鉴国外MPD技术的应用经验，开发适用于我国海洋油气钻探的MPD技术不仅有利于我国海上油气钻探事业的发展，而且对于我国发展海洋文化、加强海洋经济、强化国家主权具有非常重要的实际意义。

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