控壓鉆井技術(shù)、設(shè)備與應(yīng)用

王其軍

摘 要：在大多數(shù)鉆井作業(yè)中，大量經(jīng)費(fèi)用于解決鉆井相關(guān)的問題，包括卡鉆、井漏和過高的泥漿成本。為了降低這類問題所引起的非生產(chǎn)時(shí)間（NPT）百分比，其目的是控制環(huán)空壓力損失，特別是在因孔隙壓力和破裂壓力梯度太靠近而被稱為窄安全密度窗口，如果我們能夠解決這個(gè)問題，鉆探井花費(fèi)將下降，從而使以前認(rèn)為難以鉆進(jìn)的窄安全密度窗口井也可以實(shí)現(xiàn)鉆井?？貕恒@井（MPD）是一種新技術(shù)，它通過控制環(huán)空壓力損失使我們能夠克服這些類型的鉆井問題。由于石油行業(yè)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)了解程度還不夠深入，文章講述了控壓鉆井技術(shù)原理，并著重描述在鉆井中應(yīng)用的巨大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：控壓鉆井（MPD）；恒定井底壓力（CBHP）；壓泥漿帽鉆井（PMCD）；雙梯度（DG）；返出流量控制（RFC）

1 簡(jiǎn)介

1.1 簡(jiǎn)介

世界能源需求在不斷增加以滿足發(fā)展中國家對(duì)能源的需要。日益增長的能源消耗，迫使科學(xué)家和工程師們?nèi)グl(fā)現(xiàn)另一種能源獲取的新方法，或?qū)ふ腋玫姆椒ㄒ愿咝实墨@取我們已使用多年的能源。

世界上現(xiàn)有的大部分剩余油氣資源將比過去更難開采。事實(shí)上，很多人認(rèn)為容易開采部分的能源已經(jīng)被開采。隨著石油價(jià)格的飆升，生產(chǎn)井的安全鉆井和成本控制效益尤為重要。

考慮到所有的這些問題，MPD現(xiàn)在應(yīng)該被視為一種技術(shù)，它可以通過減少與傳統(tǒng)海上鉆井有關(guān)的過度鉆井相關(guān)費(fèi)用，以顯著增長鉆井效益。由于NPT（非生產(chǎn)時(shí)間）成本對(duì)海上鉆井具有更大的經(jīng)濟(jì)影響，海底環(huán)境是這項(xiàng)技術(shù)潛力最大化行業(yè)環(huán)境。

此外，作為MPD的主要優(yōu)勢(shì)，減少鉆井相關(guān)的非生產(chǎn)時(shí)間，使在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上較常規(guī)方法更具鉆探前景，這將不可避免的借助目前MPD在幾個(gè)條件和環(huán)境中所呈現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)。許多鉆井決策者的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)心理導(dǎo)致該行業(yè)在接受新技術(shù)方面已經(jīng)落后其他行業(yè)。

至目前為止，正如那些在陸地上和海上已經(jīng)首次應(yīng)用MPD的公司所期望，這些應(yīng)用大多有最具挑戰(zhàn)性和以其他方式不可替代的優(yōu)勢(shì)，即替代傳統(tǒng)鄰鉆井失敗或嚴(yán)重超預(yù)算的應(yīng)用前景。

1.2 基本概念的定義

1.2.1 地層孔隙壓力

地層流體壓力或孔隙壓力，是被鉆地層內(nèi)的流體施加形成的壓力。沉積巖在油田的尋找和開發(fā)中占主要作用，由于它們的形成方式使其包含了流體。大多數(shù)沉積巖是由巖石碎片沉積或有機(jī)物與地下水形成的。眾所周知，地球表面超過三分之二的地方是海洋，因此絕大多數(shù)的沉積巖都是由陸地周圍的淺海海洋沉積物形成的。在一般情況下，高于海平面的地球表面地區(qū)會(huì)受到侵蝕過程（陸地的碎裂和磨損）的影響。碎片被沖入到淺海盆地從而沉淀在海床上，材質(zhì)粗糙的通常沉淀的比細(xì)泥沙和粘土更接近岸邊。

這個(gè)沉積過程可能會(huì)隨著地球表面的緩慢移動(dòng)持續(xù)很長時(shí)間，部分地區(qū)在推高，以提供新的侵蝕面，與之相鄰的海盆地則慢慢加深以允許大長度的沉積物聚積。因而沉積巖中含有水，且通常是海水，作為其形成的的一個(gè)重要組成部分。由于沉積物深度的增加，巖石被壓縮，水被擠壓出。相對(duì)較小的水分子通過巖石的孔隙流動(dòng)，而較大的鹽分子則被保留，巖石中所包含的水逐漸變得更咸。

這樣的結(jié)果是，地層流體壓力，或孔隙壓力由水柱壓力產(chǎn)生的，相當(dāng)于由一個(gè)自由鹽水柱從沉積層序中排出，該鹽水比典型的海水更咸，濃度更大。幾年前美國墨西哥灣沿岸地區(qū)的海相盆地沉積物正常地層壓力梯度平均數(shù)測(cè)定為0.465磅/英尺。這是由約10萬ppm的氯化水柱所產(chǎn)生的壓力梯度。相比之下，海水的典型值是23，000ppm的氯化物。由于鹽度或氯離子濃度根據(jù)沉積盆地而變化，地層孔隙壓力應(yīng)根據(jù)區(qū)域影響來確定，而不是使用特定盆地的具體估計(jì)的壓力梯度。

0.465磅/英尺壓力梯度，或表示為一個(gè)等效泥漿比重，8.94PPG被普遍認(rèn)為是海相盆地中正?？紫秹毫χ档拇?。有一些證據(jù)表明，全球范圍內(nèi)，這個(gè)數(shù)字是有點(diǎn)偏高的?？傮w而言，預(yù)期壓力偏高是更安全的選擇。然而，從正常壓力趨勢(shì)的變化中應(yīng)該能清楚地識(shí)別或估算，以做出準(zhǔn)確的鉆井設(shè)計(jì)，其中壓力評(píng)估是一個(gè)重要的問題，且存在次正常/異常壓力分布。

低壓地層的壓力梯度比正常壓力地層的壓力梯度小。低壓在地層中可以自然發(fā)生，由于地殼運(yùn)動(dòng)中的較深埋藏而經(jīng)歷了壓力回歸，或者說是因舊領(lǐng)域中地層流體生產(chǎn)而導(dǎo)致的地層枯竭的結(jié)果。

在異常壓力地層中，壓力梯度大于正常壓力地層，孔隙中的流體被加壓且施加的壓力大于已含地層流體的壓力梯度。防滲水-沉積物填充或鄰近頁巖（diogenesis）的壓實(shí)過程中創(chuàng)造了許多異常壓力地層。當(dāng)一個(gè)巨大的頁巖地層被完全密封時(shí)，地層流體的擠壓導(dǎo)致孔隙空間的流體偶然獲得一些表土層壓。異常壓力地層可能以其他方式形成，它可能在斷層，鹽丘，或不連續(xù)性地質(zhì)中被發(fā)現(xiàn)。這個(gè)過渡區(qū)域到較高的壓力梯度可以在幾英尺到幾千英尺中變化。此外，用于生產(chǎn)注入流體也可能導(dǎo)致現(xiàn)有的壓力分布增加。

在鉆井行業(yè)中，地層孔隙壓力是鉆井規(guī)劃中主要的變量，而孔隙壓力測(cè)量，估算和預(yù)測(cè)是指導(dǎo)精確水力設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。利用地震、日志、生產(chǎn)和測(cè)試數(shù)據(jù)，以及鉆井參數(shù)評(píng)估來估計(jì)和預(yù)測(cè)地層壓力是最常見的方式。此外，技術(shù)開發(fā)帶來了實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)用法。

1.2.2 上覆層壓力

上覆層壓力是指上覆沉積物的總重量在地層中的任意點(diǎn)施加形成的壓力。這是一個(gè)靜態(tài)負(fù)載，是巖層厚度和密度的函數(shù)。然而，如果我們需要考慮近海和深水環(huán)境的話，這個(gè)定義就應(yīng)該如控壓鉆井所需進(jìn)行修改。

由巖石及巖石區(qū)域上所含流體的總重量形成的壓力稱為上覆巖層壓力。等效密度中上覆巖層壓力的常見范圍在18和22PPG之間變化。這個(gè)范圍所產(chǎn)生的上覆層壓力梯度約為1磅/英尺。而1磅/英尺的上覆層壓力梯度并不適用于淺海沉積物或塊狀鹽。

因?yàn)樯细矌r層應(yīng)力分布的變化取決于預(yù)測(cè)壓力的假設(shè)，上覆層壓力的測(cè)定是一個(gè)重要的概念。由于上覆巖石的分布并非同假設(shè)的均質(zhì)，所以無法預(yù)測(cè)覆蓋層的實(shí)際值。

1.2.3 破裂壓力

破裂壓力是發(fā)生水力破裂時(shí)必須加以克服的應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力被稱為最小橫向應(yīng)力。當(dāng)壓裂發(fā)生時(shí)，裂縫的方位通常是平行于最大應(yīng)力（這是通常的過壓），而這意味著裂縫將是垂直的。對(duì)于發(fā)生的水平裂縫，上覆巖層壓力將必須被超過。這將發(fā)生在較大的水平構(gòu)造應(yīng)力區(qū)域。

1.2.4 坍塌壓力

坍塌壓力代表在倒塌前保持地層“完整”要求下的最低泥漿重量。地層坍塌壓力不應(yīng)該被忽略。在一些情況下，坍塌壓力等于或大于孔隙壓力。作業(yè)在坍塌壓力曲線上的鉆井侵占可能會(huì)看到大量的地層碎片彈進(jìn)井筒，而不是由鉆頭產(chǎn)生的巖屑切碎。井筒的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致通過從地層坍塌處密封井筒時(shí)卡住鉆頭。

1.2.5 常規(guī)鉆井

在常規(guī)鉆井循環(huán)流路徑中，鉆井流體通過導(dǎo)向短節(jié)流向井口，隨后通過管線到氣液分離器和固體分離設(shè)備，是一個(gè)敞口容器的方法。在敞口容器中鉆井為操作帶來了麻煩，這個(gè)麻煩困擾著每一個(gè)鉆井工程師。環(huán)空壓力主要由泥漿密度和泥漿泵流量進(jìn)行控制。在靜態(tài)條件下井底壓力（BHP）為靜液柱壓力函數(shù)。在動(dòng)態(tài)條件下，當(dāng)泥漿泵循環(huán)時(shí)，井底壓力是泥漿柱靜水壓力和環(huán)形摩擦壓力（AFP）函數(shù)。

在陸地和某些淺水環(huán)境中，適合的鉆探窗口往往在孔隙壓力和破裂壓力梯度之間存在，該井可安全有效的完成。

在常規(guī)鉆井中，當(dāng)泵被關(guān)閉或由于鉆機(jī)設(shè)備而引起任何故障時(shí)，泥漿被設(shè)計(jì)成靜態(tài)地失去平衡或略高于平衡形式以防止任何溢流。

1.2.6 欠平衡鉆井

鉆井工程協(xié)會(huì)（DEA）定義欠平衡（UB）鉆孔為刻意鉆遇地層，其中地層壓力或孔隙壓力大于由環(huán)形流體或氣體所施加的壓力。在這方面，“平衡”壓力鉆井是欠平衡鉆井的一個(gè)子類，因?yàn)榄h(huán)空壓力在管柱運(yùn)動(dòng)過程中有望低于地層壓力。最初，欠平衡鉆井僅在靜態(tài)泥和無管柱運(yùn)動(dòng)的不平衡條件下使用。換句話說，當(dāng)鉆井繼續(xù)時(shí)該系統(tǒng)是超平衡或近平衡，因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)條件下，無論是環(huán)空摩擦損失還是管柱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力都被增加到由鉆井液液柱所施加的壓力上。

1.3 窄鉆井窗口原因

通常在深水前景下，在海床下相對(duì)較淺的地方，由于快速沉淀和缺乏壓實(shí)導(dǎo)致孔隙水壓力高得離譜。另一方面，由大水柱代替密集的沉積物引起的覆蓋（巖）層減少使得破裂壓力通常低下。這導(dǎo)致了孔隙壓力和破裂壓力之間的窄窗口。然而，相比較淺水前景而言，深水前景在項(xiàng)目領(lǐng)域大小、生產(chǎn)速度和凈儲(chǔ)備中普遍更具價(jià)值。由于窄鉆井窗口的限制，常規(guī)的方法將離開其位置到新興技術(shù)。

從海上應(yīng)用來看，控壓鉆井過去和現(xiàn)在仍然是通過地層孔隙壓力和地層破裂壓力井底之間很微小的差值來控制。狹窄的差值在深水鉆井中是最明顯的，其中大部分表土是海水。在這種情況下，它的標(biāo)準(zhǔn)做法是在較淺深度設(shè)置眾多的套管柱，以避免大量漏失。在控壓鉆井變化的幫助下，有可能通過控制井底壓力來解決這類問題。

在更成熟的領(lǐng)域中由于生產(chǎn)和消耗，崩塌、孔隙壓力、破裂壓力和上覆巖層剖面經(jīng)常會(huì)改變，曾經(jīng)寬敞的鉆井窗口變得更窄，這使得它在沒有漏失或邀請(qǐng)涌入下對(duì)“行內(nèi)鉆”更具挑戰(zhàn)性。另一方面，當(dāng)遇到原始儲(chǔ)層時(shí)，尤其是在過去，鉆井窗口是相當(dāng)寬廣的。今天的環(huán)境下所面臨的挑戰(zhàn)包括重新進(jìn)入部分耗盡儲(chǔ)層或上覆巖層中水占很大一部分的深水應(yīng)用中。

2 控壓鉆井基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 控壓鉆井的歷史和背景

控壓鉆井不僅是一項(xiàng)新技術(shù)，在同行業(yè)中其新工具的優(yōu)勢(shì)顯而易見，而且它將現(xiàn)有的技術(shù)和以前成熟的工具結(jié)合。為了闡明控壓鉆井的演變，需要理解技術(shù)背后的歷史和背景。

在1500年達(dá)芬奇為自流井勾畫出一臺(tái)機(jī)器?！皬椈蓷U”電纜鉆機(jī)于1806年開發(fā)。1859年，德雷克用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的電纜工具鉆機(jī)鉆出西半球第一個(gè)具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的油井。1901年東南部德克薩斯州的德爾托普的欠平衡鉆井。

在1937的謝弗工具公司目錄描述了旋轉(zhuǎn)頭。在20世紀(jì)60年代，旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCDs）使可壓縮的流體（氣體、空氣、薄霧和泡沫）鉆井方法蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)在被稱為排驅(qū)鉆井（PD）或簡(jiǎn)易空氣鉆井，其價(jià)值主要體現(xiàn)在提高普及率，增加鉆頭壽命和降低預(yù)期鉆井整體成本。

1967年和1972年之間，在路易斯安那州立大學(xué)舉行的三種壓力異常座談會(huì)上控壓鉆井的眾多預(yù)測(cè)想法首次正式提出。這些研討會(huì)著重異常壓力的起源和程度，以及如何從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)壓力和破裂梯度。

當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）在1970年開發(fā)的井控實(shí)踐中有效地使用。目前技術(shù)結(jié)合和定性了這些帶歷史性的新技術(shù)，用以處理一些最常見的鉆井問題，如井涌和井漏。

在20世紀(jì)70年代，一個(gè)主要的石油公司在路易斯安那州近海中從“kicktokick”鉆井到提高鉆井速度，避免鉆井液失返。這是墨西哥灣的一個(gè)顯著的控壓鉆井案例。

從最初的不接受，水平鉆井方法到70年代和80年代才最終被接受。這引發(fā)了一個(gè)令人興奮和有效的鉆井技術(shù)前景，但是，水平鉆入高孔隙壓力碳?xì)浠衔锏男绷芽p偶爾會(huì)帶來令人不愉快的意外。用來防止主井控屏障井噴的液柱向下進(jìn)入斷裂面，然后流到表面，而導(dǎo)致高孔隙壓力碳?xì)浠线M(jìn)入井筒的結(jié)果，相當(dāng)數(shù)量的井控事故發(fā)生。

泥漿壓蓋鉆井（MCD）多年來一直被認(rèn)為是常見的“干鉆”或“無返回鉆”。更正式的泥漿壓蓋鉆井版本在20世紀(jì)80年代的委內(nèi)瑞拉，90年代的新斯科舍省的海伯尼亞領(lǐng)域，隨后在哈薩克斯和前蘇聯(lián)均有提出。

隨著時(shí)間的推移，旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備的其他用途演變?yōu)椴捎每諝忏@井和欠平衡作業(yè)外的其他方法。業(yè)內(nèi)了解到傳統(tǒng)泥漿體系鉆井時(shí)使用旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備能更精確地操縱環(huán)空壓力分布。它也使接近儲(chǔ)層孔隙壓力的EMW鉆井更安全。雖然在鉆井過程中大量涌入的碳?xì)浠衔锸遣徽?qǐng)自來的，這依然需要更好的準(zhǔn)備以安全高效地處理操作中所可能的偶然事件。

直到2003年，通過海上鉆井使用該技術(shù)的特點(diǎn)才開始被更充分的重視。這部分歸咎于更大深水中鉆井并通過耗盡區(qū)或儲(chǔ)層的需求。而且，很多人會(huì)認(rèn)為，在淺和深的水域中大部分容易開采的儲(chǔ)層已被采鉆。

自2005年以來，多個(gè)運(yùn)營公司超過100口井已采用MPD技術(shù)鉆井。MPD通過消除非生產(chǎn)時(shí)間相關(guān)的損失和其他相關(guān)的井控事件以支付的直接成本并節(jié)省了工程周期。通過控制一個(gè)封閉的井眼系統(tǒng)的井眼壓力使得此前“不能鉆的”井順利鉆至目標(biāo)深度。裝配MPD設(shè)備的鉆井系統(tǒng)成功的被應(yīng)用于裂縫碳酸鹽鉆井。不是所有的井都會(huì)遇到漏失，這些井上的設(shè)備已裝配MPD但并未使用該設(shè)備。在那些確實(shí)遇到漏失/井涌的井，MPD技術(shù)可以使這些井毫無延遲的鉆至目標(biāo)深度。

2.2 控壓鉆井的定義

控壓鉆井（MPD）是井控的一種高級(jí)方式，它采用了封閉和加壓鉆井液系統(tǒng)，泥漿比重和泵速單獨(dú)調(diào)整使環(huán)形井筒壓力控制更精確。

國際鉆井承包商協(xié)會(huì)欠平衡作業(yè)委員會(huì)如下定義控壓鉆井：MPD是一種自適應(yīng)鉆井程序，可以精確地控制整個(gè)井眼的環(huán)空壓力，其目的在于確定井底壓力上下限，從而確定相應(yīng)的環(huán)空液柱壓力。

據(jù)鉆井工程師協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，控壓鉆井將繼續(xù)展示其光明的未來。盡管MPD允許一個(gè)微量的瞬間溢流，但是目前在鉆井壓力控制技術(shù)中沒有任何井涌事件的發(fā)生。這并不是說目前沒有出現(xiàn)過問題，鉆柱被卡和井漏問題有時(shí)仍然存在，但沒有常規(guī)鉆井那么多?？貕恒@井最令人印象深刻的方面是它比目前的常規(guī)鉆井技術(shù)相對(duì)來說安全或更安全。MPD是井控的復(fù)雜形態(tài)，它值得正面和負(fù)面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和質(zhì)量鑒定。

2.3 控壓鉆井的分類

國際鉆井承包商協(xié)會(huì)控壓鉆井小組委員會(huì)將控壓鉆井分為兩類“被動(dòng)型”（采用常規(guī)鉆井方法鉆井，但將設(shè)備裝配成能夠快速應(yīng)對(duì)突如其來的壓力變化）和“主動(dòng)型”（設(shè)備裝配成能夠主動(dòng)改變環(huán)空壓力）。被動(dòng)型MPD已經(jīng)在復(fù)雜井上應(yīng)用多年，但主動(dòng)型的應(yīng)用到目前為止依然很少，直到近年來鉆井作業(yè)的替換方案的需求增加才得到較多的應(yīng)用。

2.3.1 被動(dòng)型MPD

Malloy闡述到被動(dòng)型MPD采用MPD方法和設(shè)備作為減少鉆井問題出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)急方案。通常情況下，工程師照慣例設(shè)計(jì)井，而MPD設(shè)備和程序在突發(fā)事件中啟動(dòng)。

MPD作為應(yīng)急準(zhǔn)備。漢尼根強(qiáng)調(diào)，傳統(tǒng)井身是已設(shè)計(jì)好的，但該鉆機(jī)至少裝配有RCD，抗流器和鉆柱浮閥（S），意味著更安全更有效地處理如難以預(yù)測(cè)的井下壓力環(huán)境限制（例如，當(dāng)井眼中的泥漿密度并不適應(yīng)當(dāng)前的鉆井密度窗口）。舉個(gè)例子，美國四分之一的陸地鉆井項(xiàng)目采用的是MPD，而大部分的MPD采用的是被動(dòng)類型。作為為意外事件準(zhǔn)備的一種方式，鉆井規(guī)劃從一開始就配備或裝配齊全以更高效更安全地處理井下意外事件。這也部分解釋了為什么一些承銷商要求確保井身能在一個(gè)封閉和泥漿加壓回收系統(tǒng)中鉆井。

2.3.2 主動(dòng)型MPD

該鉆探從一開始就是為套管，液柱和裸眼鉆井計(jì)劃或候補(bǔ)計(jì)劃設(shè)計(jì)的，充分利用其能力以更精確地控制井筒壓力分布。據(jù)漢尼根所述，這種MPD技術(shù)走線類別將史無前例的對(duì)陸上和海上鉆井規(guī)劃提供了最大好處。至今大多數(shù)海上應(yīng)用已采用這一類。重要的是有事實(shí)證明從被動(dòng)型轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)型陸地MPD項(xiàng)目百分比不斷增長。這種轉(zhuǎn)變就要求井預(yù)先設(shè)計(jì)的更詳細(xì)，但對(duì)鉆探規(guī)劃的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過附加的MPD工程和項(xiàng)目管理的成本。

2.4 欠平衡鉆井與控壓鉆井對(duì)比

采用常規(guī)過平衡鉆井（OBD）方法鉆井的局限，導(dǎo)致企業(yè)開拓可替代的鉆井技術(shù)，如欠平衡鉆井和MPD。過去推動(dòng)采用欠平衡鉆井和MPD的問題包括：通過最大限度地減少流體損失，消除差粘，提高滲透速度，延長鉆頭壽命等提高鉆井安全性，消除或減少地層傷害及小的地層壓力/破裂梯度窗口的需求，以減少鉆井成本。

選擇MPD多于UBD的兩個(gè)主要原因是：（1）在UBD期間井筒的不穩(wěn)定；（2）減少設(shè)備需求以減少成本。然而，因?yàn)镸PD可能需要一個(gè)幾乎等同于欠平衡鉆井的設(shè)置，僅基于這些標(biāo)準(zhǔn)而忽略了可行性的決定，顯著儲(chǔ)層效益也可以通過欠平衡鉆井實(shí)現(xiàn)，設(shè)備要求則取決于可鉆的儲(chǔ)層。

與完全欠平衡鉆井作業(yè)相比MPD往往更容易實(shí)施。通常在非儲(chǔ)層段，MPD設(shè)計(jì)要求可以決定一個(gè)將滿足鉆井安全方面考慮的簡(jiǎn)單的成套設(shè)備，因此，相比使用欠平衡鉆井時(shí)日消耗費(fèi)用將降低。如已經(jīng)描述的，這兩個(gè)操作的設(shè)備要求的設(shè)計(jì)參數(shù)有很大的不同。在大多數(shù)情況下，UBD和MPD方法中相同的設(shè)備設(shè)置是必要的。這兩種方法的顯著區(qū)別是較小尺寸的分離設(shè)備可用于MPD設(shè)置，而在鉆井過程中大的流體流入無法預(yù)計(jì)。

此外，由于井口壓力變化可用于控制MPD操作這一事實(shí)，需要一定程度的井口自動(dòng)快速不間斷的適應(yīng)井下條件的變化。此外這類自動(dòng)化可能需要提高欠平衡鉆井作業(yè)。

事實(shí)上，在一些MPD井中減少儲(chǔ)層傷害與常規(guī)OBD相比是最近才被行業(yè)所認(rèn)同。在另一方面，與傳統(tǒng)的油井項(xiàng)相比，欠平衡鉆井具有最大化井生產(chǎn)力的較長應(yīng)用時(shí)間，從而確保持續(xù)的提高生產(chǎn)效率。從歷史上看，許多MPD油井被歸類為欠平衡鉆井的井，這些井只是鉆探的某些部分使用了欠平衡而已。當(dāng)然，過平衡情況經(jīng)常被用于完成一個(gè)已欠平衡采鉆的井。這樣做的結(jié)果導(dǎo)致減少甚至消除任何從UBD取得的生產(chǎn)收益。因此，在多數(shù)情況下就顯得UBD對(duì)降低地層損害和提高生產(chǎn)率上很少或沒有任何意義。

2.5 控壓鉆井的需要

MPD技術(shù)最重要的是在海上平臺(tái)市場(chǎng)中得到廣泛的使用?？瓶藸栒f，這種技術(shù)可以使許多海上資源變得容易開采。一些業(yè)內(nèi)專業(yè)人士引述的數(shù)字顯示高達(dá)70%的當(dāng)前海上油氣資源采用常規(guī)鉆井方法從經(jīng)濟(jì)上說是不可取的。通過現(xiàn)有應(yīng)用表明越來越多的海上資源變得可以開采。這才是MPD重要性所在，如果沒有這種技術(shù)，世界許多地方的資源將被忽略。

高循環(huán)壓力、鉆頭扭矩傳遞困難、裸眼高阻力、鉆柱粘連等存在于各種技術(shù)和操作限制，這是鉆小口徑井難度大的原因。此外，在小尺寸井眼中操作如測(cè)井、鉆井、固井套管和運(yùn)行完井設(shè)備的難度較大。

2.6 鉆井危害

據(jù)Malloy和McDonald所述，通過減少非生產(chǎn)時(shí)間（NPT）以減輕鉆井危害及提高鉆井作業(yè)效率是控壓鉆井的主要目標(biāo)。與大部分非生產(chǎn)時(shí)間相關(guān)的操作鉆井問題包括：漏失、卡鉆、井壁失穩(wěn)和井控事故。

Hoyer強(qiáng)調(diào)減災(zāi)的重要性，指出成功的災(zāi)害管理和減災(zāi)始于清楚地了解已知鉆井危害和那些出現(xiàn)過事故總結(jié)。仔細(xì)分析井段數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)提供了根據(jù)，基于穩(wěn)定性而不是以習(xí)慣來確定最佳操作和技術(shù)。這種方法需要了解井的結(jié)構(gòu)。做出正確的判斷，同時(shí)鉆探是確認(rèn)、整合，并正確解釋所有鉆井動(dòng)態(tài)的問題，包括但不限于鉆頭上的重量，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，振動(dòng)，井下壓力，溫度，振動(dòng)篩屑等。

Hoyer強(qiáng)調(diào)另一個(gè)與MPD相伴減輕危害的技術(shù)，他指出套管鉆井或襯管技術(shù)也提供了處理不穩(wěn)定和井漏的有效手段，傳統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)則無法提供。這已經(jīng)在苛刻應(yīng)用環(huán)境下得以證明。

2.6.1 井控事故

Malloy和McDonald強(qiáng)調(diào)指出常規(guī)鉆井在處理井涌時(shí)的缺點(diǎn)：環(huán)壓在開放容器中并不能充分被檢測(cè)，除非該井直接關(guān)閉。常規(guī)鉆井過程中的井控事故是基于增加的流量，其中寶貴的時(shí)間往往浪費(fèi)在拉動(dòng)內(nèi)襯套以檢查流量上面。在這段時(shí)間的流入量增大。涌入體積越大，控制井涌就變得越困難。相應(yīng)地，常規(guī)鉆井作業(yè)期間應(yīng)停止鉆井和關(guān)閉井。當(dāng)涌入井筒、鉆井液被更充分加重以補(bǔ)償增加的井底壓力，該井停鉆。

2.6.2 漏失

注入地層的鉆井泥漿持續(xù)損失不僅破壞地層，也可能導(dǎo)致井控問題出現(xiàn)。當(dāng)（靜態(tài)）環(huán)空泥漿柱高度降低時(shí)整個(gè)井筒的靜水壓力減少，因此井筒中的鉆井泥漿損失將被再次補(bǔ)充。泥漿靜液柱的下降高度在靜水泥漿柱和暴露巖層所含流體之間建立了壓力不平衡體系。一旦井底壓力超過由靜態(tài)泥漿柱產(chǎn)生的靜水壓力就會(huì)出現(xiàn)一些幅度的涌入。在沒有干預(yù)的條件下，隨著流入體積的增長從而導(dǎo)致井涌，并且如果沒有被監(jiān)控的話它可能導(dǎo)致井噴。

史密斯建議通過實(shí)行下套管來隔離潛在危險(xiǎn)部分，這是鉆井窗口延伸的唯一方式，以防止這類可能會(huì)發(fā)生在小范圍的鉆井危害，通過這一方式說明常規(guī)鉆井中套管的重要性。這是常規(guī)鉆井的常用方法之一。

2.6.3 卡鉆

如DEA的欠平衡鉆井和完井手冊(cè)所說，常規(guī)鉆井中最常見的卡鉆是壓差卡鉆。當(dāng)鉆井液漏入地層，在井眼上留下明顯的固定防滲層，壓差卡鉆發(fā)生。如果鉆桿或油管與井眼接觸，過濾液可以從管后面發(fā)生泄漏，并建立一個(gè)低壓區(qū)。當(dāng)壓差超過所涉及區(qū)域的范圍時(shí)，可能出現(xiàn)管道的壓力粘結(jié)或壓差卡鉆。如果井是欠平衡的這種情況就不可能發(fā)生?？ㄣ@可以通過改變井況至欠平衡來釋放。

2.6.4 井壁失穩(wěn)

一旦對(duì)地層的泥漿柱壓力降低就要考慮重要問題。為了近距離控制井涌或井噴、膨脹頁巖（地理高壓頁巖）破損或斷裂巖層，由構(gòu)造應(yīng)力或弱巖層和鹽引起的一般井壁失穩(wěn)，大部分的鉆井規(guī)程利用了泥漿柱壓力。井筒壓差應(yīng)非常精確的控制，以減輕井眼不穩(wěn)定問題。MPD方法和工具被用于控制井筒的壓力分布，以減少不必要的壓力差的可能性。

3 控壓鉆井技術(shù)

3.1 恒定井底壓力（CBHP）

許多鉆井和井眼穩(wěn)定性相關(guān)的問題源于所固有的常規(guī)鉆井實(shí)踐中井底壓力的明顯波動(dòng)。據(jù)漢尼根所訴，這些井底壓力波動(dòng)是傳統(tǒng)陸地鉆探規(guī)劃成本過高的根源。這樣的壓力“尖峰”是由停止和啟動(dòng)接鉆桿操作中鉆柱連接循環(huán)而造成的。具體地說，它們起因是循環(huán)密度（ECD）或環(huán)形摩擦壓力（AFP）的變化，這是在泵被打開和關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)循環(huán)或不循環(huán)時(shí)，附加到井底壓力的環(huán)形摩擦壓力存在。

MPD取代靜態(tài)泥漿比重與動(dòng)摩擦壓力，目標(biāo)是保持最高壓力地層的孔隙壓力和最弱的破裂壓力之間的井筒壓力。這通常是通過一個(gè)泥漿比重鉆井，其靜水壓梯度小于平衡高孔隙壓力所需，差異由循環(huán)時(shí)使用動(dòng)態(tài)摩擦而組成。這聽起來很簡(jiǎn)單，但其操作卻極其復(fù)雜。

第一個(gè)必須解決的問題是如何從靜態(tài)平衡到動(dòng)態(tài)（循環(huán)）平衡而不能出現(xiàn)返出或井涌。這可以通過逐漸降低泵的轉(zhuǎn)速完成，同時(shí)關(guān)小井口節(jié)流以增加井口環(huán)壓，直到鉆機(jī)泵完全停止。

3.1.1 摩擦控制

摩擦控制技術(shù)用于高溫高壓或大位移井中，其中環(huán)形壓力被保持以保持井底壓力盡可能恒定。漢尼根解釋，在HPHT井中，這是通過使用一個(gè)同心套管柱保持某種環(huán)形循環(huán)來完成的。在ERD井中，環(huán)形壓力損失常常需要降低以達(dá)到所需要的長度并抵達(dá)井。這個(gè)現(xiàn)在可以通過使用環(huán)形泵來實(shí)現(xiàn)。該泵放置在井的套管部分，泵環(huán)形流體返回到表面從而減小環(huán)形摩擦壓力。這些摩擦管理技術(shù)被認(rèn)為是CBHP變化的一部分。

3.1.2 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)

考慮到CBHP變化如井的變化，漢尼根表示，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)，通過在鉆井作業(yè)不中斷循環(huán)保持ECD不變。該方法用于環(huán)空摩擦壓力必須是恒定的和防止巖屑沉降在井筒中的大位移水平段的油井。該循環(huán)在連接或其他中斷鉆井進(jìn)度中通過使用一個(gè)特殊的循環(huán)BOP系統(tǒng)或通過被添加到鉆柱的連續(xù)循環(huán)替代保持。

3.2 泥漿帽鉆井（MCD）

3.2.1 壓泥漿帽鉆井（PMCD）

馬洛伊說，該方法還可以解決井漏問題，但需要通過使用2種鉆井液。一種重的粘性泥漿以一定高度差輸送到環(huán)空中。當(dāng)鉆井時(shí)用了更輕、更低危害、更便宜的鉆井液。

鉆機(jī)將低密度的鉆井液通過鉆桿輸送。而密度重的粘稠的泥漿作為漏失層上的泥漿壓井仍然保持在環(huán)形中。如果需要保持環(huán)空壓力控制，鉆孔機(jī)可以調(diào)整回壓。由于增加了液柱壓力，較輕的鉆井液提高了ROP。

考慮到使用PMCD的限制，漢尼根認(rèn)為總損耗是必須的。損耗必須大到足以把所有的鉆井液注入到鉆柱，而所有巖屑在使用這種技術(shù)的鉆井過程中產(chǎn)生。如果循環(huán)建立或者部分循環(huán)建立，泥漿將可以返出井口。如果可以循環(huán)而且使用PMCD方法無法鉆井時(shí)，CBHP方法將被使用。

對(duì)于PMCD操作來說，流量閥芯必須安裝在RCD下，以允許流體被泵入到環(huán)形空間。RCD左手側(cè)的管匯是泄放管匯，用來確保泥漿罐中的泥漿能夠順利的補(bǔ)充到井筒中。

3.2.1.1 浮動(dòng)泥漿帽鉆井（FMCD）

浮動(dòng)泥漿帽鉆井（FMCD）被認(rèn)為是PMCD技術(shù)的一個(gè)子類。如果循環(huán)流體不能產(chǎn)生環(huán)壓時(shí)采用FMCD操作，在這種情況下泥漿帽被稱為浮動(dòng)泥漿帽。在一個(gè)FMCD操作中，流體（通常是水）被泵入到鉆桿，如PMCD操作一樣。

Malloy和McDonald指出通過采取浮動(dòng)泥漿帽作為起始點(diǎn)，使用井口波動(dòng)估計(jì)3個(gè)井下條件，在整個(gè)井眼的壓力是穩(wěn)定的。一旦鉆井再次開始，井深增加時(shí)，假設(shè)儲(chǔ)層壓力會(huì)隨深度的增加而增加，高密度泥漿環(huán)形壓井失去其本身控制井底壓力的能力。隨著時(shí)間和距離的推進(jìn)，環(huán)形壓差在200-300磅之間，遠(yuǎn)低于RCD工具的壓力等級(jí)，這不是不值一提的。當(dāng)環(huán)壓變高時(shí)，泥漿壓井流體密度往往會(huì)增加以保持環(huán)壓在恰當(dāng)范圍內(nèi)。

另一方面漢尼根強(qiáng)調(diào)，考慮到在環(huán)空中監(jiān)測(cè)泥漿液位的難度，該儲(chǔ)層的壓力可以低于靜水泥漿液柱壓力，這樣的話該環(huán)空帶不能保持充分的流體。環(huán)空液面會(huì)下降到井中的一個(gè)平衡點(diǎn)。井中流體的頂部可能太深以至于無法監(jiān)測(cè)，這將使得很難監(jiān)控任何涌入或氣體變化。該FMCD方法實(shí)際上是盲鉆，而且只限于環(huán)空壓力控制。

通過允許沿鉆柱壓力監(jiān)測(cè)，從而提供增強(qiáng)井控安全，一些新的技術(shù)，例如有線鉆桿可幫助FMCD技術(shù)。當(dāng)鉆井流體靜液加壓于儲(chǔ)層時(shí)，采用輕密度添加劑的流體技術(shù)也被考慮用于實(shí)現(xiàn)泥漿壓井操作。

浮動(dòng)泥漿帽鉆井不同于PMCD，正如它的名字“浮動(dòng)”解釋了動(dòng)態(tài)平衡條件。因?yàn)橛袃煞N相反的損壞均衡系統(tǒng)方式，平衡可以保持提高或降低泥漿帽壓力。第一可通過增加泥漿帽的密度或施加回壓來維持。第二可通過降低泥漿帽的密度或者使用井下壓力升壓工具（在井口設(shè)備局限情況下）增加ECD來管理。

3.2.1.2 控制泥漿帽鉆井（CMCD）

該控制泥漿帽鉆井（CMCD）方法被正式稱為加壓泥漿帽鉆井（PMCD）。雖然它們之間存在著一些重要的差異，設(shè)備大部分為海上鉆井而設(shè)計(jì)且適用于CMCD中無損失。

立管的頂部將充滿空氣和天然氣，由于低壓力的原因立管的這一部分將進(jìn)入氣體分離器。在立管中的較低液面上使用重泥漿實(shí)際上將減少在泥漿柱中的壓力。水合物地層依賴于溫度和壓力，并且由于這個(gè)壓力降低，形成水合物的可能性被降低。

與傳統(tǒng)的立管鉆井相比該系統(tǒng)的井控可靠性有較大的提高。在立管一個(gè)較低的界面使用較重的鉆井液使井涌能夠從井中散發(fā)且不會(huì)遇到增加的摩擦壓力。這里沒有扼流器或壓井管線，而鉆桿和立管之間的環(huán)形空間將作為流體的返回路徑。

3.3 雙梯度鉆井（DGD）

深水海洋鉆井（ECD）、雙梯度鉆井（DG）是控制上行-孔環(huán)狀承壓的多種不同方法的總稱。DG已成功地用在主要海上鉆井中應(yīng)用，這里水占上覆巖層的絕大部分。由于這液體表層是典型的低密度上覆巖地層，而因?yàn)榭紫秹毫推屏褖毫χg的界限很窄，導(dǎo)致鉆井窗口很小。由于脆弱的地層強(qiáng)度，深水常規(guī)鉆井應(yīng)用通常需要多套管柱，以避免在淺層采用單密度鉆井液時(shí)嚴(yán)重的井漏。為了減少深水上覆巖層的影響，鉆井系統(tǒng)應(yīng)該通過降低海洋立管上部分的泥漿密度或用海水填補(bǔ)海洋立管或?qū)⒑５椎南到y(tǒng)分成兩個(gè)部分以求平衡。

雙梯度變化的目的是以輕密度流體模擬鹽水表層。通過注入不太密度的介質(zhì)，如將惰性氣體、塑料顆粒或玻璃珠注入到隔水管內(nèi)的鉆井液，鉆機(jī)就可以完成井底壓力調(diào)整。另一種方法是當(dāng)從海床轉(zhuǎn)移和泵送泥漿、巖屑到井口時(shí)用鹽水填充海洋立管。在這種情況下，鉆井立管可以用海水填充以防止塌陷。這樣做的目的不是要減少EMW或?qū)嵤〣HP到少于地層孔隙壓力的點(diǎn)，相反，其目的通常是以避免嚴(yán)重失去平衡和不超過破裂梯度。

這兩種方法改變了泥漿附近的流體密度。兩種不同的流體在井筒中產(chǎn)生了整體靜水壓力，這避免了超出破裂壓力梯度且破碎地層，從而在花費(fèi)非生產(chǎn)時(shí)間解決井漏問題和相關(guān)費(fèi)，節(jié)省了鉆井作業(yè)。這種形式的MPD可以在帶有或不帶有海底R(shí)CD的情況下使用。

3.3.1 注入密度較小介質(zhì)的方法

雙密度鉆井作為離岸深水中常用的技術(shù)，在業(yè)內(nèi)常用方法之一是充氣泥漿。為了保護(hù)淺層疏松砂巖，從海底到水面的環(huán)空流體被充入以減少靜壓，在較淺處允許更高的泥漿比重控制更深的壓力而不產(chǎn)生漏失。陸地鉆機(jī)很少遇到這類問題，但偶爾也會(huì)有一個(gè)案例，一個(gè)脆弱的地層可能通過上面充入泥漿而下面使用加權(quán)泥來保護(hù)。

在DG中用于降低流體靜力的另一種方法是注氮。預(yù)定量的氮在某個(gè)預(yù)定的深度被注入到套管或隔水管中。泥漿梯度是由氣體，泥漿，從注入點(diǎn)到井口的鉆屑來確定的。低于注入點(diǎn)就只能靠泥漿和鉆屑來確定梯度，因此，術(shù)語叫雙梯度。這種技術(shù)作為有效調(diào)節(jié)井底壓力是很有用的，它無需改變基礎(chǔ)流體密度且更少的中斷鉆井作業(yè)，通常用于避免漏區(qū)井漏。氮可以由同心套管，同心立管，以及寄生管線注入，或通過平臺(tái)現(xiàn)有的升壓泵和線在第四或第五代深水鉆井平臺(tái)注入。為了讓這個(gè)系統(tǒng)工作，壓力必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，并注意循環(huán)壓力。在某些情況下，旋轉(zhuǎn)控制頭被用于傳遞系統(tǒng)上附加的壓力，以防止流動(dòng)。這用在結(jié)合注入空氣（或氮?dú)猓r(shí)，允許一個(gè)非常精確的控制上覆地層。

正如人們所初步斷定，關(guān)于使用氮?dú)庾⑷雱?chuàng)建兩個(gè)梯度的這種方法最值得注意的特點(diǎn)是地層欠平衡。套管井欠平衡到一個(gè)低于套管的深度，裸眼井筒實(shí)際上失去平衡，從而防止流體從地層流入到井筒。創(chuàng)建雙密度系統(tǒng)的這種方法的一個(gè)主要關(guān)切點(diǎn)是不確定性。在這種情況下，系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的，而井控和檢測(cè)井涌肯定更復(fù)雜，但是，并不一定表示不安全。

創(chuàng)建一個(gè)雙梯度系統(tǒng)的另一種方法是類似氮?dú)庾⑷?。注入空心球體通過立管創(chuàng)建一個(gè)雙梯度系統(tǒng)進(jìn)入泥漿循環(huán)。該系統(tǒng)類似于氮注入法，但是在鉆臺(tái)上從泥漿中分離氣體是簡(jiǎn)化的，因?yàn)樵阢@井液中溶解氣體并不是一個(gè)問題。玻璃球體從泥漿中分離并重新注入到立管底部。

3.3.2 海底泥漿舉升鉆井（SMD）

創(chuàng)建一個(gè)雙梯度系統(tǒng)的另一方法是通過鉆井的上部簡(jiǎn)單地將鉆井泥漿返回到海底開始的。在此設(shè)定海底井筒內(nèi)的壓力與海床的壓力是相同的。換句話說從海洋表面到海底的壓力梯度就是海水壓力梯度。至此，當(dāng)鉆井時(shí)井筒內(nèi)一個(gè)比常用泥漿更重的泥漿用來保持適當(dāng)?shù)膲毫Α?/p>

3.4 回壓控制（RFC）/HSE方法

我們使用設(shè)備可以有效地反應(yīng)任何井下意外發(fā)生的原因，盡管技術(shù)上不控制任何環(huán)壓，RFC可以被視為該MPD定義的重要組成部分。站在Hannegans的角度來看，我們努力將環(huán)空返出泥漿遠(yuǎn)離平臺(tái)，以防止任何氣體溢出到平臺(tái)上，特別是H2S。作為一種安全措施，如果當(dāng)鉆井或起下鉆時(shí)產(chǎn)生大量涌入天然氣滲入到平臺(tái)，到激振器的管線將被關(guān)閉，流體立即切換到鉆機(jī)節(jié)流管匯，此時(shí)涌入的氣體被安全地控制，且從井筒中排放出去。使用旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCD）避免了關(guān)閉防噴器時(shí)最小量的碳?xì)浠衔锏竭_(dá)平臺(tái)，并且它允許管柱轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)循環(huán)泥漿或處理氣侵泥漿。

RFC操作，只需安裝兩個(gè)液壓閥，一個(gè)到激振器的傳統(tǒng)管線，一個(gè)到鉆機(jī)節(jié)流管匯的管線。這允許鉆機(jī)節(jié)流管匯處理任何井涌，且在正常操作中常規(guī)管線用于流體循環(huán)。液壓操縱閥允許返回的流量被分流到鉆機(jī)節(jié)流管匯或振動(dòng)篩。

使用封閉環(huán)形回流系統(tǒng)鉆井的目的僅因?yàn)镠SE原因。例如，開放系統(tǒng)的傳統(tǒng)生產(chǎn)平臺(tái)鉆井作業(yè)可能允許易燃易爆氣體從鉆屑中分離。

3.5 變化意圖

為了理解MPD的用法，重要的是理解MPD變化的目的。漢尼根指出，經(jīng)常有一些關(guān)于什么構(gòu)成了MPD的最初的困惑。其原因是技術(shù)中的大量主要的變量和數(shù)個(gè)次要的變量。這些變量必須在解決每個(gè)非生產(chǎn)性鉆井時(shí)間類環(huán)境中體現(xiàn)。如果挑戰(zhàn)是窄的或者是一個(gè)相對(duì)陌生的鉆井窗口，使用恒定井底壓力（CBHP）MPD。這種變化包括兩個(gè)子類別：用于高溫高壓或大位移井的摩擦設(shè)計(jì)，以及連續(xù)循環(huán)油井方法，其中環(huán)空摩擦壓力必須恒定，防止巖屑沉降在大位移水平井段。（CBHP）MPD是適用于鹽油區(qū)和其他地層與破裂壓力相對(duì)未知的鉆井的唯一方法。

加壓泥漿帽鉆井（PMCD）是亞太地區(qū)最常用的MPD方法。使用這種技術(shù)時(shí)，損耗必須足夠大，以便把所有的流體和鉆井過程中產(chǎn)生的所有切屑泵入到鉆柱中。如果局部循環(huán)是可行的，則應(yīng)該使用CBHP方法來代替。最終，這種變化有望在深水中使用，嚴(yán)重枯竭的老油層必須鉆達(dá)到更深的原始?jí)毫Ξa(chǎn)油層。

雙梯度（DG）的概念是最適用于深水鉆井，因?yàn)槌俗顝?qiáng)大的產(chǎn)油層以外都會(huì)從海洋立管中的高列重泥漿和巖屑嚴(yán)重失去平衡。對(duì)于液壓來說，真正的雙梯度（含水下防噴器和隔水管系統(tǒng)）讓井筒以為鉆機(jī)是通過水下人工舉升手段靠近，通常通過水下泵或在環(huán)返回路徑中注射較輕的液體或氣體。無冒口回收是另一個(gè)有著巨大前途的雙梯度技術(shù)應(yīng)用程序。在之前利用海底R(shí)CD是可需的，而在某些后面的DG方法中是可取的。

HSE或返回流量控制（RFC）技術(shù)是MPD的一個(gè)關(guān)鍵部分，熟練轉(zhuǎn)移環(huán)返回遠(yuǎn)離鉆臺(tái)，其中環(huán)空壓力控制并不是目標(biāo)。如果保險(xiǎn)承保人僅因?yàn)镠SE的原因需要在現(xiàn)場(chǎng)的RCD，那么要考慮的技術(shù)是HSE的變化。該RFC系統(tǒng)最大限度地減少了不必要的防噴器操作，在淺水地質(zhì)災(zāi)害面前提供保證，當(dāng)循環(huán)出氣密性涌入或處理氣侵泥時(shí)允許管運(yùn)動(dòng)。

3.6 MPD下提到的前景概念

3.6.1 MPD連續(xù)循環(huán)同心套管

MDP連續(xù)循環(huán)套管是MPD技術(shù)和DHM技術(shù)結(jié)合的一個(gè)重要例子。證明其有更準(zhǔn)確的方法控制壓力并減輕鉆井災(zāi)害的能力后，其應(yīng)用將會(huì)變得更普及。

漢尼根表示，以穩(wěn)定的環(huán)形摩擦壓蓋鉆井泥漿損失為目標(biāo)，通過連續(xù)的環(huán)狀流體循環(huán)，利用返回的液體壓力摩擦控制，這個(gè)過程涉及更精確和幾乎是瞬間的井底壓力控制。通過套管或鉆桿泵入額外的流體，井底AFP被控制到一個(gè)更加穩(wěn)定的狀態(tài)。通過增加環(huán)形流體下降速率，井筒中的井下環(huán)境看到一個(gè)更恒定AFP。

作者建議考慮系統(tǒng)的其他優(yōu)勢(shì)以協(xié)同MPD。堅(jiān)固的套管可以單根的連到一個(gè)足夠深的深度，以從熱，壓力，或化學(xué)方法開采。因套管重量減輕，DWC則可以使用更便宜的浮動(dòng)鉆機(jī)鉆井。

3.6.2 無隔水管MPD

簡(jiǎn)而言之無隔水管MPD是海底井控?zé)o隔水管作業(yè)。當(dāng)通過海水無隔水管鉆井或其它流體排出到海床，海底旋轉(zhuǎn)裝置被用于建立一個(gè)海底位置。通過分析該技術(shù)的目的，漢尼根強(qiáng)調(diào)不管是壓力控制還是浮動(dòng)鉆井平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性都是由分批鉆井達(dá)到深水點(diǎn)，因?yàn)闆]有隔水管和海底防噴器的支撐，更小，更便宜的鉆機(jī)可用于在深水中完成鉆井，這比最初所設(shè)想的鉆機(jī)達(dá)到的位置更深。一個(gè)遙控潛水器（ROV）或水下自動(dòng)節(jié)流器在海底R(shí)CD的管線排出口調(diào)節(jié)回壓。關(guān)閉海底節(jié)流器增加井底壓力，無形中仿佛海底位置都被裝滿了泥漿和鉆屑的海洋立管所鉆入。因此，大于鉆井液的一定程度的過平衡在存在淺水流動(dòng)或淺層氣危險(xiǎn)時(shí)會(huì)有益于海底油井控制。

3.6.3 雙梯度無隔水管鉆井

漢尼根解釋結(jié)合無隔水管系統(tǒng)和MPD的變體之一，也被稱為無隔水管泥漿回路。為了分析和適當(dāng)處理，海底泵返回泥漿和鉆屑到鉆井平臺(tái)。有效的井底壓力控制可通過海底環(huán)空回壓和鉆機(jī)及海底泵（S）的速度進(jìn)行調(diào)整。在無隔水管系統(tǒng)中環(huán)形摩擦壓力損失小于在海洋立管系統(tǒng)中的損失。該系統(tǒng)的目的是使用海底泵精確控制井底壓力。使用海底泵降低了當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）或環(huán)形摩擦損失（AFL）。

3.6.4 MPD深水地表防噴器的應(yīng)用

從系泊半潛式或帶地表防噴器的動(dòng)態(tài)定位鉆井船鉆井的最初目的是當(dāng)使用水下防噴器時(shí)使油井在水深中鉆的深度比鉆機(jī)本身可鉆深度更大。然而，地表防噴器鉆井使許多相同的MPD技術(shù)在其他方面僅可在深水中的固定鉆機(jī)中利用。高壓和通常較小直徑套管用作海上立管。

對(duì)于深水前景，地表防噴器的應(yīng)用是適應(yīng)MPD技術(shù)的方法之一。地表防噴器組允許MPD在較強(qiáng)的回壓中使用，但是，海上作業(yè)尤其是在深水井也有局限性，因?yàn)橐恍┨魬?zhàn)是不可控的，如浮船波浪荷載。特別是在波濤洶涌的海域中，波浪力可以通過使用系泊半潛式或動(dòng)力定位鉆井船在一定程度上被降低。波浪起伏力是局限之一，高壓力和小直徑套管的使用作為一個(gè)海洋立管是不可能的。因此，MPD的使用，尤其是在波濤洶涌的大海中是不受限制的技術(shù)。在深水背景下由于惡劣的天氣條件MPD有兩個(gè)重要的技術(shù)空白。第一個(gè)是，當(dāng)調(diào)整回壓時(shí)如果需要緊急斷開，沒有別的辦法補(bǔ)償?shù)乇砘貕哼@將在個(gè)案研究的章節(jié)中討論。第二個(gè)是，當(dāng)調(diào)整地表回壓時(shí)通過鉆機(jī)升降運(yùn)動(dòng)引起井底壓力波動(dòng)。

鉆機(jī)向上運(yùn)動(dòng)的幅度可以通過自動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，其能夠調(diào)節(jié)管道的移動(dòng)速度。然而，當(dāng)管柱坐卡瓦時(shí)，鉆柱變成平臺(tái)的一部分，這樣波浪載荷的影響被引導(dǎo)到管柱上。對(duì)于DP鉆井船來說，這也是一個(gè)問題，因?yàn)槲恢脙H可以保持在到海床的平行層。這也是開發(fā)更穩(wěn)定的平臺(tái)或使用停泊平臺(tái)的原因之一。

管運(yùn)動(dòng)引起的壓力被定義為浪涌和抽吸壓力，這是時(shí)間函數(shù)。而升沉幅度和波動(dòng)周期是決定管運(yùn)動(dòng)向上和向下方向速度的變量。雖然使用MPD的意圖之一是準(zhǔn)確地控制壓力，尤其是在狹窄空間中。事實(shí)上，在浮式鉆機(jī)上通過油管鉆井（TTD）和連續(xù)油管鉆井（CTD）應(yīng)用是減少波浪起伏影響的有效方法。

3.6.5 井下排水MPD

MPD的一個(gè)新結(jié)構(gòu)是通過在鉆柱和套管中使用一個(gè)鉆井液驅(qū)動(dòng)泵為循環(huán)流體增加能量。減少或消除井底壓力的摩擦壓力影響。

上層壓力邊界是之前鉆出部分的破裂壓力梯度，下層壓力邊界是要鉆或已經(jīng)被鉆的地層孔隙壓力，在這些部位中該泵可用于消除窄鉆井窗口。理想情況下，壓力在泵的減少量等于環(huán)形摩擦損失，從而井底壓力得以保持恒定。

3.6.6 液體壓力流量建模和計(jì)算機(jī)控制

漢尼根強(qiáng)調(diào)，考慮到計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的成熟使用，制造工業(yè)（如化工、煉油、紙漿和造紙）幾十年來受益于閉環(huán)控制系統(tǒng)的使用。今天，很少發(fā)現(xiàn)有不帶計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)。計(jì)算機(jī)控制使用的結(jié)果是大大提高了安全性，更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，減少浪費(fèi)，降低能源消耗。

漢尼根也提到了測(cè)量校正的概念，MPD的閉環(huán)特性使得其技術(shù)得以發(fā)展。該技術(shù)使帶工藝流程要求的循環(huán)流體系統(tǒng)控制得以實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)到極少量的液體流入和泥漿漏失，揭示并非預(yù)測(cè)的實(shí)際鉆井窗口，安全地、高效地和較少的NPT響應(yīng)。

在油田中已經(jīng)證明自動(dòng)控制壓力分布優(yōu)勢(shì)的兩個(gè)最成熟的技術(shù)就是在石油行業(yè)中屬于兩家大公司的動(dòng)態(tài)環(huán)空壓力控制（DAPC）和微流量控制。雖然系統(tǒng)一般以相同的方式運(yùn)作，但是根據(jù)它們自身的能力和鉆機(jī)配置仍然會(huì)有一些差異。

3.6.6.1 動(dòng)態(tài)環(huán)空壓力控制（DAPC）

如Chustz等人的研究中所描述的系統(tǒng)，DAPC系統(tǒng)是在實(shí)時(shí)運(yùn)行中使用水力模型的一個(gè)完全自動(dòng)化的回壓控制系統(tǒng)。將鉆具組合、幾何形狀、泥漿性質(zhì)、導(dǎo)向數(shù)據(jù)和溫度輸入到DAPC系統(tǒng)。模型實(shí)時(shí)計(jì)算井底壓力變化，而深度，鉆柱轉(zhuǎn)速（rpm）和泵流量（GPM）得到實(shí)時(shí)更新。如果隨鉆測(cè)量工具獲取井底壓力隨鉆數(shù)據(jù)，則可以用于校準(zhǔn)液壓計(jì)算模型。

該系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)需要依賴于旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備密封的動(dòng)態(tài)環(huán)空壓力控制系統(tǒng)，并允許井眼環(huán)空加壓。鉆井返出由旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備轉(zhuǎn)移，并按指定管線輸送到一個(gè)節(jié)流管匯。該MPD節(jié)流管匯在接鉆桿和起下鉆時(shí)施加環(huán)空回壓以取代ECD的摩擦壓力分量?；貕罕米⑷氕h(huán)空流體并更精確地控制外加壓力。由節(jié)流器施加以維持所需的井底壓力，即程序化的穩(wěn)定所需的回壓設(shè)定。

Chustz等人表示DAPC系統(tǒng)的三個(gè)主要設(shè)備包括：節(jié)流管匯，回壓泵，和一體化壓力控制（IPM）。在IPM的控制之下，節(jié)流管匯使連續(xù)回壓調(diào)整以保持井底壓力在程序設(shè)置點(diǎn)。當(dāng)泥漿泵關(guān)閉時(shí)采用連續(xù)回注流體到節(jié)流管匯，從而完成精確的井底壓力控制。該DAPC節(jié)流管匯包含兩個(gè)主要的液壓節(jié)流閥和一個(gè)次要的液壓節(jié)流閥。在正常操作下只有一個(gè)主要節(jié)流閥是有效的，其它則作為備用。備用節(jié)流閥被設(shè)置為靜態(tài)的最大開度，以保護(hù)井壁防止過壓事故。所有這三個(gè)節(jié)流閥都是由安裝在匯管上的液壓動(dòng)力裝置（HPU）驅(qū)動(dòng)的液壓站驅(qū)動(dòng)。管匯的另一個(gè)冗余功能則是在故障或失效的情況下允許HPU從多個(gè)源頭處獲得動(dòng)力。主動(dòng)力是由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)提供，次動(dòng)力則是由鉆機(jī)空氣供給。萬一都失敗時(shí)，那么通過手動(dòng)切換電源到蓄電池使用，同時(shí)仍保持已設(shè)置好的井底壓力進(jìn)行自動(dòng)控制。該DAPC系統(tǒng)的第二個(gè)元件是回壓泵。類似節(jié)流管匯，操作是在IPM的完全控制下。每當(dāng)鉆井泵的流速低于定義的閾值時(shí)該泵提供一個(gè)專用，按需控制要求的回壓。通過簡(jiǎn)單地改變IPM中的設(shè)定值，在接鉆桿時(shí)井底壓力也可以增加或下降。Chustz等進(jìn)一步解釋了有關(guān)軟件控制系統(tǒng)，也就是DAPC系統(tǒng)的第三個(gè)組成部分，一體化壓力控制，它集計(jì)量，監(jiān)測(cè)，分析和控制與一體。IPM組成包括控制計(jì)算機(jī)，可編程邏輯控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)液壓模型，和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)?？傊@些提供自動(dòng)化的軟件控制和必要的數(shù)據(jù)采集以通過DAPC節(jié)流管匯保持恒定井底壓力。人機(jī)界面（HMI）為控制系統(tǒng)技術(shù)員提供以配置和調(diào)整IPM和整個(gè)DAPC系統(tǒng)的運(yùn)行輸入輸出界面。井底壓力的精確控制需要源源不斷的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，IPM依賴于這種數(shù)據(jù)流，以維持整個(gè)鉆井間隔的井底壓力的精確控制。從PWD工具定期更新的鉆井參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到IPM。特別重要的是該鉆機(jī)泵沖程計(jì)數(shù)器是DAPC系統(tǒng)操作的關(guān)鍵參數(shù)。一體化壓力控制使用泵沖計(jì)數(shù)器測(cè)量該泵工作狀態(tài)，是泥漿流動(dòng)和井筒中有環(huán)形摩擦的主要指標(biāo)。兩個(gè)獨(dú)立的鉆井泵沖程計(jì)數(shù)器可減少數(shù)據(jù)中斷或機(jī)械故障，并保證數(shù)據(jù)的不間斷提供。IPM的編程提醒系統(tǒng)技術(shù)員如果行程計(jì)數(shù)器之一失效后，允許手動(dòng)切換到備用傳感器。作為應(yīng)急，在切斷所有鉆機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，控制系統(tǒng)技術(shù)人員可以手動(dòng)輸入沖程率。液壓模型連續(xù)運(yùn)行為IPM提供必要的計(jì)算數(shù)據(jù)以保持設(shè)定點(diǎn)。使用該模型和手動(dòng)輸入的沖程率，IPM將仍然產(chǎn)生所需的DAPC系統(tǒng)配置，并持續(xù)控制井底壓力。在一個(gè)封閉的循環(huán)中，封閉期間鉆機(jī)監(jiān)測(cè)溢流是不可能的。此外，液壓模型需要實(shí)際流出量，以準(zhǔn)確地計(jì)算出井底壓力。而泵速率通常用在液壓模型計(jì)算，基于實(shí)際流出值也可以校準(zhǔn)模型?？评飱W利流量計(jì)安裝在節(jié)流管匯下游以監(jiān)測(cè)井口流出流量。報(bào)警系統(tǒng)用來提醒司鉆出現(xiàn)井涌或漏失。

3.6.6.2 微流量控制（MFC）

在過去幾年中控壓鉆井（MPD）已經(jīng)在行業(yè)中取得顯著的進(jìn)步。早期用戶在解決關(guān)鍵問題，減少停機(jī)時(shí)間，降低具有挑戰(zhàn)性井的鉆探風(fēng)險(xiǎn)和達(dá)到目標(biāo)深度方面取得成功，而使用傳統(tǒng)鉆井時(shí)并不能解決這些問題。

自從2006年8月第一個(gè)采用微流量控制MPD的鉆井后，不管是在標(biāo)準(zhǔn)（當(dāng)泥漿重量為靜水壓力過平衡時(shí)）還是特殊（當(dāng)泥漿比重為靜水壓力欠平衡時(shí)）模式中，該方法已在許多井中應(yīng)用。這些在海上和陸上進(jìn)行勘探和開發(fā)的井使用密度高達(dá)18PPG的水基鉆井液。從一個(gè)模式改變到另一個(gè)模式的靈活性和簡(jiǎn)單性允許操作者根據(jù)井況，井問題，鉆機(jī)能力，機(jī)組人員能力和其他條件選擇適當(dāng)配置。

幾年前，業(yè)界認(rèn)為MPD將只有在泥漿比重低于孔隙壓力的窄余量油井中有用。在許多窄余量井中，只要泥漿泵一被打開就會(huì)開始漏失泥漿。避免漏失的一個(gè)方法是有這樣一個(gè)流體靜壓欠平衡泥漿比重，當(dāng)流體在循環(huán)中時(shí)產(chǎn)生摩擦，井筒內(nèi)的最終壓力將會(huì)小于壓裂梯度。當(dāng)泵關(guān)閉時(shí)有必要降低泥漿重量以補(bǔ)償流體靜壓，從而避免大量涌入，這種MPD應(yīng)用被稱為恒定井底壓力變化。MFC的特殊模式提供了這種鉆井選擇。

連續(xù)循環(huán)裝置開發(fā)且已在使用，以避免因停止/開始泥漿泵時(shí)產(chǎn)生的壓力振蕩。這些設(shè)備也可以被用于CBHP，因?yàn)樵诮鱼@桿時(shí)沒有必要停止循環(huán)。然而，關(guān)鍵是要有一個(gè)應(yīng)急規(guī)劃，以防出泥漿泵或設(shè)備本身出現(xiàn)問題。

與常規(guī)鉆井相關(guān)的問題包括涉及井涌風(fēng)險(xiǎn)，流量的不準(zhǔn)確，泥漿體積測(cè)量和壓力測(cè)量。從其它使用MFC標(biāo)準(zhǔn)模式的井的經(jīng)驗(yàn)中可以看出，在一個(gè)段上的所有時(shí)間中，最佳的解決辦法往往是開始于標(biāo)準(zhǔn)模式而不是使用專用模式。隨著泥漿質(zhì)量盡可能接近估計(jì)的孔隙壓力，如果可能的話甚至略低于它，以MFC標(biāo)準(zhǔn)模式開始的鉆探將允許確認(rèn)泥漿重量是否靜水欠平衡。

自動(dòng)化系統(tǒng)軟件在ICU運(yùn)行，而界面在HMI運(yùn)行。系統(tǒng)軟件的優(yōu)點(diǎn)是從井里跟蹤所有可用的數(shù)據(jù)，分析和研究參數(shù)，定義許多問題是否發(fā)生，顯示警告給司鉆，在某些情況下自動(dòng)采取必要的行為以改變當(dāng)前面臨的問題，并提供數(shù)據(jù)采集。

自動(dòng)化系統(tǒng)軟件由兩個(gè)獨(dú)立進(jìn)程組成：鉆井作業(yè)檢測(cè)和控制過程，它允許對(duì)井涌和漏失檢測(cè)和自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)節(jié)流；必要時(shí)MPD控制立管壓力或井口回壓。

為了提供更好、更順暢、更可靠的控制，自動(dòng)系統(tǒng)軟件有幾個(gè)運(yùn)行“模式”。主操作模式和井涌模式是該軟件運(yùn)行時(shí)檢測(cè)和控制過程的主要模式。主操作模式包括鉆/不鉆，自動(dòng)控制開啟/關(guān)閉和檢測(cè)模式。涌入有五種模式：涌入檢測(cè)模式、達(dá)到循環(huán)壓力模式、循環(huán)涌出模式、壓井泥漿下降模式和壓井泥漿上升模式。

3.6.7 二次環(huán)空循環(huán)（SAC）

Rasmussen和Sangesland指出，二次環(huán)空循環(huán)方法和連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)是一致的。所不同的是注入點(diǎn)的位置，這將影響環(huán)空壓降。典型注入點(diǎn)可以在立管部分和通過套管環(huán)空進(jìn)入海底。

該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為在接鉆桿時(shí)順著二次環(huán)空循環(huán)，這使得BHP能夠保持恒定。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一在于，循環(huán)允許更快的速度，同時(shí)與鉆柱斷開。二次環(huán)循環(huán)應(yīng)用與連續(xù)循環(huán)閥或連續(xù)循環(huán)裝置一起使用，以控制井下壓力分布。這個(gè)概念通常與油管鉆井確切的說是過油管旋轉(zhuǎn)鉆井（TTRD）相提并論。

能源需求的增加和技術(shù)的發(fā)展引領(lǐng)行業(yè)要結(jié)合為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的替代品。使用TTRD，SAC和CCS就是使用TTRD優(yōu)勢(shì)這個(gè)概念的例子之一。然而，組合限制取決于可用技術(shù)或新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的成本與收益考慮之間的比較。因此，SAC應(yīng)用的可能性是適用于固定鉆機(jī)的。此外，井控的抗擾性，隔水管系數(shù)，涌入系數(shù)和涌入檢測(cè)需要提高，尤其是在封閉系統(tǒng)中提高。

3.6.8 可壓縮流體MPD

梅洛特指出，在井中使用不可壓縮流體作為巖屑介質(zhì)以減少環(huán)空井底壓力并不是新方法。很多創(chuàng)新的方法在過去30年來已被用于完成這項(xiàng)任務(wù)。然而，在MPD應(yīng)用中使用壓縮流體則是新概念。由于MPD具有井筒壓力精確控制的優(yōu)勢(shì)，可壓縮流體可以在挑戰(zhàn)井中更有效的利用。

漢尼根通過強(qiáng)調(diào)更精確的井筒壓力控制的概念已經(jīng)應(yīng)用到空氣、霧、泡沫和氣體鉆井，在MPD下井下工具的使用使它的優(yōu)勢(shì)越來越多。

3.6.9 井筒加強(qiáng)MPD

一種加強(qiáng)井筒的方法由漢尼根提出。在90年代初，工作是為了通過維持在泥漿中一定大小的固體含量從而研究加強(qiáng)井筒的影響，當(dāng)泥漿密度增加時(shí)有效地堵塞發(fā)生在較弱地層的微裂縫。

提高鉆探窗口的另一種方法被證明是形成非常低的透氣性的保護(hù)屏障，防止來源于侵入巖層的流體和泥漿過平衡壓力。因此，低侵入的流體可以被用來增加壓裂梯度并打開安全泥漿比重窗口。此外，這些低侵入性能有助于減少對(duì)地層的傷害，并以此提高油井產(chǎn)量，以及減少壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)和一些井壁失穩(wěn)問題。

其結(jié)果是，井筒加固提高了鉆探窗口的上邊界，而當(dāng)在鉆井窗口保持BHP時(shí)MPD提高了壓力控制。因此，井筒加固和MPD相結(jié)合的方法，使我們?cè)谝粋€(gè)寬的窗口以井底壓力的精確控制鉆出。這意味著，由窄窗口引起的挑戰(zhàn)可以通過考慮這樣的組合而輕易消除。

3.6.10 鉆通的限制（DTTL）MPD

在過去的20年里已推出各種MPD技術(shù)，大多出現(xiàn)在美國陸地鉆探項(xiàng)目中。MPD技術(shù)被創(chuàng)造并隨著過平衡鉆井這一共同主題而變化，它以更精確的井筒壓力控制被應(yīng)用于世界各地的鉆井。

DTTL是MPD下一個(gè)新的概念，它需要根據(jù)應(yīng)用改進(jìn)設(shè)備。事實(shí)上，它是CBHPMPD的改進(jìn)形式，使井口回壓不僅可以在接鉆桿中使用，還可以在鉆井作業(yè)中使用。在DTTLMPD的應(yīng)用中，鉆井液的目的不僅是扮演類似CBHPMPD的靜態(tài)欠平衡和動(dòng)態(tài)過平衡角色，還充當(dāng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的欠平衡角色。所不同的是井口回壓總有改進(jìn)工具的幫助。較高的回壓裝置意味著更高的ECD和靜水壓頭可以被補(bǔ)償，這可以使用簡(jiǎn)單和低密度的鉆井液鉆井。

CBHPMPD和DTTLMPD之間的不同應(yīng)清楚地了解，以提供更好的井底壓力控制。方法的背后的數(shù)學(xué)運(yùn)算可以通過靜態(tài)條件下（USC）和動(dòng)態(tài)條件（UDC）下的井底條件給出的公式得到更清楚的解釋。

在DTTLMPD中使用低密度泥漿的概念需要一些額外的考慮。作所眾所周知的ECD或AFL可以在常規(guī)鉆井作業(yè)中通過調(diào)節(jié)流速或改變鉆井液密度進(jìn)行調(diào)整。調(diào)節(jié)流速的限制之一是鉆機(jī)設(shè)備的壓力額定值，如鉆機(jī)泵，匯管等，改變泥漿密度的另一個(gè)限制是井眼中的壓力分布。在DTTLMPD的應(yīng)用中，密度較小的泥漿會(huì)導(dǎo)致更少的ECD。雖然ECD可以通過提高流速來增加，但它仍受限于泵的能力。因此，回壓在DTTLMPD應(yīng)用中是必須的，以防止任何涌入或井筒坍塌。由于密度較小的泥漿而降低了ECD率，尤其是當(dāng)循環(huán)停止以接鉆桿時(shí)，井筒可能在欠平衡條件下，或事實(shí)上嚴(yán)重的欠平衡條件，這就需要提供更大于其它MPD方法的回壓。

為了消除或減少DTTLMPD的限制，漢尼根建議考慮額外的因素，如：井口回壓的應(yīng)用將成為主要障礙。

4 控壓鉆井工具

發(fā)現(xiàn)或改進(jìn)創(chuàng)新思路是主要的工作任務(wù)，但是，這些想法只能通過設(shè)備應(yīng)用才能加以實(shí)現(xiàn)。這就是為什么MPD被定義為工具加技術(shù)的原因。先進(jìn)的鉆井和油井技術(shù)，其最基本的配置包含封閉和加壓循環(huán)的泥漿體系，包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCD），專用鉆井節(jié)流器和鉆柱止回閥。RCD是閉環(huán)循環(huán)液體系統(tǒng)的重要工具，基于這一概念的技術(shù)已經(jīng)隨著其眾多的陸地和海上設(shè)計(jì)演變而進(jìn)化。

根據(jù)漢尼根所述，大多MPD技術(shù)的主要工具包括：浮動(dòng)平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)控制裝置；外部旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備隔水管；水下旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備；內(nèi)部旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備隔水管（IRRCH）；固定鉆機(jī)上的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備；被動(dòng)和主動(dòng)環(huán)形密封裝置；旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備海洋分流器；防溢流旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備；止回閥；節(jié)流器選擇；人工、半自動(dòng)或電腦自動(dòng)控制。

4.1 MPD技術(shù)的主要工具

4.1.1 旋轉(zhuǎn)控制設(shè)備

馬洛依指出考慮到RCD的廣泛使用，單獨(dú)使用RCD不一定構(gòu)成MPD操作。對(duì)于環(huán)形防噴器上的防噴器組來說RCD是一個(gè)很好的補(bǔ)充安全裝置。單獨(dú)使用，最好是在一個(gè)高效安全的工具中使用，這可用于安全地降低從井筒竄入到鉆機(jī)的碳?xì)浠衔?。使用RCD是MPD的優(yōu)勢(shì)之一，它使流量控制更安全。

馬洛伊和McDonald補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)RCD的使用和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，指出RCD的安裝位置是最典型的頂部環(huán)形防噴器。RCD不打算取代防噴器組作為主井控裝置，但僅作為防噴器組的一個(gè)補(bǔ)充。

如在威德福編纂的“浮式鉆機(jī)MPD操作”手冊(cè)中所提，浮動(dòng)鉆機(jī)上的一個(gè)MPD裝配系統(tǒng)需要更多一些規(guī)劃。因?yàn)樯钏@井平臺(tái)的高成本，一旦安裝了防噴器和隔水管系就應(yīng)裝配一個(gè)MPD系統(tǒng)。這就要求在RCD設(shè)計(jì)中需要一種創(chuàng)新概念，它允許RCD密封件和軸承通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝。所謂的RCD對(duì)接系統(tǒng)安裝在隔水管系統(tǒng)中，并保持全天候在分水器罩殼上連接到鉆機(jī)。RCD軸承及封隔器組件通過分水器罩殼和海洋立管系統(tǒng)安裝?；瑒?dòng)接頭與RCD被放置在較高的隔水管柱中，而環(huán)空防噴器與流量閥芯放置在滑動(dòng)接頭下。

4.1.1.1 外部隔水管RCD（ERRCD）

漢尼根指出外部隔水管RCD的根本重要性，它被設(shè)計(jì)用在浮式鉆井船上的MPD應(yīng)用中，承受由于波浪引起的水動(dòng)力向上的載荷。最大可能的波浪升降決定油管線長度。此外最大的返出流量決定油管線大小。

4.1.1.2 水下RCD（SSRCD）

漢尼根進(jìn)一步解釋說，考慮到各種應(yīng)用中的設(shè)計(jì)使用，水下RCD設(shè)計(jì)適用于無隔水管鉆井、具有或不具有無隔水管泥漿回收、雙梯度鉆井與海洋隔水管系統(tǒng)的若干變化。此外，更大的閥芯或旋轉(zhuǎn)法蘭在鉆井船中可能需要，以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向的改變。

4.1.1.3 內(nèi)部隔水管RCD（IRRCH）

允許MPD從浮動(dòng)鉆井平臺(tái)的一種方法是通過使用井口防噴器。在高壓隔水管或內(nèi)部隔水管的安裝中，常規(guī)的防噴器組可安裝在海洋隔水管上，RCD和流量閥柱可裝配在表面防噴器的頂部。在這種配置中，整個(gè)系統(tǒng)工作更像平臺(tái)或自升式平臺(tái)上的地面防噴器。MPD系統(tǒng)的裝配與固定地面防噴器組相似，唯一的區(qū)別是軟管的使用代替了固定管工作。漢尼根補(bǔ)充說，IRRCH是專為幾種雙梯度方法設(shè)計(jì)的。工具用作海底環(huán)形屏障。

4.1.1.4 主動(dòng)環(huán)空密封設(shè)計(jì)RCD

漢尼根提到，主動(dòng)環(huán)空密封設(shè)計(jì)要求外部工具液壓能源，該設(shè)計(jì)通常需要專門的技術(shù)人員。此外，其機(jī)電液壓電路和管路往往在鉆井位置上易產(chǎn)生麻煩。

4.1.1.5 被動(dòng)環(huán)空密封設(shè)計(jì)RCD

漢尼根，強(qiáng)調(diào)MPD中的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，他指出被動(dòng)式環(huán)空密封設(shè)計(jì)最常用于MPD應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一是不需要專門的技術(shù)人員。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無需外部工具能源運(yùn)行。該設(shè)計(jì)允許較高的壓力差從而導(dǎo)致需要更嚴(yán)格的環(huán)空密封。事實(shí)上，由于使用低密度鉆井液，MPD應(yīng)用中常常遇到更高的RCD壓力差。

4.1.1.6 被動(dòng)超過主動(dòng)的環(huán)形密封設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)是被動(dòng)和主動(dòng)密封設(shè)計(jì)的組合。被動(dòng)式密封件在上部，而主動(dòng)式密封件則在下部。從商業(yè)上來說這個(gè)設(shè)計(jì)是失敗的，因?yàn)楫?dāng)他們測(cè)試到API的RCD時(shí)，未能達(dá)到最低測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

4.1.1.7 海洋分離轉(zhuǎn)換器RCD

海洋分離轉(zhuǎn)換器RCD轉(zhuǎn)換典型的海洋分離器到旋轉(zhuǎn)分離器。這種類型的RCD可以用在鉆機(jī)和鉆井之間很少或沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的MPD應(yīng)用中。海洋分離轉(zhuǎn)換器被固定或鎖定到一個(gè)RCD。組裝RCD被插入到水面上的一個(gè)海洋分離器中，以允許傳統(tǒng)開放和常壓泥漿返回系統(tǒng)鉆井之間的轉(zhuǎn)換，而一個(gè)密閉和加壓泥漿返回系統(tǒng)則用于控制壓力或欠平衡鉆井。

4.1.1.8 導(dǎo)向短節(jié)RCD

導(dǎo)向短節(jié)RCD是上層海洋隔水管旋轉(zhuǎn)控制裝置之一。因?yàn)檫@種類型的RCD有一個(gè)固定的設(shè)計(jì)，使用時(shí)就不隨波浪升降。

4.1.2 止回閥（NRV）

止回閥，或鉆桿中的單向閥，最初稱為浮閥。這個(gè)詞依然在舊文學(xué)和一些設(shè)備描述中使用。在過去的幾年里，單向閥或止回閥這個(gè)詞已經(jīng)取代浮閥成為鉆桿單向閥的主要描述語。

鉆桿止回閥（NRV）對(duì)任何MPD操作來說都是必不可少的。MPD操作常常需要環(huán)空背壓?？v觀井控作業(yè)中經(jīng)常討論的U型管原理，顯而易見在環(huán)空中的任何主動(dòng)不平衡都迫使鉆井液退回至鉆桿。鉆井流體可能帶有堵塞馬達(dá)或隨鉆測(cè)量的鉆屑，或者在最壞的情況下，噴出鉆桿。

4.1.2.1 活塞式浮閥

防止回流問題的主線一直是G貝克浮閥類型，也稱為活塞浮閥。活塞NRV有一個(gè)由彈簧關(guān)閉的簡(jiǎn)單的活塞，看起來有點(diǎn)像一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)閥門系統(tǒng)。當(dāng)循環(huán)時(shí)鉆井液壓力迫使阻止彈簧的閥門打開，而當(dāng)泵關(guān)閉時(shí)，彈簧和任何井筒壓力迫使閥門關(guān)閉。這種類型的NRV已被證明非?？煽亢蛨?jiān)固，該閥很少出現(xiàn)故障。該閥安裝在鉆頭上面的一個(gè)特殊接頭上，在臨界井中使用雙止回閥是非常常見和安全的。

G浮閥的兩個(gè)主要問題：它為阻止了鉆桿和使用浮閥鎖定背壓或從井涌中關(guān)閉鉆桿壓力。關(guān)井壓力問題通過緩慢增加泵的壓力直到它相等而克服，這表明閥打開時(shí)壓力相當(dāng)于關(guān)井壓力。相反，“F”型貝克鉆桿浮閥提供了一個(gè)瞬時(shí)的截流閥以應(yīng)對(duì)高或低壓力，在鉆井過程中確保流體流動(dòng)的連續(xù)控制。

4.1.2.2 液壓控制閥（HCV）

液壓控制閥（HCV）是在雙梯度鉆井中使用的海底鉆頭浮閥版本。它控制鉆桿中的鉆井液，以避免當(dāng)泵被關(guān)斷時(shí)受到U形管的影響。這就相當(dāng)于在隔水管中無論井的深度，一個(gè)完整的泥漿柱壓力等同于減去等量海水柱壓力。液壓控制閥在鉆頭中使用止回閥以防止回流和堵塞。液壓控制法是一種比G類型浮閥更長的工具，以保持彈簧關(guān)閉活塞從而防止隔水管中整個(gè)鉆井液柱的等效壓力。總之，HCV是在隔水管中調(diào)節(jié)泥漿水平的一個(gè)反向控制閥，以消除由于海水柱而引起的壓力差。

4.1.2.3 內(nèi)防噴器（泵止回閥）

內(nèi)防噴器是從活塞浮閥一代衍生的一個(gè)比較老的工具。內(nèi)防噴器被設(shè)計(jì)為底部裝備上的接頭內(nèi)的一個(gè)泵送工具，它扮演著抵制向上噴出的單向閥角色。最初內(nèi)防噴器是在一個(gè)由于堵漏時(shí)期內(nèi)使用。而現(xiàn)在是作為鉆頭浮閥的一個(gè)備用。另一方面，一個(gè)特殊的釋放工具使閥門打開，以允許抵制流體的回流。這個(gè)可選的釋放工具可以安裝在浮閥上，而整個(gè)組件一直在平臺(tái)上保持就緒狀態(tài)，以便當(dāng)鉆桿從井中被拉起而出現(xiàn)嚴(yán)重回流跡象時(shí)能夠快速打開。

4.1.2.4 有線可回收止回閥（WR-NRV）

有線可回收止回閥是放置在鉆柱上的一種新推出的NRV型止回閥；這種擋板式浮閥可以防止壓力進(jìn)入它上面的管柱。當(dāng)打破連接時(shí)高壓閥通過允許鉆柱中高于閥的壓力釋放以此增強(qiáng)安全性。WR-NRV不同于固定浮閥，它可以被改變或在鋼絲繩上被卸除，從而提高效率，降低風(fēng)險(xiǎn)。與固定浮閥相比，這是WR-NRV的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

與之不同的優(yōu)點(diǎn)之一就是多個(gè)閥的使用，它通常安裝在間隔約500英尺（150米）的管柱中，以使增量回滲到任何現(xiàn)有的壓力并隨后增量再加壓。這個(gè)過程消除了與整個(gè)鉆柱壓力釋放相關(guān)的時(shí)間，而需要固定的閥門定位在井底鉆具組件中或者附近（BHA）。

4.1.3 節(jié)流管匯系統(tǒng)

節(jié)流管匯系統(tǒng)是使用MPD應(yīng)用的主要工具之一。事實(shí)上，納斯等強(qiáng)調(diào)在CBHP操作中節(jié)流器的必要性，它強(qiáng)調(diào)節(jié)流器必須安裝在回流管線上，以允許背壓在鉆井過程中得以應(yīng)用。只要有可能，就應(yīng)該采用一個(gè)單獨(dú)的MPD節(jié)流管匯，因?yàn)檫@將確保二次井控設(shè)備不會(huì)用于常規(guī)鉆井作業(yè)。這就是為什么使用專用節(jié)流管匯是井控操作中必須考慮節(jié)流管匯主要用途的原因。在MPD應(yīng)用程序中有三種節(jié)流器選項(xiàng)；手動(dòng)節(jié)流器，半自動(dòng)節(jié)流器和電腦控制自動(dòng)節(jié)流器。

4.1.3.1 手動(dòng)節(jié)流

顧名思義，手動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)可以通過手動(dòng)控制節(jié)流器位置進(jìn)行操作，此外，支持流量進(jìn)出檢測(cè)，只要在井場(chǎng)提供網(wǎng)絡(luò)連接就可以使用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。雖然井下壓力可以通過手動(dòng)節(jié)流器系統(tǒng)的使用進(jìn)行控制，但當(dāng)在關(guān)鍵的MPD使用中可能會(huì)遇到窄窗口的情況時(shí)，自動(dòng)節(jié)流器系統(tǒng)的利用能更好的消除人為誤差。

4.1.3.2 半自動(dòng)節(jié)流器

除了具有手動(dòng)節(jié)流器的功能外，半自動(dòng)節(jié)流器能夠自動(dòng)井口回壓設(shè)定控制。Arnone提出采用半自動(dòng)節(jié)流器有如下優(yōu)點(diǎn)：接鉆桿過程中保持穩(wěn)定的井底壓力；與不斷增加的泥漿重量相比，井底壓力瞬間變化；提高井涌檢測(cè)；通過高壓低容量（HPLV）滋擾氣層時(shí)繼續(xù)鉆井；為ROP優(yōu)化泥漿比重；減少井中氣侵對(duì)鉆井泥漿柱的影響。

該管匯具有半自動(dòng)節(jié)流閥，使背壓精確控制。其工作原理在Arnone的觀點(diǎn)中有所說明。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，在管匯內(nèi)帶滑梭以連接到一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整套。梭的組件來回滑動(dòng)到靜態(tài)調(diào)整套內(nèi)，以形成一個(gè)圓形的孔，從而控制來自套管的流體。

4.1.3.3 可編程控制自動(dòng)節(jié)流器

電腦控制節(jié)流系統(tǒng)是其他節(jié)流系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)步形式。節(jié)流器具有自動(dòng)控制任何壓力變化所需的能力，如井底壓力，立管壓力（SPP），井口背壓（SBP）。當(dāng)為了在一定程度上防止與壓力相關(guān)的鉆井危害而構(gòu)建新的連接時(shí)，電腦控制的節(jié)流器常用于CBHP應(yīng)用以控制井底壓力。這一概念是由關(guān)閉節(jié)流管匯應(yīng)用背壓，以補(bǔ)償當(dāng)逐漸減小泵率時(shí)減少的AFP。

自動(dòng)節(jié)流管匯是半自動(dòng)節(jié)流器的高級(jí)版本，它包括質(zhì)量流量計(jì)、精密石英壓力傳感器、液壓動(dòng)力裝置（HPU）和智能控制裝置（ICU）。管匯有兩個(gè)鉆井節(jié)流器，這樣的話一個(gè)可用在任何時(shí)候而第二個(gè)則用作應(yīng)急。質(zhì)量流量計(jì)安裝在管匯，在節(jié)流器下方。智能控制裝置（ICU）是自動(dòng)節(jié)流器系統(tǒng)的核心。所有的數(shù)據(jù)由它獲取和傳輸，監(jiān)測(cè)和控制也是從這個(gè)裝置操作。所有的關(guān)鍵控制、算法和數(shù)據(jù)采集都被安裝在管匯附近，以避免任何潛在的通信問題，并提高了系統(tǒng)的可靠性。

4.2 其他的MPD工具

除了MPD的重要工具外，MPD的某些應(yīng)用需要額外補(bǔ)充設(shè)備，這使得不同的控制變化成為可能。根據(jù)Hannegan所述，MPD的其它工具如下：

井下套管隔離閥；制氮設(shè)備；ECD降低工具；實(shí)時(shí)壓力和流量監(jiān)控；連續(xù)循環(huán)閥；連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)；井下空氣分流器；多相分離裝置。

4.2.1 井下部署閥（DDV）

井下部署閥（DDV）是允許不壓井起下鉆的井下閥。盡管井下閥的目的幾乎是相同的，該工具在業(yè)界仍有其他不同的名稱，如井下隔離閥（DIV），套管隔離閥（CIV）和快速切斷鉆閥（QTV）

4.2.2 井下空氣分流器（DHAD）

井下空氣分流器（DHAD）是一種鉆桿或鉆鋌接頭，他配置了兩個(gè)聲波式閥，規(guī)則性地放置在鉆柱中，以從鉆柱內(nèi)轉(zhuǎn)移部分壓縮氣動(dòng)流體到環(huán)空內(nèi)。在鉆柱中可能存在一個(gè)或多個(gè)分流器接頭。盡管它主要用于空氣鉆井；根據(jù)梅洛特所述，考慮到MPD的定義，它可歸類為MPD工具。

4.2.3 制氮裝置控制系統(tǒng)

制氮裝置控制系統(tǒng)（NGU）或氮?dú)馍a(chǎn)裝置（NPU）通過濾處理從空氣中生產(chǎn)氮?dú)狻４髿獾目諝獗粔嚎s，然后冷卻。然后，空氣進(jìn)入一系列旨在從流動(dòng)氣流中去除微粒，碳?xì)浠衔锖退魵獾倪^濾器。干燥和不含顆粒的空氣進(jìn)入到從流動(dòng)流中分離氮和排放氧氣到大氣的氧氣過濾器膜。近似純的氮隨后進(jìn)入一個(gè)氣體增壓器，這個(gè)增壓器的壓力上升到工作壓力。這些系統(tǒng)最適合用在那些輸送液體氮成本高、調(diào)度和輸送氮?dú)庑枰荛L時(shí)間或當(dāng)要求需要連續(xù)的機(jī)動(dòng)性的遠(yuǎn)程位置中。NPU的主要用途是在有必要對(duì)氮持續(xù)供應(yīng)以減少上部立管泥漿密度的的DGMPD應(yīng)用中。

4.2.4 多相分離系統(tǒng)

在DGMPD應(yīng)用中必須使用分離器，其中氣體分離是一個(gè)明顯的問題，或者可以用在任何涌入情況下以調(diào)節(jié)泥漿。這里有符合他們目的而設(shè)計(jì)的不同的分離器。垂直分離器的是從液體中分離氣體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而水平分離器是各種密度的液體分離的優(yōu)化設(shè)計(jì)。雙重目的分離地層流體的分離器由一個(gè)欠平衡鉆井分離器和一個(gè)MPD分離器組成。雙重目的過程降低了水平欠平衡鉆井四相的分離成本（油、氣、水和固體）。多相分離系統(tǒng)在一些海上MPD應(yīng)用提供了優(yōu)勢(shì)。

4.2.5 科里奧利流量計(jì)

科里奧利流量計(jì)是MPD應(yīng)用的重要工具之一，因?yàn)楫?dāng)使用自動(dòng)壓力控制系統(tǒng)時(shí)測(cè)量提供了補(bǔ)充數(shù)據(jù)。測(cè)量原理是基于科里奧利力。測(cè)量結(jié)果具有0.15%的精確度。流體性質(zhì)的變化對(duì)測(cè)量的影響降到最低。質(zhì)量流量和密度測(cè)量是可能的。正確安裝流量計(jì)避免了氣體/固體的積累，它是理想的泥漿流量測(cè)量計(jì)。科里奧利力不受外力（噪音）影響。在高流速特別是與固體時(shí)，侵蝕風(fēng)險(xiǎn)不應(yīng)該被忽視。

4.2.6 ECD降低工具（ECD-RT）

ECD降低工具（ECD-RT）是確保MPD應(yīng)用的一種井下工具。馬洛伊和麥克唐納表示，當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）可以通過直接修改環(huán)空壓力分布而改變。使用單一的密度鉆井液，井下馬達(dá)可以用來補(bǔ)充能量，在環(huán)形壓力分布中創(chuàng)建一個(gè)突變。ECD的減少鉆井泥漿柱靜壓頭，當(dāng)系統(tǒng)是靜態(tài)時(shí)這使得背壓不再需要。簡(jiǎn)而言之，BHP在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下是等同的。

4.2.7 實(shí)時(shí)壓力和流量監(jiān)控

實(shí)時(shí)測(cè)量是受贊賞的技術(shù)之一，為自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供了寶貴的數(shù)據(jù)。在一個(gè)狹窄的窗口或余量邊界準(zhǔn)確地管理BHP有助于減輕臨界鉆井事件的風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井性能和井控。在控壓鉆井中，流量的測(cè)量被用以減輕潛在的井控風(fēng)險(xiǎn)。

早期涌入檢測(cè)，涉及到盡可能早地檢測(cè)流體從可滲透的或破裂的地層流入井眼。

井漏檢測(cè)，包括檢測(cè)從井筒中到滲透或斷裂地層的鉆井液損失。

消除或減少鉆井液流入和損失降低了成本，提高了安全性，提高了井眼穩(wěn)定性，并減少了地層傷害。

該系統(tǒng)由司鉆或MPD操作人員通過一個(gè)遙控器控制面板遠(yuǎn)程控制。此設(shè)備是被安裝在一個(gè)計(jì)算機(jī)里面的，并具有觸摸屏顯示器。理想情況下，遠(yuǎn)程控制和顯示裝置應(yīng)安裝在鉆臺(tái)上一個(gè)司鉆可以隨意觀看且方便操作的地方。

4.2.8 連續(xù)循環(huán)閥（CCV）

連續(xù)循環(huán)閥（CCV）也被稱為連續(xù)循環(huán)裝置（CCD）。CCV是實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)法的工具之一，它是CBHPMDP下提到的一個(gè)子類別。連續(xù)循環(huán)閥（CCV）是為鉆探北海挪威段的HP/HT領(lǐng)域的枯竭油藏而開發(fā)的。通過整個(gè)鉆井操作利用一個(gè)系統(tǒng)得到循環(huán)，井下壓力甚至將會(huì)在鉆桿連接時(shí)保持不變。通過平衡最大孔隙壓力和最小破裂壓力之間的井下壓力，鉆井可以正常甚至通過狹窄的鉆井窗戶執(zhí)行。因此，泥漿可設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)條件下連續(xù)循環(huán)。

4.2.9 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）允許在井中連續(xù)循環(huán)。如拉斯穆森和Sangesland的研究所述，該系統(tǒng)由馬里斯國際管理的聯(lián)合行業(yè)項(xiàng)目開發(fā)的。這種布局使泥漿循環(huán)的整個(gè)部分沿著鉆柱進(jìn)行。自該系統(tǒng)廣泛使用以減輕鉆井危害以來，CCS是CBHPMPD應(yīng)用中受歡迎的技術(shù)之。

5 MPD應(yīng)用

對(duì)于專業(yè)的判斷及絕對(duì)真實(shí)，控壓鉆井操作依賴于應(yīng)用程序。一個(gè)成功的控壓鉆井操作需要一定的最低數(shù)量的設(shè)備，技術(shù)和專業(yè)技能?？貕恒@井與很多其他項(xiàng)目不同，不僅必須擁有工具，還必須有正確的工具，并以適當(dāng)?shù)姆绞绞褂?。有個(gè)安裝在環(huán)形防噴器上的旋轉(zhuǎn)控制裝置安并不構(gòu)成MPD操作，除非該設(shè)備增加了一個(gè)鉆井節(jié)流管匯（獨(dú)立于鉆機(jī)節(jié)流管匯），在鉆柱中增加止回閥（NRV）。

另一方面，鉆一個(gè)井不僅是一個(gè)技術(shù)問題也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題。因此，應(yīng)確定鉆井過程的可行性。大部分寶貴可鉆的剩余油氣儲(chǔ)備位于海的深處。這就是為什么海上項(xiàng)目或深水項(xiàng)目需要比陸地項(xiàng)目更多預(yù)算的原因。然而，在深水應(yīng)用中很難減輕鉆井危害，這迫使企業(yè)開發(fā)他們現(xiàn)有的技術(shù)和工具。如今，MPD是鉆井行業(yè)中不斷發(fā)展的技術(shù)之一，誓言將克服深水環(huán)境挑戰(zhàn)。其中最顯著更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用環(huán)境包括枯竭儲(chǔ)層，天然氣水合物，高壓高溫和大位移井。

5.1 枯竭油藏鉆井

常規(guī)鉆井在一個(gè)典型的PP-FP窗口中通過上覆高壓地層耗盡區(qū)可能會(huì)導(dǎo)致漏失，這是由于當(dāng)過平衡被保持在高壓地層時(shí)，高井筒壓力不利于耗盡區(qū)。這個(gè)問題可通過CBHP操作精確控制井筒壓力，這樣耗盡區(qū)中的破裂壓力不會(huì)被超過，同時(shí)高壓區(qū)的過平衡依然被保持。

同樣，如果一個(gè)高壓地層滲透了上覆耗盡區(qū)，CBHP操作可能能夠維持所需窗口內(nèi)的井孔壓力不超過耗盡區(qū)的破裂壓力，并在高壓區(qū)保持過平衡。為精確控制井筒壓力將需要靜水壓力，AFP和背壓的適當(dāng)組合。綜上所述，井底壓力的精確控制是一個(gè)重要的問題，因?yàn)殂@井危害既可以在耗盡段的頂部遇到，也可在恰巧耗盡段下面的頂部段遇到。

在枯竭井中面對(duì)的主要潛在鉆探危害引用Kulakovsky等人研究。行業(yè)研究表明，隨著鉆井成本和非生產(chǎn)時(shí)間（NPT）的增加，儲(chǔ)層變的枯竭。NPT的兩大原因和鉆井耗盡區(qū)相關(guān)的額外成本是：壓差卡鉆和井漏事故。與UB或MPD，相關(guān)事件和相關(guān)成本是可以避免的。事實(shí)上，減輕鉆井危害是MPD變化的主要目的。

除了兩個(gè)主要的鉆井危害，漢尼根強(qiáng)調(diào)另一個(gè)鉆井危險(xiǎn)的可能性。當(dāng)泥漿在井中時(shí)，這些枯竭壓力區(qū)域通常導(dǎo)致鉆井液的漏失。這將導(dǎo)致過度的泥漿成本和更高的差異卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。從近原始孔隙壓力的同一孔內(nèi)井涌（碳?xì)浠衔锏挠咳耄┦撬究找姂T的。雖然試圖避免過平衡狀態(tài)以消除兩個(gè)主要的危害，取決于狹窄窗口的一個(gè)輕微過平衡泥漿鉆井可能會(huì)導(dǎo)致事故井涌。

如漢尼根所指，如果泥漿密度降低以避免超過地層破裂壓力，并在一個(gè)深度耗盡壓力經(jīng)歷漏失循環(huán)，如果遇到異常壓力，井涌可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)立管或兩個(gè)下移。這是典型的“井涌漏失”場(chǎng)景，這導(dǎo)致在鉆井非生產(chǎn)時(shí)間中，過度的泥漿成本，及相當(dāng)頻繁的井控問題。

盡管CBHPMPD是最常提到的變化，MPD的另一個(gè)變化可用于井的枯竭部分。泥漿帽方法（MCM）可能是鉆枯竭部分的一種替代方法，因?yàn)樗闹饕獌?yōu)勢(shì)是應(yīng)對(duì)循環(huán)液漏失。馬洛伊和McDonald指出，使用兩個(gè)鉆井液的方式也解決了循環(huán)液漏失問題。一種沉重的粘性泥漿被泵入到環(huán)形空間的背面至一定高度。這種泥漿帽作為一個(gè)環(huán)形屏障，而一種更輕，損害更小，更便宜的流體被用于鉆入漏失層。

通過指出最終PMCD的變化預(yù)計(jì)在深水地方使用，這里嚴(yán)重枯竭的老油層必須鉆達(dá)到更深的原始?jí)毫τ蛯又?，漢尼根擴(kuò)展了泥漿帽的使用。它可以允許這些區(qū)域安全的鉆井，其中目標(biāo)上的耗盡區(qū)具有巖石特征，其能夠接收犧牲流體和鉆屑。泥漿帽加背壓迫使返回液進(jìn)入到阻力最小的區(qū)域，即上面的耗盡區(qū)。

5.2 高溫高壓鉆井

高壓高溫（HPHT）井是最具挑戰(zhàn)性井之一，因?yàn)橹饕腗PD變化控制應(yīng)用和環(huán)形摩擦壓力直接受溫度的影響。因此，高溫高壓鉆井需要先進(jìn)水平的控制支持設(shè)備。

一般情況的MPD操作，特別是在高溫高壓井中，相對(duì)較小的故障可能最終導(dǎo)致井漏失。因此，每個(gè)人都有做好自己工作的重要性，這是一個(gè)管理責(zé)任，MPD不能直到所有人員有能力勝任即將到來的任務(wù)才開始，這包括團(tuán)隊(duì)工作，以及履行各自的職責(zé)。

在井涌余量很小或根本不存在的充滿挑戰(zhàn)的深層高溫高壓井中，必須使用創(chuàng)新性的技術(shù)，以便能夠繼續(xù)鉆井。因此，一系列廣泛的危險(xiǎn)問題（HAZIDs），危險(xiǎn)與可操作性研究（HAZOPs），同行評(píng)審和研討評(píng)價(jià)都在進(jìn)行，涵蓋了操作提出的各個(gè)方面。這些磋商改善了方法，配置和程序，證明了項(xiàng)目成功的一個(gè)重要因素。一旦項(xiàng)目以任何手段澄清，下一步就是選擇有效的設(shè)備，以消除討論的危害或意外事件。

高溫高壓環(huán)境需要精確的自動(dòng)節(jié)流器控制，以補(bǔ)償井下溫度變化，鉆桿旋轉(zhuǎn)，抽汲/波動(dòng)等其他幾個(gè)眾所周知造成高溫高壓井中顯著BHP變化現(xiàn)象引起的BHP變化。

自動(dòng)節(jié)流器控制是一項(xiàng)基本要求。準(zhǔn)確將模型傳輸?shù)焦?jié)流控制器是一個(gè)方面；準(zhǔn)確和及時(shí)的節(jié)流器運(yùn)行控制是另一方面。兩者都需要對(duì)系統(tǒng)的反應(yīng)速度足夠快，并且運(yùn)行良好。

補(bǔ)償是通過操縱節(jié)流器和調(diào)節(jié)環(huán)空背壓來進(jìn)行的。先進(jìn)的動(dòng)態(tài)流模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行是在高溫高壓環(huán)境下必須做到的。計(jì)算能力可提高鉆機(jī)傳感器輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和速度性。該模型與測(cè)量井下壓力數(shù)據(jù)的校正是很重要的，以確保準(zhǔn)確性液壓流模型對(duì)于高溫高壓環(huán)境下使用MPD技術(shù)來說是至關(guān)重要的。高溫高壓井具有典型的高BHP變化，不僅僅是從高當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）。井下溫度的變化影響泥漿比重和粘度，管運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，扭矩，巖屑負(fù)載等，所有這些在井下壓力中都產(chǎn)生了持續(xù)和顯著的變化。只有通過補(bǔ)償這些持續(xù)的BHP才可以實(shí)現(xiàn)。

質(zhì)量流量計(jì)配置了一個(gè)旁路，以便允許如果需要的清洗或拆卸。一旦安裝和校準(zhǔn)，儀表即會(huì)提供超高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。在操作中，質(zhì)量流量計(jì)僅用于監(jiān)測(cè)，不直接控制該系統(tǒng)。進(jìn)一步自動(dòng)化和減少人工干預(yù)是MPD控制系統(tǒng)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。另一方面，PLC節(jié)流器系統(tǒng)可提前用于節(jié)流管匯上具有集成流量計(jì)的操作控制。

另一個(gè)關(guān)鍵工具，NRV應(yīng)在鉆柱中使用，以防止流體流入管柱。在高溫高壓井中，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)受到應(yīng)嚴(yán)格控制，因?yàn)槿魏我馔饣虿豢煽刂频淖兓伎赡茉趧?dòng)態(tài)條件下發(fā)生。

泄壓閥被列入回流管線中以保護(hù)設(shè)備和井。主泄壓閥是節(jié)流管匯的上游，是由節(jié)流器控制軟件自動(dòng)控制的。根據(jù)正在執(zhí)行的操作，該閥被設(shè)置以高于節(jié)流器設(shè)置點(diǎn)壓力之上。當(dāng)節(jié)流器設(shè)定點(diǎn)壓力由流體模型調(diào)整時(shí)，減壓閥的設(shè)定點(diǎn)也將自動(dòng)改變。當(dāng)壓力低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)這種自動(dòng)泄壓閥會(huì)重新設(shè)置自己。這就提供了特殊的井保護(hù)，并且重新設(shè)定功能有助于防止欠平衡條件。

當(dāng)鉆桿連接時(shí)連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)（CCS）允許全流通。在高溫高壓井，只有在任何時(shí)候保持全流通，才可以控制井下溫度變化產(chǎn)生的影響。通過保持最小變化的井下溫度曲線，就可以在井中實(shí)現(xiàn)接近液壓穩(wěn)定。這大大的有利于節(jié)流器控制，并提高了用于檢測(cè)其他參數(shù)趨勢(shì)的敏感性。

另一種防止連續(xù)流中斷的替代方法是連續(xù)循環(huán)閥（CCV）。雖然它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)使閥在高壓下工作，高溫環(huán)境下工作應(yīng)在組成管柱前進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)樗且粋€(gè)井下工具且可能無法抵御高溫。

使用泥漿加熱器的另一替代方法可被視為其消除在井底中溫度引起的壓力變化。然而，如Das研究所述，艾弗森討論了在高壓高溫（HPHT）中一個(gè)MPD操作的仿真模擬結(jié)果，以研究連續(xù)循環(huán)裝置和泥漿熱器對(duì)自動(dòng)節(jié)流器調(diào)節(jié)的影響。

5.3 天然氣水合物鉆井

天然氣水合物是一種獨(dú)特的富有挑戰(zhàn)性的能源資源。不同于傳統(tǒng)的石油和天然氣儲(chǔ)量，天然氣水合物將需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)方案。所采用的技術(shù)必須在整個(gè)勘探和生產(chǎn)過程中控制天然氣水合物資源?？貕恒@井（MPD）和套管（DWC）鉆井是鉆探天然氣水合物時(shí)提到最多的技術(shù)。

水合物是被困在冰晶內(nèi)的天然氣，如典型代表甲烷。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的水合物被發(fā)現(xiàn)是甲烷氣體，通常被稱為天然氣水合物。天然氣水合物在低溫和同時(shí)存在有水和甲烷的高壓區(qū)內(nèi)形成。高于68度時(shí)天然氣水合物是不存在的，但低于68度的話天然氣水合物是可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)的壓力而存在。

在過去的三十年里，一直報(bào)道在極地地區(qū)和深水大陸架有天然氣水合物的存在。這個(gè)以前未知的全球甲烷庫的大小是非常驚人的，并引起了利用天然氣水合物作為能量來源的可能性的調(diào)查。在美國，例如，迄今為止已產(chǎn)生約900萬億立方英尺的天然氣（TCF）。據(jù)估計(jì)，剩余采用傳統(tǒng)技術(shù)可采的天然氣是是1，400萬億立方英尺。天然氣水合物保守的估量為2，000萬億立方英尺。這就是為什么天然氣水合物鉆井挑戰(zhàn)是非常寶貴的原因。

天然氣水合物是一種獨(dú)特的產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈兛梢詮墓腆w擴(kuò)大數(shù)百倍到氣體的形式。這個(gè)升華過程，可以發(fā)生在儲(chǔ)層、井孔或地表上。

在天然氣水合物沉積中，儲(chǔ)層孔隙壓力和破裂梯度的實(shí)際數(shù)據(jù)沒有得到很好的理解，但假定他們相當(dāng)接近?，F(xiàn)在，我們需要的是理解壓力和破裂壓力梯度之間的關(guān)系，以及理解溫度關(guān)系，而不是孔隙壓力和儲(chǔ)層壓裂梯度之間的壓力關(guān)系。

據(jù)Elieff的研究，天然氣水合物影響鉆井作業(yè)最常見的方式是，當(dāng)鉆井系統(tǒng)內(nèi)水合物形成時(shí)。尤為關(guān)鍵的是如果它們?cè)诜绹娖鳎˙OP）內(nèi)形成或在節(jié)流器內(nèi)和壓井線內(nèi)形成，這些水合物可以堵塞管線和防噴器，導(dǎo)致防止防噴器無法正常運(yùn)作。被稱為水合物抑制劑的化學(xué)物質(zhì)可以添加到鉆井液中，以在設(shè)備內(nèi)部防止水合物的形成，但在常規(guī)的鉆探系統(tǒng)中，由于環(huán)境的限制這些化學(xué)物質(zhì)無法使用。然而，如果使用一個(gè)封閉的系統(tǒng)并將鉆井液返回到平臺(tái)，水合物抑制劑是可以加入到鉆井液的。

除了由天然氣水合物引起的主要問題外，Elieff也提到了其他問題。水合物可能會(huì)危及作業(yè)安全雖不太常見的，但同樣危險(xiǎn)。當(dāng)水合物在海底或地層內(nèi)時(shí)，氣體被困在冰內(nèi)。通過這些水合物鉆探打破了冰晶囚禁的氣體，并允許氣體從冰內(nèi)分離進(jìn)入井筒。這種游離氣體的行為像一個(gè)淺層氣溢流。如果氣體不被控制，井筒環(huán)內(nèi)的壓力并不穩(wěn)定，更多儲(chǔ)層中的流體（氣體/油/水）則可能進(jìn)入井眼，并進(jìn)一步復(fù)雜化井控操作。

為了解決由天然氣水合物引起的問題，Elieff建議使用MPD變化之一的DG鉆井。在鉆進(jìn)情況下通過解離水合物，一個(gè)顯著井控問題，雙梯度技術(shù)提供了快速井涌檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)天然氣水合物分解進(jìn)入井筒時(shí)，雙梯度鉆井系統(tǒng)的反應(yīng)就好像氣體已經(jīng)涌入井筒一樣。海底泵進(jìn)口壓力將會(huì)增加，海底泵率將自動(dòng)增加以補(bǔ)償。隨后，增加的海底泵出口和降低的井口泵出口壓力將提醒司鉆采用井底控制方法。海底泥漿返回系統(tǒng)為司鉆提供超過地層的背壓控制，以防止游離天然氣水合物造成其他涌入。游離天然氣水合物可以主動(dòng)且安全地從井筒流通，鉆進(jìn)可迅速恢復(fù)。

根據(jù)天然氣水合物發(fā)生的分布儲(chǔ)備，應(yīng)該考慮其他鉆井技術(shù)來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。與海底不同的是大部分的天然氣水合物沉積物可能在很窄的沉積物中。垂直鉆進(jìn)這些沉積物并不有效。到達(dá)薄且大的沉積物最有效的方式是水平鉆井。在一些地區(qū)尋找沉積物和天然氣水合物都將需要使用水平鉆井。

Medley和Reynolds提到MPD未開發(fā)的優(yōu)勢(shì)之一，即處理天然氣水合物時(shí)的活性RFC。業(yè)內(nèi)人士報(bào)道，到井口的巖屑釋放出的甲烷氣體和可燃混合氣是可以看到的。運(yùn)營商應(yīng)用的HSE變化，采用了封閉的循環(huán)系統(tǒng)。海洋分流器RCD超前鉆探，由于能夠?qū)σ庀氩坏降木聣毫Νh(huán)境限制快速反應(yīng)，避免了典型鉆探相關(guān)的問題。

適用于天然氣水合物的另一個(gè)變化是雙梯度技術(shù)。DG提供了一個(gè)封閉的系統(tǒng)，由于系統(tǒng)內(nèi)的泥漿被回收，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單地提高了鉆進(jìn)。所需泥漿的量減少時(shí)，各種可接受的泥漿類型增加，加到泥漿的化學(xué)添加劑成為一種選擇。這個(gè)封閉系統(tǒng)具有通過添加水合物抑制劑到鉆井泥漿中，從而防止水合物形成的潛力。更重要的是，該系統(tǒng)成功地控制游離天然氣水合物，過壓淺層氣區(qū)和淺水流動(dòng)。

5.4 大位移鉆井（ERD）

大位移井是定向井的延伸，通常井在淺層就開始造斜，然后產(chǎn)生斜井的極大水平位移（HD）。該井隨后再次造斜以建立至目標(biāo)儲(chǔ)層水平附近。大位移井的定義之一是：斜井的水平位移至少是井實(shí)際垂直深度的兩倍。

Gottheim研究中引用了最常見的挑戰(zhàn)。在大位移鉆井井中有許多操作上的挑戰(zhàn)，如扭矩和阻力，鉆柱和套管設(shè)計(jì)，以及井眼凈化。ERD井控制變得越來越復(fù)雜，因?yàn)檫@些類型的井井涌機(jī)會(huì)較大。在井涌后ERD井確實(shí)有一定的優(yōu)勢(shì)，但是，同樣地氣體運(yùn)移率在大斜度井中會(huì)更低。

摩擦控制技術(shù)是恒定井底壓力系統(tǒng)的一部分，并且這些都用在大位移井中，其中環(huán)形壓力被維持以保持井底壓力盡可能恒定。這個(gè)現(xiàn)在可以通過使用一個(gè)環(huán)形泵來實(shí)現(xiàn)。該泵是放置在井的套管部而泵回環(huán)空流體至井口，從而減少環(huán)形摩擦壓力。

另外，環(huán)空壓力損耗可以通過使用其他考慮到CBHP下MPD變化的方法來最小化。連續(xù)循環(huán)法（CCM）是可以適用ERD項(xiàng)目。由于不中斷循環(huán)，鉆井液可以根據(jù)動(dòng)態(tài)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這將在一個(gè)例外的范圍內(nèi)減少環(huán)形摩擦損失。此外，CCM在井眼凈化上有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，這是ERD中的主要概念之一。特別是在井高度傾斜的部分，由于某些原因循環(huán)停止時(shí)鉆屑可能沉淀到井眼的低處。隨后，沉降的鉆屑引發(fā)高扭矩、卡鉆、扭轉(zhuǎn)等?？傊?，為了達(dá)到目標(biāo)可以采用MPD方法，因?yàn)镸PD的主要目標(biāo)就是減少鉆井危害。

5.5 關(guān)于MPD的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

基于固定鉆機(jī)和浮式鉆機(jī)上眾多的MPD方法應(yīng)用中，很明顯，MPD具有優(yōu)良的效果。

下套管和固井作業(yè)都可以適當(dāng)與RCD運(yùn)行。當(dāng)使用成組的井口和懸掛器時(shí)應(yīng)確保已知內(nèi)徑和外徑尺寸。

鉆機(jī)定位和鉆桿狀態(tài)對(duì)于RCD橡膠壽命來說都非常重要。如果鉆機(jī)對(duì)齊，鉆桿處于良好狀態(tài)，井口壓力也保持在較低水平時(shí)，通過一組雙橡膠承受起下20000英尺鉆桿是可能的。

回流管和閥門堵塞是經(jīng)常提出的關(guān)注問題，但是這并沒有在任何進(jìn)行的操作中發(fā)生。

輔助泵的問題經(jīng)常導(dǎo)致無法維持恒定的背壓。再次，隨著自動(dòng)控制節(jié)流閥試圖補(bǔ)償壓力變化，可能需要手動(dòng)控制。

泵操作的不一致產(chǎn)生的壓力波動(dòng)和振動(dòng)要求在系統(tǒng)中需要脈沖緩沖器。

該系統(tǒng)任何部分的設(shè)備故障都可以在任何時(shí)間，強(qiáng)制執(zhí)行手動(dòng)控制該操作。這種情況的發(fā)生必須考慮到，并通過培訓(xùn)操作人員處理這種情況來減輕事故。

應(yīng)急事件的操作可能會(huì)毫無預(yù)警地發(fā)生，這導(dǎo)致環(huán)空壓力或一個(gè)或多個(gè)環(huán)空壓力變化。雖然其中一些可以很容易地通過軟件調(diào)整處理，大部分卻并不能處理，從而必須回歸到手動(dòng)控制。

校準(zhǔn)軟件建模ECD讀數(shù)PWD工具數(shù)據(jù)失敗或PWD數(shù)據(jù)不可用，就必須依靠軟件控制背壓系統(tǒng)問題。

軟件故障或電腦“鎖定”是必須通過環(huán)形背壓手動(dòng)控制來解決的一種常見的應(yīng)急。這可能與“藍(lán)屏死機(jī)”一樣令人費(fèi)解或與電腦電源故障一樣簡(jiǎn)單。

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