欠平衡钻井技术介绍

1、欠平衡钻井技术介绍欠平衡钻井技术介绍大港第二钻井工程公司大港第二钻井工程公司 马金山马金山 大港欠平衡一一. .欠平衡钻井的基本概念欠平衡钻井的基本概念二二. .欠平衡钻井技术的优点欠平衡钻井技术的优点三三. .欠平衡钻井方法分类与特点欠平衡钻井方法分类与特点四四. .欠平衡钻井与常规井控技术的对比欠平衡钻井与常规井控技术的对比五五. .欠压值及其控制欠压值及其控制 六六. .欠平衡钻井条件欠平衡钻井条件七七. .欠平衡钻井的局限性欠平衡钻井的局限性八八. .钻具组合钻具组合 九九. .钻井液与完井液钻井液与完井液 十十. . 欠平衡钻进中的几个关键环节欠平衡钻进中的几个关键环节十一十一. .

2、 欠平衡钻井过程中的几个关键技术欠平衡钻井过程中的几个关键技术十二十二. .欠平衡钻井的几个必须欠平衡钻井的几个必须十三、安全与环保规定十三、安全与环保规定 大港欠平衡欠平衡钻井技术是什么欠平衡钻井技术是什么? 对于油气勘探来说它是一种油气层识对于油气勘探来说它是一种油气层识别技术别技术; 对于油气开发来说它是一种油气层保对于油气开发来说它是一种油气层保护技术护技术; 对于钻井工程来说它是二次井控技术、对于钻井工程来说它是二次井控技术、保护油气层钻井技术、防漏技术和提保护油气层钻井技术、防漏技术和提高机械钻速的方法。高机械钻速的方法。 大港欠平衡欠平衡钻完井技术的应用拓宽了勘探领域，欠平衡钻完

3、井技术的应用拓宽了勘探领域，提高了勘探开发效果提高了勘探开发效果 勘探上勘探上：提高低压、复杂岩性、水敏性、低压、复杂岩性、水敏性、裂缝性等类储层油气发现和保护裂缝性等类储层油气发现和保护开发上开发上：通过有效地保护储层，提高单井产：通过有效地保护储层，提高单井产量，降低开发综合成本量，降低开发综合成本工程上工程上：解决低压地层漏失问题，提高机械：解决低压地层漏失问题，提高机械钻速、减少压差卡钻钻速、减少压差卡钻 大港欠平衡90年年 年代年代比例比例克服钻井困难、提高经济效益克服钻井困难、提高经济效益勘探开发（提高勘探精度和终采率等）勘探开发（提高勘探精度和终采率等）15%85%70%30%

4、大港欠平衡定义定义 地层流体受负压差的作用，向井筒地层流体受负压差的作用，向井筒内连续流动的条件下，所进行的有控制内连续流动的条件下，所进行的有控制的钻井过程，就叫做欠平衡钻井。的钻井过程，就叫做欠平衡钻井。 大港欠平衡 欠平衡钻井定义内容包含以下两欠平衡钻井定义内容包含以下两个主要方面，即：个主要方面，即： 第一，井筒环空中循环介质的当第一，井筒环空中循环介质的当量循环密度一定要低于所钻地（储）量循环密度一定要低于所钻地（储）层的孔隙压力当量密度，这个差值即层的孔隙压力当量密度，这个差值即为欠压值；为欠压值； 第二，地层流体一定要有控制地第二，地层流体一定要有控制地流入井筒，并把它循环到地面

5、再分离流入井筒，并把它循环到地面再分离出来。出来。 大港欠平衡 大港欠平衡 IADC/SPE 论文论文 #39354 “1960-1996年年Gulf Coast 800 口井井喷排列的顺序口井井喷排列的顺序”； 德克萨斯铁路委员会统计的德克萨斯境内发德克萨斯铁路委员会统计的德克萨斯境内发生的井控问题数据；生的井控问题数据； 艾伯塔能源和利用委员会数据；艾伯塔能源和利用委员会数据； Williams Tool公司对使用旋转头所钻的井与公司对使用旋转头所钻的井与常规钻井对比数据。常规钻井对比数据。得出下述结论：得出下述结论： 欠平衡所钻的井比常规钻井井喷发生的欠平衡所钻的井比常规钻井井喷发生的比

6、率少比率少 24% 到到 30% 。原因如下：。原因如下：欠平衡钻井安全记录欠平衡钻井安全记录 大港欠平衡 对欠平衡钻井的地面设备进行认真检测，设备的能对欠平衡钻井的地面设备进行认真检测，设备的能力比常规钻井强；力比常规钻井强； 欠平衡井是经过更仔细的设计，风险评价更全面；欠平衡井是经过更仔细的设计，风险评价更全面； 地层流体进入井筒是预先设计好的，排除了突然因地层流体进入井筒是预先设计好的，排除了突然因素；素； 由于欠平衡钻井的井口设备需要经常使用，所以对由于欠平衡钻井的井口设备需要经常使用，所以对井口设备的试压、试运转更全面、认真，排除了设井口设备的试压、试运转更全面、认真，排除了设备安装

7、的缺陷；备安装的缺陷； 旋转头增加了一个安全屏障；旋转头增加了一个安全屏障； 防止井喷的第一个屏障不再是井筒液柱压力。防止井喷的第一个屏障不再是井筒液柱压力。 我国自从真正采用该技术后没有发生井喷。我国自从真正采用该技术后没有发生井喷。欠平衡钻井提供了比较好的井控条件欠平衡钻井提供了比较好的井控条件大港欠平衡是是指以液体钻井液为循环介质的欠平衡指以液体钻井液为循环介质的欠平衡钻井；钻井；根据油气藏类型、地层压力以及采用的钻井液密度的不同是是指由于地层压力太低，必须采用特殊指由于地层压力太低，必须采用特殊的钻井循环介质和工艺才能建立欠平的钻井循环介质和工艺才能建立欠平衡。如：气体、雾化、泡沫、充

8、气液衡。如：气体、雾化、泡沫、充气液等。等。（一）按工艺分类（一）按工艺分类 大港欠平衡包括空气、天然气、废气和氮气包括空气、天然气、废气和氮气钻井，密度适用范围钻井，密度适用范围0 00.02g/cm0.02g/cm3 3；密度适用范围密度适用范围0.02-0.07g/cm0.02-0.07g/cm3 3 。气体体积为混合物的气体体积为混合物的96%-99.9%96%-99.9%，常规的雾化钻，常规的雾化钻井液含液量少于井液含液量少于2.5% 2.5% ； 包括稳定和不稳定泡沫钻包括稳定和不稳定泡沫钻井，密度适用范围井，密度适用范围0.07-0.60g/cm0.07-0.60g/cm3 3

9、。井口加回井口加回压时可达到压时可达到0.8g/cm0.8g/cm3 3以上，气体体积为混合物以上，气体体积为混合物体积的体积的55%-97.5% 55%-97.5% ；欠平衡钻井系列欠平衡钻井系列 大港欠平衡4.4.充气钻井液钻井。充气钻井液钻井。包括通过立管注气包括通过立管注气和井下注气两种方式。井下注气技术是和井下注气两种方式。井下注气技术是通过寄生管、同心管等在钻进的同时往通过寄生管、同心管等在钻进的同时往井下的钻井液中注空气、氮气。其密度井下的钻井液中注空气、氮气。其密度适用范围为适用范围为0.7-1.0g/cm0.7-1.0g/cm3 3，是应用广泛是应用广泛的一种欠平衡钻井方法。

10、气体体积低于的一种欠平衡钻井方法。气体体积低于混合物体积的混合物体积的55% 55% 。欠平衡钻井系列欠平衡钻井系列 大港欠平衡5.5.液体欠平衡钻井液体欠平衡钻井油包水或水包油钻井液钻井。油包水或水包油钻井液钻井。密度适用范围为密度适用范围为0.8-0.8-1.02 g/cm1.02 g/cm3 3；水或卤水钻井液钻井。水或卤水钻井液钻井。密度适用范围密度适用范围1-1.30 g/cm1-1.30 g/cm3 3；常规钻井液钻井。常规钻井液钻井。密度适用范围大于密度适用范围大于1.10 g/cm1.10 g/cm3 3； 采用密度减轻剂钻井液钻井技术采用密度减轻剂钻井液钻井技术，密度适用范围

11、大于，密度适用范围大于0.9 g/cm0.9 g/cm3 3。 6.泥浆帽钻井泥浆帽钻井( (MudcapMudcap Drilling) Drilling)。国外称之为浮国外称之为浮动泥浆钻井，用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫动泥浆钻井，用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气层，是另类欠平衡钻井技术。化氢的气层，是另类欠平衡钻井技术。欠平衡钻井系列欠平衡钻井系列 大港欠平衡特点 大港欠平衡液体欠平衡钻井现场液体欠平衡钻井现场 大港欠平衡 大港欠平衡空气、雾化、泡沫钻井现场空气、雾化、泡沫钻井现场陕陕242242天然气天然气钻井现场钻井现场 大港欠平衡四、欠平衡钻井技术与四、欠平衡钻井技

12、术与常规井控技术对比常规井控技术对比 大港欠平衡常规井控技术分级 大港欠平衡常规钻井井控作法：常规钻井井控作法：8通过调高钻井液密度，通过调高钻井液密度，防止防止 地层流体流入井内，地层流体流入井内，从而从而避免井涌避免井涌 的发生。的发生。88有地层流体流入井内时，有地层流体流入井内时，停止钻进。停止钻进。88有钻井液漏失时，有钻井液漏失时， 停止钻进。停止钻进。88 有地层流体流入井内时，有地层流体流入井内时， 钻具不可以离开井底。钻具不可以离开井底。88保持井底压力稳定并稍保持井底压力稳定并稍 高于高于地层孔隙压力。地层孔隙压力。88井口防喷器组和节流压井系统是井口防喷器组和节流压井系统

13、是必备的安全设备。必备的安全设备。欠平衡钻井井控作法：欠平衡钻井井控作法：8通过降低有效钻井液密度，通过降低有效钻井液密度， 有意识地使地层流体有意识地使地层流体流入井内。流入井内。88有地层流体流入井内时，有地层流体流入井内时，继续钻进。继续钻进。88有钻井液漏失时，有钻井液漏失时，继续钻进。继续钻进。88有地层流体流入井内时，钻具有地层流体流入井内时，钻具可以离开井底。可以离开井底。88保持井底压力保持井底压力低于低于地层孔隙压力。地层孔隙压力。井口防喷器组和节流压井系统是井口防喷器组和节流压井系统是常用的控制设备。常用的控制设备。 88 大港欠平衡欠平衡钻井技术的本质欠平衡钻井技术的本质

14、 通俗称欠平衡钻井技术为通俗称欠平衡钻井技术为“边喷边喷边钻边钻”，关键是在钻井过程使地层流，关键是在钻井过程使地层流体连续进入井筒，因此体连续进入井筒，因此:欠平衡钻井技术的实质就是欠平衡钻井技术的实质就是二次井控技术二次井控技术这就是欠平衡钻井技术风险所在这就是欠平衡钻井技术风险所在 大港欠平衡五五. .欠压值及其控制欠压值及其控制 大港欠平衡1. 1.影响欠平衡钻井的压力分析影响欠平衡钻井的压力分析 大港欠平衡钻井液静液柱压力（钻井液静液柱压力（Pm） 环空压耗（环空压耗（Par） 欠压值（欠压值（Pu） 井口回压（井口回压（Pbp） 地层压力（地层压力（Pp） 大港欠平衡2.2.欠平衡

15、钻井过程井内欠平衡钻井过程井内压力关系分析压力关系分析 大港欠平衡欠平衡钻进开始时井筒内环空欠平衡钻进开始时井筒内环空压力关系压力关系 Pu Pp ( Pm Par) 式中：式中：Pu设计欠压值，设计欠压值，MPa； Pp地层压力，地层压力，MPa； Pm环空流体重力产生的压力，环空流体重力产生的压力，MPa； Par环空流动阻力，环空流动阻力，Mpa; 此时地层流体尚未进入井筒。此时地层流体尚未进入井筒。 大港欠平衡欠平衡钻井过程中停止循环时井欠平衡钻井过程中停止循环时井筒内环空压力关系筒内环空压力关系 Pu Pp ( Pmp Pbp ) 式中：式中：Pu欠压值，欠压值，MPa； Pmp环空

16、多相流重力产生的压力，环空多相流重力产生的压力， MPa；Pbp井口环空回压值，井口环空回压值，MPa。 大港欠平衡Pu Pp ( Pmp Pam Pbp ) Pmp环空多相流体重力产生的压力，Mpa；Pam环空多相流动阻力， Mpa。欠平衡钻进过程中井筒环空压力关系式： 大港欠平衡3、欠压值的设计与控制 大港欠平衡确定合理的欠压值确定合理的欠压值 确定合理的欠压值十分关键，直接影响欠平衡钻井的成败。欠平衡钻井过程中，只要能保证地层流体总是流入环空即可，一般不必追求过高的欠压值，国内外均推荐欠压值范围： 0.5-1.5MPa。 大港欠平衡 当欠压值确定后，可由公式Pu Pp ( Pm Par

17、+ Pbp) 反推出欠平衡钻井液密度：式中：mu欠平衡钻井液密度，g/cm3。 确定欠平衡钻井液密度确定欠平衡钻井液密度 8 . 9uarpmu 103 大港欠平衡欠压值的控制欠压值的控制 通过控制井口回压的方法实现对欠压值的控制；通过调整钻井液密度的方法实现对欠压值的控制 ；通过调整注气量和注液量的方法实现对欠压值控制。 大港欠平衡 六.欠平衡钻井的装备条件 大港欠平衡 气相欠平衡钻井需要专气相欠平衡钻井需要专门的气体注入设备门的气体注入设备 液体、充气钻井应具有液体、充气钻井应具有一套独立的分离和撇油一套独立的分离和撇油系统系统 对井口装置及钻具类型对井口装置及钻具类型和组合的要求与常规钻

18、和组合的要求与常规钻井不同井不同 需要一些特殊的工具需要一些特殊的工具 大港欠平衡 旋转头旋转头 液动阀液动阀 节流监控系统（液体、充气）节流监控系统（液体、充气） 分离系统（液体、充气）分离系统（液体、充气） 空压机、增压器（气相钻井）空压机、增压器（气相钻井） 制氮装置（气相钻井）制氮装置（气相钻井） 点火装置点火装置 防回火装置（液体、充气）防回火装置（液体、充气） 撇油系统（液体、充气）撇油系统（液体、充气） 硫化氢检测系统硫化氢检测系统 防爆系统防爆系统 流量检测系统流量检测系统 强行起下钻装置强行起下钻装置 大港欠平衡欠平衡钻井井口装置分级 大港欠平衡 大港欠平衡 风险不大，中等风

19、险不大，中等装备级别。装备级别。 地层压力低于地层压力低于35Mpa35Mpa。 适用于无适用于无H H2 2S S的生的生产井，对产层压力产井，对产层压力和流体性质资料掌和流体性质资料掌握较好的油气藏。握较好的油气藏。 大港欠平衡 无大风险，装无大风险，装备级别最简单备级别最简单 适用于低压油适用于低压油井，原油稠和井，原油稠和溶解气少的生溶解气少的生产井。产井。 大港欠平衡欠平衡钻井旋转控制装置的选择欠平衡钻井旋转控制装置的选择 气体钻井和雾化钻井可以采用低压旋转气体钻井和雾化钻井可以采用低压旋转头头, ,但此时的旋转头只能作为导流器使用但此时的旋转头只能作为导流器使用, ,不能控制回压不

20、能控制回压; ; 泡沫和充气钻井应采用中压或高压旋转泡沫和充气钻井应采用中压或高压旋转头头; ; 液体或泥浆帽钻井应采用高压而且是双液体或泥浆帽钻井应采用高压而且是双胶芯旋转头胶芯旋转头. . 大港欠平衡七.欠平衡钻井局限性 大港欠平衡：:造成速敏。造成速敏。设备、工艺局限性。设备、工艺局限性。 大港欠平衡八八. .钻具组合钻具组合 大港欠平衡钻具要求使用18 钻杆；钻具外表面无毛刺。 大港欠平衡常用钻具组合常用钻具组合 钻头回压凡尔钻铤旁通阀加重钻头回压凡尔钻铤旁通阀加重钻杆投入式止回阀钻杆投入式止回阀1818斜坡接头钻斜坡接头钻杆下旋塞六方钻杆上旋塞。杆下旋塞六方钻杆上旋塞。 大港欠平衡

21、采用气相欠平衡钻井技术时，为防采用气相欠平衡钻井技术时，为防止在接单根时气液倒返，还要在钻进中止在接单根时气液倒返，还要在钻进中每几个单根中加接一只回压凡尔（常闭每几个单根中加接一只回压凡尔（常闭式）。例如：钻头回压凡尔钻铤式）。例如：钻头回压凡尔钻铤投入式止回阀投入式止回阀1818斜坡接头钻杆若干斜坡接头钻杆若干回压凡尔回压凡尔1818斜坡接头钻杆若干斜坡接头钻杆若干回压凡尔回压凡尔下旋塞六方钻杆上下旋塞六方钻杆上旋塞。旋塞。 大港欠平衡 常规钻井流体体系；常规钻井流体体系； 气体类；气体类； 雾化液；雾化液； 泡沫；泡沫； 充气钻井液；充气钻井液； 无固相钻井液；无固相钻井液； 含轻质固相

22、添加剂的钻井液。含轻质固相添加剂的钻井液。 九九. .钻井液与完井液钻井液与完井液 大港欠平衡 大港欠平衡 大港欠平衡井口回压控制井口回压控制是实施欠平衡钻井的是实施欠平衡钻井的核心。在欠平衡钻进过程中，保持核心。在欠平衡钻进过程中，保持立压等于立压参考值，随着井深的立压等于立压参考值，随着井深的增加，立压参考值应相应改变。增加，立压参考值应相应改变。（一）（一）、井口回压控制技术、井口回压控制技术 大港欠平衡（二）欠平衡钻井措施：（二）欠平衡钻井措施：1 1、开钻前和钻进过程中认真进行、开钻前和钻进过程中认真进行“欠平衡钻井应急欠平衡钻井应急程序程序”的演练，达到实战水平。的演练，达到实战水

23、平。2 2、加强地层对比，及时提出地质预报并做好地层压、加强地层对比，及时提出地质预报并做好地层压力的监测工作。力的监测工作。3 3、欠平衡钻进过程中，严密观察套压的变化，压力、欠平衡钻进过程中，严密观察套压的变化，压力超出设计范围应立即停钻排气或实施压井作业。超出设计范围应立即停钻排气或实施压井作业。 大港欠平衡 大港欠平衡 大港欠平衡 大港欠平衡十三、安全与环保规定十三、安全与环保规定 大港欠平衡重要性 欠衡钻井不同于常规钻井，在负压差的作用下储层流体（盐水、原油、气体）进入井筒，为此应采用适当的地面设备来安全地处理返出的流体，将烃类化合物从盐水、钻井液和岩屑中分离出来。 与常规钻井相比，

24、欠平衡钻井产出原油和天然气，而这些都具有强的可燃性，为此应格外地关注安全工作程序。 大港欠平衡燃烧气体燃烧气体 欠平衡钻井场所，可能产生大量气欠平衡钻井场所，可能产生大量气体，为此用燃烧管线，将气体引到一个体，为此用燃烧管线，将气体引到一个适当地方并树立火把，并配有自动点火适当地方并树立火把，并配有自动点火装置，在布置点火系统时应考虑季节风装置，在布置点火系统时应考虑季节风的方向。根据场地的需要，火把的高度的方向。根据场地的需要，火把的高度调节到最佳的高度，并进行固定。调节到最佳的高度，并进行固定。 大港欠平衡分离和储存分离和储存 为避免着火和爆炸，液态的碳氢化合物的分离储存设备应放置在距井口较远的地方，并考虑风向。储存罐的容积，运输及装载的管汇必须符合安全要求，同时不能影响欠平衡作业。 大港欠平衡 欠平衡钻井的安全作业要求有员工的培欠平衡钻井的安全作业要求有员工的培训和详细的书面的欠平衡钻井程序，在关键训和详细的书面的欠平衡钻井程序，在关键的岗位和节流管汇处应有助手，使其可以协的岗位和节流管汇处应有助手，使其可以协助处理意想不到的突发事件（这些事件将迅助处理意想不到的突发事