欠平衡钻井技术

欠平衡压力钻井技术11、欠平衡压力钻井技术的发展趋势1、欠平衡压力钻井的概念2、欠平衡压力钻井的优越性3、欠平衡压力钻井国内外发展概况4、欠平衡压力钻井适用的地层5、欠平衡压力钻井工作方式、负压差设计与控制6、欠平衡条件的产生及钻井液技术7、欠平衡压力钻井井控及装备8、欠平衡压力钻井循环流体地面处理技术9、欠平衡压力钻井完井技术10、胜利油田欠平衡压力钻井技术攻关情况提纲欠平衡压力钻井是指在钻井过程中钻井液的循环压力（包括液柱压力和循环回压），低于地层的孔隙压力，允许产层流体流入井眼，并可将其循环到地面，地面可有效控制，这一技术称为欠平衡压力钻井技术。一、欠平衡压力钻井的概念

1、钻井液的循环压力（包括液柱压力和循环回压）低于地层的孔隙压力2、允许产层流体流入井眼3、可将其循环到地面4、地面可有效控制二、欠平衡钻井的优越性优越性3、减轻工程复杂、提高机械钻速（提高了防喷能力，防止井喷失控;降低了液柱压力，减轻井漏和压差卡钻；消除压持效应，有利于提高机械钻速）1、防止地层伤害、提高油井产能（伤害机理：滤液、固相、运移）2、消除储层污染、正确评价储层（了解到储层的真实情况）钻井过程中油气层伤害钻井液（不配伍）外力（压差）物理固相堵塞（降低渗透率）屏蔽暂堵（2/3级配规则）滤液与地层流体发生不良反应（沉淀、结垢、胶体、乳化）水敏（水化膨胀）平衡压力钻井欠平衡压力钻井（负压差）MMH多元醇化学处理剂化学（零压差）（近）酸敏、碱敏、盐敏固相侵入液相侵入速敏结构破坏井钻规常为了防止井喷液柱压力>油层压力

在井底形成正压差油气层钻井液侵入地层造成对油层的污染液柱压力<油层压力井钻力压衡平欠油气层泵入泥浆在井底形成负压差，不仅可以有效地防止钻井液侵入地层，并且允许产层流体（石油和天然气）流入井眼，在井口有效控制下循环到地面。极大地减轻钻井过程中钻井液对油气层的污染，对于提高低渗透储层、潜山裂缝性油藏的勘探成功率和油井产量具有十分重要的意义。

在水平井钻井中，产层裸露的面积大，时间长，地层伤害的可能性高，伤害程度也严重，而合理地运用欠平衡钻井技术，可以克服这些问题。

水平井技术+欠平衡技术

最有效的油田开发技术30年代国外开始用空气作为循环介质钻坚硬岩石，在提高钻速、避免严重井漏和卡钻、延长钻头使用寿命方面见到了效果。三、欠平衡压力钻井国内外发展概况60年代到70年代末，发展了泡沫技术。由于粘稠的泡沫能有效地改进岩屑携带能力，从而进一步扩大了欠平衡钻井技术的应用。由于缺乏有效的井口控制设备，发生了井喷失控事故，80年代受安全因素制约，该项技术的发展受到影响。二十世纪九十年代以来，国外油公司为了在老油田挖潜、寻求新的储量，对边际油藏、衰竭油藏以及低压和多裂缝油藏给予了特别的关注，但是常规钻井在这些油藏中钻进，地层伤害问题比较突出，影响了井的产能。水平井技术经过10年的发展已成为提高油田采收率的重要手段，但钻水平井时更易发生地层伤害，常规钻井方法钻水平井往往达不到预期效果。保护油气层的欠平衡钻井技术再次得到重视。80年代后期到90年代初期，美国研制了欠平衡钻井专用工具和装备，成功地用于现场作业，在得克萨斯州和路易斯安那州奥斯汀白垩系地层进行欠平衡钻井，取得很好的效果。经过十多年的发展，美国不仅研制了先进的欠平衡钻井装备，而且已经发展了一些专门从事欠平衡钻井软件开发、技术咨询、技术服务的专业化公司，形成从装备到工艺配套的欠平衡钻井技术。目前美国应用欠平衡钻井技术所钻的井数，已经占到全部钻井总数的30%以上，成为欠平衡钻井最先进的国家。加拿大也研制了欠平衡钻井的全套设备和先进的欠平衡钻井工艺，欠平衡钻井井数从1992年的30口增加到1999年的3000口，目前加拿大欠平衡钻井井数已经达到其钻井总数的43%。9293949596979899欠平衡钻井作为能提高勘探成功率和油气产量的一项重要技术，在全球范围之内已经引起石油公司的普遍兴趣，已在20多个国家得到越来越广泛的应用。除了欠平衡钻井的发源地北美（包括美国和加拿大）以外，墨西哥、南美、西欧、中东、东南亚、澳大利亚和中国都有欠平衡钻井的报导。为了取得更大的油田开发效果，许多加拿大的执行机构正在计划用欠平衡钻井技术整体开发一个区块乃至开发整个油田。挪威国家石油公司制订了利用欠平衡钻井技术开发海洋石油的周密计划美国能源部和Maurer工程公司预测，到2005年，美国运用欠平衡技术所钻的井总数可达12000口。我国从二十世纪九十年代中后期开始引进旋转防喷器等主要设备进行欠平衡压力钻井试验研究，各大油田选择合适的地层进行探索性试验。

新疆油田钻井研究院引进了美国英格索兰公司的空气钻井设备，在小拐地区低压储层进行试验，取得了经验。大港油田成立了欠平衡钻井技术服务公司，在千米桥地区古潜山灰岩储层开展欠平衡钻井，提高了勘探成功率引进了美国Williams公司的旋转防喷器，采用欠平衡钻井技术，解决了灰岩裂缝性储层钻井液漏失和油气层污染的问题。塔里木油田针对西南气田井漏、井喷和低压、低渗等难题，开展了欠平衡压力钻井的试验攻关，已经应用30口井，收到了常规钻井难以达到的效果，对发现气藏、提高产量起了促进作用。四川石油管理局胜利油田SLUBDSLUSDSLUBDSLUBDSLUBDSLUBDSLUBDSLUBDSLUBDSLUSDSLUBDSLUBDSLUBDSLUBDSLUBD

98年开始引进欠平衡钻井设备,立项进行攻关。到目前为止已经配套了八套欠平衡钻井装备，开展了五十口井的现场试验和应用，在解决井漏、提高产能、改善地质评价方面取得了效果欠平衡钻井的主要特点是在钻进过程中钻井液的循环压力始终低于地层的孔隙压力，因此在需要足够的泥浆密度才能控制井塌的地层，不易采用欠平衡钻井。四、欠平衡压力钻井适用的地层压力（MPa）井深（m）PtPpPfPf-地层破裂压力Pp-地层孔隙压力Pt-地层坍塌压力欠平衡钻井适用的地层从井壁稳定出发，欠平衡压力钻井适用于硬的地层和不易坍塌的地层火成岩储层胶结良好的砂岩储层碳酸盐岩储层为确保欠平衡压力钻井的预期效果，欠平衡压力钻井工艺要求：

产层位置要卡准，地层压力要清楚；必须把套管下到油气层顶部，只用欠平衡打开产层；

五、欠平衡压力钻井工作方式、负压差设计与控制欠平衡压力钻井工作方式：2）低压欠平衡钻井：干空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、雾钻井、泡沫钻井、充气钻井1）液相（水基钻井液）欠平衡钻井：Flowdrilling在地层压力系数小于1.05的地层采用

充气(氮气）欠平衡钻井在地层压力系数大于1.05

的地层采用液相（水基钻井液）欠平衡钻井Flowdrilling欠平衡钻井两种主要的工作方式

负压差的确定涉及多个因素，主要包括地面设备的分离能力、井口装置的承压能力、井壁稳定、气液两相流的不稳定性、速敏、应力敏感性以及地层压力的不确定性等；其中，气液两相流的不稳定性因素要求负压差不能太小，以防止由于压力波动造成周期性的瞬时正压差，而其他因素则要求负压差小一些为好。负压差设计

井口套压的计算及气液两相流不稳定性分析需要采用“两相流动态数值模拟”的方法来完成。油气产量与负压差成正比，尤其当井底压力小于13.8MPa时，气井的产气量与压力平方差成正比，负压差越大，产出的油气量就越大，因此在进行欠平衡设计时，设计的负压差不能使产出的油气量超过地面设备的分离能力。油气产量与负压差的关系Flowdrilling欠平衡钻井在停钻接单根时，因失去了环空摩阻，负压差会增加，因此只要在循环钻进时达到欠平衡就能满足欠平衡钻井的要求，负压差选择低一些为好

对于高油气比或气井，动负压差（指没有油气侵）可选为0，因为产出的气会使环空静液柱压力急剧减小，控制产气量可实现对井口压力的控制

一般推荐动负压为0.7MPa。负压差的确定还与欠平衡钻井方式有关充气(氮气）欠平衡钻井由于环空多相流系统的不稳定性，充气(氮气）欠平衡钻井负压差要求大一些为好，一般大于2.1MPa为佳。井底负压差地层孔隙压力钻井液循环压力=-=钻井液循环压力钻井液静液柱压力循环阻力+地层压力的不确定性对欠平衡钻井施工有极大的影响，必须进行校正1、利用邻井资料预测（误差）2、上部井段进行随钻地层压力检测（原始地层压力）3、利用测井资料检测地层压力（原始地层压力）4、关井求压（高渗透性及裂缝性储层）钻井液静液柱压力的计算在欠平衡钻井中，环空流体是多相流（气相、液相、固相和原油）。气体是可压缩的，在井眼中随钻井液一起向上运移，所占体积及所处的形态是井深的函数。

其中，，。式中：P－井底静液压力（绝对压力），MPa；Ps－井口套压，MPa；H－井深，m；Ts－地表温度，℃；

K－地温梯度，℃/m；ρf－液相密度，g/cm3；GRL－在井口条件下的气液比，无因次。充气钻井液静液柱压力计算方法欠平衡钻井环空流体属气液两相流,循环系统存在着静压控制区和摩阻控制区,在低气液比的情况下，摩阻影响很小，充气钻井的井底压力主要受

静压控制，可以通过计算充气钻井液的静液柱压力进行气液比设计；随着注气量的增大，环空压耗逐渐占主导地位。在

高气液比

的情况下，属摩阻控制区，井底压力主要受摩阻控制，注气量再增加，井底压力反而略有上升，这时必须计算钻井液的循环压力进行气液比设计。钻井液循环压力的计算这是一个复杂的课题，涉及到多相流的理论，国内外多采用多相流数值模拟的方法进行求解。美国莫尔工程公司Mutelite

水力设计软件，欠平衡压力钻井环空多相流设计、计算。胜利油田研究了动态欠平衡钻井多相流水力设计软件，在该软件中，考虑了油气产量对环空循环压力的影响。Flowdrilling欠平衡钻井：通过调节钻井液密度和节流回压控制井底压力；充气(氮气）欠平衡钻井：依据多相流数值模拟或多相流水力计算结果,通过调节液体和气体流量控制井底压力。欠平衡钻井负压差和井口压力控制方法：六、欠平衡条件的产生及钻井液技术1）正常压力储层

V孔=1.05～1.202）高压储层

V孔>1.20通过降低钻井液密度，使循环系统的压力低于正钻地层的孔隙压力，井底处于欠平衡状态。Flowdrilling欠平衡钻井｝以聚合醇为主处理剂，包括聚合醇防塌剂、聚合醇润滑剂、聚合醇油层保护剂系列产品；经现场试验证明，该钻井液体系具有良好的流变性和润滑性，防塌能力强、保护油层效果好、岩心渗透率恢复值达90%以上；可以满足欠平衡压力钻井（包括水平井、大位移井欠平衡压力钻井）施工的要求。多元醇防塌钻井液Flowdrilling欠平衡钻井常用钻井液体系黑色正电胶（BPS）钻井液特点正电性比MMH（混合金属氧化物泥浆）高出一倍能被水润湿具有油溶性

BPS是一种稳定井壁能力强，润滑防卡性能好，配伍性更广泛，保护油层效果更好的新型泥浆处理剂。有利于欠平衡压力钻井对防塌的要求。Flowdrilling欠平衡钻井常用钻井液体系

3）低压储层V孔<1.05国外普遍采用低压欠平衡钻井技术开发低压油藏充气钻井是低压欠平衡钻井主要的工作方式充气的类型：1）空气：价廉、充足。钻具腐蚀、井下爆炸2）液氮：惰性、纯度高。液氮源、价格高、运输问题3）现场制氮：气源充足、方便。专用设备5）净化废气：综合利用、价格低廉。净化设备、管道输送、钻具腐蚀4）甲烷气：与储层配伍性好。气源、管道输送立管混气装置空压机膜氮系统增压机流量计控制阀泥浆泵舌型阀节流管汇液气分离器脱油装置火炬N2井底泥浆N2空气井口四通振动筛排气管线循环罐三通第三部分混气装置及两相流循环系统第一部分现场制氮充气系统第四部分井口装置及两相流循环系统第二部分钻井液地面循环系统

气体注入方式：注入前将气相和液相混合（或在立管内混合）。MWD的使用受到限制1）两相注入法：2）附加管柱法（寄生管法）1〝软管环空钻具钻井液地层技套N2环空注气接头附加管柱就是连接在技术套管底部旁通注气接头上的软管（典型尺寸为1〞，其大小根据要求的注气速度而定）。它附加在技术套管外侧下入井内，技术套管下部装有浮鞋将注气接头堵住。注气钻井之前将注气接头和技术套管一起用水泥封固。开钻后钻穿浮鞋的过程中，打开了注气接头的通道，气体从附加管柱注入，钻井液从钻杆内注入，气体和钻井液在钻杆与套管环空内混合。水泥环水泥环地层由于钻杆内的钻井液是连续的液相，可以使用常规的泥浆脉冲MWD监测井眼轨迹。缺点是加大了施工工作量和作业成本。3）微环空法（同心套管法）环空钻井液环空水泥环水泥环微环空微环空N2N295/8〞套管7〞内管钻具使用两套同心套管的环空作为注气通道（在加拿大典型的是95/8〞和7〞之间），先下入外层套管封固，然后下入内层套管并悬挂住。钻井中从两层套管的环空（又叫微环空）注气，从钻具内泵入钻井液，两相流体在钻杆与内层套管的环空中混合。同附加管柱法一样，由于钻杆内的钻井液是连续的液相，可以使用常规的MWD。缺点是加大了施工工作量和套管费用。4）连续管法

连续管是最理想的注入方法，可以确保井下始终处于欠平衡状态。国外欠平衡钻井的实践已经证明，运用连续管是欠平衡作业的方向。充（氮）气钻井液工艺气液比设计、充（氮）气方式选择（液氮和现场制氮）、钻井液处理剂优选及加量、防腐抗氧剂的优选及加量、充（氮）气钻井液技术操作规程等。1、抗油气污染能力强，气侵后不稠化，可用机械方法除气，具有良好的流动性对充氮气钻井液基浆的要求：2、适当的粘度和切力，具有悬浮和携带岩屑的能力3、低失水，防塌能力强，具有抑制泥岩夹层水化膨胀或坍塌掉块的能力4、满足油气层保护的要求充气设备的能力与配置与井队原循环系统的连接方式及工具混气装置钻具内防喷工具的选择与钻具结构设计充（氮）气钻井液装备配套充气钻井液在国内的研究应用情况新疆引进英格索兰公司空气钻井设备小拐油田空气钻井泡沫钻井胜利商河油田、南方海相充氮气欠平衡钻井引进威得福制氮设备草桥油田稠油七、欠平衡压力钻井井控及装备常规钻井一次井控是指在进行设计时，按照近平衡压力钻井的技术要求，以裸眼井段最高地层压力系数为基准，再增加一个附加值，以此来确定钻井液的密度，因而钻井液的液柱压力是大于地层压力的欠平衡压力钻井在进行设计时，是使钻井液的密度低于地层压力系数，通过降低钻井液的密度使钻井液的液柱压力低于地层的孔隙压力。欠平衡压力钻井的井控与常规钻井的不同1、与常规钻井一次井控的概念不同

常规钻井二次井控是指在钻井中，发现溢流，要及时关井，并采用合理的方法压井，重新建立压力平衡。2、与常规钻井二次井控的概念不同在欠平衡作业中，只要能有效地控制地层流体的产出，就可以不加重，不压井，这也是欠平衡压力钻井井控的原则。两道防线控制井口第一道防线旋转控制头（RCH）第二道防线防喷器组合（FZ、2FZ、FH）欠平衡钻井至少要提供两道防线控制井口，第一道防线旋转控制头控制产层流体的产出（溢流）；当井口压力超过设定的控制压力或旋转控制头系统出故障或需更换胶心时，由第二道防线防喷器组合控制井口。防喷器组合的配备按井控管理规定执行。欠平衡压力钻井井控装备1、井口控制设备2、节流设备（FZ+2FZ+FH+RCH）通径大（103mm）带液动节流阀欠平衡压力钻专用井口控制设备--旋转防喷器旋转控制头动力、冷却、润滑系统司钻监控台第一阶段Pmax静=14MPa（2000psi）Pmax动=10.5MPa（1500psi）美国SealTech、RBOP公司第二阶段

Pmax静=21MPa（3000psi）Pmax动=14MPa（2000psi）加拿大Alpine、TECHCORP公司第三阶段

Pmax静=35MPa（5000psi）Pmax动=17.5MPa（2500psi）

美国Williams公司Shaffer公司欠平衡钻井井口控制设备的发展八、欠平衡钻井循环流体地面处理技术欠平衡钻井过程中，地层流体（油、气和地层水）不断进入环空，随钻井液一起循环到地面，使钻井液的密度和性能都发生了变化；为了使重新泵入井眼的钻井液的性能能够满足连续进行欠平衡钻井的要求，必须在地面对欠平衡钻井循环流体进行处理。除了常规的化学维护外，欠平衡钻井循环流体地面处理主要是指对油气水和固相进行四相分离。地面分离处理系统压缩氮气供应适时数据采集旋转压力控制环空流体（多相流）导向系统计算机模拟开式的四相分离系统包括液气分离、油水分离和固相控制三个部分液气分离油水分离固相控制加拿大Alpine公司的四相分离装置排渣口排水口出油口入口排气阀闭式的四相分离系统是一个密闭的压力容器化学剂注入口记录仪九、欠平衡压力钻井完井技术原则：维护欠平衡保护油气层的效果满足采油工程的要求无固相完井液与储层配伍物性、敏感性分析筛管完井-致密砂岩储层、火成岩储层裸眼完井-灰岩裂缝性储层完井方式选择管外封隔器完井-分采、封隔水层一般不主张注水泥固井，确实需要，也要尽量减轻水泥浆液柱的压力--管外封隔器辅助固井--泡沫水泥浆填充钢质引鞋欠平衡水平井筛管顶部注水泥分级箍管外封隔器盲管筛管串完井工艺管柱油层油层（1）管串结构（2）胀封隔器，打开分级箍（3）上部注水泥管外封隔器完井封隔器高压油层管外封隔器辅助固井充填性水泥封固段（低密度水泥浆）目的层封固段（高密度水泥浆）低密度水泥浆充填减少液柱压力十、胜利油田欠平衡压力钻井技术情况这些油藏包括：裂缝型、孔洞型潜山油藏火成岩油藏低压、低渗透性油藏、衰竭油藏胶结良好的砂岩油藏开展了适合欠平衡钻井的油藏类型和地质条件的研究,提出了胜利油区适合欠平衡钻井的油藏类型目前世界上压力等级最高、应用最广泛的欠平衡压力钻井井口压力控制装置。引进了八套欠平衡压力钻井井口控制设备美国Williams公司7100型旋转控制头五套美国Shaffer公司PCWD系统三套从美国Brandt公司引进了部分欠平衡钻井地面流体处理设备真空除气器线性振动筛泥浆气体分离器钻井队常规井口控制设备和循环系统欠平衡钻井专用井口控制设备欠平衡钻井地面处理系统制定了欠平衡压力钻井装备配套方案并进行了地面处理设备配套

地面流体处理部分包括：地面重泥浆储备罐、液/气分离器、除气器、振动筛、撇油罐、自动点火器、防回火装置及火炬泥浆气体分离器火炬自动点火器防回火器线性振动筛真空除气器脱油罐胜利油田配套的欠平衡压力钻井循环流体地面处理系统欠平衡钻井的实践证明，配套的井口控制设备和地面流体处理系统能够满足欠平衡压力钻井井口压力控制和对油、气、泥浆和固相进行有效分离的要求。（3）进行了欠平衡压力钻井专用装备国产化研制旋转控制头壳体卡箍动力站和冷却润滑系统司钻监控台试压塞21/16"管汇组泥浆气体分离器线性振动筛防回火器自动点火器已全部投入现场应用，达到进口产品的性能要求。从美国威德福公司引进的WOLFPACK充气制氮欠平衡钻井装备，其最大充氮量为1200Nm3/h，可以满足地层压力系数0.85的地层实施欠平衡钻井的需要。引进了现场制氮充气设备为了满足推广欠平衡压力钻井技术的要求，购置了一套四川空分设备公司生产的液氮汽化注入设备，设计气量为600标准立方米/小时。2）购置液氮气化注入设备但需要液氮供应，不能在远离液氮生产地点的地方施工，且液氮使用成本高，使用条件受一定的限制。与现场制氮充气设备相比，液氮充气设备具有一次投入低，设备构成简单，占地面积小的特点；开展了50口井的欠平衡钻井现场试验与应用涉及六种油藏类型，在解决井漏、提高产能、改进地质评价方面，取得了明显效果。火成岩储层使用硬胶泡沫钻井液，地层压力系数0.96,静欠压1.19MPa;完井投产日产油18t，是同地区同期完成常规井产量的两倍。该地区地层压力系数1.055，常规钻井严重井漏，充氮气欠平衡钻进，基浆密度1.03，充气量200Nm3/h，动欠压3.1MPa；投产后初产71t/d，已累产6500t，为邻井产量的3～5倍。罗151-11井商741-平1井埕北244井本井钻至奥陶系灰岩先发生井漏，又发生井涌，在海洋环保法规要求严格的情况下，应用欠平衡钻井技术，解决了既漏又涌的难题，顺利地完成了高漏失地层的钻探任务，取准取全了地质资料，并取得φ10mm油嘴235.2t/d油、6940m3/d气的高产。灰岩裂缝性油藏富台油田车古201、车古204、车古206、车571区块潜山地层实施欠平衡钻井10口井，在旋转控制头的有效控制下，通过降低钻井液密度，防止了潜山地层的钻井液漏失，有效地保护了油气层。车古201－5井，在3268m～4231m潜山裂缝性井段实施欠平衡钻井，钻井液密度1.07g/㎝3，钻进中油气显示活跃，火炬多次点火，达到了保护油气层的目的，完井投产日产油60m3；其中:与571-3井处于同一区块的车571-2井，由于没采用欠平衡钻井，投产初期不能自喷，抽油机抽汲后自喷，4mm油嘴，日产油仅27t/d。车571－3井采用欠平衡钻井技术，钻井液密度为1.03g/㎝3，钻进中气测显示良好，罐面油气显示明显，投产后4mm油嘴，油压12MPa，套压11.6Mpa，日产油52t/d。渤深6-5井（潜山油藏生产井）四开后无显示，在井口有效控制下，逐步降低钻井液密度，降到1.10g/cm3时，见到明显的油气显示（槽面见到溢流），火炬点火，投产后6mm油嘴日产145吨。该区块地层压力复杂，根据邻井压力测试情况，四开欠平衡钻井设计钻井液密度1.18g/cm3，欠压0.7MPa；埕北30潜山油藏是胜利油田海洋石油产能建设的主要阵地，2000年采用常规钻井工艺和钻井液体系施工的埕北30A-3井和埕北30A-4井，由于油气层污染，投产不成功。2001年，胜利油田组织科研单位与生产单位结合，针对CB30潜山油藏储层的特点，研究制定了以海水无固相钻井液加欠平衡钻井为主要内容的油气层保护方案，自2002年至今已在CB30实施5口井，收到了明显的效果。CB30A-1井10mm油嘴日产