第3讲 欠平衡钻进技术

第三讲欠平衡压力钻井技术UnderBalanceDrilling（UBD）

●欠平衡压力钻井的概念●欠平衡压力钻井的优越性●欠平衡压力钻井国内外现状●欠平衡压力钻井的适用条件●欠平衡压力钻井的关键技术●欠平衡压力钻井液●欠平衡压力钻井的发展前景主要内容预备知识1、压差的基本概念

井内泥浆柱作用在井底的压力与地层孔隙压力之差称为压差。用△P表示。

△P=Pb-PP

式中Pb—井内泥浆柱压力；PP—地层孔隙压力。当Pb>PP时，△P为正；当Pb<PP时，△P为负。Pb是静态的，也可以是动态的，钻进时是动态。

2、油层伤害的主要形式

（1）泥浆滤液侵入地层，和地层里的粘土发生水化反应，粘土膨胀、分散、运移，堵塞孔隙后道。(2）泥浆滤液和地层流体起化学反应，产生水锁、乳化、润湿反转和固相沉淀，从而堵塞孔隙喉道。（3）泥浆固相直接堵塞孔隙喉道。3、压差对地层伤害的影响

无论哪种地层伤害的形式，其程度都与压力的大小有关，压力越大，伤害越严重。压差的大小与地层伤害有直接关系，压差越大地层伤害越严重。

减小压差可减轻泥浆对地层的伤害。4、压差对机械钻速的影响

（1）压差对岩石强度的影响压差越大，岩石的强度越大，越难破碎。（2）压差对井底清洗效果的影响压差增大容易产生压持效应，影响机械钻速。

压差越大机械钻速越低，故减小压差是提高机械钻速的一种途径。

压差与机械钻速的关系（意大利的现场统计数据）

钻头型号井深(米)钻速（米/小时）压差（Mpa）MD3314470-49012.83-13.2MD3313952-45282.26-12.1MD3313977-44383.05-15.2MD3314522-48293.1-17.0

5、超平衡、近平衡、平衡压力钻井（1）超平衡压力钻井（OverBalanceDrilling）钻进时井底压力高于地层孔隙压力。Pb>Pp（2）近平衡压力钻井（NearBalanceDrilling）钻进时井底压力略高于地层孔隙压力。Pb>Pp

△P（1）>△P(2)(3)平衡压力钻井（BalanceDrilling）钻进时井底压力等于地层孔隙压力。Pb=Pp△P=0Pb=Pm+Pa式中Pm--泥浆柱静液压力;Pa--循环压降。一、欠平衡压力钻井的概念UnderBalanceDrilling（UBD）

欠平衡压力钻井是指在钻井过程中泥浆柱作用在井底的压力（包括泥浆柱的静液压力和循环压降），低于地层孔隙压力。欠平衡压力钻井时,Pb<Pp，△P<0.此时允许产层流体流入井内，并可将其循环到地面，地面可有效地控制。油气层过平衡、近平衡泥浆柱压力>油层压力泥浆柱动压力<油层压力油气层欠平衡

二、欠平衡压力钻井的优越性

1、减轻地层伤害，解放油气层，提高油气井产能。对于低渗油气藏，压力衰竭的油气藏，这一优势更为突出。

2、有利于识别评价油气藏。钻进过程中井内泥浆柱的压力低于地层孔隙压力，允许地层流体进入井内，这有利于识别和准确评价油气藏。

3、明显提高机械钻速。欠平衡压力钻井比超平衡压力钻井井底岩石容易破碎，而且井底易清洗，机械钻速大幅度提高，同时减轻了钻头磨损，提高钻头的使用寿命。

4、减少或避免压差卡钻和井漏事故的发生。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+欠平衡技术是最有效的油田开发技术。三、国内外发展概况

国外从30年代开始发展欠平衡压力钻井技术，当时用空气作为钻井液，钻速提高了2-3倍，同时还避免了许多井漏和卡钻事故。70-80年代发展了泡沫技术，有效地解决了携岩问题，进一步推进了欠平衡压力钻井技术的发展，但由于成本和安全原因，这项技术在80年代停滞。80年代末以来，由于专用设备和工具的配套，以及相应技术的发展，欠平衡压力钻井技术才又迅速发展起来。欠平衡压力钻井技术以美国和加拿大应用为最多，技术和装备最先进，它们大都成立了欠平衡压力钻井服务公司；其次是英国、巴西、委内瑞拉、墨西哥等国也应用了欠平衡压力钻井技术。我国从近几年也开始研究和应用欠平衡压力钻井技术。

欠平衡压力钻井技术是八十年代后期在美国德克萨斯州奥斯汀白垩系地层钻井时得以迅速发展起来的。目前美国欠平衡压力钻井的井数已达2500多口。国外情况

美国和加拿大先进的欠平衡钻井装备专业技术服务公司配套的欠平衡钻井技术

加拿大欠平衡钻井数目图欠平衡压力钻井作为能提高油气产量的一项重要技术，已在世界20多个国家和地区4500多口井上应用。国内从九十年代中后期,开始引进国外先进的井口控制设备进行探索性试验，主要是胜利、中原、新疆、塔里木等油田，通过试验，取得了一些认识和经验。国内情况胜利油田97年开始引进美国Williams7100型旋转控制头和地面处理设备,并进行配套，98年开展了两口井的试验,取得了经验。TheModel7100Testto2500

psioperating/rotating(100RPMMaxinum)Teststo5000

psistaticTeststo10,000

psishellcapable井口控制设备旋转防喷器(PCWD:PressureControlWD)四、欠平衡压力钻井的适用条件

经验证明，只有针对合适的地层制定欠平衡压力钻井计划，才能获得理想的技术经济效益。在制定欠平衡压力钻井计划之前，要了解地层的一些特性参数。1、确定地层孔隙度、渗透率和孔隙喉道尺寸分布。2、确定是否存在孔洞和裂缝。3、确定地层中是否存在敏感性矿物（如膨胀性粘土）4、确定地层流体的饱和度。5、确定地层的润湿性（亲油性和亲水性）。

欠平衡钻井适用的储层1、高渗透（1000md）固结砂岩和碳酸岩油气藏。2、裂缝性油气藏。3、致密性（低孔低渗）油气藏。4、压力衰竭的低压油气藏。

五、欠平衡压力钻井的关键技术1.压差的合理确定(地层条件)2.井筒内压力分布特征及计算3.欠平衡条件的产生4.欠平衡钻井的井控技术5.产出流体的地面处理技术（一)合理压差的确定压差确定的基本依据：◆地层孔隙压力；◆井壁稳定性；◆地层流体的流动特性；◆对地层流体的地面处理与控制能力。压差的大小与井底压力和地层压力有关，当地层压力一定时，仅与井底压力有关，所以有效地控制井底压力，就能保持压差的稳定。（二）欠平衡压力钻井井筒内压力特征及计算环空流体是多相流（固相、气相、油、水等），多相流的水力计算是一个复杂的课题。气体在井筒内运移或随钻井液一起上返，其形态是井深的函数。欠平衡压力钻井井筒内流体一般为多相流体系，压力分布比较复杂，然而弄清井筒内压力分布特性，并进行精确的计算，对于欠平衡压力钻井的设计与施工至关重要。对井筒内的压力，所关心的参数主要是井底压差，保持压差的稳定是实施欠平衡压力钻井的关键。

1、井筒内压力分布特征（1）地面设备的工作状态（例如注气设备、泥浆泵的工作状态）；（2）接单根（此时要停止注气，停止循环）；（3）起下钻（起钻前要加重泥浆，起下钻时产生压力波动）；（4）地层流体产出状态（流体类型、产液速度、气液比）；（5）岩屑产量、形状、尺寸；（6）井底清洗效果；（7）局部地层压力亏空效应；（8）井眼的几何形状，钻柱的几何尺寸。2、影响井底压力稳定性的因素

由井底压力的影响因素可知，欠平衡压力钻井的井底压力计算是一项相当复杂的工作，难以精确地计算，但这又是欠平衡压力钻井设计与施工的一项关键工作，必须想办法尽量进行较精确的计算。为解决这个问题，国内、外发展了欠平衡压力钻井井底压力的稳态和非稳态（即动态）模拟计算软件，这为欠平衡压力钻井施工前对大量可供选择的设计进行评价优选提供了方便的手段。3、井底压力计算井眼内的流体系统按两相流体系，并作如下假设加以简化：★忽略岩屑在泥浆中的滑脱，岩屑的返速与环空中流体的返速相同；★偶有过平衡状态，也无流体向地层漏失；★整个系统按牛顿流体（实际为非牛顿流体）；★地层流体均匀进入井内；★气层不含流体，计算只涉及天然气的密度、粘度和溶度。计算方法：

把组成流体通道的环空和钻杆分成整个结构的一系列单元，每个单元的几何尺寸有长度、深度、斜度和直径，环空结构用偏心圆代表。每个单元的计算结果迭加，即得井底压力。（1）、稳态模拟在欠平衡压力钻井施工过程中，很多情况会引起压力波动，井筒内的流体不可能或很难形成稳定流，井底压力也是波动的，例如图3-4为现场记录的井底压力随时间的变化情况。在这种情况下井筒内的流体被视为动态的非线性两相流或多相流系统。（2）、动态模拟

井底压力BHP（BottomHolePressure）可用下式表示：BHP=Ph+Pa+Pacc+Pas

式中Ph——静液压力；Pa——循环压降；Pacc——流体加速压力；Pas——井口回压。以上四项压力都是动态的，决定于时间和系统的状态。若给系统一个干扰，，例如改变气体或流体的流速，所有项压力都会相应改变，换言之，干扰会导致系统的不稳定性。下面分析一下式中每项压力的制约因素：Ph是气液体系平均密度的函数，其中气体的密度又是压力和温度的函数；Pa与环空流体的密度、粘度、上返速度和井壁摩擦系数等有关；Pacc是由流体突然加速引起的；Pas决定于地面回压阀的控制、气体和液体的速度及地面管汇情况。在分析井底压力动态特性的基础上，要建立合理的动态压力的计算模型，如果对井底的动态压力描述不准确，控制不合理，将得不到预期的效果。动态模拟的计算也类似于稳态模拟，用单元分割法。

总上所述，欠平衡压力钻井井底动态压力的影响因素可归结为两个方面，一是客观的井眼内非线性两相流（或多相流）体系的特性；二是人为的正常作业造成的对系统的干扰。对客观因素可以通过分析，采取必要的人为措施，使流体的压力波动减至最小；对于人为因素可通过制定合理的操作程序和加强人员的操作技术培训来解决。在UBD作业中，有不少作业要求经常中断井眼内的非线性多相流系统，例如起下钻、接单根、改变注气速度、测试及其它测量作业等，如果采取必要的、合理的措施，可使井底压力的波动减至最小，使之稳定在平均值附近，并且大部分的扰动会快速地消失。在UBD作业中接单根和起下钻是两个最频繁的作业，应特别注意。

（3）、把动态压力效应减至最小的措施

A、接单根接单根过程中造成压力波动的主要原因是停止循环失去循环摩擦，造成地层流体的产出增加，另一方面是系统中的流体分离。失去的摩擦压降可通过增加井口的回压而得到补偿。系统中流体的分离是时间的函数，为把其减到最小，一是减少接单根的时间，二是在钻具上安装浮阀，这样也可减少停止循环期间的流体分离。使用顶部驱动装置也可以减少接单根的次数。

B、起下钻欠平衡压力钻井起下钻时常用静液压力把井压住，采用的液体最好是油层部位的自然流体，这样对地层的伤害最小。另外起下钻时要控制起下钻速度，把动态效应减到最低限度。

（三）欠平衡条件的产生欠平衡条件是指负压差，产生负压差有两种方法：

1、用常规钻井液密度，边喷边钻这种方法适用于孔隙压力较高的地层，用常规钻井液，使循环液柱的压力低于地层孔隙压力，自然处于欠平衡状态。

2、人工诱导产生欠平衡条件人工方式产生欠平衡条件有两种方法：

（1）直接采用低密度钻井液，如气化的水基或油基钻井液，气雾或泡沫钻井液等。

（2）向钻井液基液中注入一种或多种非凝气，以降低钻井液基液密度。非凝气的选择应以安全和经济为原则。以下对常用的非凝气和注气方法作简单介绍。

常用的非凝气有：

1、空气空气的应用有局限性，不适用于油水产量大的水平钻井；二是风险大，可能造成井下着火或地面爆炸，使用时要加一定量的惰性气体。

2、液氮液氮具有惰性和易获取的特点，是欠平衡压力钻井常用的流体。

3、现场产氮气在现场用压气机和产氮设备，用过滤器把氮气和压缩气体分开，然后对氮气增压，注入井内。

4、净化废气压缩机和原动机排出的废气经有效的过滤后可作为惰性气体注入井中。

5、甲烷气甲烷气与产层中的油气相容性较好，又无腐蚀问题，是一种较理想的气体。但其经济价值取决于气源点和预计的作业时间。非凝气的注入方法1、两相注气法

注入井内前把气体与钻井液混合，然后再注入井内。这种方法需要的专用设备少，成本低。

2、附加管注气法用软管从地面连接到技术套管底部的旁通注气接头上，附在套管外侧和套管一起下入井内，并用水泥封固。钻进时气体通过附加管注入环空，钻井液从钻杆内注入。

3、微环空注气法该方法使用两套同心套管的环空作为注气通道（一般时9-5/8英寸和7英寸之间）。先下入外层套管，并用水泥封固，然后下入内层套管，并悬挂。在钻井过程中，从套管的环空注入气体到钻杆和套管的环空，与从钻柱内注入的液体混合。

注入气体后，钻井液呈现出可压缩性和多相流的特点，加大了水力计算的难度，增大了钻柱的振动程度。(四）欠平衡压力钻井的井控问题1、与常规井相比欠平衡压力钻井井控的特点（1）常规钻井由泥浆液柱对地层流体进行首要控制;欠平衡钻井允许地层流体进入井内；（2）套管坐放在油气层顶部；（3）井内返出的流体从钻台下面的旋转分流器流出；（4）井控作业始终伴随着钻进过程。

欠平衡钻井的特殊要求：欠平衡压力钻井至少要设两道防线控制地层流体。第一道是旋转防喷器（即旋转分流器），用以控制产层流体的产出量。第二道防线是常规防喷器，在旋转防喷器出故障时，常规防喷器用来防喷或压井。

2、欠平衡压力钻井井控所遵循的原则（1）在钻进过程中要保证地层流体的流动状态；（2）当井发生轻微的循环漏失时要继续保持钻进；（3）在欠平衡流体循环过程中要保持泥浆池液面的恒定；3、欠平衡压力钻井井控的专用设备

旋转分流器+常规防喷器欠平衡压力钻井的井口控制设备（五）产出流体的地面处理

在欠平衡压力钻井过程中，地层流体有控制地流入井眼内，并随钻井液一起循环到地面，使钻井液的密度和流变性都发生了变化，为保证重新泵入井内的钻井液能满足设计要求，必须对其进行处理。

地面处理设备：

三相分离器四相分离器功用：

在钻井过程中，把从井内返出的流体进行连续的分离处理，分离出岩屑、水、油、天然气，并分别予以回收。注意事项：

设备在井场的布局要合理，避免作业人员暴露于有毒气体和可燃流体之中，必须与井口和火源保持一定距离。

六、欠平衡压力钻井液欠平衡钻井液类型取决于油气层压力（用当量密度表示）1、低压储层

ｐP<1.05用泡沫、充气和气体钻井。空气和充空气钻井最简单，但进入产层易爆炸。泡沫钻井液比较理想，但返到地面消泡及再生利用有技术难度。2、正常压力储层

ｐP=1.05-1.2宜用清水,盐水或聚合物水溶液。3、高压储层

ｐP>1.2用特殊配方泥浆。（一）欠平衡钻井液类型设计1、空气流体空气流体是指干空气（在硬或干地层中使用）或者由空气、天然气、氮气、二氧化碳气及防腐剂、干燥剂等组成的循环流体。由于空气密度低，常用于钻漏失层、地层敏感性强的低压油气层、溶洞性低压层和低压生产层等。使用空气钻井时，需要在井场专门配备钻井设备。一般情况下，地面入压力为0.7-1.4Mpa。空气流体的技术要求:（1）环空流体流速为15m/s以上,否则携带岩屑有困难;（2）气体和钻屑形成均匀的流动性好的气流;（3）地层温度与气流温度相吻合。当井眼出水时，不能再用空气钻井，应改用雾钻进，空气钻井不宜用在出液量大的井段，高压油气层及含H2S的地层。（二）欠平衡钻井液的应用与技术要求雾流体是由空气、发泡剂、防腐剂和少量水混合组成的循环流体。如地层出液量低于24m3/h，可用雾液来钻低压油气藏；如果地层出液量大于24m3/h，就只能采用泡沫液钻进。在雾液中，空气是连续相，液体是非连续相。当雾液钻进时，空气需要量通常比空气钻井高30%，有时高50%。充气流体是将空气注入到钻井液内，降低其液柱压力的。充气钻井液的密度最低可到0.59g/cm3,钻井液和空气的混配比值一般为10：1。用充气钻井液钻井时，环空速度要达到0.8-8m/s，地面正常工作压力为3.5-8Mpa。3、充气流体2、雾流体泡沫流体是气体介质分散在液体中，并配以发泡剂、稳泡剂或粘土形成的分散体系。它是钻进低压油气层常用而有效的钻井液。

现场用的泡沫流体分为两类：硬胶泡沫和稳定泡沫。

（1）硬胶泡沫是由气体、液体、粘土、稳定剂和发泡剂配成的稳定性比较强的分散体系。它用于需要泡沫寿命长，携岩能力强的场所，例如解决大直径井眼携岩问题等。硬胶泡沫的成本低，但对电解质及油品的污染较敏感，一般不宜用在油层。

（2）稳定泡沫是由气体、液体、发泡剂和稳定剂配成的分散体系，能与各种电解质、原油配伍，能处理产自地层的水，对低压易漏地层特别有效。是目前广为应用的泡沫流体。4、泡沫流体

钻井用的泡沫种类很多，但就其基本组成而言，有以下几种：

（1）淡水或咸水：其矿化度和离子种类已地层条件而定，水的含量为3—25%（体积比）。

（2）发泡剂是具有成膜作用的表面活性剂，种类很多，常用的有：烷基硫酸盐；烷基磺酸盐；烷基苯磺酸盐；烷基聚氧乙烯醚。

（3）水相增粘剂：用以提高水相粘度的水溶高分子聚合物，如CMC等，加量多少根据水相粘度的要求。

（4）气相：空气、氮气、二氧化碳气等，由压风机或气瓶提供。

（5）其它：用以提高泡沫稳定性的专用组分等。泡沫的组成（配方）是否合适，除了它与地层是否匹配外，主要是看由这种组分所形成的泡沫液的稳定性。稳定性愈强，其组成（配方）愈好，反之则差。而泡沫的稳定性可用泡沫寿命的半衰期来测量。泡沫液的组成与配置

泡沫液的气液比是泡沫液组成中的一个重要问题。一般而言，泡沫中液相占3—25%（体积比），即可形成稳定泡沫，具有优良的携岩能力。

（1）干泡沫当液相体积低于3%（称为干泡沫），泡沫稳定性变差，合并成为气泡，甚至成为“气袋”，丧失泡沫的携带能力。

（2）湿泡沫