钻井工程-18-欠平衡钻井

欠平衡钻井欠平衡钻井定义

使钻井流体施加在井底的压力小于地层孔隙压力，有效控制地层流体流入井筒，并对其进行处理的钻井方式。1、欠平衡钻井定义及特点欠平衡钻井发展历程1284在中国第一次顿钻钻井1880s第一次用空压机钻矿井1895用水进行旋转钻井1920s第一次用空压机钻油气井1920第一次用泥浆钻井1928第一次使用防喷器1932第一次应用充气泥浆钻井1955空气钻井开始被广泛应用1960s四川油田、新疆油田尝试了欠平衡钻井技术1970s第一次应用稳定泡沫钻井1988第一次应用欠平衡技术在AustinChalk钻高压气井1993第一次应用连续管钻欠平衡井,1995年开始用于欠平衡水平井1997第一次在海上应用欠平衡钻井1980s中石油欠平衡钻井技术开始深入研究与试验1990s中石油欠平衡钻井技术迅速发展欠平衡钻井在美国的应用美国专家调查预测，未来几年欠平衡钻井仍然有较高的潜力。陆上使用欠平衡钻井的比例将达到37%，海上将达到12%。2006年世界欠平衡钻井领域排行榜欠平衡和气体钻井技术是九十年代在国际上被广泛应用起来的一项钻井新技术，在北美地区尤为突出。欠平衡及气体钻井技术已成为继水平井技术之后的第二个钻井技术发展热点。不同岩石类型中进行的欠平衡钻井产量增加的幅度BP公司21世纪里程碑石油技术上世纪九十年代最受欢迎的钻井技术在世界范围内的应用增长迅速已成为开发一些压力衰竭油气藏的重要或唯一手段欠平衡钻井的主要应用目的欠平衡钻井在勘探开发中的作用主要体现在勘探上：提高低压、复杂岩性、水敏性、裂缝性等类储层油气的发现和保护开发上：通过有效地保护储层，提高单井产量，降低开发综合成本钻井工程上：提高了钻速，减少了井漏用UBD要有针对性UBD推荐的地层及油藏坚硬低钻速地层低压易漏地层污染敏感性地层水敏及易湿相乳化的地层裂缝及溶洞性灰岩地层渗透率小于1mD的致密性油藏压力衰竭的油藏渗透率大于1000mD的高渗油藏容易湿相乳化的油藏裂缝性发育油藏不适宜进行欠平衡钻井的地层1.松散地层(

HighlyUnconsolidatedFormations

)2.具有塑性流动特性的岩盐层3.受强应力作用／非稳定泥岩地层4.含高浓度H2S地层因此，欠平衡钻井作业总体具有以下优势１.提高机械钻速２.降低钻井成本３.保护油气层，提高油气产量４.消除压差卡钻５.降低后期改造作业费用６.正确评价油气层提高勘探精度和勘探成功率S但！欠平衡钻井作业的局限性１.空气钻井钻遇储层存在井下燃爆风险２.连续欠平衡钻井对地层条件要求高３.钻井作业井控风险相应增加４.钻井成本相应增加2、欠平衡钻井技术分类及特点欠平衡钻井分类根据所使用的循环介质，将欠平衡井分为：空气与天然气钻井[Airandnaturalgasdrilling]雾化钻井[Mistdrilling]泡沫钻井[Foamdrilling]充气泥浆钻井[NitrifiedFluiddrilling]液相欠平衡钻井[Flowdrilling]地层压力系数与钻井介质平衡关系高压区；UBD钻井液为单相液体工艺的选择－取决于储层压力系数UBD常用作业区是指人为控制钻井液有效液柱压力低于产层地层压力，使产层流体进入井筒，循环到地面，并可以得到有效控制的一种钻井工艺技术。它是在防喷系统的作用下，使地层流体有控制地进入井眼，通过旋转防喷器的导流，使含有地层流体的钻井液经过气液分离器、撇油罐等地面设备处理后，重新泵入循环罐参与正常循环的一种钻井工艺技术。避免常规过平衡钻井，因压差问题导致的储层伤害；可及时发现油气层,利于探井评价.

欠平衡钻井工艺可提高机械钻速，降低综合作业成本，具有良好的经济效益和社会效益。特点：液相欠平衡钻井技术液相欠平衡钻井,作用于井底的环空压力包括:

1.液柱压力(取决于钻井液密度);2.循环压耗(取决于井身结构,钻具结构);3.施加于井口的回压。基本条件泥浆液柱压力+循环压耗+欠压差值＜地层孔隙压力目标在钻井过程中,通过联合控制钻井液液柱压力与井口回压值,实现:[地层孔隙压力]-[钻井液液柱压力+循环压耗+井口回压值]∈[欠压差值]欠平衡钻井的压力区间欠压差值根据地层的坍塌压力来决定，通常取值大于坍塌压力，经验数值取200-300PSI(具体根据油藏特点确定)。钻井液技术要求正常循环状况下，应保持所希望欠平衡压差值具有良好的井壁稳定及井眼净化能力与地层流体及气体有良好的兼容性具有良好的防护套管、钻具及井下工具等的性能近平衡(起钻及完井)状况下，尽可能不伤害储层井口控制系统旋转头、阻流管汇及控制盘等液相欠平衡钻井主要系统构成油气分离系统四相分离器、储油罐等

井下工具系统EMWD、单流阀及套管阀钻屑处理系统旋转防喷器、远程高压（70MPa）节流管汇、液气分离器、撇油罐、燃烧管线自动点火装置等。实施液相欠平衡钻井所需的设备IP10001000psiOperating71002500psiOperating70001500psiOperating8000/9000500psiOperatingWilliamsRotatingControlHeadsRotatingControlHeadRotatingworkingpressure:2,500PSIStaticpressure: 5,000PSIShell(housing)capable:10,000PSIMaximumoperatingRPM:150RPMOperatingtemperature:-28Cto+121CFluidrating: H2SserviceUniversal,quick-changebearingassemblyPositiveoillubricationCooledbearingsealsHydraulicallyoperatedclamp“U”TubeLevelControlGasOutFromFluidOutWell欠平衡钻井地面设备立式分离器节流管汇

1.大通径2.防硫要求套管隔离阀（DDV)DDV:DownholeDeploymentValveDDV的作用与特点起下钻过程中封隔油气藏，不必压井，减少起下钻时间完井作业时也不用压井，避免完井液对地层的伤害钻完井全过程使井保持欠平衡状态减少整个钻完井过程的费用，使欠平衡作业更容易，更安全通过地面液压管线控制阀门的开关DDV可永久安装，也有可回收式以供选择启动器工作筒向下运动，将活瓣阀推开。当启动器工作筒返回上部位置时，活瓣弹簧将活瓣阀关闭。液相欠平衡钻井井口装置井口特点井场布局该井采用液相全过程欠平衡钻井技术。在井段2998.40-3060.00m中途裸眼测试产气9.7×104m3/d和少量凝析油。而且实钻表明，利用欠平衡钻井技术有利于机械钻速的提高。液相欠平衡钻井技术应用实例新疆油田彩54井液相欠平衡钻井技术欠平衡钻井中良好油气显示、边喷边钻

空气钻井技术简介空气雾化钻井是以空气或雾化作为循环介质的钻井技术，其密度可在0.1～0.4g/cm3之间任意调整，它适用于岩性稳定的超低压裂缝性油气藏的勘探开发。有效地解决了钻井液对油气藏的污染，获得对产层的真实评价，有利于发现油气藏，可提高机械钻速3～4倍，最高达到10～12倍，生产成本可大幅度降低。特别是空气雾化流体的密度低，在钻井过程中可及时发现油气显示。空气钻井RH空压机增压器旋转控制头Angle理论:实施空气钻井的重要条件是:实际气体流量应达到满足携岩所需的最小排量井径in.钻杆尺寸in.井深(Ft.)及需要的空气量（标准立方英尺/分－SCFM）1000200040006000800010000120008-3/43-1/216001750200022802600280030004-1/21450165018502140240026002850513501500170020002200240027009-7/84-1/21950210024002700320035004000519002000230026003000330036005-1/2170019502150240026002850310012-1/44-1/231003350370042004500490054005-1/230003100335039004300470050006-5/8260028003000340037004150450017-1/24-1/266006850755081008700925098005-1/264506700740080008550910096506-5/86150660071507700840089509500不同尺寸井眼、不同井深条件下的气体钻井气量选配表空气密度低，易形成欠平衡状态，能有效解决井漏，适用于低压、衰竭油气层的钻井；对储层的伤害小，有利于发现和保护油气层，增加油气产量；能最大限度地提高机械钻速和单只钻头进尺，降低钻机作业时间，低开发成本；在缺水、钻井液费用昂贵的情况，可以减少钻井液和水的费用；优点缺点：空气钻井工艺对井壁的支撑能力是最低的，从井壁力学方面促使井眼不稳，尤其是有水层、水敏性地层、泥页岩地层容易发生井下复杂，不适用于软地层。AirDrillingWaitedUpon

LargePortableCompressionSimpleandconvenienttodrillwithairinexpensivelyandanywhere.HaroldVanceDepartmentofPetroleumEngineering１.设计井深：4500m新疆油田滴北１井２.钻井层位：石炭系石炭系地层岩石可钻性差，钻井段长。钻井难点目标提速。3365m4500m3924.56m空气钻井应用情况该井空气钻井过程中，通过使用空气锤钻具组合，实现了在准噶尔盆地腹部石炭系深部地层快速钻进的目标。三开空气钻井钻速统计表明，空气钻井相比较常规钻井液钻井方式，在提高可钻性极差石炭系地层机械钻速方面具有明显的优势。滴北1井二开石炭系层段钻时曲线平均机械钻速0.83m/h三开空气钻井空气锤钻进井段机械钻速曲线平均机械钻速6.70m/h滴北1井实施空气钻井段长559.56m，作业周期14天。牙轮钻头平均机械钻速4.35m/h，为常规钻井液钻井条件下的4.72倍。空气锤钻进平均机械钻速6.7m/hr，为常规钻井液条件下7.28倍。泡沫钻井技术泡沫钻井是利用致密、连续、均匀的泡沫流体作为循环介质的钻井技术，其密度可在0.25～0.6g/cm3之间任意调整。它一般适用于地层压力系数小于1.0的油气藏。与常规钻井技术相比它的优点是：大幅度地减小钻井液的漏失造成的对油气层的污染，提高机械钻速，降低钻井成本。缺点是：泡沫是一次性流体，目前的技术可循环利用量小，成本高。其次还有可能造成环境污染。

SH空压机增压器雾化泵基液罐泡沫钻井泡沫(0-97%气体)空气/天然气/氮气/或其他惰性气体H2O或者水基/油基BJ7168井泡沫钻井井段1600m-2020m，多数井段全烃对比升至10万ppm以上，随钻始终有油/气进入井筒，实现了发现与保护油气层的目标。同时，泡沫钻井创造了在该区可钻性较差石炭系地层钻进，平均机械钻速4.5m/hr的指标。

BJ7168井井身结构图泡沫钻井应用情况滴16井地层特点及泡沫钻井目标该井拟钻揭的石炭系地层孔隙压力较低（压力系数在1.0左右），已钻邻井在石炭系地层裂缝发育段钻井过程中漏失现象较为普遍。拟钻探的石炭系层厚达1000m以上，而准噶尔盆地石炭系基底地层机械钻速普遍不高。鉴于欠平衡钻井技术在及时发现、保护油气层、减少漏失以及提高机械钻速等方面的优势，采用泡沫欠平衡方式来实现提速目标。钻前，通过对邻井地层岩石理化特性与风化壳特点的研究分析，得出该区石炭系地层风化壳厚度约50m的一般规律。据此，对准噶尔盆地气基流体欠平衡钻井井身结构方案进行了适当调整：要求二开技术套管下深以进入石炭系地层不小于40m为原则。自井深1180m开始实施泡沫钻井井号滴16井滴15井井段m1120-23001205-1280平均机械钻速(m/hr)9.651.98机械钻速最高：20m/h平均：9.65m/h相对滴15井提高4.9倍充气泥浆钻井技术充气泥浆钻井是将一定量的气体（空气、氮气、天然气等）连续不断注入泥浆内，使其呈均匀气泡分散于泥浆中，形成充气泥浆。从井内返出的泥浆经过地面除屑除气后再次注入井内循环。充气泥浆的密度可根据用用户要求在0.45g/cm3以上进行调整，从而达到防止漏失和防止油气层污染的目的。其主要优点为：减少钻井液漏失造成对目的层的污染，提高机械钻速，降低钻井成本。充气钻井液的分散相气体可以是空气、天然气、氮气等气体；连续相可以是各种类型的常规钻井液，也可以是淡水、清洁盐水、地层水、柴油等液体，但作为连续相的钻井液必须是易充气、易脱气且很稳定。充气钻井液入井前通过调整气、液量来调整钻井液的密度；返出井口后经过地面除气器，气体从充气钻井液中脱离出来，以保证泵的正常上水。⑴在0.55～1.03g/cm3密度范围内能够通过充气进行有效地调整，从而降低静液柱压力，实现近平衡或欠平衡钻井，保护油气层；⑵需要较高静液柱压力（而其它气体系不能产生）的油气藏，可以采用充气钻井液来钻，从而最大程度地降低地层损害；⑶将充气钻井液应用到其它气体体系不能奏效的情况下，例如，在欠平衡钻井过程中，能够产出大量水的严重漏失地层，通过调整注气量和液量，可以在环空中获得平衡状态，从而既不漏失，也不井涌；对井塌等钻井复杂问题亦较泡沫有较强适应能力；充气钻井技术优点⑷基液可以是钻井液而不是水，因此可以在钻穿水敏性地层时，维持井眼的稳定性；⑸减少钻具磨损和井下钻具着火的危险；⑹钻井时效高，能大幅提高钻机作业效率；⑺保持较高的PH值用于克服内在的腐蚀损害和对充气钻井液的破坏；⑻消除了着火和灰尘危害，有利于保护环境；⑼可用于任何类型的地层，包括硬地层、软地层、干地层或湿地层，而空气钻井需要干燥的条件；⑽根据压力变化随时调整注液量和基液密度控制井口和井底压力的变化，阻止盐水流入或井喷事故的发生；⑾可采用常规测井和常规固井；⑿易于施工，是费用最低的低压欠平衡钻井技术。可以利用常规钻井液，成本低，比泡沫类钻井流体节省成本。因此该技术应用比较广泛。充气钻井技术缺点需要增加气体的注入压力；如果充空气需要进行更广泛的腐蚀控制；不适于高压高产储层；也存在井壁不稳定问题；遇到高压水层会产生技术上的困难。环空气液混合流体特征分析1994年Williams发表了气液混合物两相流流态结构。液、气经过泡沫发生器的混合基本形成了比较均匀稳定的混合物进入钻具内，其结构为泡状流，是泡而不是泡沫。充气钻井液属于塑性流体，随着气液比的增加，塑性粘度与动切力增加；随着温度的升高，相同的气液比下的充气钻井液粘度下降，动切力下降。从井底环空到井口的上返过程中，混合物结构处于动态中变化中，流态为非线性两相流。随着液柱压力降低、温度的下降，小气泡结为大泡，混合物中气体体积增加，由泡状流变为段塞流，再进一步变为过度流。井筒中上部为段塞流和过度流段，该井段为流态不稳定区。混合物到达井筒上部井段，气泡体积更大，形成环状流，流速增加。过渡流环状流段塞流泡状流环空维持气液混合的极限返速分区液体返速（m/min）气体上返速度（m／min）1.818180180018000180181.8.18环状流区AABBC泡状流区段塞流区过度流区环空气液两相流分布情况井筒中上部弹状流、涡状流井筒下部泡状流井筒上部环状流......环空内气液比、气体百分比随井深的变化地面Q=91%R=1.4/1600mQ=18%1200mQ=8%1800mQ=5%2400mQ=3%300mQ=58%R=.23/1基液密度：1.08g/cm3R=.09/1R=.05/1气体/泥浆比率

=10/1R=.03/1在井深2400米处的混合物中气体体积占3%，到井深600米处气体体积占18%；而井深300米处气体体积急剧变大，气体占58%，由600米到300米气体体积增加了2.22倍；到井口处气体体积占91%，比井底的泡沫体积增加30倍。3000米的井深1.0的“基浆”在地面的气液比：25:1，泡沫质量为96.15%，此时的泥浆几乎全是气体，密度0.0385;

在井底气液比：1:99，泥浆密度为0.99，与基液几乎相同。而气体密度大约为0.37。TZTZPV*11*11*22*22=PV基本计算公式:式中：P1——井筒某点压力，Mpa；P2——井筒另一点压力，Mpa；V1——井筒某点气体体积，m3；V2——井筒另一点气体体积，m3；T1——井筒某点热力学温度，K;T1=273℃+t1，t1--井筒某点温度，℃；T2——井筒另一点热力学温度，K。T2=273℃+t2，t2--井筒另一点温度，℃；Z1、Z2——修正系数。充气钻井液井筒压力计算充气钻井的注气量、注液量、井筒流体柱压力、循环压耗、注入压力（泵压）、当量密度计算与模拟均需要专门软件。环空井底压力能够通过调整液相密度、注液量和注气量来实现控制。特别需要指出的是，当注液量一定时，随着注气量的增加，环空压耗增加，因此存在着最佳注气量范围，现场应根据具体情况进行选择。最好在钻具组合中安装随钻压力检测仪（PWD），实时检测井底压力，判断欠平衡状态，指导施工。注气量与压力关系(Saponja,1995)1614121086420环空井底压力@2100m(MPa)氮气注入量(st

m3/min)20104050300

最佳点在一定的液体注入量条件下，降低流体密度所需的最小注气量。

摩阻控制区浪费气量比较稳定气体注入量使井底压力增加静液柱压力控制区不稳定压力变化大气体注入减小井底压力注油量

@200L/min139.7mm(5-1/2”)套管120.7mm(4-3/4”)水平井眼当液柱压力所减少的量与环空摩阻增加的量相互平衡抵消时，此时的气体注入量既为最佳注入量（最佳循环点）。临界值决定于环空几何形状、井深和液体密度。在设计和钻井过程中，必须确定井眼内是静液柱压力控制状态还是摩阻压力控制状态。因为增加