《欠平衡钻井技术发展研究（论文）》

一、引言（一）研究背景经过三十多年的探索，我国石油勘探面临的压力正在逐步加大。利用欠平衡钻井技术对古埋山低渗裂缝性油气藏进行勘探极为重要，同时对已探明未探明储量具有十分重要的意义。欠平衡钻井技术由于具有以下优点而被广泛使用：增加已探明的难以开采的储量；开发低压，低渗透的油气藏，岩性复杂的地层；开发旧区并提高采矿的经济效益。地层压力系统单一，稳定性好。使用该技术可以保护油气层，减少油层污染，然而，当在这种类型的中进行欠平衡钻井时，很可能发生井崩，泄漏和井喷。泄漏压力和破坏压力之间的间隔相对较小。如果密度太低，则密度太高时很可能发生井壁坍塌。因此，在该区块采用欠平衡技术进行施工时，必须准确计算并严格制定施工设计。本文拟根据辽河油田的特点，分析影响欠平衡钻井技术成功率的因素和原因，总结该技术在应用中的优缺点，并评估该技术是否可以达到预期的经济效益。（二）欠平衡钻井技术发展概况自从1980年代中期采用水平井钻井技术以来，没有任何一种钻井技术具有如此大的魅力。而且，根据美国能源部和莫拉尔工程公司的预测，欠平衡钻井技术的应用在未来10年将继续稳定增长。一方面当前包括中国在内的世界石油工业正面临严峻的形势，首先，潜在的石油资源严重匮乏，可用储量迅速减少，从范围内的勘探情况来看，发现巨大油田的可能性越来越小。作为目前的工业能源油，显然不可能保证未来。十年后需要工业发展，但是尚未发现可以代替石油作为未来工业主要能源的新能源，因此人们仍然将重点放在中小型油田的开发上。而在复杂的地质条件和地表条件下，非常规油气资源的勘探开发较为困难，同时不可避免地导致勘探和开发难度增加以及成本增加。另一方面，世界特殊的油气藏资源十分丰富，以中国为例，其储量占已探明总储量的三分之一。不仅拥有大量的油气资源，而且在开发的中后期，相当一部分油田也进入了低压范畴。欠平衡钻井本身的技术特性非常适合此类油田的开发。因此，从这个角度来看，欠平衡钻具有着广阔的应用市场。从目前国内外研究和应用的角度来看，其主要特点和机理如下：（1）减少编队伤害在欠平衡钻井过程中，消除了将钻井液的固相和液相带入开采区的正压差，从而减少附近区域所造成的地层损害。在水平井中使用欠平衡技术时时，还可以消除正压差下固相和液相的侵入，并可以更好地保护产层。（2）提高钻孔速度欠平衡钻井孔的液柱压力降低，并且还有助于降低/保持钻效，从而提高了钻井速度。当钻水平井时，这一点更加明显。通常，发现在水平井段中钻井时，钻井速度随着水平井段长度的增加而降低，在相同重量下，欠平衡钻孔可以获得更高的钻孔速度。（3）避免泄漏井泄漏可能会大大增加钻井成本。如果钻井液泄漏到裂缝，低压储层或高渗透率储层中，将增加额外的钻井液成本，更不用说损失的钻井液会造成严重的地层破坏。漏失循环的发生使常规钻井成本比欠平衡钻井高，因为欠平衡钻井可以减少或避免漏失问题。（4）减少卡压差在常规钻井的正压差下，钻井液的过滤将在井壁上形成泥饼。如果将钻柱压在泥饼上，则可能会发生压力粘附。欠平衡钻井不会在井壁上形成泥饼，也不会产生正压差。二、欠平衡技术钻井液体系研究（一）常规体系在常规钻井工艺中，若要保持井壁稳定以及防喷，钻井液的密度在满足平衡地层孔隙压力的程度上，倘若某井的地层压力预测并非精确值，则该系数就会比较大，这样很容易对油气资源产生破坏，此外钻井液密度若持续过高的话，也易发生井漏现象，严重时会极大地降低钻井的机械钻速，这对钻井作业来讲是非常不利的因素。因此，欠平衡技术是解决者一问题的非常有效且良好的方法。欠平衡钻井技术关键是确定地层的负压差，最大的优势是能够效果更好地保护好油气资源。其不仅能够最大限度地降低井漏、井塌等井下复杂或事故，并且能够有效体提高钻井作业的机械钻速，此外，也易于进行油井产能的随钻评价。在一般情况下，以下几种地层非常适用于欠平衡技术的应用。（1）低渗透油层，高压油层，易污染地层；（2）低压层，易漏失的储层；在国外的某些油气田中，低密度钻井液已在实际施工中长期使用。从1950年代到1970年代，其他欠平衡钻井液系统的应用逐渐成熟。到目前为止，为了满足欠平衡钻井技术的要求，通常使用两种类型的低密度钻井液：一种是单相流体类型，例如清水，轻油，柴油，空气和低密度常规钻井液。体液;两种类型是液/气两相流体，例如泡沫钻井液或充气钻井液。目前，欠平衡钻井技术中常用的钻井液系统如下。（1）液体系统：如果地层压力高，则可以使用净水，低密度常规钻井液，油等钻井液，因为地层的地层孔隙压力大于循环液柱压力这种钻井液系统，自然会使井底压力处于欠平衡状态。（2）含减密度剂的钻井液体系：如空心玻璃球等添加剂，所产生的钻井液，其钻井液性能可满足欠平衡钻井施工的要求；（3）泡沫系统：在其中充入气体的气体，以及通过添加发泡剂，泡沫稳定剂或黏土和失水剂等形成的分散系统，其在低压生产层中的应用较为普遍。常用的泡沫钻井液有两种，一种是稳定泡沫，另一种是硬橡胶泡沫。前者的配置主要基于空气，后者是基于前者的构造，适当地添加一定量的粘土，其特点是具有更好的稳定性和更好的载砂能力，但对油气层的破坏相对较大。上述钻井液具有各自的优点和缺点。实际操作应根据现场条件和其他条件进行评估和选择。（二）设计原则（1）钻井液密度设计原则应根据地层压力，环空压力消耗，井底负压以及井口选择回玉控制范围来确定欠平衡钻井液密度。在根据地层压力设计钻井液密度时，应选择钻井液密度的下限，然后在施工过程中，根据测得的井底深度进行选择，然后调整密度和背压调整负压值。（2）钻井液粘度的设计原理粘度的主要目的是确保钻井液具有良好的流变性，良好的切屑承载能力，同时，为了提高机器的磁速度，粘度值不应太高。（3）钻井液剪切力的设计原理剪切力的主要目的是确保钻井液具有良好的悬浮稳定性，从而更好地悬浮钻屑，保持井底清洁，并应同时满足地面方便钻孔清除杂物的要求。（4）欠平衡钻井液系统的经济评价钻井液的成本是指钻井液的成本。经济评估主要基于类似钻井液的比较以确定成本水平。三、欠平衡钻井技术的井控研究（一）欠平衡钻井技术井控的研究方向（1）导气时间通常在采用欠平衡钻井技术时，在钻探油气层时，可以通过钻井工具的“空”状态来判断钻井工具是否到达储层。（2）地层渗漏为了在不控制井喷的情况下实现“随钻井喷”的目的，有必要在井底压力差与到达井眼的地层流体速度之间获得准确的关系。为了调整地层流体的速度，可以通过液气分离器等相关的专用设备来控制和调节井底负压值。（3）欠平衡钻井技术的相关井控措施由于钻井作业失衡的风险很高，涉及安全，环境，工程等诸多因素，因此重要的是控制井底的负压值，以防止井喷失控。（二）欠平衡钻井的压井研究辽河油区欠平衡钻井所用的钻井液是可回收的微泡沫钻井液系统。在实际欠平衡钻井作业中，必须将钻井工具的作业应用于压井和钻井。（1）确定欠平衡的压井液系统在早期确定用于欠平衡的钻井液系统时，已经考虑了相关的压井问题。由于井控技术的复杂性，还对所需的压井液系统进行了研究和论证，开发了与欠平衡钻井液系统配套的压井液系统。（2）钻井液和压井液的设计与研究欠平衡压井是一项特殊的工作，与常规的钻井压井有根本的不同。在常规钻井过程中，压井液可以作为常规钻井液循环使用。但是，欠平衡压井后的压井液不能在钻井作业中连续使用，必须用低密度钻井液替代才能继续钻井，因此要解决的问题是如何在两者之间快速切换。（3）欠平衡压井法在实际的欠平衡压井技术的应用中，如果流量大，则采用正循环压井法进行钻探。同时应根据实际情况及时更换缸套的选择。如果排量没有增加，则压井时间将拖延很长时间，而且对压井液的性能影响更大。四、欠平衡钻井技术的发展展望（一）国外复杂地层钻井技术进展1.膨胀管钻孔技术为了解决岩石钻探不稳定和钻井成本控制的问题，壳牌研究中心开发了膨胀缝管和实心套管，这项技术可以轻松有效地解决复杂断面中的壁稳定性问题，并可以减小上部井眼的尺寸和套管层的数量，从而大大降低了钻井成本。2.连续管钻技术连续油管钻井技术是1990年代在国外大力研究和开发的流行钻井技术之一。连续管钻探技术使用缠绕在滚筒上的连续柔性钻杆进行连续钻削，这大大提高了钻探效率，并减少了钻井液中不稳定地层的井眼。目前，世界上大多数研究和应用连续管钻探技术的公司都集中在欧美的一些发达国家，美国和加拿大是连续管钻探最活跃的两个国家，占全球的80％连续管钻位于此处。3.信息化和智能钻井技术在1980年代，随钻测井首次用于定向井钻探。它与近钻头倾角仪（MNB）结合使用，可测量井的倾角和方位角，并进行钻探以发现井眼的实时偏差损失。在1980年代后期，随钻测井工具问世。三参数组合随钻测井仪和四参数组合随钻测井仪已成为标准的随钻测井仪，可以执行时间面传输和两种记录存储在井下仪器的芯片中。美国SchlumbergerAnadrill企业于1992年首次提出了地质导向的概念，并于1993年开发了第一套地质导向工具。此后，其他企业也开发了各自的地质导向工具。目前，美国拥有最先进的地质导向技术，该技术已经成熟并广泛用于水平井钻井和大位移井中。4.欠平衡钻井技术欠平衡钻井是一种新的钻井技术，在1990年代已在国际上迅速成熟和发展。欠压钻井也称为受控负压钻井。欠压钻井具有以下优点：l）防止井中液体进入地层。2）及时发现新的油气层。3）消除钻井过程中井眼液柱压力对岩屑的“保压作用”，避免钻井液渗入地层和卡住。4）钻井时可以开采油气，油气井可以尽早投入生产。据统计，美国约有25％的油气井和地热井不同程度地采用了该技术，某些油气田的利用率高达98％。5.深井和超深井钻井技术在国外完成的深井中，有一半是探井。井深已从4500m增加到目前的12000m。目前，美国，俄罗斯和德国的超深井钻井技术装备和综合技术处于国际领先地位。美国是世界上钻深井历史最长，工作量最大，技术水平最高的国家。6.钻井液技术新型钻井液材料发展迅速，包括高效水基钻井液，防止重晶石沉降的INNOVERT钻井液系统，在防止泄漏和堵漏的新技术方面，有包含复合聚合物颗粒和胶体颗粒的微复合有机/无机胶堵剂等。在井眼壁稳定技术，分子模型方面已经用于了解聚合物稳定页岩的机理。（二）国内复杂地层钻井技术进展为了尽快满足中国油气资源勘探开发的需要，缩小与国外钻井技术的差距，国内主要石油公司开展了复杂地层钻井技术研究，取得了显著成效。1.升级钻井设备。“十五五”期间，钻井设备国产化得到加强，钻井设备技术水平得到提高。1）国际先进的直流变频电动钻机的研发：2001年以来，宝鸡石油机械厂等钻机制造企业相继开发了4000m，5000m，7000m交流变频钻机，2005年起l2月，宝鸡石油机械厂成功开发了9000m交流变频钻机。2007年11月，成功开发了12000m交流变频钻机。目前我国的电动钻机已出口到包括美国，欧洲，中东和南美在内的国家和地区。2）开发兼顾先进性和经济性的复合钻机：宝鸡石油机械厂开发的钻机，转盘和绞盘是电动的，泵由柴油发动机驱动，具备一定的经济型以及强大的功能。3）开发了顶驱钻具，盘式制动器，盘式制动器和电子钻机系统。此外，在柴油机，钻井泵，防喷器和固井系统方面也取得了重大技术进步。2.反倾斜理论的适用在复杂的地层钻井工程中，由于复杂的地层的影响，例如山麓中的高陡结构，会导致严重的井斜，为了保证井眼的质量而施加压力甚至“轻压力提升”，国内学者从另一个角度研究了有效的直井抗弯和快速移动技术，并提出了一种新的抗弯理论，即“动态抗弯”。随之而来的一系列钻探技术应运而生，可以说这项研究大大提高了机械破碎的效率，并实现了垂直井钻进中大钻头重量的快速钻进。3.高效碎石技术的进步为了适应复杂地层快速钻井的高效破岩技术，陆续出现了多种适应各种地层高效破岩技术的钻头改良技术，通过大量的测试和实践，我国学者已提出了在复杂地层条件下的各种高效钻井工艺，同时以及中碎岩的钻进方式主要是冲击破碎，极大地改变了钻进效率低，取得了良好的钻进效果。欠平衡钻井技术得到了不断改进和完善。自2000年以来，中石油累计进行了137次欠平衡钻井作业。开发以天然气，柴油机排气和泡沫为循环介质的欠平衡钻井，完善了欠平衡完井方法，并开发了随钻环空压力测量装置。通过欠平衡钻井技术的应用，有效地保护了储层，同时形成了以四川和长庆油田为代表的天然气井欠平衡钻井技术；以及以新疆油田和伊朗项目为代表的气/泡欠平衡钻井技术；以大庆和大港石油国家为代表的低密度欠平衡钻井技术。4.针对防漏地层的气体钻探实验以及磨料地层的加速为应对严重的渗漏问题，西南油田公司从2002年开始在Ba1井进行了空气钻井实验，成功解决了漏层钻井问题，降低了钻井成本。此外为响应苏里格气田的发展，长庆油田还进行了小孔气钻探实验。气体钻探段的平均钻速超过三倍，并已在缩短钻探周期方面取得了初步成果。。

五、结语长期以来，大庆油田钻探对大庆油田长垣内部调整改造井建设进行了一系列配套技术研究，解决了大庆油田长垣内部调整改造井建设中的钻井技术难题。但是，对于超低渗透油田，调节钻井安全性和效率的技术问题尚未得到有效解决。（1）辽河油田低渗，地层压力系统单一，欠平衡钻井技术的使用对未探明储量的勘探具有重要意义。（2）欠平衡钻井技术的关键是确定地层的负压差，其可以更好地保护油气资源。设计钻井液密度时，应尽可能保证井底负压值和井口背压的可调范围，并根据测量的井底压力进行背压。（3）欠平衡井控技术和装备要求很高，必须有相应的技术措施和设备配合。

参考文献[1]马金山,刘金峰.欠平衡钻井技术[J].石油知识,2000(2):29-29.[2]周英操,翟洪军.欠平衡钻井技术与应用[M].石油工业出版社,2003.[3]刘伟,李丽,胥宏图.氮气欠平衡钻井技术在定向深探井中的应用[J].石油钻采工艺