海上欠平衡钻井研究现状及发展趋势

第一章前言欠平衡钻井是指在钻井过程中，在有效控制下，使钻井液的循环压力（包括静液柱压力、摩擦压降和井口回压）低于地层压力，允许地层流体在井控控范围内流入井眼，并将其循环至地面进行处理的一种钻井方式。欠平衡钻井的主要优点:欠平衡钻井因为欠平衡，相对于常规钻井而言可以减少地层污染，提高采收率；有利于发现油气藏；同时有利于提高钻速、减少卡钻、减少井漏。可适用于多种油藏类型，如裂缝性油藏、低压或衰竭油藏、低渗透油藏等，配合水平井钻井应用可大大减轻储层污染。欠平衡钻井是20世纪80年代后期发展起来的新技术，90年代得到广泛推广和应用,美国和加拿大三分之一的油井使用欠平衡钻井技术。90年代开始，我国陆续在陆地油田在推广使用该钻井技术。由于作业环境的受平台甲板空间、安全环保、组织管理模式等问题的影响，欠平衡钻井在海上平台使用较少；但钻探开发裂缝性油藏、低压或衰竭油藏、低渗透油藏等油气藏中，欠平衡钻井与常规钻井比较，欠平衡钻井占绝对的优势。而海上油气藏类型多样复杂，如渤海油气田主要有弱胶结疏松砂岩油藏、胶结较好的中等渗透率砂岩油藏、低渗透油藏和裂缝性油藏等几种类型。，尤其是对疏松砂岩和裂缝性油藏的污染问题，用常规钻井方法难以消除较为严重的污染，一个可行的解决方案是采用欠平衡钻井。相对于陆上油田而言，一般海洋油气田的单井产量高，产层污染就更加严重，同时，欠平衡钻井易于发现油气藏的特点也使得海上油气田更加需要欠平衡钻井技术。所以欠平衡钻井技术是开发海洋未来广泛应用的一项技术。目前，海上欠平衡钻井所存在的障碍和问题，包括新型随钻工具的开发，钻井设备的智能化，模块化，以及专门为欠平衡设计的钻井船上的设备一体化，为了进一步降低海上油气田的开发成本，提高经济效益，使海上钻井技术向安全、环保等方向发展，致力于解决这些问题是海上欠平衡钻井发展趋势。本篇文章主要从我国海上油田欠平衡钻井所存在的主要问题入手；阐述了欠平衡钻井技术及其钻井液技术的研究状况；以渤海601井的现场应用为示例，说明我国海上欠平衡技术的研究现状及最新进展。第二章国内外海上欠平衡钻井研究现状及发展趋势欠平衡钻井技术是八十年代后期新型钻井技术、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，国外欠平衡钻井已经形成了从装备到工艺比较成熟的技术，而开展欠平衡钻井最为活跃的是美国和加拿大等国，他们不但具有装备上的优势，也有一批专门从事欠平衡钻井研究和推广的钻井公司和现场服务人员。美国Signa公司在奥斯汀地区开展欠平衡钻井，与常规井相比，投资增加1～2倍，而油井产量是常规井的4倍左右。英国在北海Grom油田Panian白垩地层用连续管成功进行了欠平衡钻井作业，挪威国家石油公司主要从事海洋石油开发，也制订了欠平衡钻井作业计划。国内胜利油田、中原油田、大港油田、塔里木油田以及新疆等油田都陆续引进了引进和使用了欠平衡的设备和技术，并选择合适的储层进行试探，大港油田率先成立了欠平衡钻井专业公司，现场试验普遍取得较好效果。2.1欠平衡钻井在海上推广应用中存在的障碍与问题由于海上平台空间狭小，对设备体积要求越小越好，但使用功率和功能不能减小，需要从以下因素考虑。2.1.1平台甲板空间在海上作业，无论是钻井船还是采油平台，平台甲板空间都是非常有限的（如“图2-1”）。但欠平衡钻井设备又需要的空间较大，这个突出矛盾亟待解决，这是为什么没有在海上钻井平台推广的主要原因。图2-12.1.2安全与环保欠平衡钻井，风险较高，但随着科技的发展都会逐步解决，主要风险如下：欠平衡钻井因为是小于底层压力所以发生井涌。井喷的风险较高；现场作业人员必须在有资质的培训机构培训并都持证上岗；现场井队作业人员对井控预兆的判断，必须准确，否则失去了压井时间，造成重大事故；现场作业人员操作水平及对工艺的掌握程度，也是作业中能够控制风险的重要因素；尽管作业安全方面的问题正在逐步得到解决，但是海上欠平衡钻井相对陆地钻井来说风险不能忽视，海上作业一般都会做好安全分析，在作业设计中都有风险提示表，针对各个作业过程中可能存在的或可能造成重大安全、环保后果的重大安全隐患做出提示并设立主要负责人，大大降低作业风险，如“表2-1”表2-12.1.3组织管理模式海上欠平衡作业目前已经形成一定的模式，以钻井船为例。如图“表2-2”为现场作业简单一个组织表表2-22.2海上欠平衡钻井进展为解决目前海上欠平衡钻井所存在的障碍和问题，各大石油公司广泛合作，优化施工设计，应用最新型的定向井工具等井下作业工作，各种设备模块化，一体化，各种资源整合，大大降低了成本和提高了作业效率。2.2.1井下工具得到不断开发和改进在新的井下工具开发之前，欠平衡钻井其实不是完全意义上的欠平衡，随后斯伦贝谢随钻测井等定向工具，边钻边获取底层参数，并且利用钻进参数来调整钻头方向，从而实现了从储层物性向异性测井技术发展的趋势，井下仪器智能发展，从而大大降低了井下作业风险。2.2.2欠平衡钻井装备与钻井平台或工作船一体化针对不同的钻井平台，所有设备,环境，人员资质，服务商和合作伙伴等不同，为了避免对作业人员进行专门的重复培训，欠平衡钻井设备一次次的改造和安装、调试，导致前期准备工作量大，生产成本高。近年来，适应于欠平衡钻井的海上钻井船都已经应用于实践，取得了良好的应用效果。第三章海上欠平衡钻井液技术在垦利油田的应用3.1钻井现场的应用以渤海垦利油田为例，来整体评价欠平衡钻井液体系在现场的实际应用，以采油平台模块钻机为例，阐述整个欠平衡钻井整个钻井工艺中的应用3.1.1海上隔水导管钻井液应用1）钻井液体系：海水/膨润土浆2）钻井液配制：材料建议加量：表3-1现场维护措施：海水开路钻进，每柱扫稠膨润土浆10-15m3，清洁井眼。钻进至设计深度替入30m3稠膨润土浆清扫井眼，循环至稠膨润土浆返出井口后，倒划眼短起，下钻至井底，替入30m3稠膨润土浆清扫井眼，起钻前井底垫100m3稠膨润土浆。3.1.2海上一开井眼钻井液概述现场维护措施：1）钻井液体系：海水膨润土浆/海水聚合物2）钻井液配制：材料建议海水聚合物体系材料建议加量：表3-3维护措施全井段（大井眼）注意携带，合理使用筛布；大井眼钻进，环空返速较低，建议提高泵排量至上限；循环处理量大。海水聚合物钻井液性能指标：表3-4维护措施：闭路钻进期间维持粘度28-32s，维持pH值在9-11，通过扫稠浆或补充膨润土稠浆来维持膨润土浆的粘度和切力；钻进中完井深前300m左右，转化钻井液为聚合物体系，调整钻井液性能满足粘度40-45s左右，控制钻井液失水小于8mL；钻进期间利用PF-VIF和PF-FLOHT，控制失水，提高泥饼质量，用PF-VIF配合PF-XC-H调节切力；短起前替入20m³聚合物稠浆清扫井眼，并且循环至振动筛处返出干净，短起下至井底替入20m3聚合物稠浆携砂，起钻前井底垫200m3.1.3二开井眼钻井液概述1）钻井液体系：海水膨润土浆/改进型PEC2）钻井液配制：护胶胶液配方：表3-5改进型PEC胶液东营/沙河街材料建议加量：表3-8备注：转化之后，维护胶液中PF-VIF加入情况视流变性灵活调整，后期作为流型调节剂使用。现场维护措施注意钻井液承压防漏能力的维护；充分利用固控设备，清除有害固相；确保钻井液润滑性；加强体系的造壁性和封堵性能；合理控制钻井液密度；钻遇断层，注意防漏。钻井液性能指标：表3-9现场维护措施：闭路钻进期间维持海水膨润土浆粘度30-35s，维持pH值在9-11，通过扫稠浆或补充膨润土稠浆来维持膨润土浆的粘度和切力；转化前建议每台振动筛筛布目数调整为50*2+84*2防止跑浆；补充维护胶液逐渐提高泥浆中PF-LSF和PF-LPF(H)的含量，并将其含量维持在1.0%以上，钻进期间同时可加入PF-SZDL提高钻井液封堵能力，预防馆陶组砂砾岩渗漏；钻遇断层前提前加入PF-SEAL、PF-SZDL等随钻堵漏材料，预防漏失；进入东营组地层前(垂深1687m左右)，密度提至1.34g/cm3左右，建议工程上进行短起下拉顺上部井壁，短起前循环期间加入KCl至井浆含量1.5%以上，循环均匀后进行短起下，短起下到底，若粘切上涨较快，尽可能的利用短起下钻这段时间将沉砂池清理一下，置换部分井浆，降低有害固相含量。恢复钻进后逐步提高井浆中KCL含量至3%-5%，提高PF-JLXC含量2%以上，增强钻井液防塌抑制性；进入东营组地层后利用PF-PAC-LV、PF-TEMP、PF-SMPC复配降低失水至4mL以下；进入沙河街地层前，密度提至1.35g/cm3，KCL含量维持在5%-7%。作业期间可使用PF-SZDL和HTC复配，提高钻井液承压封堵性，同时提高沥青类封堵剂含量；钻井液密度随着垂深增加与钻井监督协商，逐步提高，钻进期间尽量走设计下限，完钻后提至设计上限；通过加入PF-GRA、PF-GREENLUBE和RT-101保持整体井浆的润滑性，视滑动钻进的情况少量多次加入PF-BLAB加强润滑性；充分利用固控设备，降低有害固相，维护良好的流态和良好的泥饼质量；长起下套管前，降低井浆中有害固相含量，调整钻井液流变性至合适范围，井底垫适量高润滑封闭浆，其余裸眼段替入1%PF-GRA，1%PF-BLAB及3%的PF-GREENLUBE，并视井况需要加入1%RT-101；全井段使用重晶石加重，现场需备足加重材料；现场实际性能控制应以驻井工程师保证井下安全为准（有特殊或复杂情况时驻井工程师须及时汇报）。3.1.4三开井眼钻井液概述1）钻井液体系：PEM体系2）钻井液配制：PEM钻井液体系各材料建议加量：表3-10现场维护措施全井段注意携带；进一步加强体系的造壁性和封堵性能，提高井壁的承压能力；确保良好的钻井液润滑性；保证钻井液的强抑制性能。PEM体系性能指标：表3-11现场维护措施：更换较粗一点的筛布（85*4*3），防止顶替钻井液后跑浆，在钻井液循环均匀剪切稀释后，更换较为细密的筛布（105*4*3）；尽可能使用固控设备降低无用固相；利用PF-TEMP、PF-SMPC以及PF-PAC-LV控制钻井液失水在4ml以下；使用PF-VIF和PF-XC-H复配，调节钻井液流变性，保证携砂；保持PF-LSF和PF-LPF（H）含量以改善泥饼质量，提高对微裂缝封堵能力，同时加入HTC提高钻井液承压封堵能力；钻进过程中，维持井浆中KCl含量在5%以上，并向井浆中加入3%的PF-JLXC，增强钻井液防塌抑制性；钻进期间，补充PF-GREENLUBE维持钻井液润滑性，如扭矩过大，考虑使用至少1%RT-101增强钻井液润滑性；控制体系的MBT值在较低水平，确保钻井液的流态；完钻短起下至井底，循环干净，起钻前，环空井浆中加入1%PF-BLAB、2%PF-GREENLUBE，裸眼段垫入高润滑高封堵性封闭浆；3.2储层保护措施针对油层保护要求以及现场施工特点，钻井液工程在施工中采取如下措施：充分利用平台固控设备，除去钻井液中有害固相,减少固相损害储层。进入目的层前，调整好钻井液性能，并加足低渗透处理剂PF-LPF(H)，保护好储层。降低钻井液滤失量和固相含量，控制好API滤失量≤5ml。油气层井段发生漏失时，不能使用永久性堵漏材料进行堵漏。3.3欠平衡钻井液技术现场应用要求3.3.1井控装置在欠平很钻井时，对井控设备的要求较高，又要做到钻井顺利进行，同时对井口施压，使地层流体有控制地进入井内并循环出井。井控设备是保证欠平衡钻井的主要设备。“图3-1”为三开井控装置图。试压标准:表3-12内容试压标准持续时间压降标准套管试压要求表3-13第四章欠平衡钻井技术在渤海601井的现场应用4.1工程概况渤海601井是一口评价井，完钻层位为寒武系，岩层以石灰岩为主，由于储层裂缝比较多，所以在四开采取欠平衡技术为了就是防止井漏及储层污染。4.2工程设计及施工实况(1)井身结构设计及施工实况(2)欠平衡方式及井口装置欠平衡钻井通过边喷边钻法来实现。井口装置（由下而上）为：套管头＋钻井四通+3.5”半封（FZ35—70）+全封+5”半封双闸板（2FZ35—70）+环形防喷器+(3)钻井液设计及施工设计井深为4312～4800m，实际完钻井深为5007m,采用降密度优质聚磺聚合醇钻井液，钻井液密度为1.1g／cm3当量循环密度为1.145g／cm3。(4)欠平衡钻井循环流程欠平衡钻井液循环流程如图1所示，其循环流程为：泥浆泵→地面立管管汇→立管→钻具→环空→钻井四通→节流管汇→液气分离器→振动筛→泥浆循环池→泥浆泵。如图图4-1图4-1欠平衡钻井液循环流程示意图(5)完井基本数据完钻井深为5007米，采取裸眼完井方法。4.3海上欠平衡钻井对健康安全环保要求4.3.1QHSE基本要求要求参加作业的人员登平台必须持有“五小证”、“健康证”，关键岗位的人员必须持有“井控证”，特殊工种需持有“相关岗位证”，要求平台安全监督切实履行安全监督、检查职责。按照钻井工程设计组织实施钻井作业。严格按照《中海石油（中国）有限公司天津分公司健康安全环保管理体系》、《中海石油（中国）有限公司天津分公司钻完井管理体系》、《中华人民共和国海洋环境保护法》、《海洋钻井手册》以及工程技术作业中心的有关规定执行，以保护海洋环境、保障人体健康、确保钻井作业的顺利进行。加强作业人员的安全、环保意识。作业前召开安全、环保会议，明确各施工单位的安全、环保责任，制定相应的安全环保措施。作业者和承包商的管理人员和相关岗位人员熟悉溢油应急计划。4.3.2预防卡钻的措施严守岗位责任制，避免人为卡钻。司钻接班时应了解钻具组合、钻井液性能及井下情况。要定期检查井口工具，防止落物造成卡钻事故。钻进时注意泵压、悬重、排量、扭矩的变化，随时掌握井下情况，接立柱时注意悬重及静摩阻是否正常。接立柱时，动作要迅速，避免钻具在井内静止时间过长而造成卡钻，循环时应转动并上下活动钻具。倒划眼控制速度，密切注意扭矩、泵压变化，遇到异常及时降低泵速至15～30SPM并下放活动钻具，直到各参数正常再降低上提速度继续倒划眼。根据倒划眼参数变化进行循环清洗井眼。第一次起钻遇卡不得超过15吨，下钻遇阻不超过10吨。4.3.3预防和处理井漏的措施平台上准备充足的堵漏材料。在钻至易井漏（断层和渗透性砂岩）的地层之前，钻井液中加入单封等堵漏材料，降低井漏的几率。开泵时要缓慢开泵，返出正常后再逐渐将泵冲开至正常。起下钻遇阻卡需要划眼（或倒划眼）时，应先向反方向活动钻具至少一个单根后，方可缓慢开泵，开启顶驱。下钻时，如果裸眼段较长或钻井液静止时间较长，中途应分段循环钻井液。控制裸眼井段的下钻速度，防止发生压力激动而蹩漏地层。在装钻头水眼时应考虑到堵漏材料的尺寸大小。控制合理的钻井液性能，在满足井下安全的前提下使用较低的钻井液密度。4.3.4井塌处理1）保持连续活动钻具和循环，防止井塌卡钻；2）提高钻井液黏度和切力，增强携砂能力；3）分次替入适量高黏度钻井液循环携带塌块；4）因钻井液密度偏低导致的井塌，应逐步加重钻井液密度，使钻井液液柱压力与地层坍塌压力平衡，同时应考虑钻井液的封堵能力；5）因泥页岩吸水膨胀造成井塌，则应提高钻井液的抑制、封堵性能，提高泥饼质量，降低失水；6）因钻井液与地层活度不平衡造成井壁失稳，应调整钻井液活度，维持与地层的活度平衡；7）划眼处理井塌时，应采用低转速、适当排量，分段划眼和循环；8）处理井塌的钻具组合应尽量简化钻具，使用不带水眼的牙轮钻头。4.3.5欠平衡钻进欠平衡钻至斜深4354m时，气体含量升高，最高达到百分之三十，走循环点火路线，点火成功，压升至4.5MPa，泵压下降，井涌，由于随钻气量大，保持立压不变进行排气，为控制套压，使井底欠压值不变，控制套压在1～2MPa，钻井液密度比重保持在1.07～1.08g／cm3。历经4小时后火炬火熄灭，第二次点燃火炬时，钻头深度为4382m，20分钟后；钻至钻头深度4391m时第三次点燃火炬，25分钟以后；钻至4399m时，第四次点燃火炬，在整改钻井过程中共有12次点火，直到欠平衡钻进至完钻井深5007m。4.3.6欠平衡施工效果该井实际实现欠平衡段从4314m到5007m，共长长693m，平均机械钻速2.24m／h．四开从4314m到4862m，一共有12次点火成功，连续点火最长时间为4小时，测试产油量和产气量分别为86.2t／d和47440m3／d。第五章结论1、欠平衡钻井有独特技术优点，从目前使用情况来看，在一些特殊油气藏开发过程中，如低渗透砂岩、裂缝及溶洞、渗透微裂缝等油气藏以及过压实硬地层等；与常规钻井相比可以大大减轻储层的污染。2、欠平衡钻井相对于常规钻井工艺，最重要的特点是能保护油层，减少油层污染；提高产量；由于是欠平衡；所以可以有效降低井漏、减少粘卡；大大缩短钻井周期、有很好的降本增效等优点。3、欠平衡钻进过程中，为了防止井底负压差增大，通过调节节流阀保持立压不变，从而控制井底负压差不变，这样可以大大降低井控风险。4、海上欠平衡钻井最新进展包括开发和现在应用国内外先进的井下随钻测井工具、优化作业设计，重视油藏分析与研究，钻井平台设备的整体化，智能化，一体化等发展