欠平衡鉆井

常規(guī)的鉆井屬于過平衡鉆井，鉆井液壓力大于地層流體壓力，小于地層破裂壓力。這樣做主要是防止井噴。欠平衡鉆井時，鉆井液壓力略小于底層流體壓力，仍小于地層破裂壓力。這樣能及早發(fā)現(xiàn)油氣藏。

欠平衡鉆井系列分為：

①氣體鉆井，包括空氣、天然氣和氮?dú)忏@井，密度適用范圍0～0.02克/立方厘米；

②霧化鉆井，密度適用范圍0.02～0.07克/立方厘米；

③泡沫鉆井液鉆井，包括穩(wěn)定和不穩(wěn)定泡沫鉆井，密度適用范圍0.07～0.60克/立方厘米；

④充氣鉆井液鉆井，包括通過立管注氣和井下注氣兩種方式。井下注氣技術(shù)是通過寄生管、同心管、鉆柱和連續(xù)油管等在鉆進(jìn)的同時往井下的鉆井液中注空氣、天然氣、氮?dú)?。其密度適用范圍為0.7～0.9克/立方厘米，是應(yīng)用廣泛的一種欠平衡鉆井方法；

⑤水或鹵水鉆井液鉆井，密度適用范圍1～1.30克/立方厘米；

⑥油包水或水包油鉆井液鉆井，密度適用范圍為0.8～1.02克/立方厘米；

⑦常規(guī)鉆井液鉆井(采用密度減輕劑)，密度適用范圍大于0.9克/立方厘米；

⑧泥漿帽鉆井，國外稱之為浮動泥漿鉆井，用于鉆地層較深的高壓裂縫層或高含硫化氫的氣層。

欠平衡鉆井技術(shù)按工藝分類可分為兩種：流鉆(flow drilling)是指使用普通鉆井液的欠平衡鉆井；人工誘導(dǎo)欠平衡鉆井是指由于地層壓力太低，必須采用特殊的鉆井液和工藝才能建立欠平衡。

1.國外主要鉆井技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況

欠平衡鉆井作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)包括產(chǎn)生和保持欠平衡條件(有自然和人工誘導(dǎo)兩種基本方法)、井控技術(shù)、產(chǎn)出流體的地面處理和電磁隨鉆測量技術(shù)等。到2006年，欠平衡鉆井技術(shù)的進(jìn)展主要集中在井控、鉆井液、程序設(shè)計、特殊工具等方面。國外已經(jīng)能成熟運(yùn)用新一代欠平衡鉆井技術(shù)，即在鉆進(jìn)、接單根、換鉆頭、起下鉆等全部作業(yè)過程中始終保持井下循環(huán)系統(tǒng)中流體的靜水壓力小于目標(biāo)油氣層壓力，同時欠平衡鉆井技術(shù)也越來越多地與水平井多分支井及小井眼鉆井技術(shù)相結(jié)合，有效開發(fā)了一些新老油田，其應(yīng)用范圍日益廣泛，美國已將其列為21世紀(jì)急需的鉆井技術(shù)。

國外已經(jīng)實現(xiàn)了全過程的欠平衡鉆井、完井。欠平衡鉆井技術(shù)發(fā)展有如下幾個關(guān)鍵方向：鉆井模型分析；更有效的鉆井液；更有效的井底導(dǎo)向系統(tǒng)與馬達(dá)；有利于新的鉆井液的井控與地面分離系統(tǒng)；集成化趨勢。未來欠平衡鉆井技術(shù)將進(jìn)一步朝安全、簡便和適用的方向發(fā)展。這項技術(shù)對于保護(hù)油層和提高鉆井速度具有重要意義，將廣泛用于低壓低滲油田和老油田。

2.中國主要鉆井技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況

中國欠平衡鉆井技術(shù)自進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展較快。到2006年末，已采用該項技術(shù)完成60余口井，所用設(shè)備主要以引進(jìn)為主。新疆、中原、大港、勝利等油田引進(jìn)了一批設(shè)備，鉆成了一批欠平衡井，具有了一定的經(jīng)驗?！熬盼濉逼陂g大港油田針對前第三系深層勘探進(jìn)行了欠平衡鉆井完井技術(shù)綜合研究，在千米橋潛山和烏馬營潛山采用低密度無固相鉆井液體系實施了欠平衡鉆井工藝技術(shù)，完井采用射孔完成，成功的發(fā)現(xiàn)了千米橋潛山億噸級的凝析油氣田，揭示了烏馬營潛山儲油氣藏特征。截止到2006年，大港油田已經(jīng)先后引進(jìn)了三套主要欠平衡裝置，成立了專業(yè)化技術(shù)服務(wù)隊伍，從設(shè)備和經(jīng)驗上都具有了很好的基礎(chǔ)。在以液體為介質(zhì)進(jìn)行欠平衡鉆井施工上，從設(shè)計及施工人員的水平、欠平衡裝備、現(xiàn)場施工中井口回壓控制等技術(shù)上都取得了一定的成功經(jīng)驗，在中國國內(nèi)產(chǎn)生了良好的影響。

隨著中國欠平衡技術(shù)認(rèn)識的不斷加深，該技術(shù)開始逐漸被應(yīng)用于老油田的開發(fā)，今后欠平衡技術(shù)在中國的應(yīng)用范圍將逐漸擴(kuò)大，設(shè)備配套國產(chǎn)化的進(jìn)程將逐漸加快，實現(xiàn)全過程欠平衡將成為今后中國各油田發(fā)展的目標(biāo)。

美國鉆井承包商協(xié)會欠平衡作業(yè)委員會（以下稱欠平衡作業(yè)委員會）成立于1998年。從成立的那一天起，就為制定欠平衡鉆井的推薦做法編寫各種文件。委員會所制定的欠平衡油井分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為工程技術(shù)人員選擇合適的設(shè)備和相應(yīng)的方案鋪平了道路。與此同時，委員會的其他成員正致力于HSE和鉆井培訓(xùn)。委員會的一個分會起草了一份包括鉆機(jī)許可證等在內(nèi)的欠平衡鉆機(jī)作業(yè)培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)。

欠平衡作業(yè)委員會的風(fēng)險油井分類體系共為6級，從0～5。每一級下又分為A（低壓頭）和B（欠平衡鉆進(jìn)）兩類。具體分類情況如下：

⑴ 0級 只提高鉆井效率，不涉及油氣層。

⑵ 1級 油井靠自身壓力無法自流到井口。油井是穩(wěn)定的，從井控的角度來看風(fēng)險較低。

⑶ 2級 油井依靠自身壓力可以自流到地面，如果發(fā)生災(zāi)難性的設(shè)備失效時可以采用常規(guī)壓井方法進(jìn)行處理。

⑷ 3級 地?zé)峋划a(chǎn)油氣。最大關(guān)井壓力小于欠平衡設(shè)備的承壓能力。如果發(fā)生災(zāi)難性設(shè)備失效會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

⑸ 4級 有原油產(chǎn)出，最大關(guān)井壓力小于欠平衡設(shè)備的工作壓力。如果發(fā)生災(zāi)難性的設(shè)備失效會立即導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

⑹ 5級 最大注入壓力大于欠平衡作業(yè)壓力，但小于防噴器的最大承壓能力。災(zāi)難設(shè)備失效會立即導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

采用這套油井分類體系需要對油井設(shè)計進(jìn)行差異分析以確定所需設(shè)備的規(guī)范。委員會提出了欠平衡作業(yè)鉆機(jī)許可證認(rèn)證體系。這一體系主要滿足兩方面的需要：一是新雇員培訓(xùn)方案的核心部分；二是它提供了與這些核心部分緊密聯(lián)系的識別程序。

欠平衡鉆井是20世紀(jì)90年代在國際上成熟并迅速發(fā)展的一項鉆井的新技術(shù)。在美國，欠平衡鉆井被稱為上游石油工業(yè)新技術(shù)，已經(jīng)成為鉆井技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)，并越來越多地與水平井、多分支井及小井眼鉆井技術(shù)相結(jié)合。國外欠平衡鉆井技術(shù)主要集中在井控、鉆井液、程序設(shè)計、特殊工具等方面。

自20世紀(jì)80年代以來，由于研制成旋轉(zhuǎn)防噴頭、空氣鉆井馬達(dá)等設(shè)備，又研究出各種往井筒中注氮的方法，使欠平衡鉆井工藝達(dá)到了大規(guī)模投入工業(yè)使用的程度，并呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的勢頭。其原因主要是人們對減輕地層傷害越來越關(guān)注，而且欠平衡鉆井有可能提高鉆速和減少衰竭油藏中的井漏問題。到2006前后，在國外該項技術(shù)已成為一種成熟的鉆井工藝。一些油公司曾報道，與常規(guī)方法鉆水平井相比，運(yùn)用欠平衡鉆井技術(shù)使水平井產(chǎn)量提高了10倍。

到2006年末，已有20多個國家應(yīng)用欠平衡技術(shù)鉆井，技術(shù)先進(jìn)的國家包括美國、加拿大、英國、阿根廷、墨西哥等國。這些欠平衡技術(shù)先進(jìn)的國家，創(chuàng)造欠平衡條件采用的常用技術(shù)有：邊噴邊鉆；泥漿帽鉆井；立管氣體注入；環(huán)空氣體注入；連續(xù)油管鉆井。水、地層水、海水、淀粉水、柴油、原油都曾用做欠平衡鉆井的循環(huán)工作介質(zhì)。散裝或膜濾氮?dú)?、工業(yè)廢氣、空氣、氮?dú)夂涂諝獾幕旌蠚?、天然氣和空心玻璃球都作為減輕劑或發(fā)泡劑。

欠平衡鉆井所用的地面常規(guī)裝備有：氮或壓縮氣供應(yīng)裝置、容 積小且壓力大的注液泵、液-氣混合管匯、節(jié)流管匯、鉆屑或鉆井液取樣器、化學(xué)劑注射泵、采油分離系統(tǒng)和自動燃燒氣體系統(tǒng)，以下是國外目前比較先進(jìn)的專用裝備。

①高壓旋轉(zhuǎn)分流器-防噴器系統(tǒng)

又稱旋轉(zhuǎn)防噴器(BOP)。國外有好幾個廠家都有專利產(chǎn)品，其中美國Williams工具公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)防噴頭使用最多，壓力級別最為齊全。該公司供應(yīng)的高壓系統(tǒng)有7000型和7100型兩種：7000型的靜試驗壓力為21MPa，工作壓力為10.5MPa；7100型包括旋轉(zhuǎn)控制頭總成、熱傳遞-潤滑裝置、遙控監(jiān)控臺和遙控防爆電源設(shè)備。旋轉(zhuǎn)控制頭總成殼體試驗動壓力可達(dá)70MPa，靜壓力為35MPa，工作壓力為17.5MPa。

②液流導(dǎo)向系統(tǒng)

國外研制了一種電磁閥導(dǎo)向系統(tǒng)，可增加鉆深。馬達(dá)被設(shè)計成一種金屬對金屬的葉片，采用非彈性體制成的正容積馬達(dá)，不會由于失速而使轉(zhuǎn)速過快。

③地面分離系統(tǒng)

2006年前后，國外加強(qiáng)了地面分離系統(tǒng)研制，包括壓力額定值為35MPa的地面分離裝置、自動節(jié)流系統(tǒng)及各種分離器，這些設(shè)備可處理大量液體、巖屑和鉆井液。此外，有一種密封循環(huán)分離器，每天可處理566336立方米容量的液流；還有一種高效小型分離器，適用于近海地區(qū)。委內(nèi)瑞拉Mamdbo湖有一口近岸井，為了降低化學(xué)劑成本，首次使用密封循環(huán)地面分離系統(tǒng)，還使用配有全套連續(xù)油管的駁船和2000bbl（原油標(biāo)準(zhǔn)桶）容量的泡沫裝置。泡沫循環(huán)液密度降低到179.74～359.4千克/立方米，在分離后，泡沫可再循環(huán)使用，以降低配制化學(xué)劑和水的成本。

④隔水管帽(Riser Cap)旋轉(zhuǎn)防噴器系統(tǒng)

一種回流裝置，所用主要設(shè)備是旋轉(zhuǎn)控制頭，裝在水上隔水管頂部，可代替隔水管系統(tǒng)的滑動接頭、球形接頭和分流器。將高壓軟管接到旋轉(zhuǎn)控制頭雙流管出口端，可提高井控能力，防止鉆井液流失。高壓機(jī)械密封置裝于鉆臺下面的鉆桿與隔水管之間，鉆井液通過軟管回流井下。

⑤實用隔水管(Virtual Riser)裝置

該裝置包括旋轉(zhuǎn)控制頭、封隔器—鎖定總成和環(huán)形壓力控制—排放系統(tǒng)三大部件，其中封隔器—鎖定總成是一個經(jīng)改進(jìn)的直徑508mm可膨脹套管封隔器，起到控制頭及井口下面套管間的壓力密封作用。其元件是一個3m長的密封，置于660.40～914.40mm套管里面，用遙控船可遙控該封隔器。

⑥地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

欠平衡鉆井時，要測量并記錄壓力、速度、氣含量、液含量和溫度，并實時顯示這些數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)過平衡和井噴現(xiàn)象。該系統(tǒng)可在鉆井作業(yè)時，通過與現(xiàn)有鉆井控制與監(jiān)測系統(tǒng)接口，提供實時信息，還可與動態(tài)多相流量模型接口，允許將實際參數(shù)與計算參數(shù)加以比較。 2100433B

符號列表

第一章 欠平衡鉆井基礎(chǔ)

欠平衡鉆井的優(yōu)點(diǎn)

提高機(jī)械鉆速

減少漏失

延長鉆頭壽命

減少粘卡

提高地層評價效果

減少地層損害

更早的油氣產(chǎn)出

環(huán)境保護(hù)

欠平衡鉆井技術(shù)

空氣、氣體、霧化和不穩(wěn)定泡沫鉆井

穩(wěn)定泡沫鉆井

充氣鉆井2100433B