欠平衡鉆井技術(shù)

1 緒論

1.1 編寫(xiě)目的

1.2 提速鉆井

1.3 控制環(huán)空壓力鉆井

1.4 欠平衡鉆井的定義

1.5 欠平衡鉆井的歷史

1.6 進(jìn)行欠平衡鉆井的原因

1.7 欠平衡鉆井與過(guò)平衡鉆井的對(duì)比

1.8 欠平衡鉆井的缺點(diǎn)和局限性

1.9 欠平衡鉆井分級(jí)體系

2 如何進(jìn)行欠平衡鉆井

2.1 數(shù)據(jù)收集

2.2 評(píng)價(jià)

2.3 欠平衡鉆井的可行性

3 詳細(xì)鉆井設(shè)計(jì)

3.1 循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 流動(dòng)模型

3.3 鉆柱及井下工具設(shè)計(jì)

3.4 設(shè)備選擇

3.5 井控策略

3.6 人員選擇

3.7 培訓(xùn)和資格

3.8 作業(yè)程序

3.9 欠平衡井的完井

3.10 井下作業(yè)

3.11 工藝流程圖

3.12 鉆機(jī)與工區(qū)布置

3.13 健康、安全和環(huán)境規(guī)劃

3.14 詳細(xì)成本估算

3.15 欠平衡鉆井方案

4 重要的欠平衡鉆井事件

附錄1 欠平衡鉆井服務(wù)公司

附錄2 常用縮寫(xiě)

參考文獻(xiàn)

一種替代方法是通過(guò)電纜將隨鉆測(cè)量工具回接至地面。這種技術(shù)在使用連續(xù)油管作鉆柱時(shí)曾得到成功應(yīng)用。如果使用鉆桿，可采用濕式連接法，但這需要花費(fèi)更多時(shí)間，這可能是一個(gè)限制因素。

鉆桿注入方式的另一個(gè)缺點(diǎn)是氣體會(huì)侵入井下橡膠密封件中。當(dāng)橡膠件中有氣體侵入，然后起鉆到地面時(shí)，容積式馬達(dá)特別容易失效。一旦起鉆完成，由于膨脹性氣體無(wú)法從定子中迅速釋放出來(lái)，橡膠部件可能爆炸或膨脹。這種作用（爆炸式減壓）不但毀壞馬達(dá)，還影響所有井下橡膠密封件，導(dǎo)致馬達(dá)的頻繁更換。這對(duì)于鉆井作業(yè)而言成本可能十分高昂。為解決這種膨脹問(wèn)題，已經(jīng)研發(fā)出專(zhuān)門(mén)的橡膠化合物，并不斷變更馬達(dá)設(shè)計(jì)。

大部分馬達(dá)供應(yīng)商現(xiàn)在都可以提供用于這種井下環(huán)境的特殊設(shè)計(jì)的容積式馬達(dá)。但是，如果采用鉆桿注入方式，根據(jù)操作要求考慮采用全金屬渦輪。在地面進(jìn)行鉆具卸扣時(shí)必須非常小心，以防鉆柱中存在任何高壓氣體。

3.1.10環(huán)空注入系統(tǒng)

通過(guò)同心套管柱進(jìn)行的環(huán)空注入方式常用于各種海上作業(yè)項(xiàng)目（圖3.12）。如果井內(nèi)安裝了合適的套管柱或完井油管，應(yīng)用這種方法就是值得的。對(duì)于一口新鉆井，應(yīng)在目的層上面安裝一根尾管。尾管通過(guò)一個(gè)改進(jìn)的油管懸掛器回接至地面，懸掛器的作用是承受回接管柱的重量。

氣體注入套管與尾管形成的環(huán)空可以實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)中所需的生產(chǎn)壓差。在最終完井之前起出回接管柱。對(duì)于較老的井，替代方法是在完井中使用氣舉偏心工作筒。在鉆井作業(yè)過(guò)程中，安裝這些設(shè)備可以提供合適的井底壓力。

這種作業(yè)的缺點(diǎn)是井眼尺寸和所需工具受到最小完井內(nèi)徑的限制。但是，通過(guò)環(huán)空將氣體注入系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：在接單根過(guò)程中可以繼續(xù)注入氣體，因此可以提供更加穩(wěn)定的井底壓力。

通過(guò)環(huán)空注氣只是將單相液體泵入鉆柱中。好處是常規(guī)的隨鉆測(cè)量工具可以在最佳環(huán)境下工作，這對(duì)項(xiàng)目的操作成本能夠帶來(lái)積極的影響。

然而，該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是必須有合適的套管／完井結(jié)構(gòu)，并且為了達(dá)到所需的欠平衡條件，注入點(diǎn)必須足夠低。

為安裝回接管柱和注氣系統(tǒng)，還可能需要對(duì)井口進(jìn)行一些修改。還必須要考慮需要鉆出較大的井眼以容納該系統(tǒng)，以及與環(huán)空注入相關(guān)的井控問(wèn)題。

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欠平衡鉆井技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)90年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì) 欠平衡鉆井技術(shù)是90年代在國(guó)際上成熟并迅速發(fā)展的一項(xiàng)鉆井新技術(shù)(圖3-1)。欠平衡鉆井又分為:氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井、淡水或鹵水鉆井液鉆井、常規(guī)鉆井液鉆井和泥漿帽鉆井。在美國(guó)，欠平衡鉆井技術(shù)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(lái)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(guó)外欠平衡鉆井技術(shù)主要集中在井控、鉆井液、程序設(shè)計(jì)、特殊工具等方面

圖3-1 世界采用欠平衡鉆井技術(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)

自80年代以來(lái)，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(zhǎng)的勢(shì)頭。其原因主要是人們對(duì)減輕地層傷害越來(lái)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(wèn)題。目前在國(guó)外該項(xiàng)技術(shù)已成為一種成熟的鉆井工藝。一些油公司曾報(bào)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。

目前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0~0.02g/cm³;②霧化鉆井，密度適用范圍0.02~0.07g/cm³;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O.07~0.60g/cm³;④充氣鉆井液鉆井，包括通過(guò)立管注氣和井下注氣兩種方式。井下注氣技術(shù)是通過(guò)寄生管、同心管、鉆柱和連續(xù)油管等在鉆進(jìn)的同時(shí)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~O.9g/cm³，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1~1.30g/cm³;⑥油包水或水包油鉆井液鉆井，密度適用范圍為0.8~1.02g/cm³;⑦常規(guī)鉆井液鉆井(采用密度減輕劑)，密度適用范圍大于O.9g/cm³;⑧泥漿帽鉆井，國(guó)外稱之為浮動(dòng)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(lèi)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。

現(xiàn)在已有20多個(gè)國(guó)家應(yīng)用欠平衡技術(shù)鉆井，技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家包括美國(guó)、加拿大、英國(guó)、阿根廷、墨西哥等國(guó)。這些欠平衡技術(shù)先進(jìn)的國(guó)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)空氣體注人;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(cè)量技術(shù)等。近年來(lái)，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(jì)、特殊工具等方面。國(guó)外目前已經(jīng)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(guò)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(shí)欠平衡鉆井技術(shù)也越來(lái)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(kāi)發(fā)了一些新老油田，其應(yīng)用范圍日益廣泛，美國(guó)已將其列為21世紀(jì)急需的鉆井技術(shù)。

國(guó)內(nèi)欠平衡鉆井技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快。國(guó)內(nèi)采用該項(xiàng)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(yàn)。"九五"期間大港油田針對(duì)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(yíng)潛山采用低密度無(wú)固相鉆井液體系實(shí)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(jí)的凝析油氣田，揭示了烏馬營(yíng)潛山儲(chǔ)油氣藏特征。截止到目前，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(zhuān)業(yè)化技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍，從設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)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(jì)及施工人員的水平、欠平衡裝備、現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)生了良好的影響。

隨著國(guó)內(nèi)欠平衡技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷加深，該技術(shù)開(kāi)始逐漸被應(yīng)用于老油田的開(kāi)發(fā)，今后欠平衡技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用范圍將逐漸擴(kuò)大，設(shè)備配套國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程將逐漸加快，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠平衡將成為今后國(guó)內(nèi)各油田發(fā)展的目標(biāo)。) r" A3 ]0 x2 m& b+ ~- Z t

欠平衡鉆井技術(shù)發(fā)展有如下幾個(gè)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(shì)。

未來(lái)欠平衡鉆井技術(shù)將進(jìn)一步朝安全、簡(jiǎn)便和適用的方向發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)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。

國(guó)外主要鉆井技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況

國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程的欠平衡鉆井、完井。

(1)欠平衡鉆井井控

'欠平衡作業(yè)中的井控可以通過(guò)鉆井液的流變性、循環(huán)控制裝備、節(jié)流器及地面分離系統(tǒng)來(lái)共同完成，最新的改進(jìn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

①額定5000 lb/in²靜壓力的旋轉(zhuǎn)控制接頭;

②完善的卸扣橡膠設(shè)計(jì)和組成;

③5000 lb/in²地面分離裝置

④自動(dòng)節(jié)流體系;

⑤能應(yīng)付大量產(chǎn)出液、鉆屑和鉆井液的地面分離系統(tǒng)

在加拿大，普遍采用能處理多達(dá)20X100000ft³/d氣體的密閉環(huán)型分離體系(敞開(kāi)環(huán)型體系經(jīng)常用于其他場(chǎng)合)。雙密封元件環(huán)空分流器及其控制系統(tǒng)已應(yīng)用于欠平衡鉆井中，旋轉(zhuǎn)式井口控制裝置是一種可以進(jìn)行欠平衡鉆井的特殊設(shè)備，工作壓力達(dá)到了2000 lb/in²，目前4部鉆機(jī)中就有一臺(tái)鉆機(jī)采用旋轉(zhuǎn)密封裝置。Shaffer公司研制的隨鉆壓力控制裝置將球面旋轉(zhuǎn)防噴器與液壓和電子儀器控制結(jié)合在一起，為欠平衡鉆井提供了實(shí)際的裝置。