欠平衡鉆井技術(shù)發(fā)展

1.國(guó)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(cè)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(jì)、特殊工具等方面。國(guó)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(shí)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(guó)已將其列為21世紀(jì)急需的鉆井技術(shù)。

國(guó)外已經(jīng)實(shí)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(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。

2.中國(guó)主要鉆井技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況

中國(guó)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(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(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)，在中國(guó)國(guó)內(nèi)產(chǎn)生了良好的影響。

隨著中國(guó)欠平衡技術(shù)認(rèn)識(shí)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(guó)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)全過程欠平衡將成為今后中國(guó)各油田發(fā)展的目標(biāo)。

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(shí)，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(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0.7～0.9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(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。

欠平衡鉆井是20世紀(jì)90年代在國(guó)際上成熟并迅速發(fā)展的一項(xiàng)鉆井的新技術(shù)。在美國(guó)，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(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。

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(zhǎng)的勢(shì)頭。其原因主要是人們對(duì)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(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。

到2006年末，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)狻⒐I(yè)廢氣、空氣、氮?dú)夂涂諝獾幕旌蠚狻⑻烊粴夂涂招牟Ａ蚨甲鳛闇p輕劑或發(fā)泡劑。

美國(guó)鉆井承包商協(xié)會(huì)欠平衡作業(yè)委員會(huì)（以下稱欠平衡作業(yè)委員會(huì)）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(huì)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(shí)，委員會(huì)的其他成員正致力于HSE和鉆井培訓(xùn)。委員會(huì)的一個(gè)分會(huì)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(huì)的風(fēng)險(xiǎn)油井分類體系共為6級(jí)，從0～5。每一級(jí)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(jí) 只提高鉆井效率，不涉及油氣層。

⑵ 1級(jí) 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(xiǎn)較低。

⑶ 2級(jí) 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(shí)可以采用常規(guī)壓井方法進(jìn)行處理。

⑷ 3級(jí) 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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

⑸ 4級(jí) 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(huì)立即導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

⑹ 5級(jí) 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(huì)立即導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

采用這套油井分類體系需要對(duì)油井設(shè)計(jì)進(jìn)行差異分析以確定所需設(shè)備的規(guī)范。委員會(huì)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(shí)別程序。

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(dòng)燃燒氣體系統(tǒng)，以下是國(guó)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(guó)外有好幾個(gè)廠家都有專利產(chǎn)品，其中美國(guó)Williams工具公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)防噴頭使用最多，壓力級(jí)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(yàn)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(rùn)滑裝置、遙控監(jiān)控臺(tái)和遙控防爆電源設(shè)備。旋轉(zhuǎn)控制頭總成殼體試驗(yàn)動(dòng)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(guó)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(jì)成一種金屬對(duì)金屬的葉片，采用非彈性體制成的正容積馬達(dá)，不會(huì)由于失速而使轉(zhuǎn)速過快。

③地面分離系統(tǒng)

2006年前后，國(guó)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(dòng)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(dòng)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(tái)下面的鉆桿與隔水管之間，鉆井液通過軟管回流井下。

⑤實(shí)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(gè)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(gè)3m長(zhǎng)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(shí)，要測(cè)量并記錄壓力、速度、氣含量、液含量和溫度，并實(shí)時(shí)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(shí)，通過與現(xiàn)有鉆井控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口，提供實(shí)時(shí)信息，還可與動(dòng)態(tài)多相流量模型接口，允許將實(shí)際參數(shù)與計(jì)算參數(shù)加以比較。 2100433B

符號(hào)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(zhǎng)鉆頭壽命

減少粘卡

提高地層評(píng)價(jià)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