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欠平衡压力钻井技术一、欠平衡压力钻井的概念欠平衡压力钻井Under Balance Drilling （UBD ）是指在钻井过程中泥浆柱作用在井底的压力（包括泥浆柱的静液压力和循环压降），低于地层孔隙压力。
欠平衡压力钻井时,p b p p <，0<∆p 。
此时允许产层流体流入井内，并可将其循环到地面，地面可有效地控制。
UBD Pp ＞Pb = Ph + Pa + Pch二、国内外发展概况1、欠平衡压力钻井发展历史欠平衡压力钻井实际上是一种古老的钻井方式，直到1895年旋转钻井产生之前，绳索式顿钻钻井都是用欠平衡方式进行的，在当时技术条件下，利用欠平衡方式诱发井喷是发现油气藏的手段。
欠平衡-----井喷------油气藏从1895至1920这段时间里，旋转钻井是用清水作为循环流体的，为保证钻井安全和井眼清洁，1920年开始使用加有粘土和处理剂的混配钻井液体系，自此，超平衡压力钻井成为常规的钻井方式。
国外从30年代开始发展欠平衡压力钻井技术，当时用空气作为钻井液，钻速提高了2-3倍，同时还避免了许多井漏和卡钻事故。
70-80年代发展了泡沫技术，有效地解决了携岩问题，进一步推进了欠平衡压力钻井技术的发展，但由于成本和安全原因，这项技术在80年代停滞。
80年代末以来，由于专用设备和工具的配套，以及相应技术的发展，欠平衡压力钻井技术才又迅速发展起来。
欠平衡压力钻井技术以美国和加拿大应用为最多，技术和装备最先进，它们大都成立了欠平衡压力钻井服务公司；其次是英国、巴西、委内瑞拉、墨西哥等国也应用了欠平衡压力钻井技术。
我国从近几年也开始研究和应用欠平衡压力钻井技术。
2、国外情况欠平衡压力钻井技术是八十年代后期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。
目前美国欠平衡压力钻井的井数已达2500多口。
美国和加拿大具有：（1）先进的欠平衡钻井装备（2）专业技术服务公司（3）配套的欠平衡钻井技术加拿大欠平衡钻井数目图欠平衡压力钻井作为能提高油气产量的一项重要技术，已在世界20多个国家和地区4500多口井上应用。
欠平衡钻井技术一.欠平衡钻井的类型欠平衡钻井分为两种类型，即流钻和人工诱导欠平衡钻井。
流钻欠平衡钻井，就是用合适密度的钻井液（包括清水、混油钻井液、原油、柴油、添加空心固体材料钻井液等）进行的欠平衡钻井;而人工诱导欠平衡钻井，就是用充气钻井液、泡沫、雾、气体作为循环介质进行的欠平衡钻井。
一般而言，当地层压力当量密度大于或等于LlOg/cm3时，用流钻欠平衡钻井，否则可用人工诱导欠平衡钻井。
这两类方法不是绝对的，实际应用时应根据具体情况进行选择。
经过几十年的发展，目前已经发展了空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井液钻井、边喷边钻等多种欠平衡钻井技术。
1.气体钻井技术气体钻井技术是指采用空气、天然气、废气和氮气钻井，密度适用范围为0〜0.02g∕Cm3。
采用空气欠平衡钻井可较大地节约钻井材料费用。
采用氮气钻井，主要优点是氮气和烧气的混合物不易燃烧，可消除井下着火的可能性。
采用天然气钻井，天然气排放到大气时，会形成易燃的混合物，存在着火的潜在危险，对大气也有污染。
2 .雾化钻井技术雾化钻井技术的密度适用范围为0.002~0.040g∕cm3,气体体积为混合物体积的96.0%~99.9%。
在空气钻井过程中，如出现少量的地层水，通常做法是将空气钻井转变成雾化钻井。
雾化钻井的具体做法是，在压缩的空气流未注入钻柱之前，向其注入少量的含有起泡剂的水。
注入的这种液体与地层产出的水就会分散成不连续的液滴。
3 .泡沫钻井技术泡沫钻井技术的密度适用范围为0.04~0.60g∕cm3,井口加回压时可达到0.8g∕cm3以上，气体体积为混合物体积的55%~96%β泡沫用作钻井的循环流体，它具有静液柱压力低、漏失量小、携屑能力强、对油气层损害小等特点，适用于低压、易漏、水敏性地层。
欠平衡泡沫钻井技术是应用较为广泛的一项钻井技术。
4 .充气钻井液钻井技术充气钻井液钻井技术包括通过钻杆和井下注气两种方式。
石油天然气钻井井控操作规程1.1 井控设计1.1.1 地质设计书中应包含3.1.1内容。
1.1.2 根据物探资料以及本构造邻近井和邻构造的钻探情况，地质设计应提供全井段地层孔隙压力和地层破裂压力剖面（裂缝性碳酸盐岩地层可不作地层破裂压力曲线，但应提供邻近已钻井地层承压检验资料）、浅气层资料、油气水显示和复杂情况。
1.1.3 在已开发调整区钻井，要及时查清注水、注气（汽）井分布及注水、注气（汽）情况，提供分层动态压力数据。
钻开产层前应采取停注、泄压和停抽等措施，直到相应层位套管固井候凝完为止。
1.1.4 在可能含硫化氢等有毒有害气体的地区钻井，地质设计应对其层位、埋藏深度及含量进行预测，并在工程设计书中明确相应的安全和技术措施。
1.1.5 根据地质设计提供的资料，钻井液密度设计应以各裸眼井段中的最高地层孔隙压力当量钻井液密度值为基准，另加一个安全附加值。
a) 油井、水井的安全附加值为0.05g/cm3～0.10g/cm3或增加井底压差1.5MPa～3.5Mpa；b) 气井的安全附加值为0.07g/cm3～0.15g/cm3或增加井底压差3.0MPa～5.0MPa；c) 含硫油气井的安全附加值应取上限；d) 具体选择时，还应考虑下列影响因素：1)地层孔隙压力预测精度；2)油、气、水层的埋藏深度；3)预测油气水层的产能；4)地层流体中硫化氢含量；5)地应力和地层破裂压力；6)井控装置配套情况。
1.1.6 井身结构和套管设计应满足以下井控要求。
a) 同一裸眼井段内原则上不应有两个以上压力梯度差值过大的油气水层；b) 探井、超深井、复杂井的井身结构应充分估计不可预测因素，留有一层备用套管；c) 在地下矿产采掘区钻井，井筒与采掘坑道、矿井通道之间的距离不少于100m，表层或技术套管下深应封住开采层并超过开采段100m以上；d) 套管下深要考虑下部钻井最高钻井液密度和溢流关井时的井口安全关井余量；e) 含硫化氢、二氧化碳等有害气体和高压气井的油层套管，有害气体含量较高的复杂井技术套管，其材质和螺纹应符合相应的技术要求，且环空水泥应返至地面。
收稿日期:2000-03-13;修回日期:2000-08-04作者简介:何卫滨(1967-),男,1991年毕业于石油高等函授(华东)矿机专业,现在大港油田钻采院钻井工程设计室从事钻井工程设计。
电话:(022)25925321,25925320。
钻井工艺流体欠平衡钻井压力控制何卫滨(大港油田集团公司钻采院钻井设计室,天津大港300280) 摘 要:对欠平衡钻井中的压力即欠压值的控制进行了研究和探讨,并对控制方法的理论依据进行了论述。
认为在影响欠平衡钻井的钻井液静液柱压力、环空压耗、欠压值、井口回压、地层压力中,地层压力是首先要搞清楚的最基础的压力,最好先求出地层压力而不必急于进行欠平衡钻进,因为一切欠平衡的压力计算都是建立在这个基础压力之上的;再根据地层压力确定合理的欠压值,确定所用的钻井液密度。
以最优的钻井成本,能实现最容易和最安全的钻井施工来衡量欠压值选得是否合理。
举例介绍应用方法。
关键词:欠平衡钻井;地层压力;欠压值;钻井液;控制中图分类号:TE249 文献标识码:A 欠平衡钻井技术不仅能有效地保护好油气层,而且还能大幅度地提高机械钻速,缩短钻井周期,因此该项技术越来越多地被应用于油田的勘探和开发领域。
欠平衡钻井技术与常规钻井技术的不同之处,主要是在于它是允许地层流体进入井筒内,并且有控制地将进入井筒内的地层流体引到地面上来,从而保证油气层不受钻井液的损害。
欠平衡钻井中井内压力情况11常规钻井中钻进时井内压力情况P m +P a =(1.5～5MPa )+P P +P a(1)式中:P m —钻井液静液柱压力,MPa ;P P —地层压力,MPa ;P a —环空压耗,MPa 。
21常规钻井中静止时井内压力情况P m =(1.5～5MPa )+P P(2)由式(2)可看出,钻井液静液柱压力要比地层压力大115～5MPa ,有时考虑为维持井壁的稳定,钻井液的密度会更大,这就可能造成钻井液对产层的损害。
31欠平衡钻井中钻进时井内压力情况ΔP 欠=P P -(P m +P a )(3)式中:ΔP 欠—欠压值,MPa ;由于存在欠压值,所以在钻入产层后,地层流体就会进入井筒内,实现欠平衡钻井。
影响欠平衡钻井的压力11钻井液静液柱压力(P m )钻井液静液柱压力与钻井液密度有关;该压力直接作用在地层上,直接影响欠压值的大小。
但在地层流体进入环空后,由于环空为多相流体,环空的钻井液静液柱压力很难求出。
21环空压耗(P a )环空压耗是由于钻井液的流动而产生的,与钻井液性能和钻井参数有很大的关系。
该压力也是直接作用在地层上,其大小对欠压值有影响,尤其是在低压的地层中。
一般情况下可近似地认为P a ≈1MPa ,当地层流体进入环空后,由于环空为多相流体,使得P a 很难求出。
31欠压值(ΔP 欠)欠压值是由地层压力和钻井液静液柱压力以及环空压力所确定。
其大小直接影响地层流体进入井筒内的量的多少,其值过大,易造成产层的速敏和井口设备载荷过大或失控,造成重大的钻井故事。
根据大港油田的经验,一般将其确定在0.2～1MPa 之间,欠压值的大小因地层和油田的实际情况由设计者定出。
41井口回压(P 回)当地层流体不断进入井筒内,环空的静液柱压力不断下降,欠压值也急剧升高,如果不在井口控制・7・ 第24卷 第2期钻 采 工 艺 一定的回压,从而控制地层流体的流入量,将会给欠平衡钻井带来很大的危害。
井口回压与欠压值是一对伴生的关系,即由于存在欠压而产生井口回压,反过来井口回压又限制欠压值的大小。
井口回压一般确定在0～7MPa 的范围内。
当欠压值过小时,其井口也没有必要用回压控制(如乌深1井)。
51地层压力(P P )地层压力是在欠平衡钻井中首先要搞清楚的最基础的压力,一切欠平衡的压力计算,都建立在这个压力基础上。
对于开发井,地层压力较为清楚可直接采用;而对于勘探井,由于地层压力有许多不确定性,所以只能作为参考。
即在勘探井的欠平衡钻井中,先使用参考的地层压力,通过公式求出欠平衡的钻井液的密度,依据此密度钻进;当钻遇溢流和钻时加快时,要停止钻进,近似地求出地层压力,再根据所求的地层压力,调整钻井液参数。
由于欠平衡钻井所使用的钻具带有内防喷工具,所以地层压力可按下列步骤求出。
(1)关井、记录套压;(2)由记录中查出压井排量时的压耗;(3)开泵并将排量调整到压井时的排量,在此过程中用节流阀控制套压不变;(4)记下此时的泵出口压力;(5)停泵并关节流阀;(6)P S =泵出口压力-压井排量时的压耗;则有 P P =P S +9.81h γm(4)式中:P P —地层压力,MPa ;P S —循环压耗,MPa ;h —井深,km ;γm —钻井液密度,g/cm 3。
如何保证欠平衡钻井的欠压值11确定合理的欠压值欠平衡钻井是使环空中的压力略低于地层压力,只要能保证地层流体能进入钻井环空即可,不必追求过高的欠压值。
大港油田欠平衡钻井时欠压值一般取0.2～1MPa 。
另外,确定欠压值时,还应考虑使用钻井液的成本问题。
尽量选用成本低而又能满足所确定的欠压值的钻井液体系,过高的欠压值,可能会大幅增加钻井液成本和地面控制设备施工时的难度。
21确定欠平衡钻井时所用的钻井液密度当欠压值确定后,由式(3)反推出钻井液的密度:γm =P P -(P a +ΔP 欠)9.81h(5)式中:P P —地层压力,MPa ;P a —环空压耗,MPa ;其值约等于1MPa ;ΔP 欠—欠压值,MPa ;h —井深,km ;γm —欠平衡钻井液密度,g/cm 3。
31如何保证设计欠压值对于地层压力系数大于等于1100,且钻井方式选择流体欠平衡钻井,可以采用控制井口回压的方法来保证设计的欠压值与实际欠压值相等,其原理可通过如下公式推导证明。
根据设计的欠压值计算出实现欠平衡钻井所需要的钻井液密度,在地层流体未进入井筒时,立管压力如下:(1)在欠平衡钻井中,如果地层流体尚未进入井筒内时,那么立管压力:P 立=P 地面+P 管柱内+P a +P 嘴(6)式中:P 立—循环时的立管压力,MPa ;P 地面—地面管汇压耗,MPa ;P 管柱内—钻柱内压耗,MPa ;P 嘴—钻头喷嘴压耗,MPa ;在环空作用在地层上的压力只有P a 和P m 。
(2)当地层流体进入井筒内时,P a 和P m 将下降,从而引起ΔP 欠设增大,P s 下降。
此时的循环压耗:P 立欠=P 地面+P 管柱内+P a 欠+P 嘴-(P m -P m 欠)+P 回(7)此时:ΔP 欠实=P P -(P m 欠+P a 欠+P 回)(8)式中:P 立欠—欠平衡钻进时的立管压力,MPa ;P a 欠—欠平衡时环空的压耗,MPa ;P m 欠—欠平衡时环空静液柱压力,MPa ;P 回—欠平衡时井口施加的回压,MPa 。
由于P m 欠、P a 欠很难求出,所以只有采用调整井口回压来保证欠压值,即保证其他钻井参数不变。
令P 立=P 立欠则:P 地面+P 管柱内+P a +P 嘴=P 地面+P 管柱内+P a 欠-(P m -P m 欠)+P 嘴+P 回(8)由于地面管汇压耗、钻柱内的压耗和钻头喷嘴压耗没有因地层流体的侵入而改变,所以这些压力是相等的,通过简化式(8)即变成如下的等式:P a =P a 欠-(P m -P m 欠)+P 回・8・ 钻 采 工 艺2001年整理后便得出:P a+P m=P a欠+P m欠+P回(9)根据式(3)和式(8)就可推导出如下等式:ΔP欠设=ΔP欠实=PP-(P m+P a)=P P-(P m欠+P a欠+P回)(10)在式(10)中唯一能控制的只有P回,通过调节P回保证式(10)成立,即保证了欠平衡钻井时循环压耗等于欠平衡初始时的循环压耗,即可保证设计的欠压值等于实际的欠压值。
但随着井深增加,新的立压参考值应为原循环压耗参考值加上由于井深增加段内的压耗与环空压耗值。
41调整钻井液密度后如何保证欠压值欠平衡钻进过程中,如果套压急剧上升,现场施工人员需要及时判断井口套压升高的原因。
若因井下气体滑脱至井口引起的套压升高,可采用节流循环排气降压法,使套压降至安全套压范围。
如果采用节流循环排气降压法不能将套压维持在安全套压范围内,这说明地层压力比设计的地层压力大得多,造成实际的欠压值过大,给现场施工带来很大的危险,此时现场应采用前述的方法关井用式(4)求压,确定新的地层压力。
当新的地层压力求出后,由于此时环空已受侵, P m欠和P a欠难于求出,所以可在假设地层流体未进入井筒的基础上,用式(5)按设计的欠压值ΔP欠设计算出所需新的欠平衡钻井液的密度;但如何保证此时设计的欠压值等于实际的欠压值呢?根据上述原理可知,用调整井口回压的方法,保证P s=P s欠即可保证ΔP欠设=ΔP欠实。
但由于钻井液密度已经调整,此时的初始循环压耗不等于原钻井液密度下的初始循环压耗,如果采用调整井口回压的方法来保证原钻井液密度下的初始循环压耗,就不能保证ΔP欠设=ΔP欠实;所以求出新的钻井液密度下初始循环压耗。
由于所有压耗与钻井液密度是正比关系,现场施工时,可按式(11)近似求出:P立1 P立2∝kγm1γm2(11)式中:P立1—初始循环时立管压力,MPa;P立2—调整钻井液密度后循环时应保持的立管压力,MPa;γm1—初始欠平衡时钻井液密度,g/cm3;γm2—调整后欠平衡的钻井液密度,g/cm3;k—钻井液性能的影响系数。
由于目前大港油田在欠平衡钻井中使用的钻井液多为淡水钻井液,其性能对压耗的影响不大,近似地可认为k≈1,所以式(11)可变为:P立1P立2≈γm1γm2(12)式(12)只适用于淡水钻井液,否则就应考虑k 值的影响。
运用该公式近似地求出调整钻井液密度后应保持的立管压力,并用井口回压控制循环压耗始终等于该立管压力,从而保证实际欠压值等于设计的欠压值。
51举例说明某井准备在奥陶系实施流体欠平衡钻井工艺,地质设计中预测钻遇奥陶系时地层压力P P1= 41MPa;设计欠压值ΔP欠设=0.2MPa;环空压耗P a≈1MPa;根据式(5)求出欠平衡钻井液密度γm1= 1.01g/cm3;地层流体进入环空前初始立管压力P立1 =10MPa;钻进50m后钻遇高压地层,测压后地层压力P P2=53MPa;仍按原设计欠压值,环空压耗P a≈1MPa;仍按原设计欠压值ΔP欠设=0.2MPa;根据式(5)求出欠平衡钻井液密度γm2=1.17g/cm3;再根据式(12)求出调整钻井液密度后的初始立管压力P立2 =12MPa;即调整井口回压保证立管压力等于12MPa,就可保证012MPa的欠压值。
结 论(1)欠平衡钻井首先要清楚地层压力,而不必急于进行欠平衡钻进;求出地层压力后再计算所用钻井液密度是否满足设计的欠压值。
