欠平衡水平井钻井技术

欠平衡水平井钻井技术

1 前言

近年来，随着钻井技术水平的提高和应用范围的拓展，欠平衡钻井工艺和水平井钻井技术在国际石油钻井市场上得已迅速发展。众所周知，两种钻井技术在提高采收率、节约钻井成本和保护油气藏等方面各自具有显著的优势，许多石油公司、钻井公司及服务公司都在寻求降低勘探开发费用、提高经济效益的方法和途径，以降低钻井成本和提高采收率为目的欠平衡水平井钻井技术恰恰满足了这方面的要求。水平井钻井技术可以使井眼与油藏有更充分的接触，提高单井产量；欠平衡钻井技术能够有效地发现和保护油气层。这两项技术结合，将会更有利于发现和开发油气资源，已经成为当今钻井行业的研究热门。

水平钻井和完井技术是二十世界80年代和90年代早期发展最成功的一种技术。在水平钻井技术应用发展方面起巨大作用的一项关键技术是欠平衡钻井和完井技术，水平井欠平衡钻井是在钻井流体循环液柱压力低于地层孔隙压力状态下的钻井技术，也称有控状态下的“边喷边钻”工艺技术。这就意味着可渗透性地层在节流管线未开时有流体流入，且当节流管线一经关闭时，可能存在井口压力。

水平井欠平衡钻井技术已在美国、加拿大和德国得以推广应用，并且取得了显著的经济效益。在国内，由于测量手段和设备能力等因素的限制，在此之前该技术的现场应用尚不多见。

2 水平井欠平衡钻井技术的优势

用欠平衡钻井技术钻水平井(这里应正确选择许可条件和候选条件)的优势很多。

(1) 有利于保护和发现油气层、提高单井产量

欠平衡技术钻水平井的主要优势是减小或降低地层损害，获得更大的单井产量。在常规钻井或过平衡钻井中，由于损害地层的钻井液在水平井地层中存在时间比直井存在时间长，因此地层损害对水平井的影响比直井大。由于水平井的前半水平段与流体接触时间比后半水平段长，因而其地层损害也比后半水平段更为严重。另外，在水平井中裸露于钻井液中的地层比直井也多，因而钻井液对水平井地层的损害的影响比直井大。

如无大量钻井液完井液滤失渗入地层，则可避免严重的地层伤害，因此在特定地层采用欠平衡技术进行钻井和完井可防止由于流体侵入而产生的地层损伤。

(2) 提高机械钻速，延长钻头寿命，降低钻井成本

欠平衡钻井可提高大部分井（也包括水平井）的机械钻速，从而减少钻完总深度的时间。在渗透性岩层钻进时，当井底液柱压力从平衡变为欠平衡状态时，机械钻速最大可以提高三倍。

在非渗透性岩层和渗透性较低岩层钻进时，机械钻速依赖于绝对井底压力。因此流体密度越低，机械钻速越高。在这种岩层中钻进，采用欠平衡钻井所获机械钻速远远高于采用常规钻井的机械钻速。据测试数据得知，采用欠平衡钻井技术，其机械钻速至少是采用常规过平衡钻井的2倍。

(3) 使循环损耗减至最小

许多水平井通常是在可能发生循环损耗的压力衰竭油藏中进行的。在大多数情况下，真实的欠平衡条件所用泥浆密度低，可以减少或降低循环损耗，避免产生地层损害、流体负载或与井筒流体损失相关的其它问题。 循环损耗同样还会增加井控问题。欠平衡钻井可减少循环损耗，而且这也是在一些地区应用欠平衡技术的主要原因。

(4) 避免钻井液漏失和压差卡钻等事故

压差卡钻也是井筒压力衰竭的一个严重问题。当环空液静压力超过地层孔隙压力时，会产生压差卡钻。这种情况也可能发生在与可渗透性地层对应的层段，在该层段，泥饼是由钻井泥浆滤失形成的。

压差卡钻在水平井中非常严重，这是因为产生的压差在水平井的变化范围较大，而且在水平井眼中打捞难度也更大。在胶结的可渗透性地层采用平衡钻井可减少压差卡钻；在未胶结的可渗透性地层，在“欠平衡”或“轻微过平衡”的情况下，应用欠平衡技术和设备也可减少压差卡钻。

(5) 实现边钻井、边生产、边测试

为了让钻井操作人员进行连续的地层流体测试，用欠平衡技术钻水平井时允许地层流体流到地表。这样可获得被看成流体存在类型和油藏采收率的有价值的数据。同时，允许油藏流体流出有助于清洁岩屑。

3 水平井欠平衡钻井的实现

3.1 井眼清洁

井眼清洁在所有水平井钻井作业中都是一个重点问题。有效地净化井眼要求将流体粘度和足够的岩屑传输速度结合起来考虑。用液体或气体传输固体颗粒，多年来一直是人们很感兴趣的课题，而在水平井眼用两相钻井液有效清洁井眼所需的速度和密度也仍值得进一步研究。垂直井眼携岩的基本原理是，流体最小返速应当是极限颗粒沉降速度的2倍，在水平井中这一速度应比直井高2-4倍。实验研究表明，用泥浆钻井不转动管子时，在水平井中流体返速应保持0.9-1.2m/s才能防止发生井眼净化问题，直井只需0.3-0.6m/s的返速。空气钻井时，Angel的标准是规定直井空气返速达15.2m/s才足以传榆岩屑。从多个油田观察发现，实际所需的空气大约比Angel推荐的标准值多出25％，这相当标准条件下空气返速大约19m/s。Guo等人扩展了Angel的模型用于预测斜井钻井所需的最小空气流速。基于他们研究的公式和曲线，在一口造斜点1500m井深，弯曲半径为86m的井上，标准条件下最小空气速度将是43m/s。

Ikoka等人研究了直井钻井作业时所需的泡沫和雾化的流速问题。根据他们提出的曲线，从一口1500m深的直井中将φ12.5mm岩屑运送出来所需的空气和液体的最小环空返速应当是22m/s，气水比大约为200。钻屑越小要求的环空返速越低，同样气水比也低。基于这些数据，建议用泡沫或雾进行水平井眼钻井时要求的返速应在0.9-43m/s之间，取决于钻井液液体含量或泡沫质量，这是一个非常宽的范围。关于水平井混合流净化井眼问题至今仍缺乏详细的实验研究，这是一个需要更加关注而且有意义的研究领域。

用氮气混合流体进行欠平衡钻井时，钻井液的性能对井眼净化能力有重要影响。这是因为钻井液的性能即随混合流的粘度改变又随其密度变化。经验表明，用雾流钻欠平衡直井段时高氮气比是十分成功的，且所需返速也相当低。此外，持续钻井期间通常是数小时而非数天，尤其是水平井钻井时，允许正容积马达几乎无需更多润滑而直接下入井内。基于水平井现场经验，高性能的钻井液必然带来好的钻屑传输能力。在欠平衡油井钻井时，油藏流体进入到钻井液体系中，流量经常达15m3/s，提供有意义的液体性能，因此有助于提高环空携岩能力。比较起来，气流可能提供足够速度但缺乏足够的液相，有可能影响有效地井眼清洁。不能清洁井眼可能导致被迫过平衡钻井，随之而来的是一系列工程问题，卡钻和昂贵的打捞工作或者造成井漏。

在水平井段的钻进过程中，适当增加钻柱的横向和周向运动，刮除岩屑的返出证明靠提高返速与机械作用是可以克服井跟钻屑沉降问题的。

3.2 合理压差的确定

实施欠平衡钻井不但要有良好的井控装备，而且欠平衡压差大小的确定也十分关键，它直接影响欠平衡钻井的成败。

采取适当的欠平衡技术主要依赖于孔隙压力和潜在的井眼稳定性等数据，另外，还要仔细考虑其它因素。水平井欠平衡钻井合理压差确定的三个依据：①要根据不同类型油气藏的特点确定欠平衡压差的大小，若气油比高，则压差尽可能小，若气油比低，则压差可适当放大；②要根据地层压力系数和产液量的大小来确定，若产液量大，则压差应尽可能小；若产液量小，则压差可适当放大；③要考虑环空钻井液油气侵情况。合理的欠平衡压差应当保持钻进过程中井内液柱压力+井口控制压力略低于地层压力。

水平井欠平衡钻井合理压差确定的三个原则：①保持水平裸眼井段井壁稳定；②利于保护储层；③防止井喷。

(1) 保持井壁稳定的负压值

利用Bradley的理想线形弹性和各向同性岩石模式研究井壁周围的应力，并且利用该模式研究并壁坍塌和破坏机理[2]，得出井壁失稳主要有两种类型：井壁破裂和坍塌。而欠平衡钻井过程中主要表现为井壁坍塌。井壁坍塌主要是由于岩石的剪切破坏并伴有张性破坏所致。通常情况下，随着井眼角度的增加地层坍塌压力相应减小；并且随井深的增加，岩石坍塌的敏感性也增大。对于沉积盆地的层状岩石，并斜角在10°-40°之间为易破层面，最可能发生坍塌。另外，在构造应力区内，将井眼选定在适当的方位，使井眼沿最小地层应力的方向倾斜，会改善井眼的稳定性。

(2) 保护储层的极限压差确定

欠平衡钻井过程中，地层流体流人井筒时引起袖气层中微粒运移并堵塞地层喉道造成储层渗透率下降，该现象即为速敏。因此，控制合理的欠平衡井底负压值可以使地层流体的产出速度低于储层损害的临界速度，而该临界速度一般是从速敏实验中获得，于是速敏引起的油气层损害程度就成为确定合理欠平衡负压值的重要依据[3]。本文根据马1井株罗系储层岩心的速敏实验数据可以推断，牛102井水平段所钻保罗系西山窑组地层无临界速度。因此，该井速敏对储层的伤害可以不予考虑。 另外，如果油层产能较低，并且地层流体以液相原油为主，天然气含量低，那么，欠平衡钻井过程中环空当量密度随产出流体的增加变化较小，于是防止井喷的极限压差在该井上也不予考虑。

欠平衡作业的目的是维持环空钻井压力低于地层压力，重要的是实现连续而非时断时续的欠压作业。对于如何维持稳定的井底压力仍存在一些问题。

①必须避免由于压力激动而使液体和固相侵入储层对地层造成伤害。这些问题在气井中比在油井更加重要。油井压力激动钻达油层是很自然的，仅导致固相和自然的油层流体的侵入，对于气井则典型地导致固相和外部流体的侵人，而外来流体可能是地层难以相容的。稳定的井底压力固其减小了液体与地层侵入接触的程度将有助于保持欠平衡钻井，也有助于恢复所钻产层的渗透性。

②稳定的环空压力可以减少由于压力被动而引起的井眼不稳定和并发的环空缩径或卡钻。经验告知不可能理想化的不冲击地层，但应当尽可能维持相对稳定的环空压力。

③稳定的压力方式允许使用环空压力作为早期觉察井眼净化问题的诊断工具。Elsborg等人提供的连续油管欠平衡钻井作业数据举例说明了实际环空压力对诊断井眼净化情况方面的能力，而波动的压力会使这种诊断困难大大增加。

④欠平衡钻井的另一重要作用是具备钻开气层的条件的同时进行产层测试。连续稳定的环空压力可提供更可信的储藏侵人的迹象显示，因而允许评估继续钻井的价值。

3.3 流体钻井操作

欠平衡钻井作业包括的流体范围从100%的气体到100%的液体，并且所有流体(雾、泡沫、充气流体等)都在其中。结果，欠平衡作业提供了流体密度和孔隙度的完整范围。适合欠平衡钻井的流体密度范围从零至任一所需密度都趋向于依赖对流体的选择。

欠平衡钻井最普通的技术仅仅是由完成操作的流体类型限定的。这些技术包括液流(实时)操作、充气(或气体)流体操作、泡沫操作以及空气、气体和气雾操作。无论选择哪一类型流体都有其优势和局限性。这是一种最普遍的观念，但也有超出规则的问题。当某一系统具有弱点时，另一系统则会在该方面加强，但选择主要流体系统的标准仍依赖于流体产生的井底压力。

流体钻井操作是采用典型的纯液体循环的流体系统完成的。它可描述为开采目的层时的单一钻井。

流体钻井系统最大的优势是，它代表了一种为钻井人员所熟知的简单易行的普通系统。与操作分离设备的需求不同的是，流体钻井系统不需要专门的综合知识和流体控制。采用流体钻井系统使压力波动和源于环空的流体“液面上升”都减至最小。而且在利用液体钻井系统时需要操作者使用常规的泥浆-脉冲测量工具(MWD)。