欠平衡钻井技术

欠平衡钻井技术（精选6篇）

欠平衡钻井技术 第1篇

欠平衡钻井技术及应用

摘 要：欠平衡钻井是国际上90年代初再次兴起的提高勘探开发效益的钻井新技术。近几年我国来在油、气田勘探开发方面已进行了大量技术研究和现场试验，并取得了显著的成果。欠平衡钻井的相关理论和技术研究已经成为钻井工作者的一个研究热点。

第1章

欠平衡钻井相关理论

1.1 油气藏筛选理论

1.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏

1、具有潜在井漏或钻井液侵害的油气藏

这些油气藏包括晶间渗透率大于1μm2的地层；具有大的宏观开放型裂缝的地层；具有大量连通孔洞的非均质碳酸盐地层；可以导致过平衡压力大于6.9MPa的压力枯竭地层。过平衡钻井最坏的情况是高渗透性特点与严重的压力枯竭相结合。对于上面提到的这些油气藏来说，由于很难设计有效的过平衡钻井液体系，所以它们是欠平衡钻井的最佳选择对象。特别是在裂缝性或非均质碳酸盐油气藏，很难形成防止钻井液滤液和固相侵害地层的均质稳定滤饼，并且发生抽汲后，地层内的流体仍旧会不受约束的流入井眼。在这种情况下形成的滤饼，经常引起压差卡钻，最终导致毁灭性卡钻事故。在具有宏观渗透性特点的水平井中，由于重力引起的排泄，可能会发生井漏。

2、具有岩石-流体敏感性的地层

相当大的地层损害可能是由于不相溶水基滤液与地层粘土或其它活性材料的有害反应引起的。许多地层含有水活性粘土，如蒙脱石或混层活性粘土。这些粘土与非抑止性水基钻井液接触会发生膨胀，并严重影响采收率，而且在某些情况下，会影响近井眼区域固结。有些地层可能还含有悬浮粘土和细颗粒或可运移材料，如高岭石粘土，碎岩屑，焦沥青和无水石膏。这些问题中的许多情况可以通过欠平衡钻井技术或合理的采用油基或抑制性水基钻井液的过平衡钻井技术来解决。

3、具有液-液敏感性的地层

欠平衡钻井可以防止不相溶的钻井液滤液侵入地层，从而消除侵入滤液与地层盐水或原油发生有害反应。其中的一种有害反应是高粘水包油乳化剂钻井液被圈闭在近井眼区域。另外的有害反应包括：由于油基钻井液侵入油气藏原油引起脱沥，从而导致渗透率的降低；由于不相溶的水基钻井液滤液和地层盐水混合而导致地层胶合和固体物沉淀。正确的地质化学试验和相溶性试验可以消除大多数常规过平衡钻井过程中遇到的这种问题。然而，在特殊情况下，应首先采用欠平衡钻井来避免将具有潜在有害反应的材料引入地层。

4、具有潜在自吸能力的地层 由于有害的相对渗透率效应，近井眼区域的水或烃形成永久性圈闭，从而导致地层产量的降低。如果使用了错误的钻井液基液，欠平衡钻井会由于自然的对流自吸效应而使这一问题更加恶化。然而，合理设计的欠平衡钻井工艺可以成为一种减轻与钻井液保留和圈闭效应相关的潜在问题的有效途径。利用一种非湿性流体作为欠平衡钻井作业的基液，如果欠平衡钻井条件得以维持，那么就可以防止自吸和降低相圈闭的可能性。从而可以防止钻井液基液进入地层而直接产生驱替和圈闭。

5、油藏性质高度易变的地层

在油气藏渗透率、孔隙度或孔隙喉道尺寸的分布上呈现出很大差别的高度层状地层或大量沙岩或碳酸盐地层代表了设计有效过平衡钻井液体系的主要挑战。在这些情况下，为了获得预期的主要产量，通常设计的过平衡体系用来保护质量较好的那部分基岩。而这有可能对其它部分的潜在高产油气层造成严重损害。在其中的某些情况下，利用欠平衡钻井工艺可以从目标层段获得更加均匀的开采。

6、具有活跃的地下水并且对水锥进敏感的地层

在这样的地层如果采用过平衡钻井，那么钻井液会侵入地层，引起水锥进效应，并且在完井后的试油作业过程很容易向水层打开通道，给今后的开采带来麻烦。而欠平衡钻井，由于井底压力低于地层孔隙压力并且不需要试油作业，所以可以降低或避免以上问题的发生。

7、低钻速地层

对于某些硬地层来说，利用欠平衡钻井和利用过平衡钻井相比，机械钻速可以提高10倍，从而减少了钻井时间和相关费用。在有限的几种情况下，欠平衡钻井的主要目的是提高机械钻速而不是避免地层损害。2.1.2 不适合欠平衡钻井的地层

1、高压和高渗透率相结合地层

从地层损害观点看，虽然埋藏较深的高压，高渗透率地层代表了欠平衡钻井最具可能性的地层之一，但是在地面可能出现安全和井控问题。井底压力高于21.7MPa，特别是在气层中，更适合常规的旋转钻井设备和旋转控制头。在这种情况下，由于地面额定压力非常大，所以采用连续柔管钻井可能更合适。相反，如果需要的地面注入压力较高，那么蓄积在地面连续管柱中的大量压力流体也会带来不安全因素。

2、受压力约束的地层

通常,具有不同压力的多个产层的油气藏或在给定的目的层中存在明显的压力变化的油气藏，是不适合采用欠平衡钻井的。

3、常规地层

大多数地层可以从完美的欠平衡钻井设计和执行中受益，但欠平衡钻井比常规的过平衡钻井昂贵得多，并且存在一定的风险和问题。对常规地层来说，如渗透率低于0.5μm2的均匀晶间地层以及具有较低的岩石（流体和流体）流体敏感性的地层，设计合理的过平衡作业与价格昂贵、风险较大的欠平衡作业相比，可以产生相当的或更好的效果。2.1.3 油气藏筛选程序

对于直井或水平井的欠平衡钻井来说，筛选合理的油气藏是非常必要的。通过研究油气藏的构造图以及收集和分析相关的数据，可以描述出油气藏为均质油气藏还是非均质油气藏。需要提供和研究的油气藏数据参数包括油气比原油的API密度、平均孔隙度、平均渗透率、地层体积指数、压力、温度和含水量。另外，油气藏的构造资料、注水、注气以及原油粘度都在“区分油气藏特征”方面起着一定的作用。在油气藏筛选问题上，应该由一个有钻井工程师、油藏工程师、地质学家、地球物理学家、岩石物理学家、采油工程师、欠平衡钻井专家、安全专家、经济师等组成的多学科工作组来完成。多学科工作组在进行这项工作时，必须仔细考虑一个用于单个油气藏筛选的详细筛选程序。这个筛选程序为[8]：

1、用简单的欠平衡钻井技术能否完成这口井；

2、以我们现有的数据能否证明欠平衡钻井技术在此油气层中优于过平衡钻井技术；

3、用欠平衡钻井技术潜在的风险和事故；

4、该地层能否承受住压力降低而不坍塌；

5、欠平衡钻井技术与长期的油气层优选相比较费用是否划算；

6、多学科工作组是否对油气藏已经做了足够的研究工作；

7、初始油井设计是否能满足油气藏开发标准；

8、现有的井控设备能否满足预期的油气层条件。

第2章

欠平衡钻井关键技术

2.1 欠平衡钻井液技术

欠平衡钻井液技术是能否实现欠平衡钻井的关键技术，是实施欠平衡钻井的主要内容。采用流钻时不需要向钻井液中加入时密度降低的外加剂，也不需要由此而必备的的辅助设备和外围辅助设备，因而钻井成本较低。采用人工诱导方式产生欠平衡条件，有两种实现方法。第一种是直接用低密度的空气、雾化、泡沫等钻井液；另一种是往钻井液基液中注入一种或多种不凝气，以降低钻井液密度，实现欠平衡钻井的目的。采用这种方式，需要在在钻井液中加入减轻剂和使用减轻剂制备与充入设备，以及对返出钻井液进行处理的外围设备，钻井成本较高。2.1.1 选择欠平衡钻井液体系应考虑的问题

选择欠平衡钻井液十分重要，选择钻井液时要根据所钻欠平衡井的类型、井身结构、储层物性、孔隙压力等来综合考虑选择合适的欠平衡钻井液。还要考虑钻井液基液本身的物理性质，比如粘度效应低、无腐蚀性、毒性低等。

1、钻井液可实现的最低密度

于开发特定的储层，其孔隙压力基本是已知的，所以实现欠平衡过程中欠压值确定的情况下，所需要的钻井液密度就确定了。而对于探井实施欠平衡，由于目前还没有一种能准确预测 地层孔隙压力的方法，给出的地层孔隙压力只是个参考值，而欠平衡钻井的核心就是钻井液的液柱压力要低于地层孔隙压力，这就要求选择的欠平衡钻井液体系的密度在一定范围内可调，特别是可实现的最低密度要比给出的地层孔隙压力系数要低，已知实际地层压力系数低于预测的地层压力系数时，可以降低钻井液的密度，实现欠平衡。

2、钻井液稳定井壁的能力

实施欠平衡钻井的前提是井壁要稳定，开发井储层比较明确，技术套管可以下到储层的顶部，而探井储层不明确，而且可能勘探的还是多个层，加之地层的孔隙压力不是很准确，在实际实施过程中，能否真正实现欠平衡还不是很清楚。除非在确切知道所实施的欠平衡井段十分稳定的前提下，可以不考虑井壁的问题，否则，在含有大段泥岩地层实施欠平衡钻井，就要考虑欠平衡过程中的井壁稳定问题。

欠平衡井壁稳定的问题，实际上就是在确定了的负压差条件下，实现欠平衡时钻井液的液柱压力是否高于欠平衡段地层的坍塌压力，如果实现欠平衡时钻井液的液柱压力是高于欠平衡地层的坍塌压力，那么井壁就是稳定的；否则，井壁就要失稳，换句话说，这个层段就不合适实施欠平衡钻井。在液柱压力高于地层的坍塌压力条件下，就实现了井壁的力学稳定，而在欠平衡实施过程中，特别是在低渗透水润湿储层（气层）实施欠平衡钻井时，水基钻井液会因对流自吸作用而滤失到近井眼，也可能引起井壁的不稳定问题发生。所以在选择欠平衡钻井液时也要考虑化学稳定井壁的问题。

3、欠平衡钻井液的携屑能力

安全钻井的前提就是钻井液要把钻头所破碎的钻屑有效的携带出来，欠平衡钻井也是一样，而且欠平衡钻井的机械钻速相对较快，欠平衡钻井液的携带问题显的更为重要。有的地层很稳定，使用清水可以实施欠平衡，而且可以采用提高排量来满足携屑能力，又会产生钻井液冲刷井壁，引起井径扩大。所以这就要欠平衡钻井液要有较好的流变性，即要有较好的携屑能力，满足欠平衡钻井安全施工的需要。

4、欠平衡液与地层产出物的相容性

[22]

在欠平衡钻井作业中，如果确实达到欠平衡钻井条件，地层中的油、气、水等单一或其混合物将从地层流入井眼并与循环的钻井液接触。这样，就会对欠平衡钻井液产生稀释降粘或增粘等作用，所以在选择欠平衡钻井液的时候要充分考虑欠平衡钻井液与地层产出物的相容性问题。

而在有的井实施欠平衡作业时，使用的是乳化钻井液，特别是在实施油层欠平衡钻井作业时，如果没有选择好合适的乳化剂，储层的原油侵入井眼后会产生高黏度的稳定的乳化物，导致钻屑分散性差，钻屑积聚和卡钻。在选择表面活性剂时还应十分谨慎，防止当钻井液漏失到地层中引起地层润湿性发生变化。

另一个要防止的问题是钻井液滤液与地层水相互作用产生结垢和沉淀物，也就是钻井液与地层水不配伍的问题。如果是充气钻井，在注入气中含有CO2，CO2溶解在产出或循环液的油中，在高的井底压力下会产生沥青。

5、防腐问题

如果使用充气，盐水钻井液等来实施欠平衡作业，就存在腐蚀的可能性，若地层中产出的气体中含有H2S，腐蚀问题会更加严重，容易产生氢脆问题。这就需要对欠平衡钻井液进行评价，采取加入除氧剂、除H2S剂等，还要仔细分析评价游离气、溶解气和地层水等。

6、对流自吸作用

如果欠平衡钻井作业在低渗透水润湿的储层中进行，毛细管压力作用可能导致地层损害，即便是在连续的欠平衡条件下，因水基钻井液的对流自吸作用而使钻井液滤失到近井眼带。这一问题可通过在钻井过程中全面脱除液体介质或选择非润湿液作为基液来解决，如选择柴油，稳定的凝析油和植物油等。选择非润湿性流体作为基液，是减轻对流自吸作用把侵入损害降低到最低程度的唯一方法。

7、对测井和录井的影响

选择欠平衡钻井液时还要考虑钻井液对测井和录井是否有影响，在可能的情况下，选择的钻井液应对测井和录井无影响或影响达到最小。

8、钻井液的经济性和安全性

在考虑了以上选择欠平衡钻井液的因素外，还要充分考虑钻井液的成本及使用过程中的安全性问题。

2.2 欠平衡钻井井底压力控制技术

井底压力控制时欠平衡钻井成功的关键，如果井底压力控制不当，会造成过压钻井，导致油气层污染，从而降低油气产能，甚至引起井漏等井下复杂事故，影响整体勘探开发的效果。井底压力影响因素分析: 可能造成井底压力波动的因素有：①地层参数和井筒几何尺寸；②钻井液参数和注入气体类型；③泵排量和气体注入速度；④随钻气液产量；⑤地面控制程序（主要是节流阀开度）；⑥注气方式；⑦起下钻、接单根和修理设备等操作。

1、地层参数和井筒的几何尺寸

地层压力是欠平衡钻井过程中首先要搞清楚的最基本压力，一切欠平衡的压力计算建立在这个压力基础之上。其他地层参数，如坍塌压力、破碎压力、岩性、产层等参数是设计井底负压值和井口回压的重要依据。井筒的深度、井径和井身结构是计算环空静液柱压力、环空循环压力损耗的稳定参数。

2、钻井液参数和注入气体类型、方式

由于地面上对返出钻井液中的油气进行了充分的分离，因此钻井液性能对压力波动的影响很小，除非人为地对钻井液性能进行调整。注入气的类型影响，主要是指所注入气的性能参数，它影响了井底压力的计算，如果注入气溶于钻井液，会影响钻井液的性能。同样，注入方式不同，所产生的效果不同，主要反映在钻井液柱压力的大小上。

3、泵排量和气体注入速度 泵排量是主要影响因素，它的变化反映在泵压、套压得变化上。影响着Pm、Pf、Pacc、Pt的变化。在欠平衡钻井中，气体在井眼内占据的体积和相应的流动循环摩阻对井底压力的大小影响很大。前者使井底压力下降，后者使井底压力增加，二者相互影响、制约，又会影响地层流体进入井眼气体的流量，这说明在给定的欠平衡钻井条件下，环空气量降低井底压力存在一个极限值——最佳注气量。①钻井液排量一定时，井底压力随着环空气量的增加而下降，但有一个极限值②一般而言，排量越小，井底压力的下降幅度越大。③环空气量一定时，井越浅，井底压力降低幅度越大，说明浅气井的井控问题突出。

4、随钻气液产量

这是一个很难精确控制的因素，但却对井底压力有重要的影响，上文说到它是设计井底负压值和最大井口回压的主要依据，同时也是在钻进过程中调节井底负压值的参考依据之一。在钻进过程中可以调整，最简单的办法是根据地面产量的测量数据，考虑影响因素，根据产层渗流方程进行回归分析。

5、起下钻、接单根和修理设备等操作

在起下钻、接单根和修理设备操作时，循环被终止，此时，在不同欠平衡工况条件下，由于没有摩擦压力损失，井底压力都会发生不同程度的变化。

（1）接单根

接单根时，井底压力下降，井底负压值增大，产油气量增加，其产出量取决于井眼类型、产出率等因素。在较长裸眼段的水平井内，过多的产液量引起钻井液分离，从而在较低部位引起静液压力变化，可能导致过平衡状态或负压增加。重新循环时，摩擦压力作用于井底，因液流加速度而增加，可能会导致压力激增。特别是钻杆注气，井底压力波动较大。采用环空注气在接单根时，如果环空关闭，井筒上部钻井液出现分离；如果环空开放，由于产出液的渗入，液柱压力增加幅度不大。因此，可保持适度的连续气量注入以避免压力激增。与钻杆注气不同的是，环空注气时井底压力取决于上部液体及注气速度。

（2）起下钻速度

起下钻很难保持欠平衡状态，如果连续管钻井，可以通过钻杆注气的方式进行维护；如果是流钻条件钻井，则需要压井，此时井下将达到过平衡状态，应该用不压井起下钻工艺[24]；应用环空注气与不压井起下钻工艺结合，效果较理想，可以维持连续的欠平衡状态。同时起下钻作业会引起抽汲压力和激动压力，要严格控制速度，避免引起井底压力产生较大波动。另外，欠平衡钻井时，尽量缩短设备的修理时间。

欠平衡钻井技术 第2篇

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罗平亚

孟英峰

摘要 介绍了国外欠平衡钻井的发展与应用，以及目前存在的主要问题。在此基础上提出了低压欠平衡钻井技术系列，它是一套特殊工作液(气体、充气液、特殊泡沫、低密度液体)、特殊压力控制(平衡、欠平衡、过平衡)、低液柱压力与特殊屏蔽暂堵相结合的技术。

主题词 勘探钻井；低压钻井；欠平衡钻井 中图分类号 TE249.1 4.2 技术的应用现状与效果

利用低压钻井技术打开储层增产，70年代初在美国、欧洲、中东、前苏联等地就开始流行。但当时人们的注意力是高压、高渗、高产油气田，对低压、低渗、低产油气田不太重视，该技术并未受到特别关注。进入80年代，采用低压钻井技术打开产层，逐渐受到人们关注。

利用水平井技术提高油气田采收率是国际上80年代的先进技术，而国际上90年代再次发展起来的低压钻井技术一开始就紧密与水平井技术相结合，出现了低压钻井钻水平井的新技术，这项新技术广泛地应用于勘探和开发领域中。

水平井钻井过程中的储层伤害有其特殊性。一般垂直井储层井段的伤害上下比较均匀，伤害深度较浅；而水平井由于水平段钻进时间长，为维持井壁稳定而采用较高密度钻井液，造成了水平井根部（Heel Part）的长时间浸泡，此处地层伤害严重，整个井段的地层伤害呈锥形。恰恰伤害最严重的根部是对油井产量贡献最大的部位。一般而言，同样地层和施工条件下水平井的地层伤害要比垂直井严重许多。

为了更好地发挥水平井的增产作用，人们将低压钻井、欠平衡钻井等低伤害钻井方法与水平井技术结合使用。所做的数值模拟表明：若用无伤害的水平井技术打开产层而保持表皮系数为零，那么其它钻井方法的产层伤害造成的表皮系数增加将等效于水平井段有效段长的大幅度降低。比如伤害造成表皮系数为5时，实1000 m水平段只相当于无伤害的500 m段长，当然其产量要受到严重影响。如果能做到水平钻井不受伤害或少受伤害，则水平井的增产效果必定有大幅度提高。

比较早的典型实例是加拿大Weyburn油田的一系列实验结果。油田是1950年全部投入开发的，1974年开始注水开发。为了提高最终采收率，从1985年至今共钻了149口垂直加密井，平均产量每天5.3m3，总采出量为25.8%，属于裂缝—孔隙型储藏。为了提高采收率，1991年钻了三口水平井，平均日产8.3m3，增产效果不理想，分析结论为储层伤害所致。1993年钻第一口低压欠平衡水平井，水平段长363m；第二口水平井段长357m，平均日产25m3。1994年初钻一口侧钻水平井，段长659m，日产55m3。同年钻段长923m水平井，日产95m3。增产幅度越来越高，技术也日趋成熟。

现场试验的成功和实用技术的完善，大大刺激了欠平衡钻井的发展。仅在加拿大西部，每月完钻的欠平衡钻井数量直线上升。1993年以后进入迅速发展时期，最高曾月完井39口。泛加石油公司则根据实钻统计提出的“欠平衡水平井可以比常规直井增产10倍，比常规水平井增产6倍”的基本估计。

加拿大的低压水平井是以开发稠油、开发裂缝性储藏为特点，美国的低压水平井技术也是以开发裂缝性储藏为特点，同时在开发致密气资源上颇具特色。在储层压力上的共同特点是低压储层，近一两年欠平衡技术也开始延伸到常规压力和高压储层。

在美国的Austin Chalk储层，是裂缝—孔隙—溶洞型复杂储层，目前欠平衡钻水平井技术非常活跃，是世界上欠平衡钻井的活跃点之一。欧洲许多国家也开始试验欠平衡水平井技术。

致密气开发是美国的一大科技优势，美国有大量的泥盆纪页岩气藏和致密砂岩气藏，低压、低渗、严重水敏，常规钻井方法几乎不能获得工业性气流。用常

43规泥浆钻了上千口垂直井，平均产量0.84×10m／d。美国能源部组织研究项目，决定用空气／雾化／泡沫钻直井和水平井，以求获得产能；如果效果仍不好，则采用气体压裂、泡沫压裂、泡沫加砂压裂方法增产。用空气钻的垂直井产量提高了3倍，约2.5×104m3／d；用空气钻的水平井产量提高了约10倍，达到8.4×104 3m／d左右。因此，空气钻水平井成了页岩气藏开发的首选技术，而且配合氮气泡沫加砂的水平井多次压裂进行增产改造。进一步的研究还表明：无伤害地钻开井眼（如空气钻井）与普通钻开的井眼，采取相同措施进行增产改造后的效果也不相同，说明地层伤害也会影响到增产改造的成功实施。美国从事致密的低压低渗气开发已有20年历史，从阿巴拉契亚和圣胡安盆地，至落基山地区各主要含气盆地，最近扩展至德克萨斯和中陆地区，都有丰富的致密气资源；低压钻井技术、水平井技术、新型压裂等新勘探开发技术使致密气开发由不经济转为热点开发。美国目前有12200 口井开发致密气，占天然气生产井数的1／3以上，年产量达7×1010m3。

在美国，应用多侧向分枝水平井技术与低压欠平衡钻井相结合进行多层位开发，是很成功。美国Austin Chalk储层，就是采用这种联合技术，同时采用顶驱钻机、随钻长筛管、牺牲马达，进行边喷边钻、边漏边钻、边钻边完井，钻开一层投产一层，逐层向上移动。实践证明，这是该储层最合理的开采方式。4.3 技术改造的主要内容与途径

美国和加拿大在低压欠平衡技术的发展过程中起了主要作用。美国由于国力雄厚、基础工业发达，在低压钻井发展、应用及配套措施上做了很多工作。而加拿大由于丰富的非常规油资源和敢想敢干的精神，在欠平衡钻井方面起了开拓作用。

美国在70年代以前就已经投入了相当大的力量研究、发展低压钻井技术，由于该技术的高钻速、低成本，成为首选钻井方法。低压钻井技术成为美国钻井领域中必不可少的一个组成部分，当时主要是空气钻井、泡沫钻井和充气液钻井。全国低压钻井的承包、设备租赁、技术服务已成体系，在能够采用低压钻井（尤其是空气钻井）的场合就一定优先采用。在加拿大、欧洲，也是同样如此。

进入80年代之后，使其适应新形势的需要。首先采取了政策刺激、优惠税率等办法，激发非政府投资向难拿储量的开发和研究上倾斜，例如限制石油进口、调节油价、实行难拿储量税收豁免和优惠，如低产、三采、边远地区、稠油、致密气、煤层气等都有相应的优惠政策，对首次100万美元以上勘探开发投资予以20%免税，这些政策大大刺激了对难拿储量的勘探开发投资。同时美国能源部、内政部、GRI等拨出专款，进行全国性调查（资源调查和技术调查）、科技投入、新技术示范工程等。自1980年始至1996年，美国政府组织了95个提高采收率、拿难拿储量的技术示范工程，共投资25亿美元。此类项目一旦批准，政府便负担投资1／3，承办公司负担2／3。政府的这种组织和引导行动，对近几年美国石油技术的发展起到了不可忽视的作用。

下面简单介绍与低压欠平衡钻井相关的技术发展情况。

实验结果表明：用空气钻井钻水平井，确实大幅度提高了非常规油气资源的开发效率。为了彻底消除空气钻井对致密气藏、页岩气藏的伤害（由于空气雾化钻井中的水基雾滴和携带出的地层水的水膜等的吸水、水敏伤害，以及可能存在的粉尘伤害），能源部专门组织了反循环干空气钻井实验。反循环的目的是保证干空气在环空内，地层水和雾化液在钻杆内，压缩机将空气在地面干燥处理后再入井，保证不含水。钻井和产层评价中应用了井下电视；就地注氮气进行气测渗透率分析；适合于干井眼测井系列分析等实验。结论是干空气钻井对地层基本不存在伤害。美国能源部又组织了大型调查项目：空气钻井在美国钻垂直井和水平井的潜力。调查报告详细分析了空气钻井在美国的应用现状、存在问题及发展方向。

美国能源部Morgan研究所为协调单位，组织规划了全美大型示范工程项目—DCS计划，将储层伤害最小的钻井（Drilling）、完井（Completion）、增产（Stimulation）形成系统。这实质上是一个低压系列的钻井、完井、增产改造系统。钻井方法中，从对地层伤害由小到大、钻井成本由低到高，依次排列的实验技术为：气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气液钻井、欠平衡优质泥浆钻井；增产改造（酸化压裂）方法中，从对地层伤害由小到大依次排列为：气体（CO2、N2）加砂、氮气泡沫、氮气泡沫助排、烃基液、水基液。完井新方法中重点突出了层间隔离裸眼完井、可增产改造裸眼完井、洞穴改造完井等新方法。并在美国布署了24个实验区。

除了DCS计划外，围绕配套于低压钻井、低压低渗开发的完井问题，美国先后推出一些新的完井方法，如：直接裸眼完井、低密度泡沫水泥固井、泡沫砾石充填、管外封隔器裸眼完井、以及其它的特殊完井方法。但总体来看，完井方法仍然未能理想解决。

在与低压钻井配套的增产改造措施上，先后推出了泡沫酸、雾化酸、泡沫单井压裂及泡沫压裂整体改造，水平井分段裸眼压裂与酸化、水敏性致密气藏醇处理等技术。尤其是氮气泡沫加砂压裂，是对低渗透的一大贡献。极低失水和强封堵保护储层，使其特别适于低渗透油气藏，其产量比常规水基压裂提高2至4倍，最大压裂规模已至1000m3基液、140t砂。自1980年以来，美国平均每年泡沫酸化压裂1000口井次以上，平均每次处理增产250t。水平井分段裸眼压裂则是美国DOE组织的另一个示范工程项目，其产量提高是垂直井压裂的10倍左右。在配套的三采技术上，泡沫驱替、泡沫封堵、转向保护、泡沫调剖、泡沫热采、泡沫段塞改善气水锥进、人造气顶驱等技术先后实施，已经成为三采中的重要方向。但目前还不能说这类问题已经解决。

美国的煤层气开发中低压钻井起到了关键性作用。90%的煤层甲烷直井、水平井均是空气钻井所钻，这不单是由于降低成本的需要，更重要的是由于保护储层不受伤害的需要。煤层井钻完之后，普遍采用气体动力洞穴完井做为增产改造措施。美国DOE与AMOCO联合，还组织了向煤层注氮气，驱替和竞争吸附提高甲烷采收率。中国煤层气开发不成功，除了中国煤层的气饱和、特低渗以外，技术上没有空气钻井、没有气体动力洞穴完井，也是不利因素之一。

为了同气基流体的低压钻井技术相配套，美国能源部组织了一系列的技术攻关项目，以解决低压钻井技术中出现的新问题。典型的重要技术有如下内容。气基流体的井下动力钻具和导向工具：井下动力钻具有气基流体（气体、泡沫、充气液）涡轮钻具及配套减速器、螺杆钻具、水平井自推进冲击式钻具（井下气锤的改进产品）。气基流体的随钻测量：因流体含气，故常规MWD不能再用，进而发明了电磁MWD（EMMWD），用于轨迹测量和导航钻井，更简单的轨迹测量有缆式测量工具（CDT系统）。气基流体测井技术：因流体含气或纯气，有些测井方法失效（如声波、电阻率等），故形成了气基流体测井系列，但总体讲还不是十分完善。地面设备：发展的最重要地面设备是井口旋转头（RHCs，Rotary Head Control System）和高压注气系统。氮气发生器：为了井下和地面安全，将注入空气改为注入氮气，故产生了地面制氮系统，最常见的是空心纤维的膜分离装置。还有其它一些单项技术，此处不再一一列举。

在加拿大，则明显标志为欠平衡钻井钻水平井。1993年初Husky公司首次采用液氮为气源，钻了三口充气液水平井。第一口为泥浆充空气，但控制原油不使其流入井内，结果增产并不理想，分析原因仍是储层伤害所致。第二口则改变了方案，实现真正负压差，在泥浆中充氮气，允许原油大量涌入井内，形成了原油充氮气的充气液钻井，增产效果比同区常规水平井提高约三倍。对设备进行改造后钻了第三口井，不但原油充氮气，而且对返出流体进行地面分离，回收原油，效果很好。但液氮耗量惊人，每天达12万美元。因此，该公司委托加拿大Calgary大学火烧油层实验室，进行氮气与空气混合的充气液井下烧爆实验，找到了空气混60%氮气的阻燃比例。Husky公司以此为依据发展了混合气体的充气液钻水平井，液氮费用降至每天6万美元。此后，美、加多个公司竞相进行此类实验，终于在1994年出现了膜分离现场制氮设备和密闭地面循环系统。目前，该技术已经商业化，配套设备和技术有：井口旋转头控制系统、地面制氮系统、高压注气系统、地面分离系统、监测仪表系统、支持软件系统。该技术在美、加、欧洲正在被广泛采用。

在美国，该技术延伸发展，由低压充气液欠平衡，发展到了轻泥浆低压欠平衡，即用比储层压力系数低的轻泥浆钻开储层，实现欠平衡边喷边钻。在设备上去掉了高压注气系统和地面制氮系统，地面分离也多采用分级分离方法。注意，轻泥浆的低压欠平衡钻井只能用于常规压力或高压储层，不能用于低压、低渗等层位。在美国Austin，最高极限是用1.80密度的泥浆欠平衡钻开2.04压力系数的储层。

由于欠平衡钻井有对储层伤害小、直接的油气显示等优点，近年来，随着老井重入、老井加深、老井侧钻及小井眼技术的发展，柔性盘管钻机与充气液低压钻井方式相结合，以氮气为气源进行产层各种作业，在加拿大、美国发展非常迅速。在美国，更新的水平井技术也正进一步与低压钻井、欠平衡钻井相结合，以产生更有效的勘探开发手段。如：超长延伸水平井技术、地质导向水平井技术、重力辅助的蒸汽驱成对水平井技术、多侧向水平井技术等。人们为重力辅助蒸汽驱的成对水平井技术，研制了井间电磁MWD技术，这种方法可以很好地用于各种方式的低压钻井。多侧向分枝水平井技术，是一个多层位开发的新概念，该方法已经在美国的Austin Chalk储层与欠平衡钻井结合得以实施，效果很好。在严重水敏、严重吸水的低渗、特低渗油气层，用无伤害低压欠平衡钻井钻超长水平井、分枝水平井，代替常规水基压裂，是颇具吸引力的一项新技术。

在美国，低压钻井年进尺数至少占总年进尺数的30%，仅空气钻井一项就占16.7%（1992年美国能源部统计报告），有些区域低压钻井进尺数占总进尺数的90%左右。前苏联于1984年的统计，气基流体钻井进尺占年总进尺的18%。1993年在加拿大开始出现欠平衡钻井，仅在该技术出现的这年，加拿大就有200余口欠平衡的水平井完钻。1996年的统计结果显示：1994年美国、加拿大共完成低压欠平衡钻井976口，1995年达1210口，预计1997年增长率为15%，2000年增长率将达20%至30%。1996年统计，美国、加拿大已有25%的钻机经设备改造后具有钻低压欠平衡井的能力，预计最终将有30%至40%的钻机要进行这种改造。在15th WPC上有人预言：进行这种改造的钻机数最终将占50%～60%。无论哪一种预测成为现实，都将说明低压欠平衡钻井的确是勘探开发所需要的技术。4.4 国外欠平衡钻井中存在的问题

本文提出的低压欠平衡钻井是一个技术系列，它包括：气体钻井、雾化钻井、稳定泡沫钻井、不稳定泡沫钻井、保护储层的充气液钻井（欠平衡或平衡）、特殊泡沫钻井、保护储层的泥浆欠平衡钻井，是一套特殊工作液(气体、特殊充气体、特殊泡沫等)与特殊压力控制(平衡、欠平衡、过平衡)相结合的系列技术，是低液柱压力与屏蔽暂堵相结合的技术，压力控制关系可欠可过。当动态试井、了解产层、打开产层时可采用欠平衡，而当起下钻、完井、测井时可用过平衡，过平衡一定是要建立在微过平衡和特殊屏蔽暂堵技术的基础上。

“低压钻井”一词目前尚未得到国际公认，虽然有人用过低压头钻井(Low head drilling)，国际上一直沿用“欠平衡钻井”术语（UBD,Under—Balanced Drilling）。但欠平衡钻井的具体含义也是有些含混、不确切的。在90年代以前，有人按液柱压力对地层孔隙压力的关系将常规钻井分为过平衡、欠平衡和平衡压力钻井，这种分类方法并未涉及产层流体是否可控制地返到地面。与此同时，更多的人将“空气钻井、雾化钻井、充气液钻井、泡沫钻井”统称为欠平衡钻井；但实际上，只有空气钻井、雾化钻井属于实质上的欠平衡，而充气液钻井、泡沫钻井都是平衡钻井或微过平衡钻井。进入90年代初，欠平衡钻井的概念又有了新的意义。Mark E.Teel于1992年首次提出“真正的欠平衡”和“伪的欠平衡”的区别，认为真正的欠平衡是使地层流体源源不断流入井眼，可将其循环到地面并加以有效控制，这样的钻井技术称欠平衡钻井。但也有人将这种技术称之为Flowing Drilling（类似于70年代国内的边喷边钻）。加拿大能源储备部（ERCB）提出新的定义：钻井过程中使泥浆液柱压力低于产层压力，若钻井液密度不够低，则在钻井液内充入气体，允许地层流体进入井眼，并可将其循环至地面加以控制。在实际操作中，正常的边喷边钻已经可以实现，但在欠平衡条件下的测井，下套管或下尾管、完井或注水泥等，目前还难以实现。因此，更多的人倾向于采用平衡压力钻井（实际上是微过平衡），即调节液柱压力与地层孔隙压力相平衡（或略高一点），一般情况下要采用气基流体做钻井液，同时对钻井液加以改造使其具有较好的储层保护能力，这样既可以很好保护储层，又可以在钻井、完井过程中不使油气大量涌入井内。对这样一个系统的钻井技术，我们将其归纳为“保护储层的低压钻井技术”。这个系统技术的共同特点有三：一是“低压”特点，相对于常规钻井方法来讲其液柱压力都低，但其值或小于地层孔隙压力（欠平衡）或等于、略大于地层压力（平衡）；钻井流体或是泥浆（对正常压力梯度地层或高压地层），或是气基流体（对低压异常层）。第二个共同特点是设备上的共性，井口都采用旋转控制头（RCHs，Rotating Control Heads）和可控阻流管汇，而注气系统（气基流体用）和多相分离系统（边喷边钻用）则根据情况配用。第三个共同特点是技术的目的，这些技术的发展和采用，都是为了保护储层，进而提高勘探开发成功率，而这一点都是通过降低泥浆液柱压力来实现的。

但国际上目前最火热的乃是欠平衡钻井（充气液的或轻泥浆的）。

欠平衡钻井并非完全没有储层伤害，某些情况下还可能造成严重的储层伤害。欠平衡钻井中存在的储层伤害的详细讨论此处从略，但概括起来讲产生伤害的原因有设计原因、操作原因和本质原因。设计原因和操作原因可以通过认真的研究、控制得到改善，但本质原因是无法回避的。最严重的本质原因带来的伤害主要有正压差伤害、漏失性伤害和毛管现象伤害。正压差伤害的主要原因是由于封堵能力的丧失；漏失性伤害的主要原因是无法制止大中缝置换性漏失、溶洞漏失及喷漏同在等复杂性漏失；毛管现象伤害的主要原因是水基液体的失水性质和渗滤性质。要想减轻或回避这些伤害，必须有更新概念的欠平衡钻井方法。更关键的问题是钻井可以实现欠平衡，而起下钻、下套管注水泥、完井、测井等还不能实现欠平衡作业，因此也需要考虑新思路。

4.5 低压欠平衡钻井中待发展的技术改造重点 4.5.1 能够顺利地完成油气层井段钻井、完井作业

最重要的技术改造是要使低压钻井敢于面对油气层，可以安全、顺利地完成油气层段作业。而传统的低压钻井流体均为空气与液体的两相流，空气在井内与油、气混合极易产生井下燃烧与爆炸，造成钻具熔断、井口炸毁、甚至人员作伤亡。故而早期的观点认为低压钻井不能进入产层，而在进入产层之前转换为泥浆钻井或天然气钻井（如果有天然气源可用）。要使低压钻井敢于面对油气层，首先要解决井下燃爆问题。而解决该问题的唯一可靠方法是断氧，使用惰性气体下井。大量地使用高纯度惰性气体下井一般意味着很高费用，能否采用一定比例的空气和惰性气体下井阻燃？如何在现场方便经济地产生足够多的惰性气体？于是进行了模拟井下条件的燃爆实验。一是开口流动条件下井下实验，另一个是闭口静止条件下的井下实验。分别模拟了在钻井循环条件下和停止循环条件下的井下燃爆。对各种燃料（甲烷、天然气、原油蒸发气），氧含量的最低燃爆限为14%（气体钻井、泡沫钻井）和10%（充气液钻井）。因此，第一个技术改造是将空气气相经济方便地转换为惰性气相。4.5.2 具有良好的保护油气层的能力

如前所述，一般讲低压欠平衡钻井具有比常规钻井强得多的保护油气层的能力；但某些情况下仍可能产生某种程度的、甚至是很严重的储层伤害。尤其是前面所述由于“本质原因”带来的伤害，则必须在“非常规压力（低压）”、“非常规压力控制关系（平衡、欠平衡）”基础上，加以“非常规流体”予以解决。

气体钻井是一种非常规流体，对储层伤害最小，尤其适于低渗透、高水敏油气藏。但气体钻井对付复杂地层的能力差（如地层出水、井壁坍塌等），故其应用范围受限。

高干度稳定泡沫具有良好的综合特性，例如：

极低的液相（10%～30%，一般20%）； 泡沫结构和基液性质决定极小失水（甚至可达失水为0）； 隋性气相（无反应沉淀、乳化、细菌、腐蚀）； 泡沫膜、结构、尺寸对孔喉的单封作用； 泡沫结构流体对裂缝的封堵（微小缝半英寸之内）； 精心设计的基液组分和性质，可以保证对储层的相容性和对页岩地层的稳定；泡沫层承受正压差冲击的能力（膜的双电层结构和马格朗尼效应）；压缩气体的极好反排作用。

高干度稳定泡沫的作用：

可欠可过，均不伤害储层； 可很好地用于封堵储层保护微小裂缝； 极低的失水，可适用于致密气藏、低渗油藏、水敏性储层，保护效果仅次 于干气； 水敏性储层，保护效果仅次于干气； 可较好地用于特大漏失层防漏和保护储层； 低液柱压力、强携岩能力、高钻速。

4.5.3 能够适应深井和长水平井段水平井

很多情况下的深井和长水平段水平井都存在某种程度上的井壁力学性不稳定，气体钻井由于对井壁无任何支撑能力，因此气体钻井难以胜任普遍性的深井和长延伸水平井。充气液钻井属于一种不稳定的气液两相流体，故而在垂直井筒内随深度（或随液柱压力）有很大的流态变化，这使得充气液钻井不能将流体平均密度降低太多（在0.8～1之间），使用井深不能太深（一般未超过2000 m），否则上部井段会出现环雾流，气体窜越而出，而失去液体循环和携带岩屑的功能。在长水平井段，充气液的流态不稳定还会出现分层流，气体由顶部窜越，液体携带岩屑在下部流动，这可能造成岩屑床堆积，增加钻井困难。因此，充气液钻井也不适应于深井和长井段延伸水平井。泡沫流体，是气液两相的稳定均相流，无论是在深井还是浅井，只是泡沫流体的结构、尺寸和泡沫质量数随压力、温度有一定变化，但始终是稳定泡沫，且可以直接传递支撑压力到井壁上，因此它可以适应深井和长延伸水平井的要求。

4.5.4 能够适应于高渗、特高渗、裂缝性储层

以前，人们提到低压储层时往往直接意味着低压低渗；但今天，低压的高渗、特高渗、裂缝性已是无法回避的现实。在非均质性很强的高渗、特高渗、裂缝性储层，并不能保证在负压差条件下防止井内流体大量进入储层，充气液钻井不能避免这种伤害。而具有特殊性质的泡沫流体则可克服这种伤害。4.5.5 能有效地保持井壁稳定

要想把低压钻井技术做为一种有普遍意义的新钻井技术加以推广应用，首先要解决的问题是低压钻井的井壁稳定问题。90%的井壁不稳定是泥页岩层段井壁不稳定。井眼打开后泥页岩与外来钻井液相接触，通过压力渗流、自由水吸附扩散、阳离子交换等作用产生水化反应。根据水化反应的类型，可将泥页岩分为四大类：软泥岩（膨胀性粘土含量高，水化表现为塑性流动），分散型硬脆泥页岩（混层粘土含量高，水化表现为开裂成为碎块或碎片），吸水降强型硬脆泥页岩（膨胀型粘土与混层粘土含量都很低，水化后无明显外观变化，但力学强度大幅度降低），应力型硬脆泥页岩（多见于高构造应力区及5000m以上超深井）。这四类中最为普遍的是吸水降强型硬脆泥页岩。在传统的泥浆钻井中，人们采用的是一种try and err的方法逐步达到井壁稳定的目的。在新区第一口井若出现了井壁不稳定，则采取三条可用措施增加钻井液对井壁的稳定能力：第一提高密度，第二提高对泥页岩的抑制性，第三提高泥浆的封堵能力。通过几口井的try and err最终达到了井壁稳定的目的，这种井壁稳定是对应着一定的泥浆密度（大于1.0）、一定的抑制性、一定的封堵能力而言的。但人们就认为这个对应密度就是井壁稳定的临界密度，并从此不敢采用低于此临界密度的钻井液钻井。这个观点虽然传统，但确实错误。由于泥浆成本和性能维护的原因，人们总是从弱抑制能力泥浆开始进行试验，逐步增大抑制性、密度和封堵能力，最终在抑制性、密度和封堵能力三者间找到了一个平衡点。但实际此时由于泥浆的水化抑制能力均处于中等偏弱水平，这种钻井液实际上已造成了泥页岩强度的大幅度降低（实测结果一般降低50%～70%），增大泥浆抑制性，可粗略理解为减少泥页岩强度丧失。这样，在一定的泥浆抑制性（或水化后泥页岩强度）的条件下，便有一个临界的井壁稳定泥浆密度。如果可以使泥页岩强度少降低甚至不降低，则可使井壁稳定临界密度大大降低。采用特殊配制的泡沫流体，可使泥页岩强度降低量控制在10%～20%范围，因此井壁稳定临界密度可以大幅度降低。一般对1.20左右密度、抑制性中等偏弱的泥浆便可稳定的泥页岩地层，采用特殊配制的泡沫流体，则可使稳定密度降至0.3左右。因此，对中国大部分地区，均可采用低压钻井。4.5.6 能够应付复杂地层压力体系

传统的低压钻井，只用来对付低压储层。但今天的勘探与开发，经常在一口井中同时存在多个压力体系的产层，对一口井的钻井液，需要对付高压，也必须适应低压。高压需要主要来自两个方面：一是稳定上部井壁的需要；二是封堵上部高压层的需要。中国大部分油田属于陆相沉积的多套油层类型，由于早期开采时只打开了最有利的主产层，且中后期采用高压注水（甚至早期就采用强化注水）措施，现在主产层已近于枯竭。目前改造挖潜、调整开发的主要任务之一就是要打开主产层之下未开发的油层，主产层是高压注水层，相对其它待开发产层就成为低压层。采用复杂的井身结构，不但成本高，而且有时压力系统已复杂到不能用多层套管封隔的地步。因此，井内的流体，既要能够稳定裸眼完井壁，封堵住高压层，同时又要对低压产层形成良好的保护。这是对非常规流体钻井技术的更高要求的技术改造。

4.5.7 能够提供及时的、准确的动态试井

当井身轨迹完全穿透产层之后，人们希望能够立即进行动态试井，由此了解有关产层的基本情况。经过技术改造的低压钻井技术，配套有一套监测仪表系统和试井解释系统。可以使操作者方便地进行上述测试。在实验架上的实验表明：泡沫流体比充气泥浆给出了好得多的试井解释结果，原因是充气泥浆的气液不稳定两相流计算的复杂性和不确定性。4.5.8 低压欠平衡钻井配套的完井技术

低压欠平衡钻井配套的完井技术，虽然已有一些简单方法，但仍然非常欠缺，是整个配套技术中的最薄弱环节，极需提高。不良好的完井，可以说是最大的永久性伤害之一，应该予以高度重视。储层的良好完井方法，对低渗透、裂缝性储层非常重要。

配套的气基流体测井、地质录井及增产改造技术，也是技术改造的重点内容，但这需要更广泛的跨学科攻关。

4.6 低压欠平衡钻井在我国的推广与应用 4.6.1 有多大范围应该采用此项技术

对于全国有多大范围应该采用低压欠平衡钻井技术，没有详细的统计资料，粗略估计如下。

（1）低压低渗低产能油气资源，估计占总资源量的1／3。

（2）开发中后期老油气田的改造挖潜，估计至少有一半任务要面对压力枯竭。

（3）非常规油气资源（稠油、天然沥青、煤层气等）是必需上低压欠平衡钻井的领域。

（4）异常复杂的储层（漏、喷、塌、严重伤害等），如碳酸盐岩、古潜山风化壳、砾岩等，也必需此项技术。

（5）降低成本，提高效益。国外应用结果：钻速提高4至10倍，产量提高3至10倍。

（6）保护储层的必需技术。至少有三分之一的储层必需靠低压欠平衡保护。

（7）提高勘探成功率和精度，提高开发效益。除少数情况外（高含H2S气井、高压气井、超深井、严重不稳定地层），大部分储层均可低压欠平衡打开，而且保护效果优于常规钻井打开储层。

（8）低压欠平衡钻井是一个系统技术，不可只偏重其中一两项，应全面发展，根据情况选用。例如：

致密气、煤层气—气体钻井

低渗油、水敏性—气体钻井、稳定泡沫钻井

复杂地质条件储层—稳定泡沫、充气液钻井

一般油气层—充气液、不稳定泡沫钻井

高压油气层—优质轻泥浆欠平衡

复杂压力体系—特殊泡沫钻井

探井—各种流体欠平衡

大面积开发井—各种流体平衡加封堵保护，或各种流体欠平衡

（9）低压欠平衡与其它技术结合

低压欠平衡加水平井、导向钻井，用于提高勘探成功率；

低压欠平衡加水平井、分枝井、超长水平井，用于提高开发效益；

低压欠平衡加盘管钻机、老井加深、老井侧钻、小井眼技术，用于老油气 田改造挖潜；

低压欠平衡加超长水平井、分枝水平井，用于特低渗、强水敏油气田增产 改造，部分代替水力压裂。

（10）究竟有多大范围应该使用，尚无准确定论。但最保守估计：至少总储量的1／3要靠低压欠平衡系列技术，我国的钻机装备至少应改造1／3，使其具有进行低压欠平衡钻井的施工能力。美国、加拿大于1996年就达到了装备改造占25%的比例；最近有人预言，最终装备改造比例将超过50%。主要结论

油气工业钻井领域的近期形势是严峻的，任务是艰巨的。主要体现在开发上要拿难拿储量、非常规油气资源，勘探上要适应日益复杂困难的地质条件的需要。低渗透、原生性低压、复杂条件下的储层、非常规油气、老油田改造、提高勘探成功率和精确性、降低勘探开发成本，这些就是主要任务。为了完成这些任务，钻井界必须发展新技术。低压欠平衡钻井，是满足目前严峻形势、完成艰巨任务所必需的，因此，应该列为我国钻井界近期重点发展技术。西南石油学院对此项技术已进行了近7年的储备性研究，很多方面有国际先进的技术思路，希望能得到支持尽快打开局面。

致谢 本文主要研究内容与成果，为西南石油学院低压钻井学术组全体人员近7年的共同研究成果。形成该成果的过程中同时有如下单位参加研究：新疆局钻井研究院；辽河局钻井处、钻采研究院、钻井二公司；吐哈油田钻井研究所；四川局川西南矿区；四川局川中矿区。执笔作者在此向所有参研人员表示感谢。同时感谢勘探局孙振纯同志、杨光盛同志，科技局孙宁同志、胡世杰同志对本文的审查修改意见。

(编辑 罗先碧)罗平亚,男，1940生，中国工程院院士

作者单位：西南石油学院完井中心，四川南充 637001

浅谈欠平衡钻井技术 第3篇

欠平衡钻井又被称为上游石油工业新技术, 已经成为钻井技术发展热点, 并越来越多地与水平井、多分支井及小井眼钻井技术相结合。欠平衡钻井可以提高钻速和减少对储层的伤害。

1 欠平衡钻井技术的优点、定义、分类

(1) 减少地层损害;

(2) 有利于环境保护;

(3) 提高钻头使用寿命;

(4) 提高机械钻速。

欠平衡压力钻井是指在钻井过程中钻井液柱作用在井底的压力低于地层孔隙压力的一种钻井方法。

欠衡钻井技术按工艺分为两种:人工诱导欠平衡钻井和流钻。

具体还分为以下几种:

(1) 气体钻井, 密度适用范围0~0.02g/cm3。

(2) 泡沫钻井液钻井, 密度适用范围O.07~0.60g/cm3。

(3) 雾化钻井, 密度适用范围0.02~0.07g/cm3。

(4) 水或卤水钻井液钻井, 密度适用范围1~1.30g/cm3。

(5) 泥浆帽钻井, 用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气层。

(6) 充气钻井液钻井, 有通过立管注气和井下注气两种方式。

(4) 常规钻井液钻井, 密度适用范围大于O.9g/cm3。

2 实施欠平衡钻井的条件

有很多不同技术能确保达到预期的欠平衡条件, 目前, 主要的方法是控制用于循环的钻井液的密度, 使钻井液在井筒内形成的静液液柱压力低于地层孔隙压力, 而钻井液可以是单独的气相或液相, 也可以是气液两相混合。气相和气液两相钻井液可人工诱导产生欠平衡条件, 而液相钻井液可利用地层较大的压力而自然形成欠平衡条件。

(1) 气态钻井液, 在欠平衡钻井技术中, 最简单最早的欠平衡钻井技术是采用干燥空气作为钻井液。后来选用天气然作为钻井液。当在产气区钻井或接近天然气管线的区域使用天然气钻井, 成本是较低的。另一种选择的气体是用惰性氮气代替空气作为循环介质。氮气可以是液氮, 或在现场用中空纤维膜制氮装备生产的氮气。

(2) 两相钻井液, 从单一的气相和单一的液相两相的混合就可获得任一所期望得到的钻井液。气体和液体的混合物, 有时也称为轻质钻井液 (低密度钻井液) , 按气相和液相的结构及相对体积数, 轻质钻井液又分为雾、泡沫和充气钻井液, 在通常的压力和温度情况下, 它们的结构及性能取决了气相和液相的相对体积分数。不同的钻井液具有不同的密度。

(3) 液态钻井液, 当地层孔隙压力通常超过同一深度的淡水或盐水静液压力时, 使用常规液钻井液形成欠平衡条件。

3 我们石油钻井面临的形势与欠平衡钻井技术的关系

近年来, 我国对石油的需求越来越大, 需要新的钻井技术来解决这个问题。同时, 各大油田钻井施工中处理各种井下复杂情况不但占去大量钻井时间, 而且让钻井成本居高不下。欠平衡钻井技术的出现可以有效的提高石油的产量和解决钻井中的问题。所以截至到2006年, 我国采用该技术完成60余口井, 所用设备主要以引进为主。新疆、中原、大港、胜利等油田引进了一批设备, 钻成了一批欠平衡井, 具有了一定的经验。“九五”期间大港油田针对前第三系深层勘探进行了欠平衡钻井完井技术综合研究, 在千米桥潜山和乌马营潜山采用低密度无固相钻井液体系实施了欠平衡钻井工艺技术, 完井采用射孔完成, 成功的发现了千米桥潜山亿吨级的凝析油气田, 揭示了乌马营潜山储油气藏特征。截止到2006年, 大港油田已经先后引进了三套主要欠平衡装置, 成立了专业化技术服务队伍, 从设备和经验上都具有了很好的基础。在以液体为介质进行欠平衡钻井施工上, 从设计及施工人员的水平、欠平衡装备、现场施工中井口回压控制等技术上都取得了一定的成功经验, 在国内产生了良好的影响。

4 胜利油田的欠平衡钻井技术

胜利油田目前拥有的欠平衡钻井技术:

(1) 采用聚合醇钻井液体系为主的液相欠平衡钻井技术。适合于储层压力系数大于1.08的地层。

(2) 可循环泡沫钻井液技术, 适合于储层压力系数1.0~1.05的地层。

(3) 立管充氮气欠平衡钻井技术, 适合于储层压力系数0.75~1.05的地层。

(4) 泥浆帽钻井技术, 适合于古潜山易漏地层。采用上述技术已在胜利油田、中石化南方海相和江汉油田进行了20多口井的现场技术服务。

5 技术应用实例

5.1 控流钻井实例

王平1井, 水平段裂缝性井段实测地层压力系数1.62, 采用1.35~1.51的钻井液, 井底静欠压1.4 3 M P a, 动欠压0.78MPa, 投产后取得明显的效果, 日产油65t/d。

纯9 7-5井, 地层压力系数1.1 4~1.16, 钻井液密度1.06~1.07g/c m3, 井底动欠压0.83~1.38MPa。钻进中火炬点火, 火焰高2~4m, 累计着火时间14小时, 投产后日产油18吨, 为邻井的2倍。埕北244井, 采用欠平衡钻井装备, 探讨边涌边钻、边漏边钻的工艺, 既保证了钻井的成功, 又有效地保护了油气层, 确保了勘探成功率, 经试油, 取得Ф10mm油嘴日产油235t、日产气6940m3的好成绩。

5.2 泡沫钻井实例

罗151-11井, 压力系数为1.05~1.10, 地面泡沫密度0.6~0.7 g/cm3, 实测地层压力系数0.96。

5.3 充气钻井实例

商741-平1井, 火成岩油层原始地层压力系数1.03~1.09, 邻井测压的压力系数0.85。以往该地区钻井发生严重漏失, 造成油层污染, 为解决这个问题决定采用欠平衡钻井技术。

6 面对形势, 几点建议

我胜利油田是国家的第二大油田, 每年打井1000多口, 其中欠平衡钻井数仅占钻井总数的不到10%, 这就给我们一个巨大的市场前景。如果我们胜利油田加大欠平衡方式钻井的比例, 那么产生的经济效益是非常可观的。同时, 也对环境保护、降低投资都有直接的影响。

基于上述情况, 提出如下建议:

(1) 胜利油田钻井应该继续加大欠平衡钻井工艺技术的研究与应用, 迎接未来挑战。要吸收各方面的研究成果, 形成我们自己的技术优势, 牢牢的把握住时机, 将欠平衡钻井工艺技术真正的发展下去, 造就我们新一代钻井技术革命。

(2) 由于技术的限制, 我们目前应用欠平衡钻井技术的多数是直井, 对于效益提高不是很有利, 所以我们应该加大技术的攻关研究, 使欠平衡钻井技术也适用于定向井和水平井。

(3) 欠平衡钻井技术是一种多方位的工程, 为了保证施工速度和安全, 在实际钻井过程中见到明显效果, 我们工程技术人员要吸取国外先进经验, 积极开展欠平衡钻井技术数值模拟攻关, 结合现场数据对各项钻井参数进行优化, 为现场施工提供科学依据。

(4) 由于我国的油田地质构造大不相同, 因此在实际钻井的应用中, 我们工程技术人员要合理分析, 认真选择、正确的设计欠平衡钻井施工方案。

(5) 由于我们国家对欠平衡钻井技术的研究相对于发达国家还是有差距, 尤其是针对欠平衡完井的技术, 我们应该认真研究, 如果无法实现欠平衡钻井后的欠平衡完井, 那么, 我们的欠平衡钻井就失去了应有的作用。

(6) 目前国内的欠平衡钻井地面设备大多是进口, 这就限制了我们的欠平衡钻井发展。所以要大力研究自己的欠平衡钻井地面设备, 不受制于人, 同时也为降低成本、保证现场应用提供条件。

(7) 技术再先进、设备再好, 也要人去执行和操作。因此, 我们钻井工程技术的培训和人员素质的提升才是重中之重。这就要求我们的决策者要提高这部分的投资, 保证欠平衡钻井技术有相应熟练素质较高的作业人员。

摘要：本文从欠平衡钻井的定义、分类、目前的发展水平和国内的现状, 浅谈欠平衡钻井技术。同时, 分析了胜利油田的发展现状, 给出了一些建议。

关键词：欠平衡钻井,技术发展水平,现状建议

参考文献

[1]周英操, 翟洪军.欠平衡钻井技术与应用[M].石油工业出版社, 2013, (11)

[2]胡辛禾.国外欠平衡钻井技术与装备现状[J].石油机械, 2001, (02)

欠平衡钻井技术浅析 第4篇

【摘 要】本文主要对欠平衡钻井技术进行论述。

【关键词】欠平衡；钻井技术

1.欠平衡钻井的含义

欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液液柱压力低于地层孔隙压力，允许地层流体流入井眼、循环出并在地面得到有效控制的一种钻井方式。欠平衡钻井具有能提高硬地层的机械钻速，减少循环漏失和压差卡钻等优点，从而获得发展。推动欠平衡钻井技术的发展，其主要原因是减少和防止水平井钻井中钻井液对地层的损害。

随着欠平衡钻井技术进一步成熟及井控设备的发展（承受高压的旋转防喷器引入油田后），又发展了用液体钻井液（清水、盐水、油基、水基钻井液）对高压地层进行欠平衡钻井的技术，如Flow Drilling（国内译为边喷边钻）、钻井液帽钻井、不压井钻井等技术。

2.欠平衡钻井的分类

根据油气藏类型、地层压力以及采用的钻井液密度的不同，欠平衡钻井技术有以下两种分类方法：

2.1按工艺方法分类

自然欠平衡钻井：是指以普通钻井液为循环介质的欠平衡钻井。

人工诱导的欠平衡钻井：是指由于地层压力太低，必须采用特殊的钻井液和工艺才能建立欠平衡的钻井。

人工诱导的欠平衡钻井有以下六种系列：

（1）气体钻井：包括空气、天然气、废气和氮气钻井，密度适用范围0～0.02g/cm3。

（2）雾化钻井：密度适用范围0.02～0.07g/cm3。气体体积为混合物的96%～99.9%，常规的雾化钻井液含液量少于2.5%。

（3）泡沫钻井液钻井：包括稳定和不稳定泡沫钻井，密度适用范围0.07～0.60g/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%～97.5%。

（4）充气钻井液钻井：包括通过立管注气和井下注气两种方式。井下注气技术是通过寄生管、同心管、钻柱和连续油管等在钻进的同时往井下的钻井液中注空气、天然气、氮气。其密度适用范围为0.7～1.0g/cm3，是应用广泛的一种欠平衡钻井方法。气体体积低于混合物体积的55%。

（5）液体欠平衡钻井：

a.油包水或水包油钻井液钻井。密度适用范围为0.8～1.02g/cm3。

b.水或卤水钻井液钻井。密度适用范围1～1.30g/cm3。

c.常规钻井液钻井。密度适用范围大于1.10g/cm3。

d.采用密度减轻剂钻井液钻井技术，密度适用范围大于0.9g/cm3。

（6）泥浆帽钻井：国外称之为浮动泥浆钻井，用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气层，是另类欠平衡钻井技术。

2.2按用途和风险程度分类

为了简单明了地对采用的欠平衡钻井技术进行分类，IADC制定了一个具有三部分内容的分类系统。

各级风险等级说明如下：

0级—只提高钻井作业效率。

1级—井内流体依靠自身的能量不能流到地面。井眼稳定并且从安全角度来说属低级危险情况。

2级—井内流体依靠自身的能量可以流到地面，但利用常规压井方法可以有效制止，并且在设备严重失效的情况下也只产生有限的后果。

3级—地热和非碳氢化合物开采。最大关井压力低于旋转控制头等作业设备的额定工作压力；设备严重失效会产生直接严重后果。

4级—油气开采。最大关井压力低于旋转控制头等作业设备的额定压力，设备严重失效会产生直接严重后果。

5级—最大设计地面压力超过欠平衡钻井作业设备的额定压力，但低于防喷器组的额定工作压力。

3.欠平衡钻井技术的优点

欠平衡钻井技术已经历了几十年的发展，但人们对欠平衡钻井的优点是逐渐认识的，早期，人们只认识到欠平衡钻井能提高硬地层的机械钻速，减少井漏及压差卡钻，而现在已进一步认识到，欠平衡钻井还能减少地层损害，提高产量，及时发现油气井地层等众多优点，这些均到现场证实。欠平衡钻井能提高钻井的机械钻速，增加钻头使用寿命，可防止压差卡钻和减少井眼循环漏失同时能够减少地层损害。

正由于欠平衡钻井技术的应用，特别是在水平井中的应用，可减少或消除钻井时的地层损害，增加油气产量。国内外钻井实践表明，与常规钻井技术对比，欠平衡及气体钻井技术具有提高钻井速度、保护储层、提高油气产量和采收率、减少或避免井漏等方面的优势。大庆钻井试验表明，欠平衡钻井钻速是常规钻井的4～5倍。欠平衡钻井技术包括液体欠平衡钻井和气体欠平衡钻井技术，而目前主流是空气欠平衡钻井，就是在钻井过程中，以纯空气作为钻井液，用空气压缩机将空气泵入水龙头、钻杆顶部，沿钻柱到钻头，然后沿环空返到地面。该技术可用于加快钻速，发现和保护气层，并能够解决长井段井漏等问题。同时可提高深井上部地层的机械钻速，缩短钻井周期，降低综合成本。

4.实施欠平衡钻井的条件

很多不同技术能确保达到预期的欠平衡条件，目前，主要的方法是控制用于循环的钻井液的密度，使钻井液在井筒内形成的静液液柱压力低于地层孔隙压力，而钻井液可以是单独的气相或液相，也可以是气液两相混合。气相和气液两相钻井液可人工诱导产生欠平衡条件，而液相钻井液可利用地层较大的压力而自然形成欠平衡条件。

气态钻井液，在欠平衡钻井技术中，最简单最早的欠平衡钻井技术是采用干燥空气作为钻井液。后来选用天气然作为钻井液。当在产气区钻井或接近天然气管线的区域使用天然气钻井，成本是较低的。另一种选择的气体是用惰性氮气代替空气作为循环介质。氮气可以是液氮，或在现场用中空纤维膜制氮装备生产的氮气。现场制氮这种方法，目前国外普遍采用。

两相钻井液，从单一的气相和单一的液体的所液两相的混合就可获得任一所期望得到的钻井液密度。气体和液体的混合物，有时也称为轻质钻井液（低密度钻井液），按气相和液相的结构及相对体积数，轻质钻井液又分为雾、泡沫和充气钻井液，在通常的压力和温度情况下，它们的结构及性能取决了气相和液相的相对体积分数。不同的钻井液具有不同的密度。

液态钻井液，当地层孔隙压力通常超过同一深度的淡水或盐水静液压力时，使用常规液钻井液，控制钻井液的密度就可利用地层压力自然形成欠平衡条件。欠平衡钻井所用的地面常规装备有：氮或压缩气供应装置、容 积小且压力大的注液泵、液-气混合管汇、节流管汇、钻屑或钻井液取样器、化学剂注射泵、采油分离系统和自动燃烧气体系统，国外目前比较先进的专用装备系统主要有：高压旋转分流器-防喷器系统、液流导向系统、地面分离系统、隔水管帽（Riser Cap）旋转防喷器系统、实用隔水管（Virtual Riser）装置、地面数据采集系统。

5.国内欠平衡钻井技术的发展

中国欠平衡钻井技术自进入21世纪以来发展较快。到2006年末，已采用该项技术完成60余口井，所用设备主要以引进为主。国内油田已经先后引进了主要欠平衡装置，成立了专业化技术服务队伍，从设备和经验上都具有了很好的基础。在以液体为介质进行欠平衡钻井施工上，从设计及施工人员的水平、欠平衡装备、现场施工中井口回压控制等技术上都取得了一定的成功经验，在中国国内产生了良好的影响。

欠平衡钻井技术 第5篇

荷包场须家河组欠平衡测井评价方法研究

荷包场须家河组储层属于低孔低渗致密砂岩储层,为保护储层,在钻井技术上采用欠平衡技术,对目的层进行有介质的和气体的欠平衡钻井技术.在该种钻井技术下采集的`测井资料上,对储层的识别和流体性质的判别做了研究,且充分利用核磁共振等新技术.总结出了适合于该区域的储层识别方法和流体性质判别技术.

作 者：胡海涛 杨碧松 杨仁林 Hu Haitao Yang Bisong Yang Renlin  作者单位：川庆钻探工程公司测井公司,重庆,400021 刊 名：国外测井技术 英文刊名：WORLD WELL LOGGING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(4) 分类号：P631 关键词：储层   流体性质   欠平衡钻井技术   核磁共振   须家河组  

欠平衡钻井技术的分析讨论 第6篇

1 欠平衡钻井的技术关键

在欠平衡钻井的工艺参数设定中有主要涉及到几个方面的技术关键, 分别为地质选井的依据、欠压值的确定、回压控制技术、井内管串工艺技术、带压测井和欠平衡完井。

1.1 欠平衡钻井使用的地层

欠平衡钻井所选用的储层首先要进行基础数据筛选, 确定底层的渗透率、孔隙尺寸分布以及孔隙度等资料;分析岩心来评估地层中的敏感矿物质含量及可能出现的化学反应情况;分析地层岩石的含油饱和度和含水饱和度;进行岩石的固相分析, 提供设计准备。

欠平衡钻井适用的地层包括以下几类:可能会出现井漏以及钻井液会对地层造成伤害;存在岩石-液体敏感性的地层;会出现钻井液与地层水不配伍而出现地层胶结和固相沉淀的可能地层;无法使用平衡钻井进行开采的油气渗透率、孔隙度以及分布上差异较大的高层状地层。在一些硬地层而使得钻速无法提高。

1.2 欠压值的确定

欠平衡钻井过程中对于最大欠压值的确定需要保证地层的出气量满足一下四个方面:出气量不能超过液气分离器的最大液气分离能力;地层出气量造成的井口压力大小不能超过旋转防喷器额定动密封压力值的80%;整个地层的出气量会对钻井液当量循环密度带来影响, 而这个值不能低于裸眼段坍塌压力当量密度的最小值, 且不能大于套管鞋附近的漏失压力当量密度。

1.3 稳定的井口回压控制技术

储层出气量的增加会带来环空液柱压力的降低, 造成了欠压值的增加。环空液柱压力会随着出气量的增加而再次降低, 为保持欠压值的稳定, 需要对井口施加压力。只有保持了稳定的立压值和钻井液体积, 才能实现相对稳定的欠压值。在实际施工中, 地层产出的油气是一个变量, 回压的调整就需要根据立管压力和钻井液的体积来进行实时调整。当井口回压逐渐上升, 达到旋转控制头的工作压力时, 就需要听钻关闭防喷器来实现循环, 在井口压力恢复正常以后才能进行后续操作。另外, 也可通过适当提高欠平衡钻井液的密度来达到。

1.4 不压井起、下井内管串

在欠平衡钻井的施工中, 如果停泵关井, 就会出现井口压力的增加, 大小为循环压耗与动态欠压值之和, 伴随着起钻页面的下降这一值会出现增加, 后期因为气体密度差而使得滑脱气上升到井口, 关闭井口后的压力值会接近地层压力, 存在较高的作业风险, 这就需要进行带压安全作业, 主要的施工工艺如下:使用不压井作业装置和旋转控制头配合来实现在井口压力下进行带压起、下钻;在进行起钻施工前, 通过调节井筒内钻井液的密度来降低井口压力;起钻的过程中, 可以通过水泥车来完成对井筒内钻井液补充因起出造成的体积损失;当井口压力超过规定值, 可以使用节流阀来进行卸压消除井口过高的压力;此外, 在进行此类操作时需要在井口安装闸板防喷器与环形防喷器。

1.5 带压测井

如果地层压力大于钻井液液柱压力时进行的测井就称为带压测井。井内钻井液液柱压力不能与地层压力平衡, 会导致井口套压的存在, 测井就需要对井口密封, 通过带压作业实现测井仪器的入井和出井, 完成测井操作。为完成带压测井, 就需要设计和选用合适的工具, 如电缆动态密封控和电缆防喷器等。

1.6 欠平衡完井技术

在完成欠平衡钻井后, 需要最大限度的保护油气层就不能使用常规的方法完井, 因为传统方法完井的压井和固井操作会对地层造成较大的伤害。在目前的欠平衡完井方法有不压井下有关先期裸眼完井和特殊衬管完井。不压井下油管先期裸眼完井真对油气层一般是岩性坚固稳定, 裸眼段较短、产层物性较为一致。经过欠平衡钻井打开产层后使用不压井带压起钻和下油管串等作业, 进行试油投产。特殊衬管完井是在欠平衡钻井达到完井深度后, 采取不压井作业下入套管但不注入水泥, 在带压情况下进行射孔完井后进行试油投产。井壁的稳定性相对较低和不适合进行裸眼完井的情况就可以采用此种方法。

2 钻井液选择

在欠平衡钻井技术中, 钻井液的选择也是一项重要的因素。合适的钻井液对欠平衡钻井能否达到目的有着很大的影响。钻井液的分类主要有常规钻井液, 由各种气体与防腐剂、干燥剂组成的气流体或雾流体, 充气水基钻井液和充气油基钻井液, 以及泡沫钻井液等。钻井液的选择需要综合考虑到储层和流体等多方面的因素, 主要的原则有以下几种:

(1) 钻井液与地层流体之间的形容性。施工过程中会出现地层中油水起进入到井筒的情况, 与钻井液接触后会形成一定的反应, 如出现高粘度的乳状液、结垢、沉淀物或者对介质的氧化作用。这些都是选择钻井液时需要考虑的。

(2) 地层产出流体对钻井液的稀释。施工中, 地层的产出液体会造成循环流体的稀释, 给钻井液体系带来污染, 此外还需要考虑在低温情况下产出液与循环液会不会出现结晶析出的情况。

(3) 钻井液的防腐问题。对于某些钻井液体系, 地层中产出的盐水和含有的微量氧都会造成极强的腐蚀性, 如果出现含有硫和氢更加重了腐蚀, 因此需要考虑到钻井液的防腐问题, 添加防腐剂来提高其性能。

(4) 钻井液的粘度。钻井液的粘度对能否得到充分清洁的紊流有着很大的关系, 需要根据是否人工诱导的欠平衡以及其他工艺参数来决定其粘度。

参考资料

参考文献

[1]肖涛, 吕丽娟, 赵佩.欠平衡钻井技术在文古3井华北潜山地层的应用[J].内蒙古石油化工, 2012.7