平衡压力钻井技术

平衡压力钻井是国外20世纪60年代末70年代初在压差理论的基础上发展起来的钻井技术。平衡压力钻井不但明显提高机械钻速，降低钻井成本，而且能有效地保护油气层，并可将诸如压差卡钻、井壁不稳定和井喷（漏）等井下复杂情况和事故减少到较低限度。平衡压力钻井是指钻进时井内钻井液柱的有效压力等于所钻地层的地层压力，即：

平衡压力钻井时，压差Δp＝0，而实际钻井中要严格保持钻进中不存在压力差会给施工带来一些麻烦。由式（5－22）可知，若钻进中要保持Δp＝0，那么设计钻井液密度为：

即该钻井液密度在井内产生的静液柱压力小于地层压力。在接单根和起下钻中静液柱压力低于地层压力，这将引起地层流体进入井内和井眼垮塌。为了维持井内压力平衡，在停泵接单根或起下钻时就必须注入重钻井液，而重新钻进时又将加重物除掉。因此在钻井中完全保持Δp＝0相当困难，也可能不经济。目前国内外所谓的平衡压力钻井在实施中，是指钻进时井内钻井液柱的有效压力略高于地层压力的正压差近平衡压力钻井。

平衡压力钻井是一项综合性的钻井工艺技术，包括钻前地层压力和地层破裂压力预测、井身结构设计、井控设计、合理钻井液密度的确定、钻井中的地层压力检测。

5．2．2．1　地层压力和地层破裂压力

地层压力和地层破裂压力是平衡压力钻井的基础数据，地层压力和地层破裂压力应通过多种检测方法的对比确定，误差控制在5%以内。

5．2．2．2　井身结构设计

井身结构设计是钻井工程设计的基础设计，它是实施平衡压力钻井的基本保证。平衡压力钻井采用最小钻井液密度，尽量减低井底压差。其结果是井下油气相当活跃，井涌和溢流可能发生，所以要有安全可靠的井口装置加以控制。防喷装置的安装和使用都与井身结构密切相关。

（1）井身结构设计的主要原则：

1）能有效保护油气层，能满足保护油气层所应用的完井方法；

2）能避免发生井漏、井喷、井塌、卡钻等井下复杂事故；

3）当实际地层压力高于预测值发生溢流时，在一定范围内，具有压井处理溢流的能力。

（2）井身结构设计原理。在裸眼井段的任何一个水平面上，地层—井内压力系统平衡时必须同时满足以下不等式：

式中：Gt（t）——该截面岩层的坍塌压力梯度（kPa／m）；

　　　Gm（t）——该截面钻井液压力梯度（kPa／m）；

　　　Pt——层破裂压力（kPa）；

　　　Pm——地层压力（kPa）；

　　　Pp——钻井液有效液柱压力（kPa）。

能满足不等式（5－24）和不等式（5－25）的同一井段，则该段截面间不需要套管分隔。

（3）井身结构设计基础数据。

1）地质数据。地质数据包括以下三个方面：①岩性剖面；②地层压力梯度剖面；③地层破裂压力梯度剖面。

2）工程设计系数。根据保护油气层钻井技术的要求，应将井底压差控制在最小数值，以最大限度地减少对油气层的损害，因此合理井身结构设计系数的确定十分重要。工程设计系数包括：①抽吸压力系数Sw；②激动压力系数Sg；③地层破裂安全增值Sf；④井涌条件Sk；⑤压差卡钻临界值ΔpN（Δpb）。

这些系数应根据不同地区的钻井资料统计确定，随着钻井工艺技术水平的提高，即使在同一地区也可能不同。如“六五”期间，中原石油勘探局在稳态波动压力分析的基础上确定的Sw＝0．07～0．10g／cm3，Sg＝0．07～0．10g／cm3。在“七五”期间，西南石油学院和中原石油勘探局合作开展了瞬态波动压力的理论和全尺寸井模拟实验研究后，并结合现场钻井资料统计分析，确定Sw和Sg为0．015～0．04g／cm3。

（4）设计方法和步骤。井身结构设计方法和步骤可参看有关文献及《钻井工艺原理》。

5．2．2．3　最小钻井液密度的计算

近平衡压力钻井最小钻井液密度确定的原则是，起钻时井内有效液柱压力等于地层压力，即：

式中：pmE——起钻中井内有效液柱压力（kPa）。

考虑抽吸压力和起钻中井口液面下降，则：

式中：pm——钻井液静液压力（kPa）；

　　　pw——起钻时的抽吸压力（kPa）；

　　　pdp——起出定量钻柱后井底压力下降值（kPa）。

由式（5－26）和式（5－27）得：

根据井内钻井液柱压力，可求得近平衡压力钻井的最小钻井液密度ρm：

式中：H——井深（m）。

根据钻井液密度可估算钻井时井底压差：

式中：Δp——钻井时的井底压差（kPa）；

　　　p——钻井时的井底压力（kPa），p＝pm＋pc。pc为钻井液循环时的环空压降，由前面分析得：

在近平衡压力钻井中，总存在压力差。为了在钻穿油气层过程中减小由于压差和浸泡时间对油气层的损害，必须将压差控制在最低限度值，以减少由于压差产生的钻井液滤液和固相对油气层的损害，另一方面提高机械钻速，缩短建井周期，减少浸泡时间。由式（5－31）可知，欲减小压差，必须减小抽吸压力和环空压降。

5．2．2．4　安全起下钻速度

起下钻时，钻柱在泥浆中运动所产生的附加压力称为波动压力。下钻产生的波动压力称为激动压力，使井内压力增加；起钻产生的波动压力称为抽吸压力，使井内压力减小。下钻时当井内液柱压力与激动压力之和大于地层破裂压力或低压地层压力时就要引起井漏；起钻时当泥浆液柱压力减去抽吸压力后的剩余有效压力小于高压地层压力时，地层流体就要流入井内而出现井涌，严重时如处理不当就会造成井喷。现场实践表明，由于波动压力引起的井喷和井漏在这类事故的总效中占有很大的比例。

理论研究表明在一定井内条件（包括井深、井径、钻头尺寸和泥浆性能等）下，压力的大小随钻柱运动速度（起下钻速度）而增大。因此，控制最大起下钻速度把波动压力限制在许可范围内就可避免井涌或井漏的出现。因此，在一些新型钻机上装有起下钻适度警报器，当超过规定许用起下钻速度时自动发出声响等警告信号。

国内外油田25%的井喷是由于起钻速度过高而引起的。下钻产生的激动压力将增大井的有效液柱压力而压裂地层引起井漏。由于抽吸压力的交替出现，将使井壁失去稳定，出现坍塌。为了防止井下复杂事故，保护油气层，必须控制起下钻速度。有关安全起下钻速度的确定，西南石油学院和中原石油勘探局在瞬态波动压力研究的基础上，根据国内油田常用井身结构、钻柱组合和钻井液性能编写了波动压力应用手册。

5．2．2．5　平衡压力井控技术

当地层流体压力大于井内钻井液有效液柱压力时，将发生溢流，如控制不及时将发生井喷。失控的井喷不仅污染周围环境、农田、水利和渔牧等，还将影响人民的生命安全，甚至人亡井毁，造成巨大的经济损失和不良的社会影响，并将严重破坏地下油气资源，损害油气层。在钻井作业过程中，井控技术是实施近平衡压力钻井的保证，它既可以及时发现和保护油气层，又可以防止井喷和井喷失控。一旦发生溢流和井喷，必须进行压井作业。超平衡的压井作业，对油气层将造成严重的损害。

（1）溢流或井喷处理。当溢流或井喷发生后，在井口未失控的条件下，应及时进行压井作业。为了在压井过程中不损害油气层，压井设计的原则是必须遵循压井过程中保持井内有效液柱压力（环空流体静、动水压力和套压）等于油气层压力，即平衡压力压井。有关压井方法及失控井喷请参看有关专著。

（2）井控技术培训。由于井控技术对钻井工程和油气层保护的重要性，国内外都十分重视对钻井工程技术人员和工人进行有关井控技术的培训。例如四川石油管理局和中原石油勘探局为了模拟井控条件和培训井控人员，分别建立了全尺寸井控模拟实验井，并广泛开展了井控技术培训工作。