欠平衡钻井技术

在设计条件下，钻井液液柱静压头对井底所施加的压力低于要钻地层的压力时所进行的钻井叫欠平衡钻井。欠平衡钻井不但能提高油井的产能，还能大幅度提高机械钻速。欠平衡钻井分为流钻（也叫边喷边钻）和人工诱导的欠平衡两种。目前广泛使用的欠平衡钻井工艺主要有：

（1）泡沫钻井；

（2）空气钻井；

（3）雾化钻井；

（4）充气钻井液钻井；

（5）井下注气钻井。

其中井下注气钻井是20世纪90年代新开发出的一种欠平衡钻井工艺。井下注气钻井是分别通过寄生管、钻杆与连续管在钻进过程中往井下注氮气，用以减轻钻井液的压力以便形成欠平衡。

欠平衡钻井技术有如下优点：

（1）欠平衡钻井流体密度小，泡沫流体密度一般为0．032～0．064g／cm3，充气钻井液密度可控制在0．45～1．20g／cm3。因此，流体静水压力小于常规钻井液静水压力，这样减小了压差或形成负压钻井，阻止滤液和固相进入油气层。

（2）能有效开发低压低渗透油气层。我国油气层地层情况复杂，在目前探明尚未开发的油气层中，低压低渗油气藏约占35%，采用低压钻井技术能有效开发低压低渗透油气层。

（3）钻速快，缩短了建井周期，减少了钻井液对油气层的浸泡时间。

（4）能安全钻过严重水敏性地层及漏失层。

（5）大幅度提高机械钻速，降低钻井成本。

欠平衡钻井技术有如下缺点：

（1）钻井成本高。钻井设备多、井场面积大，占地费用高，控流钻井采用的含油钻井液成本高，完井时若采用强行起下钻设备起下钻具，将导致钻井成本上升。

（2）存在不安全隐患。存在井喷和井塌的隐患，使用空气作为注入气可能造成井下爆炸或钻具腐蚀。

（3）地层损害。在欠平衡钻井过程中，地层压力高于循环钻井液井底压力，所以在岩石表面不能形成泥饼，一旦在钻井和完井作业期间不能保持持续的欠平衡状态，无泥饼的井壁将无法阻止液相和固相对地层的侵入，有更大的污染机遇。

5．2．3．1　欠平衡钻井保护油气层的原理

欠平衡钻井是一种保护油气层的好方法。其保护油气层的原理是，它能把近平衡和过平衡造成的下列地层损害的原因完全克服掉：

（1）可避免因钻井液滤失速度高造成的细颗粒和黏土颗粒运移；

（2）可避免钻井液中加入的固相和地层产生的固相侵入地层；

（3）在高渗层中可避免钻井液侵入；

（4）可避免对水相或油相敏感的地层在与钻井液接触时产生影响地层渗透率的反应；

（5）可避免黏土膨胀、化学吸附、润湿性反转等一系列物理、化学反应；

（6）不会产生沉淀、结垢等不利的物理化学反应；

（7）不存在旨在抑制侵入深度的低渗滤饼的设计问题。

5．2．3．2　适合欠平衡钻井的地层

根据目前的研究结果，欠平衡钻井主要适用于下列地层：

（1）高渗（1×10－3μm2）、固结良好的砂岩和碳酸岩；

（2）高渗、胶结差的地层；

（3）微裂缝地层；

（4）负压和枯竭地层；

（5）对水基钻井液敏感，以及地层流体与钻井液不相容和脱水地层。

5．2．3．3　欠平衡钻进所需要的辅助设备

井下注气欠平衡钻进具有调整钻井液密度灵活、钻速快等优点。但井下注气欠平衡钻进需要一些特殊的辅助设备。这些特殊的辅助设备是：

（1）注气系统和管汇，包括注入泵、气源管汇和注入管汇以及寄生管等。

（2）防喷器组。为了保证安全，在欠平衡钻进中应使用专门用于循环的井口设备和防喷器组。典型的防喷器组的结构是，环形防喷器下面安装一闸板防喷器，在闸板防喷器下面安装一盲板防喷器，在盲板防喷器下面再安装一闸板防喷器。

（3）旋转头的作用是密封钻杆与环空返出的流体，迫使返出流体从导流管线排到气体分离系统。

（4）地面分离设备，主要由气体分离器、真空除气器、分离罐、储油罐和火炬等组成。分离设备的作用是将返出液中的气体分离出来送往火炬，然后把返出液中的油分离出来送往储油罐。

（5）强行起下钻装置。

5．2．3．4　钻井液的选择

在人工诱导的欠平衡钻井中，很难在整个钻井过程中完全保持连续的欠平衡。为保证全部钻井过程中不产生油气层的损害，在选择钻井液时应考虑下列因素：

（1）钻井液与地层产生流体的相容性；

（2）产出液对钻井液的稀释问题；

（3）钻井液的黏度；

（4）对流自吸作用；

（5）选择合适的钻井液密度，以便在井筒内形成合理的负压差。

5．2．3．5　井身结构和完井方法要求

（1）井身结构。由于低压钻井技术使用的目的是开发低压低渗透油气层，为了井下安全，有效保护油气层，对上部不同压力体系的井段必须进行封固。井身结构设计的原则按地质条件（易垮、塌盐岩层等复杂地层）及地层压力和地层破裂压力进行合理设计。

（2）完井方法。裂缝性（石灰岩）油气层，采用先期裸眼完井；渗透性（砂岩）油气层，中间套管下到油气层顶部，再用低压流体钻开油气层，下入油层套管。

5．2．3．6　安全和防腐

欠平衡钻井的安全问题至关重要。除考虑设备的安全问题外，对注入气体的氧气含量也要严格控制。一般情况下，注入气的含氧量不能超过5%，否则就认为是不安全的。欠平衡钻井的腐蚀问题要比近平衡和过平衡钻井严重得多，腐蚀可使钻井成本上升30%左右。目前国外已研究出非化学和化学两种欠平衡钻井的防腐方法。

5．2．3．7　空气钻井

空气钻井是利用空气或天然气作为循环介质的一种低压钻井技术。由于空气密度低，空气钻井中井内流体静水压力大大低于常规钻井液静水压力，因而钻井中出现“负压”作用，这样不但有效防止液相和固相进入油气层，而且能极大地提高机械钻速。实践表明，空气钻井比用常规钻井液钻井提高机械钻速3～4倍。

（1）空气钻井设计程序。

1）确定携带岩屑所需的最小空气排量。携带岩屑所需的最小空气排量是空气钻井中最重要的参数。小于这个排量将不能顺利携带岩屑，且井内不清洁。高于此排量将冲蚀井壁。Angel研究认为，当量标准空气的速度为15．24m／s时，就能达到满意的携屑效果。Ikoku在实验的基础上，对页岩、砂岩、石灰岩岩屑在气流中下沉的临界流速进行了研究，得出了携带这几种岩石岩屑的流速公式。求得临界流速后，即可求得空气钻井所需空气最小排量qgmin。即：

式中：qgmin——所需最小空气排量（m3／s）；

　　　vmin——井底空气最小流速（15．24m／s）；

　　　D——井眼直径（m）；

　　　d——钻杆外径（m）；

　　　Tb——井底温度（K）；

　　　Tav——井内平均温度（K）；

　　　p0——套压（kPa）。

其中：

式中：Tel——海平面大气温度（K）；

　　　T0——环空井口温度（K）；

　　　Pel——标准大气压（kPa）；

　　　β——地温梯度（K／100m）；

　　　vm——机械钻速（m／s）；

　　　ρs——岩屑密度（g／cm3）；

　　　Wg——气体重力流量（kN／s）；

　　　Ws——岩屑颗粒重力流量（kN／s）；

　　　R——气体常数（287J／kg·K）。

确定井底压力pb

计算钻柱内钻头处压力pa

式中：K——比热比，无因次。

2）确定立管注入压力pj。忽略地面管汇损耗，即立管注入压力等于压风机（或增压器）出口压力：

其中：

式中：di——钻杆内径（m）；

　　　pj——立管注入压力（kPa）。

由pj，qgmin选择压风机及增压器。

（2）钻头喷嘴的选择。井底净化受钻头喷嘴影响，当空气钻井时，喷嘴气流在岩石破碎面产生最大涡流，其井底净化最佳。Dyons认为当喷嘴出口截面距岩石破碎面为两倍流核长度时，岩石破碎面将获得最大涡流，即：

式中：Zn——喷嘴流核长度（m）。

5．2．3．8　泡沫钻井

泡沫钻井是利用稳定泡沫作为循环介质的一种钻井技术。稳定泡沫是由气体、液体和表面活性剂配制的一种流体，密度一般为0．032～0．064g／cm3，泡沫流体静压力是水的1／20～1／50，这样的钻井流体密度不仅极大地减少或避免油气层的损害，而且可获得高的机械钻速，减少浸泡时间。泡沫具有较高的携岩能力，约为水的10倍，约为一般钻井液的4～5倍。其含液量低，为泡沫体积的3%～25%，这可大大减少液体对油气层的浸泡和损害。泵入井内的流体无固相，且泡沫为一次性流体，钻进中固相不会重新进入井内，可以减少固相对油气层的损害。

（1）泡沫钻井适用范围。适用钻开油气层，特别是低压油气层及严重水敏性油气层、严重漏失井段，当地层水渗流速度大于10m3／d时不宜采用。若超过该值可采用泡沫钻井液钻井。

（2）泡沫钻井设计。泡沫是一种多相可压缩性流体，因此泡沫流体的流动力学参数是随状态函数而改变的，要使全井泡沫保持稳定状态，保持良好的携屑能力，必须合理设计各井段的泡沫质量。

1）设计程序。确定安全携屑能力时的泡沫质量：泡沫流体的携岩能力主要取决于泡沫质量。泡沫的携岩能力还与井口回压、井口气体和液体注入量、环空返速、泡沫流体的流变特性、岩屑浓度和井深等因素有关。有文献推荐注入气量为12～30m3／min，加入液体为40～200L／s，注入压力保持在1．47～3．43MPa，环空流速保持在15～30m／min，可将岩屑送到地面。

确定注入排量：注入排量应满足泡沫特征值在0．55～0．98，环空返速大于岩屑沉降速度。

确定注入压力：泡沫钻井流体力学参数的计算一般采用多相流理论中的均相流模型对其流动参数进行预测。

由注入压力和排量选择地面设备。

2）泡沫钻井设计计算。泡沫钻井设计流体力学参数计算包括以下内容：泡沫流变性、泡沫密度、静态压力、动态压力、固相摩阻系数和钻头喷嘴压降。

3）泡沫钻井使用的地面设备。泡沫钻井使用的地面设备有压风机、泡沫发生器、旋转密封头和钻井泵（或水泥车）。

5．2．3．9　充气钻井液钻井

充气钻井液钻井是将空气和钻井液通过地面混气装置泵入井内作为循环介质的钻井技术。充气钻井液密度可控制在0．45～1．20g／cm3，它不但能大大降低井内液柱压力，并且具有良好的携岩能力，从井内带出钻屑并经地面净化和脱气的钻井液还可再经泵和空气混合使用。

（1）充气钻井液钻井的优点及适用范围。

1）充气钻井液密度可调范围大，对油气层损害小，可提高油气产量。

2）通过水带和页岩坍塌层可避免卡钻的危险。

3）消除空气钻井可能引起的井下爆炸。

4）充气钻井液钻井较一次性的泡沫钻井经济。

（2）充气钻井液的钻井设计。

1）在给定地层压力、井身结构和钻柱组合条件下，设计钻井液密度和空气排量。

2）计算环空压降、静压。

3）计算井底压力。

4）计算喷嘴压降。

5）计算钻柱内钻头处压力、钻柱内压降和静压。

6）确定注入压力。

充气钻井液钻井流体力学参数计算是建立在多相流理论基础上的，且井内流道又受状态函数控制，因此各流动参数的计算十分复杂。目前西南石油学院钻井教研室和新疆石油管理局钻井工艺研究所合作，以多相流理论中的分相流模型研制了在不同地层压力条件下气液比的合理选择、环空气液两相流型的划分、注入压力、井底动压力、静压力、喷嘴压降的计算机程序，这套程序通过新疆石油管理局现场试验，与现场实测数据吻合较好。

（3）充气钻井程序。图5－8为充气钻井液钻井程序框图，即循环钻井液一定时间后开始充气，充气量达到设计要求时开始钻进。若发现气量不足，调整充气量至设计值。单根钻完停止充气，注入钻井液上起方钻杆，接单根继续钻进。

（4）充气钻井液钻井设备、工具及仪表。充气钻井液钻井主要设备及仪表有空压机、真空除气器、气液混合器、旋转密封头、钻杆单流阀、密度计、流量计及嗅敏检漏仪。

（5）充气钻井液钻井中影响因素的控制。在充气钻井液钻井流体力学参数设计中，研究的是气液两相流体在井眼中作一元稳定流动，由于不同的井深，流体所处热力学状态不一样，因此设计参数中的注入压力、井底静、动压力对气液比、钻井液密度

和井口回压特别敏感。分析这些因素的影响，可以在现场施工中有效地调节控制这些因素。

1）气液比。气液比一般控制在10∶1～30∶1，气液比是影响井底流动压力、流型划分和注入压力的主要因素。通过有关实际参数计算表明，随着气液比增加，流型分段趋向于气泡流段减短，而段塞流段增加。图5－9是气液比对井底流动压力的影响，即随着气液比的增加，注入压力增加。

2）钻井液密度。在使用充气钻井液钻井中，钻井液密度一般控制在1．02～1．20g／cm3之间。钻井液密度对井底流动压力的影响是明显的（图5－10）。随着钻井液密度增加，井底流动压力增加。

3）套压。套压对静液柱压力的影响如图5－11所示。低压钻井技术是开发低压低渗透油气层的主要手段，也是保护油气层最有效的钻井方法。目前，在我们探明尚未开发的油气层中，低压低渗透油气藏约占35%，而一些老油田长期开采，压力系数已降到0．7～0．8。因此，进行低压钻井技术理论和应用研究是十分重要的。从保护油气层技术来说，枯竭油田也已属于低压油气层范畴。

图5－8　充气钻井液钻井程序框图

图5－9　气液比对井底流动压力的影响

图5－10　钻井液密度对井底流动压力的影响