欠平衡钻井是20世纪90年代在国际上成熟并迅速发展的一项钻井的新技术。在美国，欠平衡钻井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。国外欠平衡钻井技术主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。

自20世纪80年代以来，由于研制成旋转防喷头、空气钻井马达等设备，又研究出各种往井筒中注氮的方法，使欠平衡钻井工艺达到了大规模投入工业使用的程度，并呈现稳步增长的势头。其原因主要是人们对减轻地层伤害越来越关注，而且欠平衡钻井有可能提高钻速和减少衰竭油藏中的井漏问题。到2006前后，在国外该项技术已成为一种成熟的钻井工艺。一些油公司曾报道，与常规方法钻水平井相比，运用欠平衡钻井技术使水平井产量提高了10倍。

到2006年末，已有20多个国家应用欠平衡技术钻井，技术先进的国家包括美国、加拿大、英国、阿根廷、墨西哥等国。这些欠平衡技术先进的国家，创造欠平衡条件采用的常用技术有：边喷边钻；泥浆帽钻井；立管气体注入；环空气体注入；连续油管钻井。水、地层水、海水、淀粉水、柴油、原油都曾用做欠平衡钻井的循环工作介质。散装或膜滤氮气、工业废气、空气、氮气和空气的混合气、天然气和空心玻璃球都作为减轻剂或发泡剂。

美国钻井承包商协会欠平衡作业委员会（以下称欠平衡作业委员会）成立于1998年。从成立的那一天起，就为制定欠平衡钻井的推荐做法编写各种文件。委员会所制定的欠平衡油井分类系统标准为工程技术人员选择合适的设备和相应的方案铺平了道路。与此同时，委员会的其他成员正致力于HSE和钻井培训。委员会的一个分会起草了一份包括钻机许可证等在内的欠平衡钻机作业培训标准。

欠平衡作业委员会的风险油井分类体系共为6级，从0～5。每一级下又分为A（低压头）和B（欠平衡钻进）两类。具体分类情况如下：

⑴ 0级 只提高钻井效率，不涉及油气层。

⑵ 1级 油井靠自身压力无法自流到井口。油井是稳定的，从井控的角度来看风险较低。

⑶ 2级 油井依靠自身压力可以自流到地面，如果发生灾难性的设备失效时可以采用常规压井方法进行处理。

⑷ 3级 地热井不产油气。最大关井压力小于欠平衡设备的承压能力。如果发生灾难性设备失效会导致严重后果。

⑸ 4级 有原油产出，最大关井压力小于欠平衡设备的工作压力。如果发生灾难性的设备失效会立即导致严重后果。

⑹ 5级 最大注入压力大于欠平衡作业压力，但小于防喷器的最大承压能力。灾难设备失效会立即导致严重后果。

采用这套油井分类体系需要对油井设计进行差异分析以确定所需设备的规范。委员会提出了欠平衡作业钻机许可证认证体系。这一体系主要满足两方面的需要：一是新雇员培训方案的核心部分；二是它提供了与这些核心部分紧密联系的识别程序。

常规的钻井属于过平衡钻井，钻井液压力大于地层流体压力，小于地层破裂压力。这样做主要是防止井喷。欠平衡钻井时，钻井液压力略小于底层流体压力，仍小于地层破裂压力。这样能及早发现油气藏。

欠平衡钻井系列分为：

①气体钻井，包括空气、天然气和氮气钻井，密度适用范围0～0.02克/立方厘米；

②雾化钻井，密度适用范围0.02～0.07克/立方厘米；

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0.07～0.60克/立方厘米；

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0.7～0.9克/立方厘米，是应用广泛的一种欠平衡钻井方法；

⑤水或卤水钻井液钻井，密度适用范围1～1.30克/立方厘米；

⑥油包水或水包油钻井液钻井，密度适用范围为0.8～1.02克/立方厘米；

⑦常规钻井液钻井(采用密度减轻剂)，密度适用范围大于0.9克/立方厘米；

⑧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。

欠平衡钻井技术按工艺分类可分为两种：流钻(flow drilling)是指使用普通钻井液的欠平衡钻井；人工诱导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。

1.国外主要钻井技术发展应用情况

欠平衡钻井作业的关键技术包括产生和保持欠平衡条件(有自然和人工诱导两种基本方法)、井控技术、产出流体的地面处理和电磁随钻测量技术等。到2006年，欠平衡钻井技术的进展主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。国外已经能成熟运用新一代欠平衡钻井技术，即在钻进、接单根、换钻头、起下钻等全部作业过程中始终保持井下循环系统中流体的静水压力小于目标油气层压力，同时欠平衡钻井技术也越来越多地与水平井多分支井及小井眼钻井技术相结合，有效开发了一些新老油田，其应用范围日益广泛，美国已将其列为21世纪急需的钻井技术。

国外已经实现了全过程的欠平衡钻井、完井。欠平衡钻井技术发展有如下几个关键方向：钻井模型分析；更有效的钻井液；更有效的井底导向系统与马达；有利于新的钻井液的井控与地面分离系统；集成化趋势。未来欠平衡钻井技术将进一步朝安全、简便和适用的方向发展。这项技术对于保护油层和提高钻井速度具有重要意义，将广泛用于低压低渗油田和老油田。

2.中国主要钻井技术发展应用情况

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。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，在中国国内产生了良好的影响。

随着中国欠平衡技术认识的不断加深，该技术开始逐渐被应用于老油田的开发，今后欠平衡技术在中国的应用范围将逐渐扩大，设备配套国产化的进程将逐渐加快，实现全过程欠平衡将成为今后中国各油田发展的目标。

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，以下是国外目前比较先进的专用装备。

①高压旋转分流器-防喷器系统

又称旋转防喷器(BOP)。国外有好几个厂家都有专利产品，其中美国Williams工具公司生产的旋转防喷头使用最多，压力级别最为齐全。该公司供应的高压系统有7000型和7100型两种：7000型的静试验压力为21MPa，工作压力为10.5MPa；7100型包括旋转控制头总成、热传递-润滑装置、遥控监控台和遥控防爆电源设备。旋转控制头总成壳体试验动压力可达70MPa，静压力为35MPa，工作压力为17.5MPa。

②液流导向系统

国外研制了一种电磁阀导向系统，可增加钻深。马达被设计成一种金属对金属的叶片，采用非弹性体制成的正容积马达，不会由于失速而使转速过快。

③地面分离系统

2006年前后，国外加强了地面分离系统研制，包括压力额定值为35MPa的地面分离装置、自动节流系统及各种分离器，这些设备可处理大量液体、岩屑和钻井液。此外，有一种密封循环分离器，每天可处理566336立方米容量的液流；还有一种高效小型分离器，适用于近海地区。委内瑞拉Mamdbo湖有一口近岸井，为了降低化学剂成本，首次使用密封循环地面分离系统，还使用配有全套连续油管的驳船和2000bbl（原油标准桶）容量的泡沫装置。泡沫循环液密度降低到179.74～359.4千克/立方米，在分离后，泡沫可再循环使用，以降低配制化学剂和水的成本。

④隔水管帽(Riser Cap)旋转防喷器系统

一种回流装置，所用主要设备是旋转控制头，装在水上隔水管顶部，可代替隔水管系统的滑动接头、球形接头和分流器。将高压软管接到旋转控制头双流管出口端，可提高井控能力，防止钻井液流失。高压机械密封置装于钻台下面的钻杆与隔水管之间，钻井液通过软管回流井下。

⑤实用隔水管(Virtual Riser)装置

该装置包括旋转控制头、封隔器—锁定总成和环形压力控制—排放系统三大部件，其中封隔器—锁定总成是一个经改进的直径508mm可膨胀套管封隔器，起到控制头及井口下面套管间的压力密封作用。其元件是一个3m长的密封，置于660.40～914.40mm套管里面，用遥控船可遥控该封隔器。

⑥地面数据采集系统

欠平衡钻井时，要测量并记录压力、速度、气含量、液含量和温度，并实时显示这些数据，避免出现过平衡和井喷现象。该系统可在钻井作业时，通过与现有钻井控制与监测系统接口，提供实时信息，还可与动态多相流量模型接口，允许将实际参数与计算参数加以比较。 2100433B

符号列表

第一章 欠平衡钻井基础

欠平衡钻井的优点

提高机械钻速

减少漏失

延长钻头寿命

减少粘卡

提高地层评价效果

减少地层损害

更早的油气产出

环境保护

欠平衡钻井技术

空气、气体、雾化和不稳定泡沫钻井

稳定泡沫钻井

充气钻井2100433B