1 绪论

1.1 编写目的

1.2 提速钻井

1.3 控制环空压力钻井

1.4 欠平衡钻井的定义

1.5 欠平衡钻井的历史

1.6 进行欠平衡钻井的原因

1.7 欠平衡钻井与过平衡钻井的对比

1.8 欠平衡钻井的缺点和局限性

1.9 欠平衡钻井分级体系

2 如何进行欠平衡钻井

2.1 数据收集

2.2 评价

2.3 欠平衡钻井的可行性

3 详细钻井设计

3.1 循环系统设计

3.2 流动模型

3.3 钻柱及井下工具设计

3.4 设备选择

3.5 井控策略

3.6 人员选择

3.7 培训和资格

3.8 作业程序

3.9 欠平衡井的完井

3.10 井下作业

3.11 工艺流程图

3.12 钻机与工区布置

3.13 健康、安全和环境规划

3.14 详细成本估算

3.15 欠平衡钻井方案

4 重要的欠平衡钻井事件

附录1 欠平衡钻井服务公司

附录2 常用缩写

参考文献

一种替代方法是通过电缆将随钻测量工具回接至地面。这种技术在使用连续油管作钻柱时曾得到成功应用。如果使用钻杆，可采用湿式连接法，但这需要花费更多时间，这可能是一个限制因素。

钻杆注入方式的另一个缺点是气体会侵入井下橡胶密封件中。当橡胶件中有气体侵入，然后起钻到地面时，容积式马达特别容易失效。一旦起钻完成，由于膨胀性气体无法从定子中迅速释放出来，橡胶部件可能爆炸或膨胀。这种作用（爆炸式减压）不但毁坏马达，还影响所有井下橡胶密封件，导致马达的频繁更换。这对于钻井作业而言成本可能十分高昂。为解决这种膨胀问题，已经研发出专门的橡胶化合物，并不断变更马达设计。

大部分马达供应商现在都可以提供用于这种井下环境的特殊设计的容积式马达。但是，如果采用钻杆注入方式，根据操作要求考虑采用全金属涡轮。在地面进行钻具卸扣时必须非常小心，以防钻柱中存在任何高压气体。

3.1.10环空注入系统

通过同心套管柱进行的环空注入方式常用于各种海上作业项目（图3.12）。如果井内安装了合适的套管柱或完井油管，应用这种方法就是值得的。对于一口新钻井，应在目的层上面安装一根尾管。尾管通过一个改进的油管悬挂器回接至地面，悬挂器的作用是承受回接管柱的重量。

气体注入套管与尾管形成的环空可以实现钻井作业中所需的生产压差。在最终完井之前起出回接管柱。对于较老的井，替代方法是在完井中使用气举偏心工作筒。在钻井作业过程中，安装这些设备可以提供合适的井底压力。

这种作业的缺点是井眼尺寸和所需工具受到最小完井内径的限制。但是，通过环空将气体注入系统的主要优点是：在接单根过程中可以继续注入气体，因此可以提供更加稳定的井底压力。

通过环空注气只是将单相液体泵入钻柱中。好处是常规的随钻测量工具可以在最佳环境下工作，这对项目的操作成本能够带来积极的影响。

然而，该系统的缺点是必须有合适的套管／完井结构，并且为了达到所需的欠平衡条件，注入点必须足够低。

为安装回接管柱和注气系统，还可能需要对井口进行一些修改。还必须要考虑需要钻出较大的井眼以容纳该系统，以及与环空注入相关的井控问题。

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欠平衡钻井技术基础知识90年代以来国内外欠平衡钻井技术的发展方向和趋势 欠平衡钻井技术是90年代在国际上成熟并迅速发展的一项钻井新技术(图3-1)。欠平衡钻井又分为:气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井、淡水或卤水钻井液钻井、常规钻井液钻井和泥浆帽钻井。在美国，欠平衡钻井技术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

图3-1 世界采用欠平衡钻井技术增长趋势的预测

自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。目前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。

目前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0~0.02g/cm³;②雾化钻井，密度适用范围0.02~0.07g/cm³;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O.07~0.60g/cm³;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~O.9g/cm³，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1~1.30g/cm³;⑥油包水或水包油钻井液钻井，密度适用范围为0.8~1.02g/cm³;⑦常规钻井液钻井(采用密度减轻剂)，密度适用范围大于O.9g/cm³;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。

现在已有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;环空气体注人;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。

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。近年来，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。国外目前已经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。

国内欠平衡钻井技术近年来发展较快。国内采用该项技术完成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。截止到目前，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。

随着国内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，今后欠平衡技术在国内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国内各油田发展的目标。) r" A3 ]0 x2 m& b+ ~- Z t

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。

国外主要钻井技术发展应用情况

国外已经实现了全过程的欠平衡钻井、完井。

(1)欠平衡钻井井控

'欠平衡作业中的井控可以通过钻井液的流变性、循环控制装备、节流器及地面分离系统来共同完成，最新的改进表现在以下几个方面:

①额定5000 lb/in²静压力的旋转控制接头;

②完善的卸扣橡胶设计和组成;

③5000 lb/in²地面分离装置

④自动节流体系;

⑤能应付大量产出液、钻屑和钻井液的地面分离系统

在加拿大，普遍采用能处理多达20X100000ft³/d气体的密闭环型分离体系(敞开环型体系经常用于其他场合)。双密封元件环空分流器及其控制系统已应用于欠平衡钻井中，旋转式井口控制装置是一种可以进行欠平衡钻井的特殊设备，工作压力达到了2000 lb/in²，目前4部钻机中就有一台钻机采用旋转密封装置。Shaffer公司研制的随钻压力控制装置将球面旋转防喷器与液压和电子仪器控制结合在一起，为欠平衡钻井提供了实际的装置。