欠平衡钻井条件下录井技术研究

第一篇：欠平衡钻井条件下录井技术研究

欠平衡钻井条件下录井技术研究

摘 要:随着欠平衡钻井技术的应用,综合录井如何尽快适应这一新技术的发展和挑战,已成为录井界面临的重要研究课题之一。文章阐述了欠平衡钻井工艺概况,欠平衡钻井工艺对录井的影响,相应提出了一套较为全面的录井措施和配套技术。对同类型作业的录井施工具有指导意义。

关键词:欠平衡;录井;影响;措施;应用;认识

在石油钻探过程中,为了更有利于发现油气层,保护储层,提高钻井速度,保障井下安全,越来越多地采用欠平衡钻井技术,并取得了十分显著的效果。随着欠平衡钻井新技术的应用,现有录井技术和方法已不能满足这一新技术的发展。目前,随着这一新技术的大量应用,必须开展与之相配套的录井技术的研究工作,以适应勘探形势的发展,促进录井技术及综合解释评价技术的全面提高。欠平衡钻井工艺概况及配置 1.1 基本原理及方式

欠平衡钻井技术是指在钻井过程中使钻井液的循环压力(包括液柱压力和循环回压),低于地层的孔隙压力,允许地层流体进入井眼,并将其循环到地面并加以有效控制的一种钻井技术,又称负压钻井技术。

按照循环介质的性质来分类,主要有以下两种方式:(1)液相欠平衡钻井:主要采用低密度钻井液来实现欠平衡钻进。适用于地层压力系数大于1.05的地层。

(2)气相欠平衡钻井:包括干空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、雾钻井、泡沫钻井、充气钻井。适用于地层压力系数小于1.05的地层。

1.2 工艺特点

1.2.1 液相欠平衡钻井工艺特点欠平衡钻进过程中,从井筒内返出的混合物经过井口钻井四通、再经过节流管汇节流阀的降压控制,进入液气分离器将气相分离出来,被分离出的可燃气体通过燃烧管线排出井场并燃烧掉,液相和固相进入固控系统将固相清除,液相进入撇油系统后将油与钻井液分离开,油进入储油罐,干净的钻井液被泵回循环系统。

1.2.2 气相欠平衡钻井系列工艺特点 气相欠平衡钻井系列可分为以下几种:(1)气体钻井:包括空气、天然气、废气和氮气等介质,密度适用范围为小于0.02 g/ 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:包括稳定泡沫、硬胶泡沫、可循环泡沫钻井,密度适用范围为0.07～0.70g/ cm3;(4)充气钻井液钻井:在钻进的同时往钻井液中注气,其密度适用范围为0.7～0.95 g/ cm3 ,是广泛应用的一种欠平衡钻井方法。

其主要优点为：

(1)应用广泛,适用于地层压力系数小于1的低压、枯竭的以及用液相欠平衡钻井技术无法成井的储层;(2)最大限度地减少对低压产层的损害,进而降低完井成本;(3)提高勘探开发效率,缩短勘探周期,降低勘探费用;(4)机械钻速提高2～5倍,提高单只钻头进尺,降低钻机作业时间;(5)可以消除发生在低压漏失层的钻井液漏失、卡钻等事故;2 欠平衡钻井工艺对录井的影响

欠平衡钻井施工过程中,由于钻井工艺、流程和循环体系的改变,常规录井设备、方法已经难以满足现场录井工作的需要,部分技术缺少理论基础,主要反映在以下方面: 2.1 仪器设备的安装受到限制

欠平衡钻井过程中,由于钻井设备的增加和改进,所需设备的数量和安装条件发生了变化,致使部分仪器设备的安装、使用及操作需做相应的变动。

由于是负压钻井,对地层油气的敏感性较强,如果钻遇油层或含有H2 S地层,油层内油气会随着循环物直接排出,油气的分离和处置或H2 S的处置在现场直接进行,给现场带来了安全隐患,因此对录井系统的安全防护技术提出了新的、更高的要求。

同时现场存在多个高压区,对设备和人员的安全及设备性能提出了更高的要求。

2.2 录井技术和方法的不足 在欠平衡钻井条件下,常规录井的一些技术和方法已经不能满足录井工作的要求,需要改进和创新。

(1)岩屑录井

首先,是岩屑采集的问题。由于欠平衡钻井采用密闭循环体系,无法采用常规的振动筛实现分离液固相的方式来收集岩屑。

其次,是岩屑的识别问题。由于钻井液密度较低,携砂能力差,返出的岩屑样品数量少,岩屑细小、混杂,代表性差;在使用油基泥浆、泡沫泥浆等泥浆体系的条件下对岩屑的评价与分析比较困难。

第三,是岩屑归位问题。传统的岩屑录井是在取得了对应于某一深度之处的岩屑进行岩性的识别与油气层的监测,由于欠平衡钻井工艺流程的变化,岩屑是经过液固或气固分离器后才能排出循环系统,岩屑是某一层位的混合物,根本无法归位。

(2)气测录井由于钻井工艺流程的变化,主要带来以下几方面的问题: 一是以泥浆脱气为主的气体采集系统没有了基础,也就是说从井口上来的就是气体,直接进机分析,常规以脱气为主的工艺要改变为如何在高压力下采集到有代表性的气体。

二是欠平衡钻井如果采用油基泥浆,气测采集分析的是经油气分离器分离之后的流体内的气体,背景值较高,对地层油气发现有影响,同时若井口回压控制较高,原油容易进入气管线造成污染而发生漏测。

三是在以液相作为钻井介质的欠平衡钻井中,流体呈间断返出,并因分离器中的气体不能充分排净形成的滞留气的影响,使得信息被混淆、或被干扰、叠加,同时因欠平衡钻井,上部地层流体源源不断地进入井筒,对新钻遇油气层的发现造成困难。而以气相为钻井介质时,地面有机气体(有些地区部分井采用天然气钻进)将直接影响气测监测,而其中的无机气体则将影响CO2、H2、N2 的监测。

(3)地层压力录井

由于钻井介质发生变化,岩石破损机理跟常规钻井也有所不同,传统dc指数、sigma指数地层压力监测法已缺少相应的理论支持,需要重新认识与研究。在使用密闭循环系统进行钻井时增加了对钻井负压值进行实时监测的难度。

(4)工程事故预报 由于欠平衡钻井工艺发生了变化,常规钻井条件下的部份工程事故预报的机理发生了变化,需要重新认识与研究。

(5)钻井液录井

采用气体、雾化、泡沫等介质钻井,原有综合录井所采用的钻井液录井技术失去效用,从而减少了发现及评价油气层的相关参数。2.3 录井技术缺少相应的理论支持

在常规钻井过程中,循环系统采用泥浆泵入的方式,在欠平衡钻井条件下,由于钻井工艺的变化,循环系统也发生了变化,迟到时间的计算具有不确定性,缺少理论支持,具体表现在岩屑采集和气体监测方面,不能真实反映相应井深的地层信息。欠平衡钻井条件下录井措施

通过对欠平衡钻井工艺技术条件的分析及对录井施工作业的影响,需要对录井设备和技术加以改进和完善。

3.1 录井设备改进

3.1.1 安全防护设备的改进

从增加现场录井人员的安全性要求为内容,确保现场可燃气体不能进入仪器房,增加了录井房增压防爆装置。

以加强现场作业人员的安全性出发,增加了H2 S检测传感器和可燃气体报警器,声光报警系统及防护设备以便及时采取措施从消除现场安全隐患出发对仪器房、地质房中的各种电器、电路、电源等按防爆要求进行改进完善。

3.1.2 录井传感器的改进

除常规录井需要配置的传感器外,在附加的欠平衡泥浆罐上增加一套出口泥浆性能传感器,在欠平衡振动筛上增加一只H2 S传感器。根据设计泥浆密度范围,对低密度的泥浆体系选择使用适合量程的传感器,或对传感器性能进行改进。

更换适合欠平衡钻井的套管压力传感器,配备测量范围在70MPa以上的套管压力传感器。为确保工程按照设计施工,增加电磁流量计和气体流量计,实时监控钻井介质的流量。

3.1.3 捞取岩屑装置的改进 在欠平衡钻井过程中岩屑捞取可采用以下两种方式:(1)利用液气分离器从井底返出的携带岩屑的钻井介质经过液气分离器分离后,流经振动筛,采集岩屑。

(2)采用改进装置,在循环管线上捞取岩屑设计了二种简易的岩屑取样装置。

将取样装置安装于钻井介质返出管线靠近排出口3～4 m的地方,岩屑返出时在挡板的作用下进入收集器,收集岩屑时打开闸门,岩屑靠重力及气流的推力排出来实现岩屑采集。

3.1.4 气体检测装置的改进

(1)配置双套脱气器,一套安装于常规缓冲罐用于常规录井的气体检测,一套安装于欠平衡振动筛用于欠平衡钻井的气体检测。采用双套脱气器,可以在钻井状态进行体内循环和体外循环的转换时保证地层气体连续、实时监测。

(2)欠平衡钻井如果采用气相介质时,可以在液气分离器之后的排气管线上安装一套气体取样装置,井内返出混合气体在进入气管线之前,经过滤筛网一方面过滤掉固相物,同时也起到了减压缓冲作用,即可直接进机分析。

3.1.5 安装气体流量计

对于采用气相介质的欠平衡钻井,可以在气液分离器之后的燃烧管线上安装气体流量计,以便于监测密闭钻井过程中经气液分离器脱出的钻井液气体流量变化和在不中断钻进的情况下初步产能计算。

3.2 录井技术的改进和完善 3.2.1 岩屑录井技术

欠平衡钻井由于钻井液密度较低,携砂能力差,返出的岩屑样品数量少,而且岩屑细小、混杂,代表性差,对岩屑的识别带来困难。对于此种情况,振动筛应改为80目以上的筛布,尽量减少细小真岩屑从振动筛上流失,洗样时应尽量采用小水流,轻搅拌,稍微沉淀后倒去混水再换清水漂洗的方法,防止细小的真岩屑在清洗过程中流失。

3.2.2 气体监测评价技术

密闭钻井时,钻井液在从环空到达振动筛之前,需要经过液气分离器,经液气分离器除气后流向振动筛,这样,一方面在油气显示不好的情况下,可能会漏掉油气层;另一方面,由于色谱采集分析的是油气分离之后流体内的原油伴生气或残余气。在油气显示较好的情况下,会因为气体值较高,容易造成气路管线甚至色谱柱的污染,造成后续井段的假显示,增加气测解释的困难,同时若井口回压控制较高,原油容易进入气路管线也会造成污染。为了解决以上问题,可以采用下面的方法予以解决:(1)定时对排气管线中的气体进行取样分析,见显示时加密取样。(2)比较气体流量计输出的流量曲线与色谱曲线变化进行解释。在色谱被污染的情况下甚至可以用气体流量曲线确定显示层位,同时用取样分析数据进行解释。

(3)在进行地层评价时,比较随钻气体分析数据和定时取样分析数据,取其相对较高中的值为实际地层气体数据。

3.2.3 OFA定量荧光分析技术

液相欠平衡钻井泥浆体系通常采用混油和加处理剂的方法来降低泥浆密度,这就使常规的岩屑荧光录井技术和方法受到了很大的局限。为了解决这一问题,可以采用OFA定量荧光技术对录井岩屑进行分析,根据定量荧光数据和图谱不仅可以确定岩屑中的真假油气显示,还可以确定地层油气含量和油气性质。

3.2.4 地层压力监测技术

传统综合录井的地层压力监测方法主要为Dc指数法和Sigma指数法。在欠平衡钻井过程中,如果采用液相介质钻井,这两种方法仍然是检测地层压力异常的主要手段,如果采用气相介质钻井,传统的Dc指数法和Sigma指数法已缺少理论依据。通过研究,我们提出了两种另外解决办法,即井底流压监测法和井口压力监测法。

(1)井底流压法

井底流压是流动泥浆对井底地层产生的压力,录井上称作循环当量密度(ECD)。密闭钻井时,我们用循环当量密度与设计的井底流压值进行比较来实现钻井欠压值的监测。

在不同的钻井深度,录井程序通过计算循环当量密度,并与设计的井底流压低值和高值进行比较,若循环当量密度值界于设计井底流压低值和高值之间,则欠压值是合理的;若循环当量密度值大于设计井底流压高值,则没有达到欠压效果;而若循环当量密度值小于设计井底流压低值,则欠压值过大,容易造成井下事故的发生。

实际录井时,根据循环当量密度实时变化曲线,适时调整设计井底流压低值与高值的报警门限,就可比较直观地掌握井底流压变化情况。

(2)井口压力监测法

通过实时检测套管压力来检测井口压力变化,从而达到实时检测井口欠压值变化的目的。钻进中通过对比井口套管压力与设计井口压力的变化来调整钻井欠压值。正常欠平衡钻井时,套管压力值应小于设计的最大井口压力值。当套管压力大于设计的井口压力时,则欠压值过大,需要采取措施防止钻井事故的发生。

3.2.5 工程事故预报

除了常规钻井条件下的工程事故预报方法外,更要总结和加强欠平衡钻井条件下的工程事故预报。具体表现在:(1)如果注气压力增大,排出口有水喷出,则可能地层出水。

(2)如果排砂管线出口出现火焰,停止注气后,仍有气体排出并见火焰,则可能地层出气。

(3)如果注气压力增大,火焰增高,并且伴有黑烟,则可能地层出油。(4)如果注气压力增大,同时转盘扭矩增大,上提钻具阻力增大,下钻遇阻,有可能发生地层坍塌。欠平衡钻井条件下录井技术的应用

窿x井是玉门油田分公司部署在酒泉盆地青西凹陷窟窿山逆冲断裂带窟窿山构造南翼上的一__口预探井,在井段2 970 m至3 300 m采用欠平衡钻井技术,期间交替运用了气体、泡沫、雾化液三种钻井介质。录井作业采用DR ILLBYTE增压防爆型综合录井仪录井,具体措施如下:(1)岩屑录井

在岩屑和钻井介质返出口附近,安装一个取样管线和闸门,为减小压力起缓冲作用,安装两个闸门,取样时先打开上闸门,让岩屑进入取样管线,然后关闭上闸门,接着打开下闸门,在取样口采集岩屑。

(2)气测录井 配置双套脱气器,一套安装于常规振动筛用于常规录井的气体检测,一套定量脱气器安装于欠平衡振动筛用于欠平衡钻井的气体检测。在气相介质钻进过程中,在岩屑和钻井介质返出管线上做一出气口,为防止岩屑等杂物进入气路管线,在出气口与气路管线之间做一个减压筛网,地层反出气体通过气路管线直接进入色谱仪器进行分析。

在进行欠平衡钻井时,在液气分离器之后的排气管线上安装一套气体取样装置,对液气分离器从泥浆中分离出的气体定期取样,做vms分析,供地层气体解释时使用和参考。

(3)工程录井

除常规录井需要配置的传感器外,还在立管上加装了入口电磁流量计,出口架空管线上安装用于测量出口钻井液流量的电磁流量计。

为了监测密闭钻井过程中经气液分离器脱出的钻井液气体流量变化,在气液分离器之后的燃烧管线上安装气体流量计。在附加的欠平衡泥浆罐上增加一套出口泥浆性能传感器,在欠平衡振动筛上增加一只H2 S传感器。结论与认识

随着钻井技术的更新和发展,尤其是欠平衡钻井技术的应用,传统录井技术面临许多新的挑战,录井应适时研究新的技术及方法,只有这样,录井才能适应新的环境及要求,得以生存和发展。通过此次的探索总结,有针对性的提出了一些欠平衡条件下的岩屑捞取、气体检测、工程实时监测及油气层识别和评价等现场录井方法,但由于欠平衡钻井条件下的录井工作经验有限,加上现场各种钻井条件的限制,上述的一些方案和设想并没有能够在实际工作中完全实施并得到验证,还有待于进一步的总结和完善,相应的技术和理论体系还需认识和研究。目前存在的问题有:(1)由于行业所限,欠平衡条件下录井技术研究缺乏广泛的研究基础,部分技术和方法缺少相应的理论支持。

(2)目前研究与实施的录井方法还不全面,还有待于进一步的探索和完善。(3)欠平衡钻井工艺的录井设施还不完善,有些不具备推广价值。(4)缺乏针对欠平衡钻井工艺的录井软件,行业有待进一步研究与开发。

第二篇：欠平衡钻井技术及应用

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。

第三篇：低压欠平衡钻井(勘探应用)

低压欠平衡钻井 —勘探钻井中技术发展新动向(续)

*

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

1998—03—07收稿

第四篇：PDC钻头钻井岩屑录井技术探讨

PDC钻头钻井岩屑录井技术探讨

沈晓燕 凡 刚 张 胜

字体:[大][中][小]

1、前言

随着PDC钻头技术创新所带来的高钻速、高时效，进而有利于降低钻井总成本、增加经济效益的同时，却由于钻屑细小、砂岩和泥岩之间钻时变化不明显，而给岩屑录井带来诸多问题。PDC钻头不仅使录井油气发现率、剖面符合率下降，同时还造成地层对比、岩性归位、油气层解释困难。面对上述挑战，开展PDC钻屑录井随钻岩性识别技术的研究，使随钻录井岩性识别和油气显示快速评价解释技术进一步提高，从而提升油田的整体勘探开发效益。

2、PDC钻头钻井特点及对地质录井影响

PDC钻头是聚晶金刚石切削钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit)的简称，是70年代末80年代初美国石油钻井技术的一项重大成就。我国从80年代中后期开始引进、生产PDC钻头，90年代得到推广应用，它给钻井技术带来划时代的进步。与牙轮钻头相比，PDC钻头具有机械钻速高、寿命长、成本低、防斜、纠斜以及岩屑便于泥浆携带而保持井底清洁等特点，因而倍受青睐，近年来在国内钻井中得到广泛的推广应用。江苏油田自九十年代引进该技术以来，得到了广泛的推广和使用，钻井时效提高了 30%～50%，无论给钻井公司还是给油田都带来了显著的经济效益和社会效益。

但是，PDC钻头钻井却给地质录井带来了较大的影响：

a.PDC钻头钻进时岩屑特别细小，一部分融入泥浆内造成岩屑捞取量很少。同时，过细的岩屑给清洗工作带来较大的困难，较难获得可靠的、能真观反映地层情况的岩屑。

b.捞取岩屑量少，再加上砂岩岩屑颗粒与泥浆接触充分和岩屑清洗时油气逸失严重，造成常规地质录井油气显示普遍降低。c.岩屑细小，现场挑样极为困难，有时挑样任务无法完成，影响地化分析和地质油气取样。

d.由于钻时较快，传统的色谱分析周期长，常常漏失薄层油气层，给薄层油气层的发现和解释带来困难。e.由于岩屑样细小，特别用小复合片钻头时岩屑几乎呈粉沫状，给岩屑描述增加了困难。f.砂泥岩钻时差别不大，造成现场录井划分岩性界面及岩性归位困难。

3、PDC钻头岩屑录井技术探讨

3.1应准确记录钻时，及时测定迟到时间

钻时是地层可钻性的最直接的反映。传统概念上，正常的砂泥岩剖面使用牙轮钻头应该是砂岩可钻性好，泥岩可钻性差，但使用PDC钻头则不尽然。不同的坳陷或不同的油田、区块及地层的砂泥岩钻时各具特征。总体上讲，西部新疆、陕北地区使用PDC钻头时，钻时基本上能够正确反映地层的砂泥岩变化。例如，在准噶尔盆地腹部的中央坳陷带、鄯善油田等地区，侏罗纪地层是主要目的层，无论使用牙轮钻头或PDC钻头，砂泥岩钻时变化均较明显。分析原因可能是因为该区内目的地层沉积较古老，泥岩埋藏深，压实性较好；砂岩大部分成分为石英、长石，呈次圆状—圆状，分选好，泥质胶结，疏松—较疏松。而江苏油田由于主要目的层段为下第三系沉积，时代较新，泥岩压实不够。相对而言泥岩可钻性较好，造成使用PDC钻头的钻时与砂岩没有明显差异，甚至像联盟庄地区戴南组地层因为砂岩是灰质胶结，造成钻时反而比泥岩可钻性差的现象。

所以，钻时只能在区分地层岩性时作为重要参考，而不能绝对依靠钻时区分地层岩性。而至于采用30～50cm微钻时区分岩性的观点，笔者觉得不太实用。

岩屑迟到时间的准确性直接影响到岩屑剖面与测井深度的系统误差，决定着岩屑剖面的合理归位。因此，在使用PDC钻头钻进过程中，要经常实测迟到时间（50m/1次），采用接近钻屑密度、颜色与钻屑反差较大的实物进行迟到时间的测定，以保证捞样时间的准确性。

3.2改进岩屑捞取和清洗方法，确保细小岩屑的捞取质量

采取正确的捞岩屑方式相当重要。传统的二分法和四分法仍在起着作用。虽然采用的PDC钻头牙齿较短，岩屑破碎程度较高，但仍有大小之分。经过振动筛之后较大颗粒的岩屑动能较大，飞跃较远，靠近接样盆的外侧；颗粒小的岩屑动能较小，靠近接样盆的内侧，有时紧贴振动筛布流下。众所周知，较大的岩屑内存在着一定的假岩屑，较小的岩屑真实性较高，这就要求我们采用二分法或四分法捞取岩屑时首先要选取靠近振动筛一侧的岩屑，并且每捞取一次岩屑要清理接样盆，以防混样。这样有助于辨别每包岩屑砂泥岩百分比变化情况，以便我们更好的区分岩性分界面，必要的时候可以借助放大镜。至于钻井液性能特别是粘度和切力对正确取样的影响还有待进一步研究。

自动捞取岩屑在理论上具有一定的可行性。其中一种方法就是在大振动筛下接一小振动筛，其宽度为大振动筛布的三分之一，然后下接接样盆，定时冲洗即可。存在问题一是需要经济投入和场地的制约，二是具体实施过程中受上返岩屑量和均匀程度的影响。

另一个值得注意的问题是岩屑冲洗，前提是合理利用捞取工具，在这方面岩屑盆比岩屑筐更具优势。过度地冲洗岩屑对油气显示和显示级别影响较大，相反地对地层岩性确定却有好处。

3.3结合一些工具和手段对细小岩屑进行正确的描述

岩屑在刚清洗干净后，就可以先简单粗描一下，等晒干后再整体细描，远观颜色、近查岩性、参考钻时、分层定名，观察岩性百分比的变化。PDC钻头的特殊破碎机理导致钻井岩屑非常细小，用肉眼观察有一定的困难，可以借助于放大镜。一般现场要挑有显示的岩样做荧光滴照、浸泡照等，而对于细小岩屑的含油气实验，要及时在岩屑还未晒干的情况下进行，油气级别相应提高一个档次。在很难挑取的情况下，可以采取混合样的方法代替，把盘中的砂样多次晃动，去掉上面的大块，直至下面基本为碎颗粒为止。同时，要注意如果钻井液中混过原油，那么细小岩屑混样滴照可能都会有一点点淡黄色或浅黄色光圈，要区分排除这方面的影响。再捞取岩屑的时候，结合观察槽面是否有油气显示，钻井液性能是否有变化等，这些也是综合判断是否进入油气层的辅助手段。

3.4加强荧光录井、气测录井技术，及时判断油气显示

常规录井过程中荧光发现和荧光级别的确定是采用PDC钻头钻进时最困难的问题之一。首先要明白我们所称的荧光显示应该是指岩屑被钻头破碎并被携带至井口，储集层孔隙内残余油气经过处理后或未经处理时在荧光灯下的具体表现。砂岩破碎的程度越低，对应的岩屑含油级别越高；反之含油级别越低，甚至无显示。被PDC钻头破碎的岩屑明显偏小、偏细，相对而言发现油气显示的难度会增大。比如，中砂岩或粗砂岩以上的松散储集层在井下表现为含油层系，经过PDC钻头破碎，中途再经过高温钻井液浸泡冲洗，其中的胶结物和所含油气已经完全溶解于钻井液之内，返回至地面会变成单个石英或长石小颗粒，不存在所谓的孔隙。此种情况下，即使采用有机溶液浸泡对比也不会有明显的油气显示特征。只有那些组成颗粒较小，分选好，胶结较致密—致密或者灰质胶结的储集层在返回至地面仍然保持着片状、块状或团块状，换句话说仍然保持有一定的孔隙，经过压碎滴照、浸泡，则可轻易地发现油气显示。

跟随综合录井仪的井要判断油气显示则容易得多。如果排除地层向井筒内气体流动的影响，单就井筒内被破碎的储集层而言，岩屑被破碎的程度越高，原储藏在孔隙中的油气进入钻井液内的量就越大，反映到气测录井上就表现为全烃升高，各组分的绝对含量值随着升高。但是，无论是使用牙轮钻头还是PDC钻头，各组分的相对含量不会有明显的差异。

采用综合录井的气测值一般可以区分岩性界面。泥岩的气测值曲线往往是一条平直的基线，而在即将钻穿下伏储集层时（特别是有油气显示的储集层）时，上覆泥岩段的气测值曲线会有一个缓慢推高的过程。一旦储集层被打开，这种平缓的推升趋势会被打破，出现突然升高的现象，这时我们可以认为钻入储集层。同一个储集层内如果是上油下水，在钻遇下部水层时，气测值曲线会有下降的趋势，这时我们不应该轻易地认为已经进入泥岩地层。参考非烃组分氢气和二氧化碳含量的变化，同样可以确定下部的储集层是水层，因为水层最明显的特征就是氢气和二氧化碳值明显升高。

3.5充分利用地化录井评价技术

地化录井是分析泥岩有机质丰度及生油成熟度、生油岩类型、临界温度的有力武器，同样可用来分析储集层内的气态烃、液态烃、及残余重烃含量。同一油田或同一区块如果确定了油、气、水层的评价基值区间，地化录井对于地区的单井油、气、水层评价会有重要的参考作用。采用PDC钻头钻井的岩屑时，由于泥岩相对好挑样，生油指标分析较可靠，但利用混样来进行储集层分析，无疑会给这种精密的仪器造成判断失误，从而引起错觉，其结果往往不能令人信服。笔者认为，只要严格按操作规程，及时取细小混合样仔细分析，分析结果可能有一定偏差，但再结合其它资料综合分析，寻找出这一偏差系数进行系数校正，能将因岩屑细小对录井资料的影响程度降低到最低限度，确保岩屑细小的录井资料质量。

3.6加强钻井与地质录井的横向协作

由于钻头、钻井工艺、钻具组合与地层的配置等因素影响，当振动筛后难以采集岩样时，现场地质师要认真分析原因。若是钻具结构、钻头选型不合理、泥浆携砂能力差或振动筛网孔径过疏等工程因素，则应建议钻井调整钻头类型、泥浆性能、更换筛布。

在PDC钻头条件下，岩屑的含油气性判定还应结合槽面油气显示进行。比如，洗样时水面是否有油花、油膜，钻井液槽面蒸汽和岩屑是否有油气味（这就严格要求采集工取样时要随时观察），震动筛上有无油花、气泡，钻井液蒸汽气味是否有异常，有无油气味，这些也是综合判定是否进入油气层的依据。

4、结束语

在了解认识PDC钻头钻进条件基础上，岩屑录井关键是强化地层对比、录井资料的综合分析及岩屑的细致观察、描述，应采用干样、湿样、筛析观察相结合，逐包进行荧光试验的常规录井方法。总之，扎实、认真、仔细的基础工作和严格执行各项录井操作规程是我们作好各项录井工作的基础和前提，这一点对于PDC钻头条件下岩屑录井工作显得更加重要。只有提高地质采集员和技术员的综合素质，加强其责任心，在岩屑录井的每道工序、每个工作环节做到扎实、认真、细致，才能将因PDC钻头影响岩屑对录井资料质量的影响程度降低到最小限度，才能确保在现代钻井技术条件下的地质录井资料质量，确保石油钻井地质录井工作不因钻井技术的发展而被淘汰掉

第五篇：欠平衡钻井过程中的事故分析及对策研究 文献综述

欠平衡钻井过程中的事故分析及对策研究

文献综述

专业：机械设计制造及其自动化 班级：机自08-7班 姓名：朱韩鹏 学号：08041723 指导老师：贾星兰

2012年3月10日

欠平衡钻井过程中的事故分析及对策研究文献综述

前言

近几年随着大庆、胜利等大型油田产量的递减,中国的原油供应能力难以持续增长,今后发现巨型、大型整装油田的可能性已经很小,近十年来的实践经历证明,利用现有的勘探技术手段,不能够有效发现、开发、利用中国 的远景油气资源。要达到此目的,必须要有技术进步,产生相应的新技术。这为欠平衡钻井的发展提供了条件。欠平衡钻井是在钻井液液柱压力小于地层压力的情况下 ,有控制地让地层液体进入井眼的一种钻井技术。欠平衡钻井技术自20世纪90年代以来,在石油领域掀起了一场热潮,受到了国内外石油工程专家的普遍重视。通过对相关文献的检索和查询，使我充分了解了欠平衡钻井的来源、研究现状和未来发展趋势。他们总结了目前国际上欠平衡钻井的分类方法，并在综合考虑地层孔隙压力、流体类型及欠平衡应用的情况下，提出了一种新的欠平衡钻井分类方法，然后就欠平衡钻井油藏筛选方法进行了系统论述。

关键词：欠平衡、发展、应用

正文

一：欠平衡钻井技术的历史：

20世纪90年代，欠平衡钻井技术开始在国外迅速发展，目前全球装备的欠平衡钻井数量已经超过1.5万口，到2010年将超过2万口。在许多发达国家，欠平衡钻井已经成为常规钻井技术，例如，美国、加拿大两国的欠平衡钻井已经占到本国钻井总量的1/5左右。欠平衡钻井技术有很多优点，例如，它能有效解决传统钻井污染油气层的难题，大大减轻钻井对地层的伤害。它从根本上解决了井漏难题，还能有效发现各种隐蔽性的油气层，从而开采那些用传统方法、设备、工厂发现不了的油气田。欠平衡钻井技术还能大大提高油气开采效率，例如，第一，产量方面，根据某些国外企业的统计数据，与常规方法钻水平井相比，欠平衡钻井技术能够使水平井产量提高约10倍；第二，速度方面，欠平衡钻井的速度比常规钻井提高了10多倍，有的甚至超出约20倍。

在国外，欠平衡钻井技术已经在多种技术路线上形成系统、完备、稳定、有效的装备和工厂技术体系，如气体钻井、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等。从专利文献看，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。不过，随着欠平衡钻井技术的不断更新，其专利部署空间在持续拓展。在油气钻探和开采这个特殊行业，靠所谓基础专利垄断国际技术标准的局面没有出现，今后也很难出现。

目前，我国各油气田都在应用欠平衡钻井技术，国内欠平衡钻井数量在快速增加，可望在五年内从不足全国钻井总数的0.5%增加到3%～5%。随着我国大批钻探队伍开赴海外并广泛使用新技术，我国在海外拥有的欠平衡钻井数量也将快速增加。在我国石油行业，欠平衡钻井技术已经成为成熟、系统化的技术。在该技术领域，我国各油田已经成功试用或者应用泡沫钻井、空气钻井、氮气钻井、尾气钻井、天然气钻井、充气钻井、雾化钻井等主要技术路线。尤为可喜的是，我国不但研究、开发、改进了大量欠平衡钻井技术方案，而且设计、制造了大量的欠平衡钻井装备，逐步实现了主要装备的国产化，并逐步开始向海外输出技术、工厂和装备。

二：欠平衡钻井技术的分类及应用

分类：2005年，国际钻井承包商协会(IADC)发布了有关欠平衡作业和控制压力钻井的分类方法：按照风险级别分为O～5级_l ]；根据钻井流体类型，分为气体、雾化、泡沫、充气和低密度钻井液钻井。按照应用分为控制压力钻井(MPD)、欠平衡作业(UBD)、钻井液帽钻井(MCD)L3 ]。Weatherford公司欠平衡部门现提供三类欠平衡服务，即：PD(提速增效钻井)，用于提速、纺漏和防止页岩水化等；储层的UBD，实现保护储层，获得高产的目的；MPD用于精确控制井底压力，在窄安全密度窗口实现安全钻井。笔者综合考虑地层孔隙压力、流体类型及欠平衡应用情况，广义上将欠平衡钻井分为6类，即液相UBD、液相MPD、气相UBD、气相超UBD、气相OBD过平衡钻井)和气相提速。应用：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。

由于使用欠平衡钻井技术对于发现及保护油气层等方面具有许多优点，其应用越来越广泛。随着旋转控制头、空气钻井马达等设备的研制成功，相继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人工业使用的程度，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。在国外，该项技术已经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，世界上已有包括中国在内的20多个国家应用欠平衡技术钻井，其中技术先进的国家有美国、加拿大、英国、阿根廷、墨西哥等。这些欠平衡技术先进的国家，技术主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面，常采用的技术有边喷边钻、泥浆帽钻井、充气钻井、连续油管钻井等。在钻井中可将地层水、海水、淀粉水、柴油、原油用做欠平衡钻井的循环工作介质，将散装或膜滤氮气、工业废气、空气、氮气和空气的混合气、天然气和空心玻璃球作为减轻剂或发泡剂。在美国，欠平衡钻井技术被称为上游石油工业急需的钻探技术，已发展成为钻井技术的热点，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。

我国是钻井技术应用大国，国内欠平衡钻井数量在快速增加，据专家预测，我国的欠平衡钻井可望在五年内从不足全国钻井总数的0.5%增加到3%500。其欠平衡钻井的技术进展也很快，目前各油田已经能够成功应用泡沫钻井、空气钻井、氮气钻井、尾气钻井、天然气钻井、充气钻井、雾化钻井等主要技术。到目前为止，欠平衡钻井与水平井、套管钻井相结合的欠平衡钻井技术也得到了广泛

应用。在我国四川、新疆及鄂尔多斯等地的不压井起下钻技术、利用套管阀进行全过程欠平衡钻井等技术得到较好的应用，控制压力钻井技术也得到发展。我国不但研究、开发、改进了大量欠平衡钻井技术方案，而且还设计、制造了大量的欠平衡钻井装备，逐步实现了主要装备的国产化，并逐步开始向海外输出技术、工艺和装备。

通过应用欠平衡钻井技术，在油气勘探中取得了巨大成果。例如，在“九五”期间，大港油田针对前古近系深层勘探，在板深

7、板深8井、板深4井、板深701井、板深702等井采用低密度无固相钻井液体系实施欠平衡钻井工艺技术，成功发现了千米桥潜山亿吨级凝析，使大港油田南部古潜山勘探取得了历史性的突破。

四川油气田在钻探邓西3井时，采用全过程欠平衡钻井新技术喜获成功，测试日产气量达45.6 X104 m3，从而发现了邓西气田，并证明了“川西前陆盆地大型含气区”有较好的勘探开发前景。闻名中国石油的“磨溪速度”，欠平衡钻井新技术发挥了重要作用，磨溪气田的产能迅速翻番。四川油气田用145天钻成6 530 m的超深井、27天完成2000多米水平井段的钻进，欠平衡钻井技术功不可没。

应用欠平衡钻井技术，在松辽盆地深层火山岩领域，也取得了天然气的重大突破。2006年中国石化在长岭断陷的腰英台深层部署钻探了腰深1井，在3 544--3 750 m的营城组火山岩段测试，获日产30 x 104 m3的高产天然气流，一次提交探明储量大于400 X 108 m3 ,整个火山岩圈闭形成了一个千亿方级的大型整装天然气田。

但是，欠平衡钻井技术应用具有一定的局限性。适合欠平衡钻井地层必须具备如下条件:①地层地质资料清楚;②井壁稳定性好，不易发生坍塌;③储层HZS含量低于20 mg/cm3;④对钻井完井作业伤害敏感，而且不能有效消除这种伤害的低压、低孔、低渗储层，特别是碎屑岩储层。

在高压油气层、破碎或松软地层不适合使用气体钻井、充气及泡沫钻井技术，在出水严重地层、含HZS地层不适合空气钻井。三：欠平衡钻井技术中的问题

对于欠压实的地层；钻井“产出”的储层流体有油、气、水等，甚至含CO2或H2S；高压高渗地层，特别是高压气井；膨胀地层盐岩蠕动、泥岩膨胀缩径易

导致卡钻；油气产出过量，造成速敏；由于设备、工艺的局限性使设计实施困难等的井都要考虑是否实施或使用欠平衡钻井。

适应欠平衡钻井的地层有四大类：低渗透砂岩油气藏；低渗透微裂缝油气藏；裂缝及溶洞油气藏；过压实硬地层。四：欠平衡钻井技术的发展前景

目前全国难动用储量已达到石油50亿吨，天然气20万亿立方米，煤层气35万亿立方米；在中石油内部，欠平衡井在钻井总量中所占比例还很低——欠平衡/气体钻井技术有着十分广阔的市场需求和发展空间。

欠平衡钻井技术的发展趋势是:(1)随着工具的进一步改进，全过程欠平衡钻井技术将得到广泛应用;(2)井底压力自动控制技术(控制压力钻井)将得到快速发展;(3)欠平衡钻井水力分析模型会更加完善，计算结果将更切合实际;(4)随钻井底压力、地层压力测量技术将迅速发展;(5)与套管钻井相结合的欠平衡钻井技术将日臻完善;(6)空气钻井、泡沫钻井、雾化钻井等技术将广泛推广和应用。

未来的欠平衡钻井技术将进一步朝着安全、简便和适用的方向发展。这项技术对于发现低孔低渗储层油气、保护油气层、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。

总结：

总的来说，我国欠平衡钻井技术发展起来的时间并不长，技术也并不成熟，存在一些问题有待解决，但欠平衡钻井技术在现代钻井技术中占据了重要的地位，随着时代的发展越来越能体现出它的作用来。

参考文献：1.韩玉安等.欠平衡钻井的发展状况及专用设备的发展方向.西部探矿工程

2.李静, 赵小祥.欠平衡钻井技术及其应用与发展.石油钻探技术 3.任中启.欠平衡钻井技术应用.石油钻采工艺.4.周英操，翟洪军．欠平衡钻井技术与应用[M]．北京：石油工业出版社，2003．

5.大庆宋深101井欠平衡钻井技术研究与应用 钻采工艺

6.陈会年, 张国龙.国内外欠平衡钻井工艺技术现状[J].西部探矿工程 7.杨振平.欠平衡钻井技术的优势和挑战.内蒙古石油化工, 2006,(8)：74—76.8.赵锦拣.译.欠平衡钻井技术在现场的成功应用.国外钻井技术.1998(2)．

9.张景林，崔国璋 主编.《安全系统工程》，煤炭工业出版社，2002, 8.10.罗世英.欠平衡钻井的应用前景.天然气工业.1999;19(4):55~58 11.程小年.欠平衡钻井工艺技术的研究及应用成果CNPC探井工程技术座谈会.1997