鉆井工程-18-欠平衡鉆井

欠平衡鉆井欠平衡鉆井定義

使鉆井流體施加在井底的壓力小于地層孔隙壓力，有效控制地層流體流入井筒，并對其進行處理的鉆井方式。1、欠平衡鉆井定義及特點欠平衡鉆井發(fā)展歷程1284在中國第一次頓鉆鉆井1880s第一次用空壓機鉆礦井1895用水進行旋轉(zhuǎn)鉆井1920s第一次用空壓機鉆油氣井1920第一次用泥漿鉆井1928第一次使用防噴器1932第一次應用充氣泥漿鉆井1955空氣鉆井開始被廣泛應用1960s四川油田、新疆油田嘗試了欠平衡鉆井技術(shù)1970s第一次應用穩(wěn)定泡沫鉆井1988第一次應用欠平衡技術(shù)在AustinChalk鉆高壓氣井1993第一次應用連續(xù)管鉆欠平衡井,1995年開始用于欠平衡水平井1997第一次在海上應用欠平衡鉆井1980s中石油欠平衡鉆井技術(shù)開始深入研究與試驗1990s中石油欠平衡鉆井技術(shù)迅速發(fā)展欠平衡鉆井在美國的應用美國專家調(diào)查預測，未來幾年欠平衡鉆井仍然有較高的潛力。陸上使用欠平衡鉆井的比例將達到37%，海上將達到12%。2006年世界欠平衡鉆井領域排行榜欠平衡和氣體鉆井技術(shù)是九十年代在國際上被廣泛應用起來的一項鉆井新技術(shù)，在北美地區(qū)尤為突出。欠平衡及氣體鉆井技術(shù)已成為繼水平井技術(shù)之后的第二個鉆井技術(shù)發(fā)展熱點。不同巖石類型中進行的欠平衡鉆井產(chǎn)量增加的幅度BP公司21世紀里程碑石油技術(shù)上世紀九十年代最受歡迎的鉆井技術(shù)在世界范圍內(nèi)的應用增長迅速已成為開發(fā)一些壓力衰竭油氣藏的重要或唯一手段欠平衡鉆井的主要應用目的欠平衡鉆井在勘探開發(fā)中的作用主要體現(xiàn)在勘探上：提高低壓、復雜巖性、水敏性、裂縫性等類儲層油氣的發(fā)現(xiàn)和保護開發(fā)上：通過有效地保護儲層，提高單井產(chǎn)量，降低開發(fā)綜合成本鉆井工程上：提高了鉆速，減少了井漏用UBD要有針對性UBD推薦的地層及油藏堅硬低鉆速地層低壓易漏地層污染敏感性地層水敏及易濕相乳化的地層裂縫及溶洞性灰?guī)r地層滲透率小于1mD的致密性油藏壓力衰竭的油藏滲透率大于1000mD的高滲油藏容易濕相乳化的油藏裂縫性發(fā)育油藏不適宜進行欠平衡鉆井的地層1.松散地層(

HighlyUnconsolidatedFormations

)2.具有塑性流動特性的巖鹽層3.受強應力作用／非穩(wěn)定泥巖地層4.含高濃度H2S地層因此，欠平衡鉆井作業(yè)總體具有以下優(yōu)勢１.提高機械鉆速２.降低鉆井成本３.保護油氣層，提高油氣產(chǎn)量４.消除壓差卡鉆５.降低后期改造作業(yè)費用６.正確評價油氣層提高勘探精度和勘探成功率S但！欠平衡鉆井作業(yè)的局限性１.空氣鉆井鉆遇儲層存在井下燃爆風險２.連續(xù)欠平衡鉆井對地層條件要求高３.鉆井作業(yè)井控風險相應增加４.鉆井成本相應增加2、欠平衡鉆井技術(shù)分類及特點欠平衡鉆井分類根據(jù)所使用的循環(huán)介質(zhì)，將欠平衡井分為：空氣與天然氣鉆井[Airandnaturalgasdrilling]霧化鉆井[Mistdrilling]泡沫鉆井[Foamdrilling]充氣泥漿鉆井[NitrifiedFluiddrilling]液相欠平衡鉆井[Flowdrilling]地層壓力系數(shù)與鉆井介質(zhì)平衡關系高壓區(qū)；UBD鉆井液為單相液體工藝的選擇－取決于儲層壓力系數(shù)UBD常用作業(yè)區(qū)是指人為控制鉆井液有效液柱壓力低于產(chǎn)層地層壓力，使產(chǎn)層流體進入井筒，循環(huán)到地面，并可以得到有效控制的一種鉆井工藝技術(shù)。它是在防噴系統(tǒng)的作用下，使地層流體有控制地進入井眼，通過旋轉(zhuǎn)防噴器的導流，使含有地層流體的鉆井液經(jīng)過氣液分離器、撇油罐等地面設備處理后，重新泵入循環(huán)罐參與正常循環(huán)的一種鉆井工藝技術(shù)。避免常規(guī)過平衡鉆井，因壓差問題導致的儲層傷害；可及時發(fā)現(xiàn)油氣層,利于探井評價.

欠平衡鉆井工藝可提高機械鉆速，降低綜合作業(yè)成本，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。特點：液相欠平衡鉆井技術(shù)液相欠平衡鉆井,作用于井底的環(huán)空壓力包括:

1.液柱壓力(取決于鉆井液密度);2.循環(huán)壓耗(取決于井身結(jié)構(gòu),鉆具結(jié)構(gòu));3.施加于井口的回壓?；緱l件泥漿液柱壓力+循環(huán)壓耗+欠壓差值＜地層孔隙壓力目標在鉆井過程中,通過聯(lián)合控制鉆井液液柱壓力與井口回壓值,實現(xiàn):[地層孔隙壓力]-[鉆井液液柱壓力+循環(huán)壓耗+井口回壓值]∈[欠壓差值]欠平衡鉆井的壓力區(qū)間欠壓差值根據(jù)地層的坍塌壓力來決定，通常取值大于坍塌壓力，經(jīng)驗數(shù)值取200-300PSI(具體根據(jù)油藏特點確定)。鉆井液技術(shù)要求正常循環(huán)狀況下，應保持所希望欠平衡壓差值具有良好的井壁穩(wěn)定及井眼凈化能力與地層流體及氣體有良好的兼容性具有良好的防護套管、鉆具及井下工具等的性能近平衡(起鉆及完井)狀況下，盡可能不傷害儲層井口控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)頭、阻流管匯及控制盤等液相欠平衡鉆井主要系統(tǒng)構(gòu)成油氣分離系統(tǒng)四相分離器、儲油罐等

井下工具系統(tǒng)EMWD、單流閥及套管閥鉆屑處理系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)防噴器、遠程高壓（70MPa）節(jié)流管匯、液氣分離器、撇油罐、燃燒管線自動點火裝置等。實施液相欠平衡鉆井所需的設備IP10001000psiOperating71002500psiOperating70001500psiOperating8000/9000500psiOperatingWilliamsRotatingControlHeadsRotatingControlHeadRotatingworkingpressure:2,500PSIStaticpressure: 5,000PSIShell(housing)capable:10,000PSIMaximumoperatingRPM:150RPMOperatingtemperature:-28Cto+121CFluidrating: H2SserviceUniversal,quick-changebearingassemblyPositiveoillubricationCooledbearingsealsHydraulicallyoperatedclamp“U”TubeLevelControlGasOutFromFluidOutWell欠平衡鉆井地面設備立式分離器節(jié)流管匯

1.大通徑2.防硫要求套管隔離閥（DDV)DDV:DownholeDeploymentValveDDV的作用與特點起下鉆過程中封隔油氣藏，不必壓井，減少起下鉆時間完井作業(yè)時也不用壓井，避免完井液對地層的傷害鉆完井全過程使井保持欠平衡狀態(tài)減少整個鉆完井過程的費用，使欠平衡作業(yè)更容易，更安全通過地面液壓管線控制閥門的開關DDV可永久安裝，也有可回收式以供選擇啟動器工作筒向下運動，將活瓣閥推開。當啟動器工作筒返回上部位置時，活瓣彈簧將活瓣閥關閉。液相欠平衡鉆井井口裝置井口特點井場布局該井采用液相全過程欠平衡鉆井技術(shù)。在井段2998.40-3060.00m中途裸眼測試產(chǎn)氣9.7×104m3/d和少量凝析油。而且實鉆表明，利用欠平衡鉆井技術(shù)有利于機械鉆速的提高。液相欠平衡鉆井技術(shù)應用實例新疆油田彩54井液相欠平衡鉆井技術(shù)欠平衡鉆井中良好油氣顯示、邊噴邊鉆

空氣鉆井技術(shù)簡介空氣霧化鉆井是以空氣或霧化作為循環(huán)介質(zhì)的鉆井技術(shù)，其密度可在0.1～0.4g/cm3之間任意調(diào)整，它適用于巖性穩(wěn)定的超低壓裂縫性油氣藏的勘探開發(fā)。有效地解決了鉆井液對油氣藏的污染，獲得對產(chǎn)層的真實評價，有利于發(fā)現(xiàn)油氣藏，可提高機械鉆速3～4倍，最高達到10～12倍，生產(chǎn)成本可大幅度降低。特別是空氣霧化流體的密度低，在鉆井過程中可及時發(fā)現(xiàn)油氣顯示?？諝忏@井RH空壓機增壓器旋轉(zhuǎn)控制頭Angle理論:實施空氣鉆井的重要條件是:實際氣體流量應達到滿足攜巖所需的最小排量井徑in.鉆桿尺寸in.井深(Ft.)及需要的空氣量（標準立方英尺/分－SCFM）1000200040006000800010000120008-3/43-1/216001750200022802600280030004-1/21450165018502140240026002850513501500170020002200240027009-7/84-1/21950210024002700320035004000519002000230026003000330036005-1/2170019502150240026002850310012-1/44-1/231003350370042004500490054005-1/230003100335039004300470050006-5/8260028003000340037004150450017-1/24-1/266006850755081008700925098005-1/264506700740080008550910096506-5/86150660071507700840089509500不同尺寸井眼、不同井深條件下的氣體鉆井氣量選配表空氣密度低，易形成欠平衡狀態(tài)，能有效解決井漏，適用于低壓、衰竭油氣層的鉆井；對儲層的傷害小，有利于發(fā)現(xiàn)和保護油氣層，增加油氣產(chǎn)量；能最大限度地提高機械鉆速和單只鉆頭進尺，降低鉆機作業(yè)時間，低開發(fā)成本；在缺水、鉆井液費用昂貴的情況，可以減少鉆井液和水的費用；優(yōu)點缺點：空氣鉆井工藝對井壁的支撐能力是最低的，從井壁力學方面促使井眼不穩(wěn)，尤其是有水層、水敏性地層、泥頁巖地層容易發(fā)生井下復雜，不適用于軟地層。AirDrillingWaitedUpon

LargePortableCompressionSimpleandconvenienttodrillwithairinexpensivelyandanywhere.HaroldVanceDepartmentofPetroleumEngineering１.設計井深：4500m新疆油田滴北１井２.鉆井層位：石炭系石炭系地層巖石可鉆性差，鉆井段長。鉆井難點目標提速。3365m4500m3924.56m空氣鉆井應用情況該井空氣鉆井過程中，通過使用空氣錘鉆具組合，實現(xiàn)了在準噶爾盆地腹部石炭系深部地層快速鉆進的目標。三開空氣鉆井鉆速統(tǒng)計表明，空氣鉆井相比較常規(guī)鉆井液鉆井方式，在提高可鉆性極差石炭系地層機械鉆速方面具有明顯的優(yōu)勢。滴北1井二開石炭系層段鉆時曲線平均機械鉆速0.83m/h三開空氣鉆井空氣錘鉆進井段機械鉆速曲線平均機械鉆速6.70m/h滴北1井實施空氣鉆井段長559.56m，作業(yè)周期14天。牙輪鉆頭平均機械鉆速4.35m/h，為常規(guī)鉆井液鉆井條件下的4.72倍?？諝忮N鉆進平均機械鉆速6.7m/hr，為常規(guī)鉆井液條件下7.28倍。泡沫鉆井技術(shù)泡沫鉆井是利用致密、連續(xù)、均勻的泡沫流體作為循環(huán)介質(zhì)的鉆井技術(shù)，其密度可在0.25～0.6g/cm3之間任意調(diào)整。它一般適用于地層壓力系數(shù)小于1.0的油氣藏。與常規(guī)鉆井技術(shù)相比它的優(yōu)點是：大幅度地減小鉆井液的漏失造成的對油氣層的污染，提高機械鉆速，降低鉆井成本。缺點是：泡沫是一次性流體，目前的技術(shù)可循環(huán)利用量小，成本高。其次還有可能造成環(huán)境污染。

SH空壓機增壓器霧化泵基液罐泡沫鉆井泡沫(0-97%氣體)空氣/天然氣/氮氣/或其他惰性氣體H2O或者水基/油基BJ7168井泡沫鉆井井段1600m-2020m，多數(shù)井段全烴對比升至10萬ppm以上，隨鉆始終有油/氣進入井筒，實現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)與保護油氣層的目標。同時，泡沫鉆井創(chuàng)造了在該區(qū)可鉆性較差石炭系地層鉆進，平均機械鉆速4.5m/hr的指標。

BJ7168井井身結(jié)構(gòu)圖泡沫鉆井應用情況滴16井地層特點及泡沫鉆井目標該井擬鉆揭的石炭系地層孔隙壓力較低（壓力系數(shù)在1.0左右），已鉆鄰井在石炭系地層裂縫發(fā)育段鉆井過程中漏失現(xiàn)象較為普遍。擬鉆探的石炭系層厚達1000m以上，而準噶爾盆地石炭系基底地層機械鉆速普遍不高。鑒于欠平衡鉆井技術(shù)在及時發(fā)現(xiàn)、保護油氣層、減少漏失以及提高機械鉆速等方面的優(yōu)勢，采用泡沫欠平衡方式來實現(xiàn)提速目標。鉆前，通過對鄰井地層巖石理化特性與風化殼特點的研究分析，得出該區(qū)石炭系地層風化殼厚度約50m的一般規(guī)律。據(jù)此，對準噶爾盆地氣基流體欠平衡鉆井井身結(jié)構(gòu)方案進行了適當調(diào)整：要求二開技術(shù)套管下深以進入石炭系地層不小于40m為原則。自井深1180m開始實施泡沫鉆井井號滴16井滴15井井段m1120-23001205-1280平均機械鉆速(m/hr)9.651.98機械鉆速最高：20m/h平均：9.65m/h相對滴15井提高4.9倍充氣泥漿鉆井技術(shù)充氣泥漿鉆井是將一定量的氣體（空氣、氮氣、天然氣等）連續(xù)不斷注入泥漿內(nèi)，使其呈均勻氣泡分散于泥漿中，形成充氣泥漿。從井內(nèi)返出的泥漿經(jīng)過地面除屑除氣后再次注入井內(nèi)循環(huán)。充氣泥漿的密度可根據(jù)用用戶要求在0.45g/cm3以上進行調(diào)整，從而達到防止漏失和防止油氣層污染的目的。其主要優(yōu)點為：減少鉆井液漏失造成對目的層的污染，提高機械鉆速，降低鉆井成本。充氣鉆井液的分散相氣體可以是空氣、天然氣、氮氣等氣體；連續(xù)相可以是各種類型的常規(guī)鉆井液，也可以是淡水、清潔鹽水、地層水、柴油等液體，但作為連續(xù)相的鉆井液必須是易充氣、易脫氣且很穩(wěn)定。充氣鉆井液入井前通過調(diào)整氣、液量來調(diào)整鉆井液的密度；返出井口后經(jīng)過地面除氣器，氣體從充氣鉆井液中脫離出來，以保證泵的正常上水。⑴在0.55～1.03g/cm3密度范圍內(nèi)能夠通過充氣進行有效地調(diào)整，從而降低靜液柱壓力，實現(xiàn)近平衡或欠平衡鉆井，保護油氣層；⑵需要較高靜液柱壓力（而其它氣體系不能產(chǎn)生）的油氣藏，可以采用充氣鉆井液來鉆，從而最大程度地降低地層損害；⑶將充氣鉆井液應用到其它氣體體系不能奏效的情況下，例如，在欠平衡鉆井過程中，能夠產(chǎn)出大量水的嚴重漏失地層，通過調(diào)整注氣量和液量，可以在環(huán)空中獲得平衡狀態(tài)，從而既不漏失，也不井涌；對井塌等鉆井復雜問題亦較泡沫有較強適應能力；充氣鉆井技術(shù)優(yōu)點⑷基液可以是鉆井液而不是水，因此可以在鉆穿水敏性地層時，維持井眼的穩(wěn)定性；⑸減少鉆具磨損和井下鉆具著火的危險；⑹鉆井時效高，能大幅提高鉆機作業(yè)效率；⑺保持較高的PH值用于克服內(nèi)在的腐蝕損害和對充氣鉆井液的破壞；⑻消除了著火和灰塵危害，有利于保護環(huán)境；⑼可用于任何類型的地層，包括硬地層、軟地層、干地層或濕地層，而空氣鉆井需要干燥的條件；⑽根據(jù)壓力變化隨時調(diào)整注液量和基液密度控制井口和井底壓力的變化，阻止鹽水流入或井噴事故的發(fā)生；⑾可采用常規(guī)測井和常規(guī)固井；⑿易于施工，是費用最低的低壓欠平衡鉆井技術(shù)?？梢岳贸Ｒ?guī)鉆井液，成本低，比泡沫類鉆井流體節(jié)省成本。因此該技術(shù)應用比較廣泛。充氣鉆井技術(shù)缺點需要增加氣體的注入壓力；如果充空氣需要進行更廣泛的腐蝕控制；不適于高壓高產(chǎn)儲層；也存在井壁不穩(wěn)定問題；遇到高壓水層會產(chǎn)生技術(shù)上的困難。環(huán)空氣液混合流體特征分析1994年Williams發(fā)表了氣液混合物兩相流流態(tài)結(jié)構(gòu)。液、氣經(jīng)過泡沫發(fā)生器的混合基本形成了比較均勻穩(wěn)定的混合物進入鉆具內(nèi)，其結(jié)構(gòu)為泡狀流，是泡而不是泡沫。充氣鉆井液屬于塑性流體，隨著氣液比的增加，塑性粘度與動切力增加；隨著溫度的升高，相同的氣液比下的充氣鉆井液粘度下降，動切力下降。從井底環(huán)空到井口的上返過程中，混合物結(jié)構(gòu)處于動態(tài)中變化中，流態(tài)為非線性兩相流。隨著液柱壓力降低、溫度的下降，小氣泡結(jié)為大泡，混合物中氣體體積增加，由泡狀流變?yōu)槎稳?，再進一步變?yōu)檫^度流。井筒中上部為段塞流和過度流段，該井段為流態(tài)不穩(wěn)定區(qū)?；旌衔锏竭_井筒上部井段，氣泡體積更大，形成環(huán)狀流，流速增加。過渡流環(huán)狀流段塞流泡狀流環(huán)空維持氣液混合的極限返速分區(qū)液體返速（m/min）氣體上返速度（m／min）1.818180180018000180181.8.18環(huán)狀流區(qū)AABBC泡狀流區(qū)段塞流區(qū)過度流區(qū)環(huán)空氣液兩相流分布情況井筒中上部彈狀流、渦狀流井筒下部泡狀流井筒上部環(huán)狀流......環(huán)空內(nèi)氣液比、氣體百分比隨井深的變化地面Q=91%R=1.4/1600mQ=18%1200mQ=8%1800mQ=5%2400mQ=3%300mQ=58%R=.23/1基液密度：1.08g/cm3R=.09/1R=.05/1氣體/泥漿比率

=10/1R=.03/1在井深2400米處的混合物中氣體體積占3%，到井深600米處氣體體積占18%；而井深300米處氣體體積急劇變大，氣體占58%，由600米到300米氣體體積增加了2.22倍；到井口處氣體體積占91%，比井底的泡沫體積增加30倍。3000米的井深1.0的“基漿”在地面的氣液比：25:1，泡沫質(zhì)量為96.15%，此時的泥漿幾乎全是氣體，密度0.0385;

在井底氣液比：1:99，泥漿密度為0.99，與基液幾乎相同。而氣體密度大約為0.37。TZTZPV*11*11*22*22=PV基本計算公式:式中：P1——井筒某點壓力，Mpa；P2——井筒另一點壓力，Mpa；V1——井筒某點氣體體積，m3；V2——井筒另一點氣體體積，m3；T1——井筒某點熱力學溫度，K;T1=273℃+t1，t1--井筒某點溫度，℃；T2——井筒另一點熱力學溫度，K。T2=273℃+t2，t2--井筒另一點溫度，℃；Z1、Z2——修正系數(shù)。充氣鉆井液井筒壓力計算充氣鉆井的注氣量、注液量、井筒流體柱壓力、循環(huán)壓耗、注入壓力（泵壓）、當量密度計算與模擬均需要專門軟件。環(huán)空井底壓力能夠通過調(diào)整液相密度、注液量和注氣量來實現(xiàn)控制。特別需要指出的是，當注液量一定時，隨著注氣量的增加，環(huán)空壓耗增加，因此存在著最佳注氣量范圍，現(xiàn)場應根據(jù)具體情況進行選擇。最好在鉆具組合中安裝隨鉆壓力檢測儀（PWD），實時檢測井底壓力，判斷欠平衡狀態(tài)，指導施工。注氣量與壓力關系(Saponja,1995)1614121086420環(huán)空井底壓力@2100m(MPa)氮氣注入量(st

m3/min)20104050300

最佳點在一定的液體注入量條件下，降低流體密度所需的最小注氣量。

摩阻控制區(qū)浪費氣量比較穩(wěn)定氣體注入量使井底壓力增加靜液柱壓力控制區(qū)不穩(wěn)定壓力變化大氣體注入減小井底壓力注油量

@200L/min139.7mm(5-1/2”)套管120.7mm(4-3/4”)水平井眼當液柱壓力所減少的量與環(huán)空摩阻增加的量相互平衡抵消時，此時的氣體注入量既為最佳注入量（最佳循環(huán)點）。臨界值決定于環(huán)空幾何形狀、井深和液體密度。在設計和鉆井過程中，必須確定井眼內(nèi)是靜液柱壓力控制狀態(tài)還是摩阻壓力控制狀態(tài)。因為增加