欠平衡钻井技术

发布网友 发布时间：2022-04-20 07:01

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热心网友 时间：2023-09-07 04:02

欠平衡钻井技术以空气钻井为先导开始于20世纪50年代，采用空气压缩机向油井内注入空气和水的混合物。在90年代，不断完善的欠平衡配套设备和技术有：井口旋转控制系统、高压注气系统、地面分离系统、监测仪表系统、支持软件系统，使得欠平衡技术在美国、加拿大、欧洲被广泛采用，从而在世界范围内形成一股欠平衡钻井热潮。

我国欠平衡钻井技术早在20世纪60年代，进入90年代以来，我国欠平衡技术加速发展，尤其是塔里木油田128井、轮古系列井欠平衡钻井的成功，将我国欠平衡钻井推向了一个新的阶段。

3.3.4.1 欠平衡钻井技术的分类和分级

（1）欠平衡钻井类型

按工艺分类：可分为液相（水基、油基钻井液）和气相（空气、氮气、雾化、泡沫、充气）。欠平衡钻井技术对应的密度为：

1）气体钻井，密度的适用的范围0～0.02g/cm³。

2）雾化钻井，密度的适用的范围0.02～0.04g/cm³。

3）泡沫钻井，密度的适用的范围0.04～0.6g/cm³；井口加回压时可达到密度的适用的范围0.8g/cm³以上。

4）充气钻井，密度的适用的范围0.7～0.9g/cm³；部分地区还更高。

5）油包水或水包油钻井液钻井，密度的适用的范围0.8～1g/cm³。

6）淡水或卤水钻井液钻井，密度的适用的范围1.0～1.30g/cm³。

7）常规钻井液钻井，密度的适用的范围大于1.10g/cm³。

8）泥浆帽钻井，用于钻较深的高压裂缝储层或高含硫化氢的气层。

目前使用的欠平衡钻井技术主要有以下几种：气相欠平衡钻井、气液两相欠平衡钻井、液相欠平衡钻井。

（2）欠平衡钻井分级

美国钻井承包商协会欠平衡作业委员会为给工程技术人员选择合适的设备和相应的方案，制定了欠平衡油井分类系统标准。该分类系统标准把风险油井分为6级，从0～5。每一级下又分为A和B两类。具体分类情况如下：

0级：只提高钻井效率，不涉及油气层。

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。

2级：油井靠自身压力可以自流到地面，如发生灾难性设备失效，可以采用常规压井方法进行处理。

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

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，如发生灾难性设备失效会立即导致严重后果。

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，灾难性设备失效会立即导致严重后果。

3.3.4.2 欠平衡钻井设备及工艺

（1）欠平衡钻井常规设备

1）地面设备：包括旋转防喷器、单（双）闸板防喷器、节流管汇、四通、液压控制阀、液气分离器、压井重浆罐、撇油罐、储油罐、各种高（低）压硬（软）管线、防回火器、点火管线和自动点火器等。

2）井下工具：包括箭式单流阀、投入式止回阀、钻杆上（下）旋塞、六方钻杆、旁通阀等。

3）其他设备：包括无线通讯设备、有害气体报警及防护设备、防火防爆设备等。

目前能够完成全过程欠平衡钻井的设备分两类，一是井口强行起下钻装置，用它来克服管柱在起出末期或下入初期时井内的上顶力；二是井下封井器或井下套管阀，它可以完成井下关井，使井口在不带压的情况下完成管柱起下。

（2）气体钻井设备

1）设备能力的要求。气体（雾化）钻井设备根据所施工的井眼尺寸、井深和采用的钻具尺寸、井眼出水情况等因素的不同，要求设备的能力有所不同，需要针对具体情况进行分析，以便确定设备的类型、参数和能力。根据气体钻井计算软件计算气体钻井参数结果见表3-8。

2）气体（雾化）钻井设备的组成、作用和流程。气体钻井需要配备的设备，除了井口压力控制设备——旋转防喷器外，还需要一些特殊的设备，这些设备的不同组合，可以满足不同钻井方式的要求（表3-9）。气体钻井设备及循环流程如图3-119。

3.3.4.3 欠平衡钻井设计

（1）一般原则

井底负压值的大小因地区的不同而各异，根据邻井的单位压差下的油气产量、地面设备的处理能力、期望的随钻产油量、井眼稳定性要求、现场设备运行稳定性情况以及施工人员的业务水平等几个方面的原因综合考虑。在设计时一般遵循以下几个原则：

表3-8 气体钻井不同井况所需的气量

表3-9 气体钻井所需设备

图3-119 气体钻井循环流程图

1）井底负压值下限是零，上限为地层孔隙压力与地层坍塌压力之差。

2）液相欠平衡钻井技术井底负压值设计应尽可能小，以降低井口压力，井底负压值一般取在1～3MPa之间。

3）气体和雾化钻井，井底负压值不作特别设计。

4）泡沫和充气钻井，井底负压值设计余地较大，有气相存在，井底负压值可设计得大一些，防止出现过平衡。立管充气钻井，井底负压值应考虑大于2MPa。

5）负压差是保证欠平衡钻井成功的重要参数，负压差设计应从井口装置、套管承压能力、旋转控制头的性能、井眼的稳定性、地面对产出液量分离能力等多个方面进行综合考虑。

（2）气体钻井设计

1）空气钻井段选择。地层的力学稳定性、出气、出水、出硫化氢情况是决定空气钻井技术能否正常应用的重要因素。空气钻井使用条件是井壁稳定，地层不出水或出水量不大，不含烃类物质或烃类物质含量不高，不含H₂S。

A.井壁稳定性分析。地层井壁稳定性分析是实施空气钻井的一个先决条件之一。根据已钻井地质资料分析地层砂、泥、页岩成分，地层砂岩石英含量、胶结程度，分析满足实施空气钻井的技术条件。

B.地层出水分析。根据已钻井资料，分析地层有无出水现象及出水程度。

C.地层出气分析。为确保空气钻井顺利实施，需要对空气钻井施工井段地层压力和出气情况进行评估。

D.地层H₂S分析。空气钻井主要立足一次井控，强化二次井控，杜绝井喷失控。基于国内常规泥浆钻井经验，遇见硫化氢气层的可能性有但不是十分严重，但需要高度重视。只要钻井过程中发现H₂S显示，就必须停止空气钻井。

E.适用井段确定。对地层井壁稳定性、出水情况和地层出气情况综合分析，选出最适合空气钻井的井段。要求在空气钻进时加强地层监测，做到水层、气层及时发现、及时处理。

2）主要参数的确定。气体钻井水力参数计算模式有四种：Angel理论推算法、Ikoku等人的考虑岩屑下沉的计算方法、Adewumi等人由流体力学推导的计算方法、Supon等人的试验回归方法，目前在气体钻井参数设计时使用的是基于以上一种或几种模型的计算机软件。

气体钻井的两个重要参数是井底压力和气体流量，必须在井底保持足够压力以克服悬浮固相的重力和摩擦力所引起的压降。由于最小浮力可能发生在井底和钻铤与钻杆连接处，因此这两处必须确保气体速度，气体钻井要求的最优气体速度取决于颗粒直径。

除了上面两个参数外，影响气体钻井的参数还有钻速、岩屑尺寸、地面大气压力、温度等。

3.3.4.4 空气钻井施工

（1）气举

在实施空气钻井前，钻柱下至井底后，从高压管线注气口经由高压管线、钻柱把井内钻井液用压缩空气举升出来，气举时一般使用2台空压机（排气量54.4m³/min）和1台增压机（排气量60m³/min）。控制注气压力略大于井筒内液柱压力，并通过调整节流阀控制井口回压的方法，防止井口喷涌量过大或超过液气分离器额定压力，逐步将井筒替空。气举完成后，必须使用压缩空气继续清洗、干燥井筒，待返出的气体干燥后，方可开始钻进。

（2）空气钻进

在Φ314.1mm或Φ316.5mm井眼中，一般使用4～5台空压机进行空气钻进，排量100～130m³/min，注气压力1.5～2.5MPa，正常情况下（除气举、地层出水）不使用增压机，当注气压力超过空压机的最大工作压力时（2.5MPa），才启动增压机。钻出的岩屑成粉末状，扭矩较常规钻井大；根据返出的岩屑颗粒大小、比例和湿润程度以及注气压力、扭矩变化、上提下放阻卡情况判断井下出水和井壁失稳等异常情况，依严重程度不同，分别采取增加循环时间、增大注气量、转换成雾化钻井、泡沫钻井直至钻井液钻井等措施和方式。在气柱作用于井下的压力微乎其微的情况下，关键是做好气体检测、硫化氢检测和井控工作，准确及时检测返出气体中的组分变化，尽可能控制井下燃爆，防止出现井下事故。

（3）起下钻

在非产层实施气体钻井起钻前充分循环将钻屑携带干净，停止向井内注气，待环空压缩气体返出后，敞开井口正常起钻，起钻时要注意卸放止回阀下面钻具内圈闭的压力，下钻时正常下钻，下钻到底后在钻具顶部接止回阀后恢复钻进；在产层实施气体钻井，如果井口有压力需要通过旋转防喷器起下钻，钻具重量不能克服上顶力时，需要使用不压井起下钻装置或使用井下套管阀进行起下钻。

（4）转换钻井液

发现以下情况之一时，应考虑将空气钻井改为常规泥浆钻井：

1）地层出水，地面表现为见液滴。

2）返出气体全烃含量连续超过3%。

3）返出流体中H₂S含量连续超过5mg/m³。

4）扭矩、摩阻突然增大或起下钻困难影响钻井安全。

5）井斜大于设计要求且纠斜效果差。

如果空气钻井施工现场配备有雾化、泡沫钻井设备，那么当钻遇地层出水时可以视出水大小及时转化为雾化或泡沫钻井。

在空气钻井施工现场，详细制定了空气钻井转化为泥浆钻井的原则、方法和具体实施步骤。在进行泥浆转换过程中，严格执行了空气钻井转换为泥浆钻井技术方案。

3.3.4.5 欠平衡钻井技术应用实践

（1）在南方地区应用

中国南方海相气体钻井技术主要应用在陆相地层。在陆相须家河组以上地层开始实施空气（雾化）钻井以来，取得了非常好的效果，机械钻速提高了5～10倍。

（2）在塔里木地区应用

从1998年以来，在塔北地区奥陶系碳酸盐岩地层钻井施工欠平衡井次达60余口，井别涉及生产井、评价井、探井、定向井、水平井及侧钻水平井，较好地解决了塔北地区奥陶系碳酸盐岩储层钻井漏失等工程问题，显著地提高了油气产量和钻井机械速度，提高评价井、探井的油气发现概率，产生了显著的社会、经济效益。