欠平衡鉆井技術(shù)淺析

孔祥金　于金文

【摘 要】本文主要對欠平衡鉆井技術(shù)進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】欠平衡；鉆井技術(shù)

1.欠平衡鉆井的含義

欠平衡鉆井是指鉆井過程中鉆井液液柱壓力低于地層孔隙壓力，允許地層流體流入井眼、循環(huán)出并在地面得到有效控制的一種鉆井方式。欠平衡鉆井具有能提高硬地層的機(jī)械鉆速，減少循環(huán)漏失和壓差卡鉆等優(yōu)點(diǎn)，從而獲得發(fā)展。推動欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展，其主要原因是減少和防止水平井鉆井中鉆井液對地層的損害。

隨著欠平衡鉆井技術(shù)進(jìn)一步成熟及井控設(shè)備的發(fā)展（承受高壓的旋轉(zhuǎn)防噴器引入油田后），又發(fā)展了用液體鉆井液（清水、鹽水、油基、水基鉆井液）對高壓地層進(jìn)行欠平衡鉆井的技術(shù)，如Flow Drilling（國內(nèi)譯為邊噴邊鉆）、鉆井液帽鉆井、不壓井鉆井等技術(shù)。

2.欠平衡鉆井的分類

根據(jù)油氣藏類型、地層壓力以及采用的鉆井液密度的不同，欠平衡鉆井技術(shù)有以下兩種分類方法：

2.1按工藝方法分類

自然欠平衡鉆井：是指以普通鉆井液為循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井。

人工誘導(dǎo)的欠平衡鉆井：是指由于地層壓力太低，必須采用特殊的鉆井液和工藝才能建立欠平衡的鉆井。

人工誘導(dǎo)的欠平衡鉆井有以下六種系列：

（1）氣體鉆井：包括空氣、天然氣、廢氣和氮?dú)忏@井，密度適用范圍0～0.02g/cm3。

（2）霧化鉆井：密度適用范圍0.02～0.07g/cm3。氣體體積為混合物的96%～99.9%，常規(guī)的霧化鉆井液含液量少于2.5%。

（3）泡沫鉆井液鉆井：包括穩(wěn)定和不穩(wěn)定泡沫鉆井，密度適用范圍0.07～0.60g/cm3。井口加回壓時可達(dá)到0.8g/cm3以上，氣體體積為混合物體積的55%～97.5%。

（4）充氣鉆井液鉆井：包括通過立管注氣和井下注氣兩種方式。井下注氣技術(shù)是通過寄生管、同心管、鉆柱和連續(xù)油管等在鉆進(jìn)的同時往井下的鉆井液中注空氣、天然氣、氮?dú)?。其密度適用范圍為0.7～1.0g/cm3，是應(yīng)用廣泛的一種欠平衡鉆井方法。氣體體積低于混合物體積的55%。

（5）液體欠平衡鉆井：

a.油包水或水包油鉆井液鉆井。密度適用范圍為0.8～1.02g/cm3。

b.水或鹵水鉆井液鉆井。密度適用范圍1～1.30g/cm3。

c.常規(guī)鉆井液鉆井。密度適用范圍大于1.10g/cm3。

d.采用密度減輕劑鉆井液鉆井技術(shù)，密度適用范圍大于0.9g/cm3。

（6）泥漿帽鉆井：國外稱之為浮動泥漿鉆井，用于鉆地層較深的高壓裂縫層或高含硫化氫的氣層，是另類欠平衡鉆井技術(shù)。

2.2按用途和風(fēng)險(xiǎn)程度分類

為了簡單明了地對采用的欠平衡鉆井技術(shù)進(jìn)行分類，IADC制定了一個具有三部分內(nèi)容的分類系統(tǒng)。

各級風(fēng)險(xiǎn)等級說明如下：

0級—只提高鉆井作業(yè)效率。

1級—井內(nèi)流體依靠自身的能量不能流到地面。井眼穩(wěn)定并且從安全角度來說屬低級危險(xiǎn)情況。

2級—井內(nèi)流體依靠自身的能量可以流到地面，但利用常規(guī)壓井方法可以有效制止，并且在設(shè)備嚴(yán)重失效的情況下也只產(chǎn)生有限的后果。

3級—地?zé)岷头翘細(xì)浠衔镩_采。最大關(guān)井壓力低于旋轉(zhuǎn)控制頭等作業(yè)設(shè)備的額定工作壓力；設(shè)備嚴(yán)重失效會產(chǎn)生直接嚴(yán)重后果。

4級—油氣開采。最大關(guān)井壓力低于旋轉(zhuǎn)控制頭等作業(yè)設(shè)備的額定壓力，設(shè)備嚴(yán)重失效會產(chǎn)生直接嚴(yán)重后果。

5級—最大設(shè)計(jì)地面壓力超過欠平衡鉆井作業(yè)設(shè)備的額定壓力，但低于防噴器組的額定工作壓力。

3.欠平衡鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

欠平衡鉆井技術(shù)已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，但人們對欠平衡鉆井的優(yōu)點(diǎn)是逐漸認(rèn)識的，早期，人們只認(rèn)識到欠平衡鉆井能提高硬地層的機(jī)械鉆速，減少井漏及壓差卡鉆，而現(xiàn)在已進(jìn)一步認(rèn)識到，欠平衡鉆井還能減少地層損害，提高產(chǎn)量，及時發(fā)現(xiàn)油氣井地層等眾多優(yōu)點(diǎn)，這些均到現(xiàn)場證實(shí)。欠平衡鉆井能提高鉆井的機(jī)械鉆速，增加鉆頭使用壽命，可防止壓差卡鉆和減少井眼循環(huán)漏失同時能夠減少地層損害。

正由于欠平衡鉆井技術(shù)的應(yīng)用，特別是在水平井中的應(yīng)用，可減少或消除鉆井時的地層損害，增加油氣產(chǎn)量。國內(nèi)外鉆井實(shí)踐表明，與常規(guī)鉆井技術(shù)對比，欠平衡及氣體鉆井技術(shù)具有提高鉆井速度、保護(hù)儲層、提高油氣產(chǎn)量和采收率、減少或避免井漏等方面的優(yōu)勢。大慶鉆井試驗(yàn)表明，欠平衡鉆井鉆速是常規(guī)鉆井的4～5倍。欠平衡鉆井技術(shù)包括液體欠平衡鉆井和氣體欠平衡鉆井技術(shù)，而目前主流是空氣欠平衡鉆井，就是在鉆井過程中，以純空氣作為鉆井液，用空氣壓縮機(jī)將空氣泵入水龍頭、鉆桿頂部，沿鉆柱到鉆頭，然后沿環(huán)空返到地面。該技術(shù)可用于加快鉆速，發(fā)現(xiàn)和保護(hù)氣層，并能夠解決長井段井漏等問題。同時可提高深井上部地層的機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，降低綜合成本。

4.實(shí)施欠平衡鉆井的條件

很多不同技術(shù)能確保達(dá)到預(yù)期的欠平衡條件，目前，主要的方法是控制用于循環(huán)的鉆井液的密度，使鉆井液在井筒內(nèi)形成的靜液液柱壓力低于地層孔隙壓力，而鉆井液可以是單獨(dú)的氣相或液相，也可以是氣液兩相混合。氣相和氣液兩相鉆井液可人工誘導(dǎo)產(chǎn)生欠平衡條件，而液相鉆井液可利用地層較大的壓力而自然形成欠平衡條件。

氣態(tài)鉆井液，在欠平衡鉆井技術(shù)中，最簡單最早的欠平衡鉆井技術(shù)是采用干燥空氣作為鉆井液。后來選用天氣然作為鉆井液。當(dāng)在產(chǎn)氣區(qū)鉆井或接近天然氣管線的區(qū)域使用天然氣鉆井，成本是較低的。另一種選擇的氣體是用惰性氮?dú)獯婵諝庾鳛檠h(huán)介質(zhì)。氮?dú)饪梢允且旱?，或在現(xiàn)場用中空纖維膜制氮裝備生產(chǎn)的氮?dú)狻，F(xiàn)場制氮這種方法，目前國外普遍采用。

兩相鉆井液，從單一的氣相和單一的液體的所液兩相的混合就可獲得任一所期望得到的鉆井液密度。氣體和液體的混合物，有時也稱為輕質(zhì)鉆井液（低密度鉆井液），按氣相和液相的結(jié)構(gòu)及相對體積數(shù)，輕質(zhì)鉆井液又分為霧、泡沫和充氣鉆井液，在通常的壓力和溫度情況下，它們的結(jié)構(gòu)及性能取決了氣相和液相的相對體積分?jǐn)?shù)。不同的鉆井液具有不同的密度。

液態(tài)鉆井液，當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫νǔ３^同一深度的淡水或鹽水靜液壓力時，使用常規(guī)液鉆井液，控制鉆井液的密度就可利用地層壓力自然形成欠平衡條件。欠平衡鉆井所用的地面常規(guī)裝備有：氮或壓縮氣供應(yīng)裝置、容 積小且壓力大的注液泵、液-氣混合管匯、節(jié)流管匯、鉆屑或鉆井液取樣器、化學(xué)劑注射泵、采油分離系統(tǒng)和自動燃燒氣體系統(tǒng)，國外目前比較先進(jìn)的專用裝備系統(tǒng)主要有：高壓旋轉(zhuǎn)分流器-防噴器系統(tǒng)、液流導(dǎo)向系統(tǒng)、地面分離系統(tǒng)、隔水管帽（Riser Cap）旋轉(zhuǎn)防噴器系統(tǒng)、實(shí)用隔水管（Virtual Riser）裝置、地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

5.國內(nèi)欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展

中國欠平衡鉆井技術(shù)自進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展較快。到2006年末，已采用該項(xiàng)技術(shù)完成60余口井，所用設(shè)備主要以引進(jìn)為主。國內(nèi)油田已經(jīng)先后引進(jìn)了主要欠平衡裝置，成立了專業(yè)化技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍，從設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)上都具有了很好的基礎(chǔ)。在以液體為介質(zhì)進(jìn)行欠平衡鉆井施工上，從設(shè)計(jì)及施工人員的水平、欠平衡裝備、現(xiàn)場施工中井口回壓控制等技術(shù)上都取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，在中國國內(nèi)產(chǎn)生了良好的影響。

雖然國內(nèi)對欠平衡鉆井技術(shù)已進(jìn)行了一些理論上的研究，并已取得一些研究成果，但是，研究的范圍較窄，過去的研究工作，主要放在自然形成欠平衡條件下的邊噴邊鉆技術(shù)上，其它方式的欠平衡鉆井技術(shù)，如使用空氣、氮?dú)?、泡沫、充氣鉆井液進(jìn)行欠平衡鉆井，還很少涉及到，或者還沒有深入地涉及到，所以需擴(kuò)大研究欠平衡鉆井技術(shù)內(nèi)容，如：進(jìn)一步研究欠平衡鉆井工藝技術(shù)、進(jìn)行欠平衡鉆井?dāng)?shù)值模擬研究、擴(kuò)大欠平衡鉆井的適用范圍、重視欠平衡鉆井技術(shù)的選擇和正確的設(shè)計(jì)、增大欠平衡鉆井井?dāng)?shù)，以提高欠平衡鉆井的規(guī)模效益等方面的研究。