欠平衡钻井知识

一、什么是欠平衡钻井：

欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液液柱压力低于地层孔隙压力，允许地层流体流入井眼、循环出并在地面得到有效控制的一种钻井方式。欠平衡钻井具有能提高硬地层的机械钻速，减少循环漏失和压差卡钻等优点，从而获得发展。推动欠平衡钻井技术的发展，其主要原因是减少和防止水平井钻井中钻井液对地层的损害。

早期的欠平衡钻井所采用的循环介质为空气，后来相继发展了用氮气、天然气、雾、泡沫或空气的轻质低密度钻井液的欠平衡钻井技术，主要用于钻低压地层。

随着欠平衡钻井技术进一步成熟及井控设备的发展（承受高压的旋转防喷器引入油田后），又发展了用液体钻井液（清水、盐水、油基、水基钻井液）对高压地层进行欠平衡钻井的技术，如Flow Drilling（国内译为边喷边钻）、钻井液帽钻井、不压井钻井等技术。

旋转钻井技术：

九十年代得以充分发展的欠平衡钻井技术是旋转钻井的发展和继续，是钻井工作者经过长期实践针对中、低压油藏所采用的科学对策。由于减少了压差，阻止了滤液和固相进入储集层，因而能够最大限度地去发现和保护中、低压油藏，以获取比常规过压钻井高得多的经济效益。另外，欠平衡钻井还可以克服液柱的压持效应，提高破岩效率，解放钻速，缩短建井周期，减少钻井液对储集层的浸泡时间，可以安全钻过严重水敏性地层及漏失层，避免大量钻井液漏失而降低了钻井成本。这些优点，使得美国和加拿大的欠平衡钻井数已经占其总钻井数目的1/3或更多，欠平衡钻井技术还刚刚起步，截止到去年底，大约有100多口井采用欠平衡施工，且相继成立了大港欠平衡钻井公司、四川欠平衡钻井公司和新疆欠平衡钻井公司。

二、欠平衡钻井的分类

欠平衡钻井技术经过几十年的发展，至目前，国外已经发展了空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井液钻井、边喷边钻等多种欠平衡钻井技术。

空气欠平衡钻井技术，是指空气作为循环介质进行欠平衡钻井，是最早发展的一种欠平衡钻井技术。由于该技术是直接使用大气中的空气，所以可较大地节约钻井材料费用。

氮气钻井技术，在欠平衡钻井中，氮气能用作钻井液，或作为钻井液的一种组成成分。主要的优点胜过空气钻井，因氮气和烃气的混合物不易燃烧，这样，可消除井下着火的可能性。天然气钻井技术，在天然气钻井中，使用天然气如同使用氮气或使用空气一样，可用作欠平衡钻井的循环介质。在钻含油气地层时，使用天气然钻井或防止井下气体混合物着火。然而，不同于氮气或空气，天然气当它排放到大气中时，一定会形成一种易燃的混合物。这种固有的较高的地面着火的潜在危险。使用天然气的钻井方法与使用空气或氮气钻井有一些不同。雾化钻井技术，在空气钻井过程中，如出现少量的地层水流，通常作法是将空气钻井转变成雾化钻井。雾化钻井的具体作法是，在压缩的空气流未注入钻柱之前，向其注入少量的含有起泡剂的水。注入的这种液体与地层产出的水就会分散成不连续的（独立的）液滴的雾，这种雾流速度与气流速度相同。

泡沫钻井技术，泡沫可用作钻井的循环流体，泡沫流体为气液两相构成的乳化液，它具有静液柱压力低、漏失量小、携屑能力强、对油气层损害小等特点。适用于低压、易漏、水敏性地层、欠平衡泡沫钻井技术是目前国外应用较为广泛的一项钻井技术。

充气钻井液钻井技术，虽然充气钻井液很早就用于油气工业，但是，在50年代早期在美国犹他州的Emery县才第一次使用充气钻井液钻井。当时，是使用充气泥浆作为钻井液，主要用途是避免因使用泥浆钻井时的井漏，而不是特定用于欠平衡钻井，近年来，由于水平井钻井的迅速发展，为了避免水平钻井中的地层损害，在加拿大、美国及世界上其他地区，使用充气液体作为钻井液已被用于欠平衡钻井。充气钻井液的连续相通常为未稠化的液化，如水、盐水、柴油、或原油等，气相为氮气、空气或其它气体。充气钻井液一般不含有表面活

性剂，在井下具有较高的液体体积分数。使用充气钻井流的井底压力通常高于用雾、泡沫等其它轻质钻井液的井底压力。充气钻井液的有效密度通常为4ppg~7ppg (0.48g/cm3~0.48g/cm3)。

边喷边钻技术，随着欠平衡钻井技术的进一步发展成熟及能承受高压的旋转也喷器引入油田后，发展了使用液体钻井液对高压地层进行欠平衡钻井技术，这种技术国外称为Flow Drilling （国内译为边喷边钻）。严格地讲，欠平衡钻井都是边喷边钻，本部分所介绍的边喷边钻系指涉及到用液体钻井液进行的欠平衡钻井作业，另外的含意是利用自然欠平衡状态进行的钻井作业。

三、欠平衡钻井技术的优点

欠平衡钻井技术已经历了几十年的发展，但人们对欠平衡钻井的优点是逐渐认识的，早期，人们只认识到欠平衡钻井能提高硬地层的机械钻速，减少井漏及压差卡钻，而现在已进一步认识到，欠平衡钻井还能减少地层损害，提高产量，及时发现油气井地层等众多优点，这些均到现场证实。

欠平衡钻井能提高钻井的机械钻速

欠平衡钻井能提高钻头使用寿命

欠平衡钻井可防止压差卡钻和减少井眼循环漏失

欠平衡钻井能减少地层损害

正由于欠平衡钻井技术的应用，特别是在水平井中的应用，可减少或消除钻井时的地层损害，增加油气产量，推动了美国和加拿大广泛开展欠平衡钻井的热潮。如Joseph 1995年报道，在路易斯安中部的奥期丁的白垩地层采用欠平衡钻井方式钻了一口深水平井，该井天然气产量为该地区用常规过平衡钻的水平井的最高产量的7倍。

在加拿大，一些公司应用欠平衡钻井技术钻水平井的产量，比用常规方法钻的井高10倍。欠平衡钻井，除上述优点外，还有利于环境保护和降低增产措施作业费用等优点。

四、实施欠平衡钻井的条件

有很多不同技术能确保达到预期的欠平衡条件，目前，主要的方法是控制用于循环的钻井液的密度，使钻井液在井筒内形成的静液液柱压力低于地层孔隙压力，而钻井液可以是单独的气相或液相，也可以是气液两相混合。气相和气液两相钻井液可人工诱导产生欠平衡条件，而液相钻井液可利用地层较大的压力而自然形成欠平衡条件。

气态钻井液，在欠平衡钻井技术中，最简单最早的欠平衡钻井技术是采用干燥空气作为钻井液。后来选用天气然作为钻井液。当在产气区钻井或接近天然气管线的区域使用天然气钻井，成本是较低的。另一种选择的气体是用惰性氮气代替空气作为循环介质。氮气可以是液氮，或在现场用中空纤维膜制氮装备生产的氮气。现场制氮这种方法，目前国外普遍采用。

两相钻井液，从单一的气相和单一的液体的所液两相的混合就可获得任一所期望得到的钻井液密度。气体和液体的混合物，有时也称为轻质钻井液（低密度钻井液），按气相和液相的结构及相对体积数，轻质钻井液又分为雾、泡沫和充气钻井液，在通常的压力和温度情况下，它们的结构及性能取决了气相和液相的相对体积分数。不同的钻井液具有不同的密度。

液态钻井液，当地层孔隙压力通常超过同一深度的淡水或盐水静液压力时，使用常规液钻井液，控制钻井液的密度就可利用地层压力自然形成欠平衡条件。

五、国内开展欠平衡钻井情况

在国内，主要在四川，早在20世纪60年代就开始了边喷边钻作业实践，在90年代中后期，该技术在国内迅速发展，并已取得显著的成效。尽管如此，与国外相比，国内欠平衡钻井技术在规模及装备方面存在较大差距，基于上述情况，提出如下建议：

1.进一步研究欠平衡钻井工艺技术。虽然国内对欠平衡钻井技术已进行了一些理论上的研究，并已取得一些研究成果，但是，研究的范围较窄，过去的研究工作，主要放在自然形成

欠平衡条件下的边喷边钻技术上，其它方式的欠平衡钻井技术，如使用空气、氮气、泡沫、充气钻井液进行欠平衡钻井，还很少涉及到，或者还没有深入地涉及到，所以需扩大研究内容。

2.欠平衡钻井是一项技术性强、风险性大、施工难度高的系统工程，为确保施工安全，达到预期的欠平衡钻井的效果，做到有预见性和科学性，在欠平衡钻井中应开展数值模拟研究，在研究中需建立精细的多个数学模型进行欠平衡钻井数值模拟，以此优化各项钻井参数，为欠平衡钻井设计和施工提供科学依据。

3.国外欠平衡钻井主要用于钻水平井，因水平井段暴露在钻井液中的地层面积较多，时间也较长，易于被污染，而欠平衡钻井具减少地层损害的最大优势，由此可获得巨大效益，对于这种情况，国外已有较多的钻井事例。而国内目前已由用欠平衡钻的井多数是直井，为了进一步增大欠平衡钻井的效益，国内应扩大欠平衡钻井技术的应用研究，使其不仅适用于直井，也适用于水平井和定向井。

4.国外在欠平衡钻井技术的应用中，重视欠平衡钻井技术的选择和正确的设计，这也是欠平衡钻井成败的关键，这点也值得我们重视。

5.国内虽然利用欠平衡钻井技术钻了一定数量的井，但与国外，特别是加拿大和美国的欠平衡钻井数相比，差跟甚大，所以应增大欠平衡钻井井数，以提高欠平衡钻井的规模效益。

6.欠平衡完井，是欠平衡钻井的延伸，如欠平衡钻井后不能进行欠平衡完井，那么，欠平衡钻井就失云了应有的作用。这方面的技术，国内虽然有一些简单的完井方法，但非常欠缺，急需研究提高。

7.随着欠平衡钻井技术的发展外发展了一些较先进的欠平衡钻井地面设备，如旋转防喷器（额定的动密封压力已达17.5MPa）、闭式四相分离处理系统等，这为安全、有效地欠平衡钻井提供了必要条件，有些设备国内有些油田已引进。而国内也早在80年代就开始进行研制旋转防喷器和钻井液/气体分离器，但这些设备在某些设计结构上及技术指标上，与国外相比，还有一些差距，因此，还需在吸收国外设备先进技术的基础上，加强国内的研制工作，使其系列配套，满足欠平衡钻井的需要。

8.在使用可压缩性气体或充气钻井液的钻井中，应用常规的脉冲随钻测量工具和泥浆马达受到限制。虽然国外在这方面作了研究改进，发展了电磁随钻测量工具和空气马达，但电磁测量工具受一定深度的限制，空气马在使用寿命还存在一定问题，在这些方面，国内可作一些探索性的研究。9.欠平衡连续油管钻井技术与常规钻井技术相比，具有钻井效率高，在整个作业过程中因不连接钻杆，可始终保持负压条件，能有效地减少地层损害，钻井安全可靠等优点，由于这些优点，适合其它欠平衡钻井方法不适合的高压和含H2S地层的钻井。国外已大力发展，而我们国内不未涉及，对此，国内就手对该项技术进行一些理论上的探索和研究，以便了解和认识该项技术，为发展该技术打下基础。

10.欠平衡连续油管钻井技术具有独特的优越性，最适宜浅油气层、小井眼钻井、老井加深及侧钻，特别是低压或枯竭油气藏的侧钻水平井，我们国内有一定数量的老井加深、老井侧钻、小井眼钻井、浅气层及低压油气藏的钻井，而目前国内有些油田正在大力开展欠平衡钻井。因此，利用该项技术提高这些井的钻井效率、降低钻井成本、提高油气采收率具有较大的潜力，建议发展该项技术。

11.为了缩短研究周期的减少研制费用，在发展该项技术中，充发利用国内赶紧的用于修井作业的连续油管装置，在此基础上，有选择性的引进或自行研制一些配套的专用设备和工具。

12.由于欠平衡钻井的特殊性，欠平衡钻井不同于常规钻井，要使欠平衡钻井获得成功，除了正确的钻井设计和先进的设备外，还需要有技术熟练素质较高的作业人员，因此，国外重视钻井人员的操作技术及井控技术的培训，这点值得我们重视。

13.在欠平衡钻井中，为了克服密度充气钻井液的缺陷，国外发展了低密度，不可压缩的空

心玻璃球钻井液，该钻井液能解决充气钻井液遇到的大多数问题，又能保持欠平衡钻井的优点，能大幅度降低欠平衡钻井成本，为此，建议国内研究应用该项技术。