国内外欠平衡钻井工艺技术现状

文章编号:1004—5716(2000)02—0072—03中图分类号:T E249　文献标识码:A 国内外欠平衡钻井工艺技术现状

陈会年　张国龙　梁何生

(新星石油公司石油钻井研究所　德州　253005)

摘　要　欠平衡钻井最显著特点是可以防止地层污染从而提高油气井产量,同时在钻井工程方面它能有效地防止钻遇低压地层时的泥浆漏失和压差卡钻事故的发生,降低油气田的勘探开发成本。现综述国内外欠平衡钻井工艺技术的发展状况、技术水平与应用概况,重点介绍欠平衡钻井的关键技术、特殊工具及钻井工艺要求。这对国内进一步开展欠平衡钻井技术工作具有一定的借鉴之处。

关键词　欠平衡钻井　旋转防喷器　井探　低压油气藏

欠平衡钻井技术就是在钻井过程中,利用自然条件和人工手段在可以控制的条件下使钻井流体的循环液柱压力低于所钻地层的孔隙压力,以实现所谓的“边喷边钻”,该种钻井工艺技术叫欠平衡钻井。

欠平衡钻井技术产生于20世纪30年代,20世纪80年代在美国、加拿大等国兴起,并于20世纪90年代在世界石油工业中得到迅速发展,特别是最近几年在北美和加拿大等地区得到了较为广泛的应用。例如,1991年加拿大欠平衡钻井技术打井30口, 1993年用欠平衡钻井技术打井120口,1994年和1995年分别用欠平衡钻井230和330口。1996年美国用欠平衡钻井数占全美钻井数的10%,1997年用欠平衡钻井数占总钻井数的15%。据最新的信息资料统计,目前已有20多个国家和地区应用欠平衡钻井技术施工了4000多口井,其中有直井和水平井,还有不少是含有H2S的井。欠平衡钻井技术在国外已经很成熟,各大石油公司已作为常规钻井技术来开发一些衰竭、低渗、易漏油藏。据国外一些公司预测,到2000年美国、加拿大欠平衡钻井数将占钻井总数的30%。

国内早在20世纪50年代,四川油田就开始运用欠平衡钻井工艺技术,实现了边喷边钻的先例。20世纪80年代初,新疆石油管理局率先开发应用了欠平衡钻井工艺技术,1984年9月在红29井进行了一口泡沫钻井,随后相继开展了空气雾化钻井、充气泥浆钻井工艺技术的研究。并在克拉玛依、长庆、玉门、安塞、吐哈等油田进行了试验。由于井控设备及一些关键技术的研究均未达到现场生产的要求而未推广应用。在“九五”期间国内继续对欠平衡钻井技术进行研究攻关,1997年度共完成9口井,全部获得成功。其中四川、新疆分别完成3口;中原、长庆、塔里木各完成2口。

1　欠平衡钻井技术的优点

欠平衡钻井技术之所以在世界石油工业上得以迅速发展,因为欠平衡钻井技术能很好地克服钻井作业过程中的难题和避免一些复杂情况的发生,能有效地降低油气田的勘探开发成本。其具有以下几方面的优点:

1.1　减轻地层伤害,提高油井产能

在欠平衡钻井过程中,井内循环系统中流体的液柱压力低于储层孔隙压力,有效地减轻或避免了钻井液和完井液中的固相颗粒及水敏性物质侵入储层,从而减轻地层污染,明显地提高了油井产能,这一优势在水平井中表现得最为突出,这是因为水平段钻井、完井及测试所需要的时间长,相应储层与钻井液、完井液接触时间也长,地层损害的可能性高,损害程度也严重很多,从而降低了水平井的产能,使水平井的优势不能充分体现。在水平井中,如果合理运用欠平衡钻井工艺技术,不但可以避免了地层伤害,甚至可以避免难度大、成本高的增产作业。

1.2　避免复杂事故发生,提高钻井速度,降低钻井成本

欠平衡钻井过程中由于钻头端面上液柱压力减小,正在被钻的岩石更容易破碎,另外低密度的循环液体也有助于减小“压持作用”,使钻头继续切削新岩石而不是重复碾压已破碎的岩屑。能有效提高机械钻速,延长钻头的使用寿命,并可以避免复杂情况的发生,如井漏、压差卡钻等事故,从而提高钻井效率、降低钻井成本。另外运用这项技术还可以降低完井成本和提前生产油气。

1.3　实时发现地质异常情况和评价油藏

在进行欠平衡钻井过程中,实时采集和分析数据有助于工程和地质人员及时发现地质异常情况,避免复杂情况的发生;通过监测产生出的流体,可以及时发现油气显示,实时评价油藏,有助于油藏专家更准确地描述油藏,优化开发方案,提高开发效益。

2　所需的特殊设备

2.1　防喷器组

目前,国内外在欠平衡钻井作业中,防喷器组一般由两个闸板防喷器和一个环形防喷器和一个旋转防喷器组成,其结构是双闸板防器的下面安装一组附加的单闸板防喷器,节流和压井管汇安装在双闸板防喷器和单闸板防喷器之间。

2.2　旋转防喷器

其作用是密封方钻杆或钻杆并提供安全有效的压力控制,同时具有将井眼返出流体导离井口的功能。到目前为止,国内使用的旋转防喷器大多数从美国引进,其型号有W illiam s9000型和W illiam s7000型,其中以W illiam s7000型为主。这两种型号的防喷器其密封性能可靠,承压能力高。目前国内只有少数几个厂家生产低压旋转防喷器,还没有高压旋转防喷器问世,而且旋转防喷器产品单一,密封性能不可靠,因此生产和应用数量也较少。

2.3　密闭循环系统

欠平衡钻井都需配备体外密闭循环系统。密闭循环系统主要由旋转防喷器、高压节流管汇、四相分离器、储油罐和点火装置等组成。一般返出的钻井液通过旋转防喷器下面的出口经过高架管线流向振动筛,进行正常循环。当油气侵入严重并发生井涌时,关闭高架管线出口端的控制闸门,使带有油气的钻井液通过节流管汇流向密闭循环系统。气体从分离器出来后,到达装有自动点火系统和火焰扩散系统的天然气点火装置。原油被分离后存储在井

总第63期2000年第2期　西部探矿工程

W EST_CH I NA EXPLORA T I ON EN G I N EER I N G

series N o.63

M ar2000

场的储油罐里。钻井液经过四相分离器分离处理后,泵入泥浆循环罐,进行正常循环。

3　欠平衡钻井的关键技术

3.1　欠平衡产生的条件

欠平衡可以有两种方式产生,即自然方式和人工诱导方式,自然方式又称为流钻(F low drilling)。所谓流钻是指采用常规钻井液钻井高压地层时,钻井流体的循环液柱压力低于所钻地层的孔隙压力,使井底压力自然处于欠平衡状态,也就是所谓的边喷边钻。而人工诱导方式的欠平衡是指在钻井过程中,通过往钻井液中加入降密度剂(包括氮气、天然气和空气等)使钻井流体的液柱压力低于所钻地层的孔隙压力以保持欠平衡钻井条件。

这两种方式目前国内均已应用,例如:新疆局完成的G1063、GD1179、G1137等3口欠平衡试验井,钻井液密度低于地层压力梯度0.192g c m3,试钻井深均在3200～3875m深井段实现边涌边钻,既避免油层污染,又提高了原油产量。塔里木解放128井水平钻进井段采用欠平衡钻进,在井段5568.06～5750.03m水平井段,在地层压力系数1.194g c m3的条件下,采用1.02g c m3钻井液,有力地保证水平井段的油气层。使该井获得168t d原油,然气108万m3 d的高产。中原油田完成的白21井欠平衡钻进井段3113～4190m,在地层压力系数1.60g c m3的条件下,采用1.32g c m3的钻井液,成功地在高压低渗透地层中实现了“边喷边钻”。辽河油田完成的高3—42—148井欠平衡钻井井段1564～1642m,在地层压力系数1.0g c m3的条件下,采用0.95g c m3低密度泡沫钻井液,成功地实现欠平衡钻进。

采用人工诱导方式来产生欠平衡条件,有两种方法可以实现。第一种方法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。目前,国外注气的方式主要有四种:

(1)寄生管注入法:其方法是将一根下端接有注气短接的油管下在套管外面,并在固井时将其封固在环空中。钻进时,泥浆通过钻杆流到井底,同时通过寄生管将气体泵到井下的环空中与泥浆混合,以达到欠平衡钻井条件。(2)同心管注入法。事先将一根半径小于表层套管的管柱下到表层套管内,钻进时,通过两层套管之间的环空将气体注入井下以降低钻井液柱对地层的压力。

(3)连续油管注入法。通过连续油管将气体注入井下,使之穿过钻头从连续油管与井壁之间的环空返出。(4)钻杆注入法。直接通过钻杆将气体注入井下。

3.2　欠平衡钻井液的选择

在进行欠平衡钻井作业时,选择适宜的钻井液十分重要。选择钻井液时,应综合考虑储层、流体作业等方面的因素,主要包括储层压力、钻井液基液与产出或注入流体之间的配伍性、钻井基液与储层岩石之间的配伍性以及储层岩石湿润性情况等。另外,还应考虑钻井基液本身的一些物理性能,比如粘度应较低、无腐蚀性、毒性低等等。目前国外的钻井液体系较多,基本能够满足各种复杂地层和工艺的要求;在国内对地层孔隙压力>1.0的井,一般采用聚合物优质钻井液和水基钻井液,地层孔隙压力<1.0的井,采用泡沫钻井液。

3.3　欠平衡钻井井底压力设计与控制

井底压力的设计与控制是欠平衡钻井成功的关键。井底压力由许多相关参数控制,这些参数如注入液相和气相类型、气液比、注入量、储层流体进入井内的量、井内流道尺寸及钻柱运动等因素,都会影响井底压力。

在常规钻井作业中,计算井底压力可用钻井液当量密度线性描述,而多相流体却不能运用。由于多相流体在环空中的不同井段流型不一样,因而其静液压力、摩阻压降、加速压力计算非常繁锁,对这些不同流型段、不同的井段,需要用不同的计算模型。目前,美国莫尔公司多相流水力学软件能满足这种复杂的计算,但国内还没有这方面的计算软件。井底压力计算公式表示为: P=P h+P f+P acc+P w h.

式中:P h——静液压力,它是气液密度和气泡系数的函数。气液密度大大依赖于气体压力和温度,气泡系数决定于气体和液体的流动密度。P f——流动摩阻压降。P acc——加速度压力,它是由流体加速运动而产生。P w h——井口回压,在欠平衡钻进过程中由于液柱压力小于地层压力,为了保证井口不失控,井眼不坍塌,应在钻井过程中对井口施加一定回压,以平衡部分地层压力,以控制地层液体渗入速度。回压大小的控制应视气体和液体速度及旋转防喷器承压能的大小而定。

4　钻井工艺技术要求

　?地层孔隙压力、破裂压力剖面清楚,井身结构合理,目的层以上有套管封固。

　?欠平衡钻井的裸眼井段地层稳定、不垮塌。

　?井架底座高度必须满足井控设备的要求。

　?井口装置和密闭循环系统必须安全可靠,施工前应对井口防喷器组进行分开试压,达到设计要求后方可开钻。

　?钻具结构中必须配有:单流阀、旁通阀、随钻震击器、六方方钻杆。其中单流阀是防止接单根或起下钻时,钻井液从钻杆内反出。旁通阀是用于裸眼完井钻具采油用。随钻震击器是井下遇卡时解卡用。六方方钻杆是保护旋转防喷器,提高旋转防喷器的使用寿命。

　?应选择优质高效能钻头及优选钻井参数钻进,尽可能减少起下钻作业次数。

　?钻井过程中两台泥浆泵中一台用于循环钻进,另一台必须接至压井管汇,并使两台泵始终处于完好状态,特别是处于待命状态的泥浆泵必须完好。

　?钻进和起下钻作业过程中应密切观察和控制井口回压的变化,以确保井口回压在安全工作压力范围内。

　?井队人员必须经过培训,技术素质较高,掌握欠平衡钻井工艺技术,并配有经验丰富的钻井监督或技术负责人。

　?如果地层含有H2S或CO2等腐蚀性气体,所用管材和井口装置必须具有抗腐蚀能力;若含量大时不能应用此工艺,以防止气体泄漏后对人体造成伤害。

5　结论

　?欠平衡钻井技术能有效地减轻地层伤害,提高油井产能;避免复杂事故发生,提高钻井速度,降低钻井成本;实时评价油藏和发现地质异常情况。

　?欠平衡钻井技术在国外已经很成熟,各大石油公司已作为常规钻井技术来开发一些衰竭、低渗、易漏油藏。预计国外欠平衡钻井数量在逐年增加。

　?国内虽已进行了一批欠平衡钻井攻关试验,取得了一定的成绩,但其关键技术及主要设备均是从国外引进的,这无疑增加了钻井成本。今后应加强设备和钻井液及相应软件方向的技术研究,使其达到国产化,全面提高欠平衡钻井技术水平,拓宽其应用范围,加快其推广力度。

　?欠平衡钻井工艺流程复杂,井队人员必须培训。(下转76页)

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　2000年

第2期

　陈会年　张国龙　梁何生:国内外欠平衡钻井工艺技术现状

段;邓家湾1#隧道进口大跨段上台阶已开挖完成;青山大跨段左侧导坑开挖支护也已完成。

2.3.2　施工进展速度快,保证工期。

曾家坪1#三线隧道月成洞已达到23m ,远远高于类似的襄渝线狗磨湾隧道( 类,月成洞9.6m ),也高于原设计施工速度

,使得曾家坪1#隧道不再成为工期控制工点。

2.3.3　施工变形处于可控范围内

各工点典型位移—时间曲线见图3、图4

。

图3　曾家坪1#

隧道典型位移—时间曲线图

图4　青山隧道进口位移—时间曲线图

曾家坪1#隧道由于跨度大,地质条件差,开挖后出现较大的周边位移及稳定时间等,导坑拱顶下沉平均为50～70mm ,收敛值为60～80mm ,中洞拱顶下沉约为25～40mm ,位移 跨度比为0.38%,基本在安全范围内。收敛值比拱顶下沉值,反映出侧压力相对较大,这也与计算分析一致;邓家湾1#隧道与青山隧道地质条件较好,开挖后变形很小,并很快确定。3　几点体会

(1)三线隧道因跨度大,结构扁平,在选取择施工方法时应根据地形地质条件、断面形状、长度、工期等综合确定,台阶法由于施工空间大,施工速度相对较快,在 类以上围岩条件下宜优先采用,但在围岩条件差,需要控制沉降量和变形等性况下,宜采用中壁法和侧壁导坑法,考虑工序转换,台阶法和中壁法易互换,而双侧壁导坑与台阶法和中壁法互换较难。

(2)三线隧道施工中监控量测发挥了很大作用,根据监控反馈,曾家坪1#隧道调整了部分工序和支护参数,如在变形小的地段拆除或不设临时工钢横撑、在变形较大地段提前封闭仰拱、洞口段中洞开挖面与拱部二衬距离调整到6m 等等。青山和邓家湾则减少了锚杆数量等,既监控施工安全又取得了较好的经济效益。

(3)过去三线大跨隧道在 类围岩中大多采用双侧壁导坑

法,如狗磨湾隧道,施工速度很受限制,这次在内昆线结合数值分析和施工变形监测,运用了多种施工方法(台阶法和中壁法),大大提高了施工速度。

(4)三个施工方案在三个工点的成功运用,一方面丰富了大跨隧道施工经验,积累了资料;另一方面对以后多种围岩条件大跨隧道的施工方案选择具有较好的参考价值。

D iscussion on the Con struction Plan of Big Span Tunnel

with D ifferen t Coun try Rock .L iu Hongw ei L i J ianhua

(T unnel E ng ineering B u reau of R ail w ay M inistry ,L uoy ang 471000)Abstract :T ak ing the th ree big span tunnels in the N ei 2Kun line as the examp les ,it analyses and compares the m ulti 2p lan of constructi on of big span tunnel on the p lan selecti on ,calculati on and effect of constructi on .Key words :big span tunnel constructi on p lan discussi on .

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参考文献

1　Shale L .underbalanced drilling w ith air offers m any p luses .O il Gas J .1995,93(26),33～39.

2　Jo seph R .A .Special T echniques and equi pm ent reduce p roblem s :underbalanced ho rizontal drilling -conclusi on .O il Gas J .1995,93(13),41

～47

3　W alker T .U nderbalanced comp leti ons i m p rove w ell safety and

p roductivity .W o rld o il

.1995,216(11)35～40.4　Romm etveit R.A dynam ic model fo r underbalanced drilling w ith co iled tubing .SPE 29363.

5　Bourgoyne A .T .W ell contro l considerati on Fo r underbalanced drilling SPE .38584.

6　V ozniak j .underbalanced drilling sees davances .Am er .O il Gas R ep .1997,40(2),59～62.

7　L iu C .Foam computer model help s in analysis of underbalanced drilling .1996,94(27).114.

8　Churcher P .L P roperly designed underbalanced drilling fluid can li m it

fo rm ati on dam age .O il Gas J .1996,11(2).61

～66.9　D uda J .R .Strong grow th p ro jected fo r underbalanced drilling .O il and

Gas J.1996,94(39).67

～7710　Butler S .D .M onito ring dow nho le p ressure and flow rates critical fo r

underbalanced drilling .O il Gas J .1996,94(38),31

～39.11　孔书贞.欠平衡钻井要考虑的事项和方法.国外钻井技术,1998.2.4

～11.

12　李洪乾.欠平衡钻井及其井控中的动态效应,国外钻井技术,1998.6.9～15.

13　栗广科.负压钻井技术在探井中的初步应用.石油钻探技术,1998,19(2)

6

7西　部　探　矿　工　程　

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