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1.4欠平衡钻井在勘探开发中的作用2
l.5适合采用欠平衡钻井的地层3
第2章欠平衡钻井在国内的研究现状与应用4
2.1欠平衡钻井国内研究现状与应用概况4
2.2欠平衡钻井技术在国内的应用对象5
2.3欠平衡钻井技术国内应用实例6
第3章欠平衡钻井在胜利油田的研究现状与应用7
3.1胜利油田欠平衡技术的应用现状7
3.3胜利油田成功研制了微泡钻井液9
第4章国内欠平衡钻井的发展方向11
4.1欠平衡钻井技术发展方向11
4.2国内应用欠平衡钻井技术应注意的问题13
4.2.1地层是否适用欠平衡钻井13
4.2.2选择合理的钻井液13
4.2.3安全问题14
第5章结论15
参考文献17
致谢18
第1章绪论
1.1欠平衡钻井技术的定义
目前，国内外关于欠平衡钻井的定义有以下几种：
API定义：
钻井过程中主体产层流体可流入井眼，并可将其循环到地面，地面可有效控制。
ERCB的定义：
设计钻井液柱压力低于产层压力，若液柱压力不够低时，在钻井液中加入空气或氮气，较低液柱压力必然引起地层流体流进井眼，并且这种地层流体必须循环出地面，并在地面进行控制。
CNPC的定义：
地层流体受负压差的作用，向井筒内连续流动的条件下，所进行的有控制的钻井过程。
欠平衡钻井的基本概念有多种表述，无论哪种表述都包含以下两个主要方面，即：
第一，井筒环空中循环介质的当量循环密度一定要低于所钻地（储）层的孔隙压力当量密度，这个差值即为欠压值。
第二，地层流体一定要有控制地流入井筒，并把它循环到地面再分离出来[1]。
1.2欠平衡钻井技术的分类
常规的钻井属于过平衡钻井，钻井液压力大于地层流体压力，小于地层破裂压力。
这样做主要是防止井喷。
欠平衡钻井时，钻井液压力略小于底层流体压力，仍大于地层破裂压力。
这样能及早发现油气藏。
欠平衡钻井系列分为：
1．气体钻井，包括空气、天然气和氮气钻井，密度适用范围0-0.02克／立方厘米；
2．雾化钻井，密度适用范围0.02-0.07克／立方厘米；
3．泡沫钻井液钻井，包括稳定和不稳定泡沫钻井，密度适用范围0.07-0.60克／立方厘米；
4．充气钻井液钻井，包括通过立管注气和井下注气两种方式。
井下注气技术是通过寄生管、同心管、钻柱和连续油管等在钻进的同时往井下的钻井液中注空气、天然气、氮气。
其密度适用范围为0.7-0.9克／立方厘米，是应用广泛的一种欠平衡钻井方法；
5．水或卤水钻井液钻井，密度适用范围1～1．30克／立方厘米；
6．油包水或水包油钻井液钻井，密度适用范围为O．8～1．02克／立方厘米：
7．常规钻井液钻井（采用密度减轻剂），密度适用范围大于0．9克／立方厘米；
8．泥浆帽钻井，国外称之为浮动泥浆钻井，用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气层。
欠平衡钻井技术按工艺分类可分为两种：
流钻是指使用普通钻井液的欠平衡钻井；
人工诱导欠平衡钻井是指南于地层压力太低，必须采用特殊的钻井液和工艺才能建立欠平衡。
1.3欠平衡钻井技术的优点
欠平衡钻井技术主要有以下几个优点：
1、有效的保护油气层
采用欠平衡钻井，能做到钻井液液柱压力小于地层压力，钻井液对油气层基本小会污染，从而有利于发现和保护油气层，提高油气井产能。
2、有效的克服井漏及钻井事故
对低压、裂缝及溶洞发育地层，采用欠平衡钻井，可防止井漏，尤其是能有效的使用允气钻井液及泡沫钻井液来减少钻井液液柱压力，减少井漏及粘卡等事故。
3、减少水敏性泥页岩的水化
采用欠平衡钻井，能极人的减少钻井液特别是钻井液滤液进入地层，有效的控制泥页岩的水化膨胀及坍塌，使井眼比较稳定。
4、提高钻井速度
采用欠平衡钻井，由于钻井液液柱压力小于井底地层压力，有利于钻头破岩，提高机械钻速[2]。
1.4欠平衡钻井在勘探开发中的作用
欠平衡钻井在勘探开发中的作用主要体现在：
（1）在油气勘探上，欠平衡钻井技术可以提高低压、复杂岩性、水敏性、裂缝性等类储层油气的发现和保护，因此，对于油气勘探来说它是一种油气层识别技术;
（2）在油气开发上，欠平衡钻井技术可以通过有效地保护储层，提高单井产量，降低开发综合成本。
因此，对于油气开发来说它是一种油气层保护技术;
（3）在工程上，欠平衡钻井技术可以解决低压地层漏失问题，提高机械钻速、减少压差卡钻。
因此，对于钻井工程来讲，它是二次井控技术、保护油气层钻井技术、防漏技术和提高机械钻速的方法。
l.5适合采用欠平衡钻井的地层
正确采用欠平衡钻井技术，可以取得巨大的技术和经济效益，反之则可能成一列负而效应。
选择适合欠平衡钻井技术的地层是实施欠平衡钻井的关键冈素。
所以在进行欠平衡钻井设计之前，要认真进行调查研究，选准地层。
根据欠平衡钻井技术的特点和实施欠平衡钻井的经验，适合采用欠平衡钻井的地层有：
1、高渗并胶结良好的结品砂岩地层和碳酸岩地层
2、高渗、胶结较筹的砂岩地层
3、微裂缝地层
4、枯竭油气层
5、对水基钻井液敏感成分含量过高的地层
6、与钻井液滤液严重不相容的地层
7、低束缚水或低含油饱和度的脱水地层
不适合欠平衡钻井的地层
1、高压和高渗透率相结合地层；
2、受压力约束的地层；
3、常规地层。
第2章欠平衡钻井在国内的研究现状与应用
2.1欠平衡钻井国内研究现状与应用概况
早在20世纪50年代，国内的四川油田就开始运用欠平衡钻井技术，但由于设备能力不足、地层出水等问题而放弃。
进入80年代以来，新疆石油管理局首先开展了泡沫钻井技术的研究与应用，于1984年在克拉玛依油田红一29井成功地进行了我国第一口泡沫钻井。
为了满足不同地层对欠平衡钻井的需要，随后又相继开发了空气钻井、雾化钻井、充气钻井和低密度泥浆钻井等欠平衡钻井技术。
目前全国各大石油院校及油田都在不同程度上开展了欠平衡钻井技术的研究和推广应用，并取得了显著的经济效益。
四川油田从1999年～2002年间，从单一欠平衡钻井技术初步发展形成了欠平衡钻井、欠平衡取心、不压井起下钻、不压井测井、欠平衡完井等全过程欠平衡钻井完井配套技术。
根据1999年全国昆明井控会上的介绍，我国所引进的主要是旋转控制头，也有旋转防喷器，其中1715MPa旋转控制头己达16台。
新疆局还引进了1套雾化钻井装置。
实现欠平衡方法基本上都是采用自然法。
到目前为止，国产旋转控制头（旋转防喷器）比较成熟的产品，仅有四川石油管理局钻采工艺技术研究院（以下简称“钻采院”）一家己形成系列配套装备及技术。
目前，已有315MPa、5MPa、7MPa产品在现场使用。
分别在川西南矿区24口井、四川自贡盐业钻井大队罗145井、川中矿区美国安然公司反承包井角59E井和金106井、川西北矿区白浅29井以及川东钻探公司渡5井等应用，1999中原油田购买了一套四川石油局钻采院研制的动密封压力为7MPa的旋转防喷器应用于该油田[3]。
国内欠平衡钻井技术近年来发展较快。
国内采用该项技术完成60余口井，所用设备主要以引进为主。
新疆、中原、大港、胜利等油田引进了一批设备，钻成了一批欠平衡井，具有了一定的经验。
“九五”期间大港油田针对前三系深层勘探进行了欠平衡钻井完井技术综合研究，在千米桥潜山和乌马营潜山采用低密度无固相钻井液休系实施了欠平衡钻井工艺技术，完井采用射孔完成，成功的发现了千米桥潜山亿吨级的凝析油气田，揭示了乌马营潜山储油气藏特征。
随着国内欠平衡技术认识的不断加深，该技术开始逐渐被应用于老油田的开发，今后欠平衡技术在国内的应用范围将逐渐扩大，设备配套国产化的进程将逐渐加快，实现全过程欠平衡将成为今后同内各油田发展的目标。
2.2欠平衡钻井技术在国内的应用对象
我国的欠平衡钻井技术主要应用于：
1、油／气层，预防置换性漏失伤害储层
一些油田的碳酸盐岩、火成岩储层，由于构造作用和后期成岩作用，缝洞特别发育，钻井过程中时常会出现置换性漏失，多数时候表现为只进不出，有的则是泵入钻井液，甚至是稠化水都会发生大规模漏失，但停泵后时常因油气密度较钻井液或盐水小而将缝洞中的油或气置换出米，即表现为先前漏失了大量的钻井液或盐水，而后井口又返出大量油／气。
现场般有效措施，以避免因这种置换性漏失对储层所造成的伤害。
2、低渗储层，提高单井产量
吐哈油田三塘湖地区石炭系火山岩裂缝性储层属“三低”储层，在常规钻井条件下易于发生恶性漏失。
以前钻井近200口，虽然采取了酸化、压裂等储层改造措施，但单井原油产量直不够高，开发效果较差。
2007年推广应用氮气欠平衡钻井后，有效避免了漏失，保护了储层，牛东8一12井等15口井的单井产量显著提高，其中有几口井突破了日产百吨的大关。
3、漏失性地层（非目的层），减少井下复杂事故
钻井过程中，时常碰到漏失频繁、漏失量极大的井区和层段。
有的井同一井段漏失量可达1000m3以上，有的井则连续漏失，表现为一打新层段又继续漏失，一几井专门堵漏可达10多次。
漏失易引发其他井下复杂事故，是导致钻井周期长、成本高的主要因素。
4、可钻性差的地层，有效提高机械钻速
准噶尔盆地陆东地区石炭系火成岩地层，岩性变化大，可钻性差，由于裂缝发育还时常发生漏失。
为了提高该区石炭系硬地层的钻井速度，根据地质条件，在优选钻头的同时，选择部分压力系数偏低、靠近断层的井进行欠平衡钻井，不仅有效地避免了漏失，减少了井下复杂情况，控制了事故，还大幅度提高了机械钻速。
根据不同的地理条件，欠平衡钻井技术在新疆油田和四川油田得到了应用，并取得了很好的效果[4]。
2.3欠平衡钻井技术国内应用实例
1.中原油田白21井。
中原油田在深部高压低渗地层的钻探中，经常遇到良好的油气显示，而在完井测试中却得不到理想的工业油气流。
白21井欠平衡钻井井段3905～4190m，设计地层压力系数为1.50g/cm³
，实际钻井液密度为1.30g/cm³
，负压值控制在8.0～8.5MPa，该井的实施，成功地在高压低渗砂岩油藏地层中实现了“边喷边钻”，降低了钻井液对产层的污染。
2.新疆小拐油田，G1137井和G1063井在砂岩油藏成功实施了欠平衡钻井作业。
G1137井欠平衡井段为3100～3300m；
G1063井欠平衡井段为3385～3675m；
目的层压力系数1.13g/cm³
，欠平衡采用的钻井液密度为1.01～1.03g/cm³
。
1998年，该油田完成的G2068井针对易漏失地层，采用0.45～0.60g/cm³
的泡沫进行欠平衡，油气日产量百吨左右。
3.新疆吐哈油田的牛102井，是国内首次将泡沫欠平衡钻井工艺应用于水平井，并获得了成功。
该井是一口评价井，为砂岩油藏，油藏压力系数为0.8左右，具有低压、低渗、水敏严重的特点，表现为坍塌严重，遇阻、遇卡事故频繁，并且易发生井漏。
通过在1677～2098m实施采用非循环式泡沫流体，使得地面泡沫密度为0.005～0.1g/cm³
，泡沫井筒当量密度为0.65～0.68g/cm³
，满足了泡沫流体在水平井段的欠平衡压力要求。
在421m的钻进过程中，井眼净化效果非常好，没有出现遇阻现象，机械钻速为7.6m/h，是普通钻井液机械钻速的3～4倍[5]。
4.大港油田千米桥潜山灰岩油藏埋深超过4000m，地层压力超过40MPa，油气比高，属于气井，其中板深7井是该构造带上的一口重点探井，实施欠平衡技术获得成功。
板深7井欠平衡钻进井段5461～5191.96m，平均机械钻速3.8m/h，采用低密度无固相钻井液。
测试时，采用Φ12.7mm喷嘴，日产凝析油115.68m³
，日产气27万m³
，折合油当量385.68m³
第3章欠平衡钻井在胜利油田的研究现状与应用
3.1胜利油田欠平衡技术的应用现状
胜利油田自1997年开始进行欠平衡压力钻井技术研究，先后立项开展了“欠平衡压力钻井配套技术研究”、“欠平衡钻井监测与控制技术研究”和“全过程欠平衡钻井技术研究与应用”等三项中石化集团公司重点科技攻关项目的研究，其中“欠平衡压力钻井配套技术研究”获国家科技进步二等奖，中石化科技进步一等奖；
”欠平衡钻井压力监测与控制技术研究”获中石化科技进步三等奖。
迄今为止，已进行了150余口井的应用，在保护储层、提高油井产能、解决钻井复杂问题等方面发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。
欠平衡钻井技术和装备也日渐完善，欠平衡钻井技术由最初的液相欠平衡发展到气体、泡沫、充气、液相全方位的适合各种压力体系油藏的欠平衡钻井技术，由简单的钻进欠平衡发展到全过程欠平衡钻井。
欠平衡装备由全部进口发展到全部国产化，由单一尺寸发展到适合多种井径、多种尺寸钻具，自动控制节流管汇、井下套管阀等国产先进设备也逐步完善[6]。
3.2欠平衡技术在胜利油田的应用实例
到目前为止，已在胜利油田、江汉油田、中石化南方勘探公司、中石化西北分公司塔河油田实施欠平衡钻井150余口井，应用的井别有预探井、详探井、评价井、参数井和开发井，井型有直井、定向井和水平井，欠平衡钻井方式有液体欠平衡钻井和充（氮）气欠平衡钻井。
在发现油气层、正确认识评价油气层、减轻地层损害、提高油井产能、解决钻井工程复杂问题等方面取得了明显效果。
（1）探井应用
①渤南油田渤601井
渤601井是在渤南油田布置的一口探井，设计井深4800m，实际完钻井深5007m,采用液体欠平衡钻井技术，欠平衡施工井段4213m~5007m。
实施欠平衡钻进，有利于及时发现和评价油气层，三次中途测试，有两次获高产工业油流，证实该区块良好的勘探潜力，当年可上报探明石油地质储量1000×
104t，充分显示了该地区良好的勘探开发前景。
②王家岗油田王古井1井
王古1井是王家岗油田的一口重点探井，设计井深4100m,实际完钻井深4192m。
用1.02g/cm³
的无固相复合盐水钻井液体系进行四开钻进。
钻至井深3438.00m发生严重井漏（潜山界面3419m）,通过采用充氮气欠平衡钻井技术，既有效地解决了井漏和无法地质录井的问题，又达到了保护油气层的目的，投产后产油67m³
/d,天然气3504m³
/d。
充氮气欠平衡钻井技术为该井顺利钻达目的层提供了可靠保障，提高了勘探成功率。
（2）开发井应用
①车571区块
富台油田潜山油藏压力水平低，灰岩裂缝发育，钻井过程中易造成近井地带污染，影响油井产能等问题，为加强油气层保护工作，充分发挥油气层潜能，采用欠平衡钻井装备和低固相钻井液进行近平衡钻井施工，施工中钻井液密度为1.03g/m³
，投产井全部自喷生产，初期单井平均产油50t/d左右，同一区块采用常规钻井技术，投产初期不能自喷，抽油机抽汲后自喷，产油27t/d左右，应用欠平衡钻井技术取得了较好的开发效果，极大地提高了经济效益。
②渤深6区块
渤南油田渤深6—5井钻探目的是开发下古生界油藏，该井设计井深4500m，实际完钻井深4625m,在井段4282m~4625m实施欠平衡钻井，钻井液密度1.10~1.14g/cm³
，在保证施工安全的前提下，采用欠平衡钻井装备和技术极大地降低了钻井液密度，施工火炬多次点火，火焰高6m~8m,而其邻井渤深6井施工时在同一层段采用的钻井液密度为1.26g/cm³
该井投产后，产油129m³
/d,天然气100000m³
/d,应用欠平衡钻井技术取得了良好的开发效果。
③埕北30区块
埕岛油田埕北30区块开发的目的层是古生界、太古界油藏，均采用欠平衡钻井装备和技术解决油气层污染和钻井施工中出现又漏又涌的技术难题，采用欠平衡钻井装备和技术后，使用海水低固相聚合物泥浆体系，使潜山油藏油层保护取得了前所未有的新突破，收到了十分显著的效果，在对CB30B-1井太古界进行钻杆测试表明，表皮系数为-2.9，说明油层得到了较好的保护。
而2000年实施的CB30-3、CB30-4两口开发井钻井过程中，采用的是常规的钻井液体系，常规的钻井技术，对储层造成一定的损害，如CB30-4井试油测试表皮系数达到42。
目前CB30区块已施工10口井，均货高产工业油流，取得了良好的开发效果，同时解决了钻井施工中又漏又涌的工程难题，保障了钻井施工的安全，缩短了钻井周期，节约了钻井成本[6]。
3.3胜利油田成功研制了微泡钻井液
胜利油田已研究成功配置可循环泡沫（微泡钻井液）的处理剂，只需在水中加入5％～6％的量，搅拌后即可配成，其性能与泡沫粒径分布见表3-1和表3-2。
微泡钻井液泡沫稳定，在140℃下仍能保持稳定性能，在温度一定时，微泡钻井液密度随压力升高而增大，当压力增大到一定值后，密度不再增大，此时钻井液密度随温度上升而减小。
可循环泡沫钻井液的微泡可在近井筒形成厚度小于lcm的暂堵带，有效地保护了油气层。
胜利油田已在30多口欠平衡井中使用可循环泡沫钻井液，有效地防止或减少了低压易漏地层所遇到的严重井漏等井下复杂情况，减少了油气层损害。
表3－1 微泡钻井液性能
T/℃
/（g/cm³
）
FL/ml
泥饼/mm
Gel/（Pa/Pa）
YP/Pa
PV/（mPa·
s）
常温
0.54
6
0.1
2.5/14
12.5
34
80
7
12
33
100
0.53
2/14
18
27
120
0.4
30
17
140
8.5
33.5
15
表3-7 可循环泡沫钻井液微泡粒径分布
粒径/µ
m
含量/%
累计含量/%
0.0-0.6
12.1-13.8
1.9
11.4
0.6-1.4
0.3
13.8-15.5
1.4
12.8
1.4-2.1
0.7
15.5-17.3
2.2
14.9
2.1-2.8
1.1
17.3-19.5
2.6
17.5
2.8-3.1
0.2
1.3
19.5-22.2
3.1
20.6
3.1-3.5
1.5
22.2-25.1
3.5
24.1
3.5-3.9
1.8
25.1-28.3
3.8
27.9
3.9-4.4
2.1
28.3-31.8
4.1
32.0
4.4-5.0
2.5
31.8-35.5
5.5
37.1
5.0-5.6
0.5
3.0
35.5-39.4
6.6
43.7
5.6-6.3
0.6
3.6
39.4-44.1
7.4
51.1
6.3-7.2
4.3
44.1-50.7
7.2
58.3
7.2-8.1
0.9
5.2
50.7-59.0
6.7
65.0
第4章国内欠平衡钻井的发展方向
4.1欠平衡钻井技术发展方向
在1990年代中后期，该技术在国内迅速发展，并已取得显著成效。
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尚存在较大差距。
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、进行欠平衡钻井数值模拟研究
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、扩大欠平衡钻井的适用范围
国外欠平衡钻井主要用于钻水平井，而国内目前用欠平衡技术钻的井多数是直井，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、重视欠平衡钻井技术的选择和正确的设计
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、增大欠平衡钻井井数，以提高欠平衡钻井的规模效益
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，差距甚大，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、研究欠平衡完井方法
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、加强国内欠平衡钻井设备系列配套的研制
随着欠平衡钻井技术的发展，开发出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1980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、加强电磁随钻测量工具和空气马达的研究
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，空气马达在使用寿命上还存在一定问题，在这些方面，国内可作一些探索性的研究。
9、进行欠平衡连续油管钻井技术的研究
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，而我们国内还未涉及，对此，国内应对该项技术进行一些理论上的探索和研究，大力发展利用欠平衡连续油管钻井技术进行老井加深、老井侧钻、小井眼钻井、浅气层及低压油气藏的钻井技术，以提高这些井的钻井效率、降低钻井成本、提高油气采收率。
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