充气欠平衡钻井工艺.docx

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充气欠平衡钻井工艺

第三部分充气欠平衡钻井工艺

1基本概念

1.1地层压力：

地层压力是地下岩石孔隙内流体的压力，也称孔隙压力。

正常情况下，地下某一深度的地层压力等于地层流体作用于该处的静液柱压力。

这个压力就是由某深度以上地层流体静液柱压力所形成的。

1.2井底压力：

所有作用在环形空间的压力总合，就是井底压力，这个压力随作业不同而变化。

（1）静止状态，井底压力=环形空间静液柱压力；

（2）正常循环时，井底压力=环形空间静液柱压力+环形空间压力损失；

（3）用旋转防喷器循环钻井液时，井底压力=环形空间静液柱压力+环形空间压力损失+井口回压；

（4）循环出气涌时，井底压力=环形空间静液柱压力+环形空间压力损失+井口回压；

（5）起钻时，井底压力=环形空间静液柱压力+抽吸压力；

（6）下钻时，井底压力=环形空间静液柱压力+激动压力；

（7）空井时，井底压力=环形空间静液柱压力；

（8）关井时，井底压力=环形空间静液柱压力+井口回压+气侵附加压力。

1.3压差：

压差是井底压力和地层压力之间的差值。

如果井底压力大于地层压力，其压差为正；如果井底压力小于地层压力，其值为负。

正压差通常称为过平衡，负压差称为欠平衡。

1.4循环压力损失：

在压力的推动下钻井液从钻井泵进入循环系统。

经地面管汇，沿钻柱向下，通过钻头喷嘴而后沿环形空间上返，此间十几兆帕的压力损失到循环系统中。

这个压力损失是由钻井液循环及其与所碰到的物体发生摩擦所引起的,其大小取决于钻井液密度、粘度、排量和过流面积等。

1.5激动压力和抽吸压力：

抽吸压力：

抽吸压力发生在井内起钻时，钻柱下端因上升而空出来的井眼空间，以及钻井液因粘滞性附于钻柱上，随钻柱上行而空出来的空间将由其上面的钻井液充填，引起钻井液向下流动。

这部分钻井液在流动时受有流动阻力，其结果是降低有效的井底压力。

钻头泥包时，会产生很大的抽吸压力。

激动压力：

激动压力产生于下钻和下套管时，因为钻头下行，挤出该处的钻井液，钻井液流动受到的阻力，便是激动压力，其结果是增大有效井底压力。

激动压力和抽吸压力数值相等，激动压力是正值，抽吸压力是负值，这两个压力受下列因素的影响：

（1）管柱的起下速度；

（2）钻井液粘度；

（3）钻井液静切力；

（4）井眼和管柱之间的环形空隙；

（5）钻井液密度；

（6）环形节流（钻头泥包）。

1.6立管压力：

立管压力=地面管汇压耗+钻柱内压耗+钻头喷嘴压耗+环空压耗

1.7静液压力的不平衡值：

是钻柱内与环空静压力的差值。

井下循环系统被想象成“U”型管，钻柱与环空是它的两条腿。

无井涌正常循环时，不平衡值为零，因为这两个压力大致相等。

然而，在整个二级控制中钻杆压力可以和环空压力相差很大而且对立管压力有很大的影响。

如果有压力不平衡值，根据“U”型管原理，钻井液将流向静液压力低的部分，直到平衡为止。

钻柱内的静液压力超过环空静液压力时，泵送钻井液较省力，相反，泵压就要高。

1.8回压：

回压是用来控制井涌的压力，其由节流阀产生，有助于控制地层压力。

停止循环关井时，仍可能有一定的回压作用在环空或套管内，这个压力叫做关井套管压力。

1.9关井立管压力：

停泵关井后，钻具内钻井液不能平衡地层压力，需要施加的井口回压。

1.10关井套管压力：

停泵关井后，环空内钻井液不能平衡地层压力，需要施加的井口回压。

2充气欠平衡工艺流程

欠平衡充气钻井液从钻具泵入井内，由井眼环空返到井口，经四通---节流管汇节流---液气分离器进行液气分离---分离出的气体经燃烧管线点火烧掉---分离出的液相经油水分离器进行钻井液、油及固液分离---液相（欠平衡钻井液）经撇油罐进一步分离---分离出的油进入储油罐---钻井液经砂泵抽到常规固控系统进一步固控后再重新被泵入井内。

3欠平衡钻井工艺

3.1井身结构

欠平衡钻井根据地质情况多采用三层或四层套管井身结构，即：

3.1.1四层

660.4mm钻头508mm表层套管+444.5mm钻头339.7mm技术套管+331mm钻头244.5mm技术套管+215.9mm钻头139.7mm油层套管（或尾管），如：

杏深1井。

3.1.2三层

444.5mm钻头339.7mm表层套管+331mm钻头244.5mm技术套管+215.9mm钻头139.7mm油层套管（或尾管），如：

宋深101井、卫深5井、卫深501井和肇深11井，升深2-17井采用三层套管结构。

3.2钻井参数

充气钻井所用钻头和钻进参数与常规钻井没有区别，可使用常规的钻头和钻进参数。

3.3充气钻井水力参数设计

充气钻井的需要设计液体参数和气体参数，他们还相互影响，液体排量和密度的设计原则是尽量小。

因为如果液体密度太大，再用充气降低密度没有意义，液体排量在能够携屑的前提下，也是尽量小，因为液体排量大，为降低密度需要更多的充气量。

考虑到本井是第一口试验井，没有经验，需要在实践中摸索，液体参数尽量选择和常规钻井接近的参数，排量选择25～30L/s，密度1.06～1.15g/cm3。

气体参数的选择主要是为了实现欠平衡，因为所钻为高产气层，欠压值过高会导致地层出气太多，难以控制，因此欠压值选择1MPa左右，在登娄库组（2517m-2800m）压力系数为1，气体排量选择1200m3/h,液体排量选择25L/s，泥浆密度1.08，计算结果如下（表3-1）：

表3-1登娄库组水力参数设计

井深（m）

管内压力（MPa）

管内流速（m/s）

累计内压耗（MPa）

环空压力（MPa）

环空当量密度（g/cm3）

环空实际密度（g/cm3）

返速（m/s）

岩屑升速（m/s）

累计外压耗（MPa）

流态

欠压值（MPa）

2500

34.12

2.83

5.72

23.48

0.95

1.02

1.01

0.70

1.29

泡状流

1.00

2600

34.89

2.83

5.94

24.51

0.96

1.02

1.01

0.70

1.33

泡状流

0.95

2700

35.67

2.83

6.16

25.55

0.96

1.02

1.01

0.70

1.37

泡状流

0.89

2800

36.45

2.83

6.38

26.59

0.96

1.02

1.01

0.70

1.41

泡状流

0.84

表中计算仅供参考，具体根据现场情况调整。

在营城组（2800m～3300m），压力系数在1.15之间，选用液体排量30L/s,密度1.15，气体排量900m3/h,计算结果如下（表3-2）

表3-2营城组水力参数设计

井深（m）

管内压力（MPa）

管内流速（m/s）

累计内压耗（MPa）

环空压力（MPa）

环空当量密度（g/cm3）

环空实际密度（g/cm3）

返速（m/s）

岩屑升速（m/s）

累计外压耗（MPa）

流态

欠压值（MPa）

2900

45.93

3.33

9.60

31.95

1.12

1.12

1.18

0.89

1.95

泡状流

0.71

3000

46.71

3.33

9.92

33.10

1.12

1.12

1.18

0.89

2.01

泡状流

0.68

3100

47.48

3.33

10.24

34.25

1.12

1.12

1.18

0.89

2.07

泡状流

0.66

3200

48.26

3.33

10.56

35.42

1.12

1.12

1.18

0.89

2.13

泡状流

0.63

3300

49.04

3.33

10.88

36.58

1.13

1.12

1.18

0.89

2.19

泡状流

0.59

表中计算仅供参考，具体根据现场情况调整。

3.4钻具组合

大庆充气欠平衡井段应用是常规满眼钻具组合，不同的钻柱中加4个箭型回压阀，其中钻铤部分加2个，钻杆加2个。

3.5充气欠平衡钻井的控制方法

3.5.1充气钻井与液体循环介质钻井的不同处

充气钻井是在液体循环介质钻井的基础上，充入一定量气体以降低液柱压力的技术，由于气体的可压缩性强，不同井深的气体所占体积比不同，不同井深的充气液密度不同（图3-1），井越深，密度越大，它的当量密度也不能通过地面直接测量，需要软件根据气液比和井深及套压计算，它的当量密度控制方法也与液体介质钻井有所不同，气液两相流的流态也随井深和气体液体不同而不同，有泡状流、段塞流、过渡流和环雾流，各种状态的携屑能力，充气钻井液的状态和计算方法都有很大的不同，充气钻井也是和气体钻井有关的钻井方式（纯气体、雾化、泡沫和充气）中流态最复杂的一种，可以通过充气钻井的试验，为下一步开展气体钻井的其他形式积累经验。

图3-1不同井深充气钻井液实际密度变化图

3.5.2充气钻井当量密度控制方法

充气钻井的优点在于，可以在不改变基液密度的情况下，当量密度可以通过调整液体排量、气体排量和套压改变调整当量密度，只要当地层压力比预计高，不充气都比基液液柱压力高时，才需要提高液体的密度调整当量密度。

（1）调整液体流量控制当量密度

图3-2液体流量对当量密度的影响

通过图3-2可以看出液体流量对当量密度的影响，在其他参数不变的情况下，单改变液体注入量能明显的改变当量密度，液体流量越小，则当量密度越大，一般选择充气钻井基液排量比正常钻井的液体排量小，选择的是正常钻井的液体排量，如果欠压值太小，可适当减少液体排量，降低当量密度，增加欠压值，但太小的液体排量会影响携屑，因此必须在不影响携岩的前提下才能调整液体排量。

（2）调整气体流量控制当量密度

通过图3-3可以看出气体流量对当量密度的影响，在其他参数不变的情况下，单改变气体注入量能明显的改变当量密度，随着气体的注入量的增加当量密度减小。

为了增大欠压值可增大气体排量，考虑到欠压值太大，可能会出现井壁稳定问题。

如果在气层地层出气也会随着欠压值的增加而增加，造成地层气体对充气钻井液二次充气，进一步降低液柱的压力而增大欠压值，造成更多的地层气体进入井内的恶性循环，气层也是充气钻井控制的难点和关键。

图3-3气体流量对当量密度的影响

（3）调整套压控制当量密度

通过图3-4可以看出套压对当量密度的影响，在其他参数不变的情况下，单改变套压能明显的改变当量密度，随着套压的增加当量密度增大，欠平衡钻井一般不控制套压，但在特殊情况下，如地层出气量太大，通过减少气体排量减少欠压值要循环一周才能实现，可通过关小节流阀增加套压控制的办法进行控制，为通过调整气体排量改变欠压值争取时间。

图3-4套压对当量密度的影响图

以上三种调整当量密度的方法，可以单独使用，也可以联合使用，具体根据井上实际情况决定。

（4）最大关井套压确定

在欠平衡井中，还要考虑液气分离器的处理能力，如果负压值设计或控制不当，随钻产油气量过大，超过液气分离器的处理能力，分离效果不好，导致关井套压过高，若不及时采取措施，后果是很严重的。

根据计算，大庆深层欠平衡最大关井套压为7MPa。

3.5.3压井技术

（1）压井时机的选择

●起下钻压井

●取心作业压井

●中途测试压井

●完井作业压井，如测井、下管柱等。

●地层压力过大或回压控制不当，井口压力太大，超过旋转防喷器等井控设备的安全要求时压井。

（2）压井方法

欠平衡一般采用工程师法压井，根据具体情况实施正循环或反循环压井。

压井的基本做法仍是通过调节节流阀的开启程度，控制立管压力，保持井底压力不变的原则下，用重泥浆循环压井。

具体步骤及操作方法是：

缓慢启动泵并打开节流阀，使套压等于关井时的套压值。

当泵速或排量达到选定的泵速或排量时，保持泵速或排量不变，调节节流阀的开启程度使立管压力等于初始循环立管总压力。

重泥浆由地面到达钻头的这段时间内，通过调节节流阀控制立管压力，使其按照“立管压力控制表”变化，既由初始循环立管总压力降到了终了循环立管总压力。

继续循环，重泥浆在环空上返，调节节流阀，使立管压力保持终了循环立管总压力不变，当重泥浆到达地面后，停泵、关节流阀，检查套管和立管压力是否为零，若为零说明压井成功。

（4）压井步骤

●首先，在钻井过程中应作低泵冲试验，记录压井排量和循环泵压。

●地层压力=9.8初始钻井液密度垂直井深+关井立压

●压井钻井液密度=初始钻井液密度+0.102关井立管压力/垂直井深

●初始循环立管总压力=压井排量循环泵压+关井立压

●终了循环立管总压力=（压井钻井液密度初始钻井液密度）原钻井液压井排量循环泵压

●总容积=管内容积+管外容积

●重钻井液由地面到达钻头时间=管内容积/压井排量

●重钻井液由井底到地面的时间=管外容积/压井排量

●最大允许关井套压=（地层破裂压力梯度-初始钻井液静液压力梯度）垂直井深

3.5.4充气欠平衡钻进过程中技术要求

3.5.4.1充气钻井程序

（1）登娄库组充气钻井程序

登娄库地层以河流相沉积为主，为砂泥岩互层，是兼探目的层。

根据邻井升深更新2、升深2-12和升深2-6的完钻效果，在该层段重点开展不同充气量下的钻井速度试验。

1）开始钻进前，井口钻杆接回压凡尔1个，启动制氮设备，以10m3/min的注气速度开始钻进，并以每柱增加5m3/min的注气速度（钻井液当量密度降低0.01~0.02g/cm3），注气钻进，直至第5立柱注气量增加到28m3/min。

此时钻井液当量密度为0.96g/cm3。

2）从第6立柱开始，以28m3/min的注气速度开始钻进，并以每立柱减少与上述相同步长的注气速度，注气钻进，直至第10立柱注气量减少到10m3/min的注气速度。

3）完成10立柱的充气钻进后，通过实时分析，确定一个以钻井速度为目标函数的最佳钻进参数，继续钻进。

若提速效果不明显，可再增加一个轮回的试验，从而确立最佳充气量和钻井参数，提速钻进。

4）钻井过程中，若有储层气体返出，最大套压值控制在5MPa以内，并记录气测烃值的变化，为充气钻井对储层保护效果分析提供数据支持。

5）监测钻井过程中泵压、注气压力、注气量等钻井参数及其变化情况，绘制钻速、注气量等随井深或时间的变化曲线。

6）钻井过程中密切观察岩屑上返情况，若有异常，停止注气，活动钻具，防止卡钻事故发生。

7）解除异常后，以每一立柱增加5m3/min的注气量进行钻进，若还有异常发生，调节基液性能，实施常规钻进。

8）在钻进过程中，钻井液基液密度小于1.05g/cm3，利用软件对泵排量、注气量等钻井参数进行实时调整，实现欠平衡钻进。

9）制氮设备若不能任意调节注气量，试验不同注气量的钻井速度可按800m3/h、900m3/h、1700m3/h的步长进行试验。

（2）营城组充气钻井程序

营城组地层为火山岩地层，是主要目的层，在该层段重点开展保护储层和提速钻井试验，形成一套水基充气钻井液的欠平衡钻井技术。

1）钻至营城组地层时，根据软件计算结果，调节泵排量、注气量、钻井液基液密度的大小，实现欠平衡钻井作业的正常钻进。

2）若在登娄库组充气钻井中出现井下异常，注气量减少至不足以在营城组地层进行欠平衡钻进时，在营城组地层继续开始充气，实现欠平衡钻进，注气量的大小根据软件计算结果进行确定。

3）若储层出气量很大，套压值增加到4MPa，并有继续增加趋势时，调节节流阀，根据软件计算结果减少注气量钻进，若井口套压值仍有增加趋势，停止注气，实现欠平衡钻进。

4）钻井过程中密切观察岩屑上返情况，若有井下异常，停止注气，活动钻具，防止卡钻事故发生。

5）监测钻井过程中泵压、注气压力、注气量等钻井参数及其变化情况，绘制钻速、注气量等随井深或时间的变化曲线。

6）在钻开目的层，储层出气，在停止注气后，井口套压值仍大于4MPa，调节基液性能，实施欠平衡钻进，钻达设计井深。

7）在钻进过程中，利用软件对钻井参数进行实时调整，实现欠平衡钻进。

（2）钻进措施

1）每次下钻开始钻进前井口钻柱接一个箭形回压阀，以后每钻进300米加一个箭形回压阀，起钻时卸掉；

2）开始注气量选择10m3/min钻进，观察振动筛返屑，监测扭矩和泵压的变化；

3）如果一切正常，以2小时增加1m3/min的速度增加注气量,逐渐增加到设计值；

4）如果发现有的剥落和掉块，停止钻进，在现用的气体排量基础上减少2m3/min的气体注入量,循环一周，如果还有剥落和掉块，继续减少注气量，直到正常为止；

5）充气钻井过程中，钻遇目的层时能点火说明实现了充气欠平衡钻井。

点火以后，如果伴随泵压下降、钻速提高、火苗不断增大，说明地层出气增加，可适当逐渐减少注气量或增大基液排量，如无效配合关小节流阀，套压不得大于5MPa，如果注气量为0仍得不到有效控制，调整钻井液密度转入液体欠平衡。

6）后效控制措施

一般接单根后效较小，通过欠平衡缓冲罐可释放，如果后效较大，缓冲罐不能完全释放，可适当关小节流阀缓慢释放后效；下钻后效一般较大，可暂停气液注入和钻进，适当关小节流阀控制套压，缓慢释放后效，待正常后恢复充气钻进。

7）如果地层出水、出气量较大或其他异常情况，启动应急预案。

（3）充气钻井和常规钻井流程的转换

1）由充气流程转换为常规流程：

a.停止注入氮气。

b.用基液走欠平衡流程将井内充气钻井液全部替出。

c.循环观察井下情况。

如井下正常，则打开旋转防喷器和液动平板阀，关闭液动放喷阀，钻井液走常规流程。

2）由常规流程转换为充气欠平衡流程：

a.打开液动放喷阀，关闭旋转防喷器及其液动平板阀。

b.用充气钻井液循环，将井内常规钻井液全部替出。

c.充气钻井液循环1～2周，如井下情况正常可恢复充气钻井。

（4）钻进中接单根操作程序

1）接单根前司钻发出一声短促（1～3s）气喇叭声。

2）氮气操作岗立即停注氮气，待确认氮气注入量为0时，将停注信号（右手食指垂直指向左手手心）反馈给钻台内钳工，内钳工将停注信号传给司钻。

3）接到停注信号后，循环基液1～3min（具体时间由项目现场组定）后停泥浆泵,接单根。

4）待立压为0时，欠平衡操作岗关闭液动节流阀。

5）钻台接完单根后，司钻电话通知欠平衡操作岗说明已接完单根。

6）欠平衡操作岗打开液动节流阀并电话告知司钻可开泵。

7）司钻发出一声短促（1～3s）气喇叭声。

8）听到信号后，氮气操作岗恢复注入氮气，同时司钻开启泥浆泵转入钻进。

（5）钻进过程中注意事项：

1）注意钻进过程中各项参数的变化，防钻具、钻头事故。

如突然放空0.5～1米，应立即停泵观察，测油气上窜速度、全烃含量、地层压力、钻井液密度，井口有无钻井液溢出，如果一切正常，即可恢复钻进。

2）胶芯密封失效需要更换时，单流阀能起作用，半封关井可靠，套压不超过7MPa的情况下，可进行不压井更换胶芯，否则根据现场实际情况压井后更换胶芯。

3）井控装备出现故障不能确保关井安全，使欠平衡作业无法进行时，要进行压井后更换或现场维修井控设备。

4）钻井过程中，发生卡钻等事故无法处理时，应压井后再做处理。

5）单流阀失败，钻具内立压无法消除，应压井起钻，更换单流阀。

6）钻头水眼或单流阀堵死，应打开旁通阀压井后提钻更换。

7）钻井设备出现问题，应根据现场实际情况决定处理方式。

8）气量较大时，停止钻进作业，关井求压，气量过大返出钻井液超过液气分离器处理能力时，应放喷，关液气分离器，节流压井。

9）定时测量钻井液进出口性能。

10）排出口要有专人观察岩屑返出情况。

11）录井人员如果发生异常情况应及时通知有关人员。

（6）起钻操作程序

起钻原则：

钻头提至地面时，套压为零。

1）钻前用基液不充气循环一周，携带岩屑；

2）关井求压，计算地层压力；

3）根据立压、套压值，确定压井密度；

4）将近平衡钻井液打入井筒，建立井筒压力平衡；

4）停泵，套压为零；

5）打开旋转防喷器，卸掉方钻杆，起钻；

6）上提钻具要控制速度，操作要平稳，并注意指重表吨位的变化，按要求及时灌满泥浆（注意有无抽吸现象）；

7）用液压大钳卸扣；

8）立柱进指梁，下放游车重复起钻作业；

9）当起钻中途井口有溢流时，应进行阶段压井；

10）对起出的特殊工具，要认真检查，确保再次下钻能安全使用。

（7）下钻作业程序

1）接好钻头，内外钳工扶正入井钻具，让钻具缓慢入井，防止钻头碰坏旋转防喷器；

2）控制下钻速度，防止压力激动，造成井漏复杂情况的发生；

3）用液压大钳上紧扣，防止钻进过程中刺坏钻具；

4）坐卡瓦，起游车，进行下钻的重复作业；

5）每下钻20柱，向钻具水眼灌注泥浆一次；

6）下钻发现溢流时，视情况尽量将钻具下深，然后采用四、七动作关井；

7）钻头到底后，开泵循环，用欠平衡钻井液替出井内近平衡钻井液，实现欠平衡钻井。

3.5.5充气欠平衡钻井中故障的处理

（1）卡钻

1）井塌卡钻和砂桥卡钻

在钻进过程中发生井塌卡钻和砂桥卡钻，若能循环钻井液，停止充气向井内打入高粘度钻井液，将井内坍塌碎块和钻屑带出井筒，以解除卡钻事故；

若不能解除卡钻事故，也可以为以后处理创造一个较好的井下环境，然后采取常规方法处理卡钻事故；

倒开钻具，在卡点以上建立起循环，用压井液压井建立起井下压力平衡，然后采取常规方法处理卡钻事故。

2）井下落物卡钻

当出现井下落物而卡钻时，一般情况都能建立循环，此时应把井内钻屑循环干净（以防在以后的处理时由于沉砂而不能循环），然后注入压井液压井建立起井下压力平衡，倒开钻具，起钻采取常规方法处理卡钻事故。

（2）欠平衡钻进过程中突然套压升高紧急处理

1）可减少注气量。

2）增加液体排量。

3）如果气体排量降到0，套压依然很高，可适当增加液体密度。

（3）钻进过程中井塌处理措施

1）提高泥浆的粘度、切力，适当升高密度，控制失水。

2）倒划眼、正划眼，尽可能使井眼畅通。

3）加足防塌稳定剂、提高井壁的稳定性。

4）减少注气量，以提高井壁周围的压持力。

3.5.6应急措施

（1）节流管汇上的液动节流阀出现故障

启用手动备用节流阀，检修或更换液动节流阀。

（2）节流管汇上的闸阀出现故障，不能循环

1）井口压力不高时，关井检修或更换。

2）井口压力较高时，启用备用放喷管线，然后关井检修或更换。

（3）油水分离器处大量气体聚集

开鼓风机将聚集的气体吹散。

（4）节流管汇出口到振动筛这段循环管线及设备出现问题而不能循环

关井处理，严重时压井检修。

（5）地面其它设备

地面高压循环系统（从泵到水龙头的高压循环系统）出现问题，如高压闸门、连接由壬刺坏，焊接处开裂等，而造成不能正常循环时应采取以下处理办法：

关井处理，严重时压井检修。

（6）两台钻井泵同时出现问题不能循环

关井处理。

（7）节流管汇的液控箱出现问题

1）应采用手动阀门来控制。

2）如维修时间过长应压井起钻维修。

（8）顶驱出现问题

1）使用六方方钻杆。

2）压井起钻，抢修顶驱。

（9）井队发电机供电系统出现问题不能供电

井场的全部设备停止运转，此时应采用手动控制系统，钻具在井内关半封，钻具不在井内关全封，打开节流管汇备用端的各闸门，关闭另一端的平板阀，根据套压情况作出妥善处理。

（10）地层出水

如果地层出水，观察振动筛返屑情况，看是否有剥落和掉块，并密切监测出水量及对充气钻井液的影响，如果影响不大，继续钻进，如果发现钻井液性能出现问题及时处理，如果发现掉块、并伴随