欠平衡钻井技术综述

欠平衡钻井技术综述
打破“平衡” 保障“平衡”
“钻头不到，油气不冒”的论断似乎无可辩驳。

钻头到了，油气就会冒出来？事实给出的答案是“不一定”：如果地下有油气，而进入井筒的通道在施工过程中被堵住，油气就无法冒出来。

跻身钻井技术“家族”的新宠——欠平衡钻井，通过井筒环空中循环介质的井底压力、地层孔隙压力本应保持的平衡被人为打破，避免油气进入井筒的通道堵塞，使“只要地下有油气，就能冒出来”的愿望成为现实。

中国石油近年来应用这一新技术，取得了较多重要新发现，提高了钻井速度，从而保障了储量增长与产量提高的平衡，促进了油气供求的平衡。

欠平衡钻井技术的魅力，令中国石油进一步推广应用的号角更加嘹亮：今年“新钻探井中应用欠平衡钻井技术的比例力争达到20%”。

6月29日至30日，中国石油在成都召开“欠平衡钻井工作推进会议”，再次擂响推广应用的战鼓
邛西气田可谓中国石油探索欠平衡钻井技术征途中的灿烂鲜花。

千古韵事“文君当垆、相如涤器”的发生地——四川邛崃市，天然气勘探“三起三落”。

1992年、1994年各钻1口探井，见到良好油气显示，但没获产能。

成为中国石油对外合作勘探区块后，外商投资数百万美元实施“加砂压裂储层改造”作业，也无功而返。

四川油气田钻探邛西3井时，率先在国内试验全过程欠平衡钻井新技术钻进储层，喜获成功，测试日产气量达45.6万立方米，从而发现邛西气田，并证明“川西前陆盆地大型含气区”有较好的勘探开发前景。

认识欠平衡钻井技术不难。

通常的钻井作业应用的是平衡钻井技术，即井筒环空中循环介质的井底压力与地层孔隙压力保持基本平衡。

而欠平衡钻井技术却是人为地使前者低于后者，“允许地层流体有控制地进入井筒，并将其循环到地面进行有效处理”。

实现欠平衡钻井不易。

中国石油在探索、推广欠平衡钻井技术的过程中，既实施液相、气相等欠平衡钻井和全过程欠平衡钻井，也尝试用欠平衡钻井技术钻水平井，其中气相欠平衡钻井包括应用空气、氮气、天然气、柴油机尾气进行钻井作业。

2000-2006年间，中国石油应用欠平衡钻井技术钻井300多口，有较多的崭获。

大港油田发现了千米桥潜山亿吨级的凝析油气田，岐深1井取得重要新发现。

大庆油田的徐深1井获高产油气流，取得了松辽盆地北部深层天然气勘探的重大突破。

辽河油田发现了古潜山油藏。

吉林油田长深1获测试日产气量46万立方米，展示了松辽盆地南部深层天然气勘探的广阔前景。

满东2井利用气体钻井技术钻开储层，没见到预期的结果。

从“发现没有，也是发现”的角度看，悲中有喜：深化了地质认识，校正了油气勘探部署的“版图”，人力、物力、财力“移居地”的生产建设力量会更强。

中国石油的实践证明，应用欠平衡钻井技术，既能及时地检验地质认识，又能大幅提高钻井速度、单井产量。

闻名中国石油的“磨溪速度”，欠平衡钻井新技术发挥了重要作用，磨溪气田的产能迅速翻番。

四川油气田用145天钻成6530米的超深井、27天完成2000多米水平井段的钻进，欠平衡钻井技术功不可没。

去年，四川油气田应用气体钻井技术的进尺超过2万米，今年要超过6万米。

各油田借学习“磨溪经验”的东风，推广应用欠平衡钻井技术，既提高了钻井速度，也增大了单井产量。

窿9井应用气体钻井提速，机械钻速提高8.7倍。

苏里格气田采用天然气钻井技术钻小井眼，提高速度5—10倍。

红台2-15井、平落19井应用欠平衡钻井技术，测试日产量相当于常规钻井技术完成的邻井的5倍。

井筒液体压力高于地层压力，引发恶性井漏，延长钻井周期，漏失大量泥浆，消耗大量堵漏材料，经济损失较大，严重影响勘探开发进程。

应用欠平衡钻井技术，使井筒液体压力低于地层压力，为避开类似难题提供了新方法。

矿2井处理恶性井漏110多天，应用欠平衡钻井技术，9天钻过漏层。

天井1井多次发生恶性井漏，移井位重新钻井后，采用空气泡沫钻井等技术，顺利钻过漏层；草007-2井表层钻井时8次井漏，堵漏耗时10多天，后来采用气体钻井技术顺利穿过易漏地层。

欠平衡钻井技术在实践中发展，在探索中前进，形成了新的产业链：科研单位开展专题研究，完善施工作业标准，推进技术进步；四川空气钻井、新疆欠平衡、大港欠平衡等施工作业队伍茁壮成长，技术指导专业化、技术服务规模化，作业能力大幅提高；研制出“不压井起下钻装置”、“旋转控制头”等具有自主知识产权的工艺装备和工具，既为大规模应用欠平衡钻井技术提供了必要的设备，也创造了新的经济增长点。

追溯钻井技术的发展历程，不断解放思想的脉络清晰可见。

正是由于解放思想，使“钻井过程中，地层的流体不进入井筒”的观念转变为“可以进入井筒，但处于可控状态”，从而诞生了欠平衡钻井技术。

油气勘探开发难度不断加大，作为油气勘探开发的“龙头”，钻井技术不能停步，推广应用欠平衡钻井技术需要不断地解放思想，使油气进入井内的通道堵塞程度更低、钻井速度更快、钻井成本更合理、钻井作业更加安全环保。

时代赋予推广应用欠平衡钻井技术以重要意义，新的攻关课题已摆在面前。

置身于“中国石油”大旗之下，徜徉在推广应用欠平衡钻井技术号角和战鼓中，人们改变了“欠平衡钻井技术是高风险、高投入”的认识，联手推广应用已成为甲、乙方的共同愿望，油气田、科研院所之间的交流合作更为紧密，安全、环保措施进一步规范、完善，把欠平衡钻井技术打造成中国石油转变经济增长方式的“拳头”技术的信心更足、干劲更大。

可以预见，欠平衡钻井的春天会更加明媚。

欠平衡钻井技术系列之一
作者：中国钻井网文章来源：中国钻井网
(一)90年代以来，国内外欠平衡钻井技术的发展方向和趋势
欠平衡钻井技术是90年代在国际上成熟并迅速发展的一项钻井新技术(图3-1)。

欠平衡钻井又分为：气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井、淡水或卤水钻井液钻井、常规钻井液钻井和泥浆帽钻井。

在美国，欠平衡钻井技术被称为上游石油工业新技术，已经成为钻井技术发展热点，并越来越多地与水平井、多分支井及小井眼钻井技术相结合。

国外欠平衡钻井技术主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。

图3-1世界采用欠平衡钻井技术增长趋势的预测
自80年代以来，由于研制成旋转防喷头、空气钻井马达等设备，又研究出各种往井筒中注氮的方法，使欠平衡钻井工艺达到了大规模投入工业使用的程度，并呈现稳步增长的势头。

其原因主要是人们对减轻地层伤害越来越关注，而且欠平衡钻井有可能提高钻速和减少衰竭油藏中的井漏问题。

目前在国外该项技术已成为一种成熟的钻井工艺。

一些油公司曾报道，与常规方法钻水平井相比，运用欠平衡钻井技术使水平井产量提高了10倍。

目前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
0～0.02g/cm³；②雾化钻井，密度适用范围0.02～0.07g/cm³；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O.07～0.60g/cm³；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～O.9g/cm³，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1～1.30g/cm³；⑥油包水或水包油钻井液钻井，密度适用范围为0.8～1.02g/cm³；⑦常规钻井液钻井(采用密度减轻剂)，密度适用范围大于O.9g/cm³；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(flow drilling)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由于地层压力太低，必须采用特殊的钻井液和工艺才能建立欠平衡。

现在已有20多个国家应用欠平衡技术钻井，技术先进的国家包括美国、加拿大、英国、阿根廷、墨西哥等国。

这些欠平衡技术先进的国家，创造欠平衡条件采用的常用技术有：边喷边钻；泥浆帽钻井；立管气体注入；环空气体注人；连续油管钻井。

水、地层水、海水、淀粉水、柴油、原油都曾用做欠平衡钻井的循环工作介质。

散装或膜滤氮气、工业废气、空气、氮气和空气的混合气、天然气和空心玻璃球都作为减轻剂或发泡剂欠平衡钻井作业的关键技术包括产生和保持欠平衡条件(有自然和人工诱导两种基本方法)、井控技术、产出流体的地面处理和电磁随钻测量技术等。

近年来，欠平衡钻井技术的进展主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。

国外目前已经成熟运用新一代欠平衡钻井技术，即在钻进、接单根、换钻头、起下钻等全部作业过程中始终保持井下循环系统中流体的静水压力小于目标油气层压力，同时欠平衡钻井技术也越来越多地与水平井多分支井及小井眼钻井技术相结合，有效开发了一些新老油田，其应用范围日益广泛，美国已将其列为21世纪急需的钻井
技术。

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第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体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。

截止到目前，大港油田已经先后引进了三套主要欠平衡装置，成立了专业化技术服务队伍，从设备和经验上都具有了很好的基础。

在以液体为介质进行欠平衡钻井施工上，从设计及施工人员的水平、欠平衡装备、现场施工中井口回压控制等技术上都取得了一
定的成功经验，在国内产生了良好的影响。

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
平衡将成为今后国内各油田发展的目标。

欠平衡钻井技术发展有如下几个关键方向：钻井模型分析；更有效的钻井液；更有效的井底导向系统与马达；有利于新的钻井液的井控与地面分离系统；集成化趋势。

未来欠平衡钻井技术将进一步朝安全、简便和适用的方向发展。

这项技术对于保护油层和提高钻井速度具有重要意义，将广泛用于低压低渗油田和老油田。

(二)主要技术发展应用情况
1.国外主要钻井技术发展应用情况
国外已经实现了全过程的欠平衡钻井、完井。

(1)欠平衡钻井井控
欠平衡作业中的井控可以通过钻井液的流变性、循环控制装备、节流器及地面分离系统来共同完成，最新的改进表现在以下几个方面：
①额定5000 lb/in²静压力的旋转控制接头；
②完善的卸扣橡胶设计和组成；
③5000 lb/in²地面分离装置；
④自动节流体系；
⑤能应付大量产出液、钻屑和钻井液的地面分离系统。

在加拿大，普遍采用能处理多达20X100000ft³/d气体的密闭环型分离体系(敞开环型体系经常用于其他场合)。

双密封元件环空分流器及其控制系统已应用于欠平衡钻井中，旋转式井口控制装置是一种可以进行欠平衡钻井的特殊设备，工作压力达到了2000 lb/in²，目前4部钻机中就有一台钻机采用旋转密封装置。

Shaffer公司研制的随钻压力控制装置将球面旋转防喷器与液压和电子仪器控制结合在一起，为欠平衡钻井提供了实际的装置。

(2)微泡型钻井液
美国Acti Systems公司研制成一种适用于欠平衡钻井的微泡钻井液。

这种钻井液体系在不注入空气和天然气的情况下可产生均匀、非聚集和可再循环的微气泡。

因此，它能产生比水低的密度(见图3-2)。

微泡是由多层膜包裹着气核的独立球体组成的。

该钻井液体系使用了一种表面活性剂，以便当微泡形成后能产生表面张力来包裹微气泡，形成多层泡壁，并产生界面张力把微气泡结合到能产生井下桥堵的微泡网中。

使用黄原胶生物聚合物来稳定钻井
液的微气泡。

图3-2 微泡型钻井液的结构
普通微气泡的直径为10～100µm。

即使在使用固控系统的同时，这种微泡体系也可以重复使用。

多数微气泡即使经过细目振动和管汇清洁器后也不会被清除。

因为微气泡的质量小，所以在经过水力旋流器和高速离心机后仍能保持原态。

微气泡不受MWD或泥浆马达
等井下工具的影响。

均匀气泡必须在压力降和气蚀条件下产生。

当钻井液流出钻头喷嘴时，在水动力气蚀条件下将产生微空隙，这些微空隙又被表面活性剂包裹，作为产生含压球形的动力。

由于这些含有能量的微气泡能降低钻井液的密度并在地层裂缝中产生井下桥堵，所以提高了低剪切速
率增粘剂的效率。

首次应用微泡泥浆是在得克萨斯西部的Fusselman油田，当时是侧钻一口水平井。

在造斜段钻遇大的裂缝(钻头放空30.48cm)并发生了漏失时，换用了黄原胶体系。

当钻头接近井底时，产生了微泡，当微泡喷出钻头后，泵压开始增加，说明钻井液没有漏入裂缝，并有返出，并逐步恢复钻进。

另外，使用高剪切应力和高剪切稀释的微泡体系还打了几口水平井和大斜度定向井，在所有的井中都没有发现井漏或地层损害。

(3)欠平衡钻井主要装备
欠平衡钻井所用的地面常规装备有：氮或压缩气供应装置、容积小且压力大的注液泵、液-气混合管汇、节流管汇、钻屑或钻井液取样器、化学剂注射泵、采油分离系统和自动燃烧气体系统，以下是国外目前比较先进的专用装备。

①高压旋转分流器-防喷器系统。

又称旋转防喷器(BOP)，见图3-3。

国外有好几个厂家都有专利产品，其中美国Williums 工具公司生产的旋转防喷头使用最多，压力级别最为齐全。

见表3-l。

目前该公司供应的高压系统有7000型和7100型两种：7000型的静试验压力为21MPa，工作压力为10.5MPa；7100型包括旋转控制头总成、热传递-润滑装置、遥控监控台和遥控防爆电源设备。

旋转控制头总成壳体试验动压力可达70MPa，静压力为35MPa，工作压力为17.5MPa。

表3-l Williums高压旋转分流器-防喷器系统技术指标
②液流导向系统。

目前国外研制了一种电磁阀导向系统，可增加钻深。

马达被设计成一种金属对金属的叶片，采用非弹性体制成的正容积马达，不会由于失速而使转速过快。

③地面分离系统。

近几年来，国外加强了地面分离系统研制，包括压力额定值为35MPa的地面分离装置、自动节流系统及各种分离器，这些设备可处理大量液体、岩屑和钻井液。

此外，有一种密封循环分离器，每天可处理566336m³容量的液流；还有一种高效小型分离器，适用于近海地区。

委内瑞拉Mamdbo湖有一口近岸井，为了降低化学剂成本，首次使用密封循环地面分离系统，还使用配有全套连续油管的驳船和2000bbl容量的泡沫装置。

泡沫循环液密度降低到179.74～359.4kg/m³，在分离后，泡沫可再循环使用，以降低配制化学剂和水的成本。

④隔水管帽(Riser Cap)旋转防喷器系统。

一种回流装置，所用主要设备是旋转控制头，装在水上隔水管顶部，可代替隔水管系统的滑动接头、球形接头和分流器。

将高压软管接到旋转控制头双流管出口端，可提高井控能力，防止钻井液流失。

高压机械密封置装于钻台下面的钻杆与隔水管之间，钻井液通过软管回流井下。

⑤实用隔水管(Virtual Riser)装置。

该装置包括旋转控制头、封隔器—锁定总成和环形压力控制—排放系统三大部件，其中封隔器—锁定总成是一个经改进的直径508mm可膨胀套管封隔器，起到控制头及井口下面套管间的压力密封作用。

其元件是一个3m长的密封，置于660.40～914.40mm套管里面，用遥控船可遥控该封隔器。

⑥地面数据采集系统。

欠平衡钻井时，要测量并记录压力、速度、气含量、液含量和温度，并实时显示这些数
据，避免出现过平衡和井喷现象。

该系统可在钻井作业时，通过与现有钻井控制与监测系统接口，提供实时信息，还可与动态多相流量模型接口，允许将实际参数与计算参数加以比较。

(4)井下空气锤钻井在欠平衡钻井中的应用
近年来，国外已成功地将气钻和空气锤钻井技术用于欠平衡钻井。

气体速度高，每分钟可达900～1200m³，可将岩屑从钻台面除去，比普通气动系统提高钻速3～8倍，尤其适用于坚固的中—硬地层和偏斜—断裂地带。

井下空气锤钻井适用于极硬的有磨蚀性的地层。

Weatherford公司已研制成功一种用于空气锤钻井的密闭循环固相回收系统。

加拿大一项使用空气锤钻欠平衡井的记录表明，只用166个纯钻时，在井径244.48mm(9 in)井内钻深达
1738m。

(5)欠平衡钻井、连续管钻井和水平井钻井技术的综合应用
Apache加拿大公司综合利用欠平衡钻井和连续管钻井钻水平井段，获得了成功。

采用的方法是：用常规钻机钻直井段和造斜段，井斜角为90°，造斜段为中曲率半径井段，造斜率为18°/100ft，旨在最大程度减小井壁上出现岩屑床的可能性。

用连续软管和混合型钻机钻该井的水平井段。

用柴油作为钻井液，并充氮以产生欠平衡压力条件。

随着流入井
筒的气量的增加，逐步减少充氮量。

主要装备及工具：混合型钻机配备了2 in连续软管、注人头、液压动力装置和控制室。

钻机底座配备有人字型大门、坡道和管子放置区。

泵送设备包括流体泵、注N 泵和N 储存装置。

底部钻具组合包括井下泥浆马达(瓣比为4:5)、定向工具、压力测量短节和伽马射线测量仪。

连续软管内部装有电缆，用于压力测量短节和伽马射线测量仪的操作。

连续软管内还装有两根用于通过液压控制定向工具的极细钢管。

地面设备包括一套防喷器组。

为便于进行强行起下钻作业，使用了钢丝绳和30ft长的防喷管。

地面设备还包括：1个容积为500 bbl 并配备节流管汇、取样器、天然气火炬装置的试井分离器，2个容积为400 bbl立式柴油罐，1个容积为400 bbl的压井液(水)罐。

泥浆循环系统是一个闭合回路系统。

应用结果：该井于1997年6月投产，在大约580 lb/in²的压差下，初期产量为900万ft³/d(标准状态)。

由于受气体生产设施的限制，天然气产量降到了650万ft³/d(标准状态)。

该井一年
的累计产气量达20亿f t³。

(6)Swaco欠平衡钻井包
美国Swaco公司研制出一种欠平衡钻井包，这种钻井包系统可清除钻井液中所夹带的气体，其中包括硫化氢和腐蚀性氧，减小发生井喷的潜在危险性。

Swaco欠平衡钻井包能最大限度地减少气侵钻井液返回循环系统中，减少起下钻次数，提高钻速。

同时，这种钻井包亦还可提高钻井液的循环速度和减少钻井液的费用，无须加装除气系统。

Swaco欠平衡钻井包由超级钻井液—气体分离器、装有碳化钨和加长耐磨衬套的超级节流器、节流控制台和光纤数据采集系统组成。

在欠平衡钻井作业中，一般情况下，每天超过8.5×105m³的潜在气涌会循环返出井口。

对于常压钻井包系统，超级钻井液—气体分离器每天可安全分离出1.8×106m³的气体和38000 bbl的液体；对于增压钻井包系统，超级钻井液气体分离器每天可分离出2.4×106m³的气体和59000 bbl的液体。

Swaco超级钻井液—气体分离器适用于处理从井口返出的大流
量高压气侵钻井液流。

使用Swaco超级钻井液气体分离器，在井口返出的气涌压力为10.3～58.6MPa时，从未发生气体被从气体分离器夹带到钻井液振动筛的情况。

使用证明：使用这种钻井包装置钻欠平衡井，平均每口井节约钻井3.1万美元。

(7)欠平衡软件
在国外支持欠平衡钻井的软件很多，如欠平衡适应分析软件、地层筛选软件、多相流分析计算软件、井底压力预测、监测软件及合理压差分析软件等。

美国Weatheford和Sigma 等公司已研制成模拟软件，可对欠平衡钻井作业进行液压设计和分析，确定使用哪种液体，用多少循环液才能清洗全井筒，以免井内岩屑积累过多，出现井下严重故障。