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