充气欠平衡钻井井底压力影响因素分析
氮气欠平衡安全钻井技术探讨
氮气欠平衡安全钻井技术探讨摘要：充氮气欠平衡压力钻井是在钻井过程中，向钻井液中充入氮气，使钻井液液柱压力低于产层地层压力，通过地面设备有效控制，将流入井眼内的产层流体循环到地面，并进行有效分离。
该技术适用于钻进地层压力系数0.80一1.05的地层，在低压、低渗透、低压易漏、裂缝油气藏以及过度开采衰竭油藏的开发中具有其它钻井技术不可比拟的优越性。
关键词：氮气；欠平衡安钻井；技术探讨一、氮气欠平衡钻井井控技术1井口装置设计氮气钻井过程中井口不会承受太高的压力，但根据模拟计算，井口的氮气流量大，一般大于100m3／min。
根据油藏深浅，选择合适的闸板防喷器和旋转防喷器，还考虑在钻井整个过程中有高性能旋转防喷器承受一定压力，建立环空与钻台问的屏障，将井筒返出流体导离钻台的设备。
另外，为了完成不压井起下钻、下油管、安装采油树等工序，还需要井13装置中安装油管头，安装次序需要做较严格的要求。
2井口装置选择（1）旋转防喷器选择。
旋转防喷器主动密封和被动密封有两种形式。
虽然进行氮气钻井时，井口始终处于长开状态，旋转防喷器承受的压力不会太高，但由于氮气钻井是在储层中钻进，为及时处理突发事件，应选择密封压力级别大于10.5MPa／21MPa的旋转防喷器。
此外，由于被动密封的旋转防喷器主要靠胶芯弹性自由收缩密封和井压助封，在用于气体钻井中存在一个较大的缺陷，即当钻杆接头通过旋转防喷器胶芯时，胶芯倍瞬间撑大，接头通过胶芯后，胶芯需要一定时间才能恢复原形起密封作用，此时，将会有一股气流顺着钻杆冲向钻台，存在较大的风险隐患。
主动密封的旋转防喷器主要是通过液压油给胶芯施加压力使胶芯抱紧钻具，施加的压力可以自由调节，当需要过钻具接头时，可将施加的压力上调，使胶芯再钻具接头过后迅速恢复密封状态。
因此，推荐选用主动密封的旋转防喷器而不推荐使用被动密封的旋转防喷器。
（2）常规封井器选择。
常规封井器的选择应根据《石油天然气钻井井控安全技术标准》，进行选择闸板防喷器和环形防喷器组合。
充气钻井井筒压力分布规律研究
（ ３） 当回压一定时， 随着注气量的增加， 井底压力 逐渐降低。但是回压越低， 井底压力随注气量的增加降 低的幅度增大； 回压越高， 井底压力随注气量增加而降 低的幅度减小。
基金项目： 长江大学科研发展基金项目， 项目编号： ２００７３４０
第 １５ 卷第 １ 期
摘 要 以多相流理论和欠平衡钻井基本原理为基础， 研究了充气钻井的压力控制问题， 建立了适合充气欠平衡钻 井的物理模型， 同时给出了井筒压力计算的多相流理论模型和数值求解方法。结合现场资料， 计算了充气钻井时井筒压力 随回压和注气量的变化情况， 并对其变化情况进行了解释。得出的结论为进行合理的欠压值设计提供了理论依据， 对指导 和实施欠平衡钻井作业和研究具有一定的理论参考。
［ ３］ 李相方， 庄湘琦， 隋秀香， 等．气侵期间环空气液两相流动研究［ Ｊ］ ． 工程热物理学报， ２００４， ２５（ １） ：７３－ ７６．
［ ４］ Ｓｕｐｏｎ Ｓ Ｂ， Ａｄｅｗｕｍｉ Ｍ Ａ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｎｕｌｕｓ， ｐｒｅｓ ｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｉｎ ａ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｉｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ［ Ｊ］ ．ＳＰＥ Ｄｒｉｌｌ．Ｅｎｇ．， Ｍａｒｃｈ １９９１： ７４－ ８０．
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如下形式的系统广义物理量守恒方程：
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钻井过程压力影响因素分析
钻井过程压力影响因素分析作者：崔力晨来源：《中国化工贸易·中旬刊》2017年第02期摘要：常规钻井技术钻遇复杂地层时，钻井液安全密度窗口窄，钻井液性能可能发生剧变，压差卡钻、粘附卡钻、喷漏同层、上漏下喷和井壁垮塌等复杂问题经常发生，甚至导致钻井作业无法正常进行，增加诸多非钻井作业时间，使钻井周期和费用大幅度上升；充气控压钻井（MPD）作为一种新的钻井技术，能够降低甚至避免诸类钻井问题，结合环空多相流水力学模型，综合分析了钻井液排量、注气量、机械钻速、井口回压和井身结构等因素对MPD环空压力的影响，实现MPD环空及井底压力保持在一定的范围内准确、快速可调，从而提高钻井效率，降低作业成本。
在不久的将来，控压钻井将会是一种更安全、更快、更有效的钻井技术。
关键词：控压钻井；排量；压力；注气量地层压力伴随着油气层的长期开采，国内外主力油气田大多进入开发的中后期，不同程度地面临地层压力衰竭与下降，因此造成地层坍塌密度降低，且与地层压力梯度接近，钻井过程中呈现出窄压力、甚至负压钻井液密度窗口，并由此产生漏喷同层、井壁垮塌等一系列钻井问题。
同时随着裸眼井段的增加，井底温度和压力也随之发生改变；且有多套压力体系的复杂裸眼井段，从而使钻井液性能发生剧变，卡、漏、喷及井壁垮塌等复杂问题进一步加剧，甚至导致钻井作业无法正常进行；面临这种复杂的地层，采用常规钻井装置和方法很难满足当前钻井作业需要。
因此，在今后的油气勘探中，如何在诸类储层钻进将成为国内外各大油气田增产上储的主要手段。
然而，充气控压钻井—MPD作为一种新的钻井技术，使用稍高于地层压力梯度的钻井液，地面通过混合器向钻井液上水管线中适当充气，利用欠平衡设备和技术，能够方便快速调节环空钻井液当量循环密度，使井底压力保持在一定范围之内，降低或避免上述钻井问题，减少非生产作业时间。
但钻井过程中，钻井液排量、注气量及井口回压等工程参数与地层压力及环空安全携岩尤为重要；文中重点考虑地层产出气与注入气在环空形成的气液两相流，利用水力学的严格推理与计算，保证了井筒环空井口的安全携岩且精确控制井底压力，对进一步深化和完善充气控压钻井的理论研究及现场应用具有重要的现实意义。
欠平衡钻井技术
欠平衡钻井技术
欠平衡钻井技术（Underbalanced drilling，简称UBD）是一种在井口维持地层压力低于井口压力的钻井方法。
该方法主要是通过减小钻井液密度或增加气体（氮气、天然气或压缩空气）注入到井内，以降低井底压力，使钻井过程中地层压井的现象得到控制。
欠平衡钻井技术的主要优势在于可以减少地层崩塌、井击、井喷等危险情况的发生，并且可以提高钻井速度和孔隙渗透率，从而减少钻井成本。
与常规钻井技术相比，欠平衡钻井技术可以更好地保持储层中的原始压力和流体性质，从而更好地评估储层的产能。
欠平衡钻井技术的应用范围广泛，适用于不同类型的油气井，包括深水井、高温高压井、气井、油藏难以气窜的井等。
在深水井中，欠平衡钻井技术可以减少水合物的形成并提高钻井速度。
在高温高压井中，欠平衡钻井技术可以减少井口附近的孔隙压力差，降低井喷和井击的风险。
欠平衡钻井技术的关键是控制井底压力和钻井液流量。
为了确保井底压力低于井口压力，需要通过控制钻头旋转速度、注入气体的流量和钻井液的密度来实现。
通常会使用特殊的测量设备和控制系统来监测井底压力和流量，以确保钻井过程的安全和有效。
但是欠平衡钻井技术也存在一些挑战和风险。
一方面，由于井底压力低于井口压力，有可能导致井喷和井击的发生。
由于钻井液密度较低，可能会导致钻井液中的固体颗粒无法有效地将井底产能传递到井口。
在实施欠平衡钻井技术时，需要对目标油气井的地层进行详细的分析和评估，选择合适的钻井液和气体注入方案，并严格控制钻井液和气体的流量和压力，以确保钻井过程的安全和顺利。
欠平衡钻井
增压机 雾泵 氮气进入立管
环流空气进入
Weatherford生产的制氮增压系统
组成：由空气压缩机、冷却、清洁系统、增 压器和控制系统组成 特点：一台柴油机驱动空压机和增压器 结构紧凑，放在9m×5m的撬座，运输方便
美国Weatherford 公司制氮及增压系统
•雾化装置
功用：在泡沫、雾化 钻井过程中注入液体， 并与气体混合形成雾 化液或泡沫 钢板 组成：由注液泵、雾 或钢 丝网 化器、管汇组成 注液泵：根据注液量 实际要求选择压力和 排量，目前用水泥车 作为注液泵 泡沫发生器：
(三) 钻井液与完井液
1、欠平衡钻井液完井液的分类: 1) 常规钻井液体系： 2) 气体类:空气、天然气、氮气、废气 3) 雾化液：空气、氮气、天然气雾化液 4) 泡沫体系：空气、氮气泡沫 5) 充气钻井液体系： 6) 无固相钻井液体系：淡水、盐水等 7) 含轻质固相添加剂的体系：
美国Shaffer公司 PCWD旋转防喷器
1. 静压:35MPa 动压：21MPa
2. 封零：17.5MPa 3. 最大转速：
100rpm 21MPa
200rpm 14MPa
目前世界上压力等级 最高的旋转防喷器。
旋转防喷器
动力站
（二）节流控制系统及分离系统
1、节流控制系统 功用：基本与常规钻井节流系统相同， 控制从井口返出流体的压力及流量大小， 从而控制井底欠压值。 系统组成：节流管汇、液压控制系统 2、分离系统
Psp
Pud
Pdp
Pbp
Par Pp
Pm Pbj
（2）调整钻井液密度控制欠压值 方法：调整井口回压控制立管压力值 立压与泥浆密度的关系： Psp1/Psp2=ρm1 / ρm2 1—初始值 2---调整后的值 （3）调整注气量和注液量控制欠压值 使用专门的软件模拟计算
浅析欠平衡钻井技术原理及工艺
浅析欠平衡钻井技术原理及工艺摘要：欠平衡钻井的是指在钻井过程中钻井液循环体系的井底压力低于地层孔隙压力，使产层流体有控制的计入井筒并将其循环到地面的钻井技术。
本文主要是从欠平衡钻井的原理出发，讨论工艺参数的设定以及钻井液的选择依据。
关键词：欠平衡钻井工艺欠平衡钻井液利用可靠的装备在万千能控制的情况下，合理的确定钻井液液柱压力与地层孔隙压力的负压差值，引导地层流体进入井筒，形成溢流或井喷，在溢流或者井喷状态下钻进时，控制进口钻井钻井液保持稳定，将出口的钻井液与地层流体的混合物通过地面管汇引到距井口较远的体外除气加重装置里，除去95%以上的气体，需要时可加重到所需要的钻井液密度，然后返回到钻井液循环罐中，如此反复。
一、欠平衡压力钻井工艺技术原理1.储层伤害较小的基本原理根据力的平衡原理，当地层孔隙压力大于井筒液柱压力（动态、静态）压力时，地层孔隙流体就会侵入井筒，引起溢流和井喷，而井筒钻井液滤液及固相就不能入侵地层，外界的液体和固相不能对地层产生伤害，即基本保持储层性质的原始面貌，这就是储层伤害较小的基本机理。
2.负压差值的选择负压差值的确定对欠平衡压力钻井技术能否成功地实施起着重要的作用。
欠平衡压力钻井和其他技术一样，工艺技术是核心。
而欠平衡钻井工艺的核心就是井底压力的研究和控制，其中井底负压值的大小直接影响到地层流体进入井筒内量的多少，关系到能否安全快速钻进。
井底负压值的控制是欠平衡钻井成功的关键。
负压值太大，有可能超过井控装备的承压能力，造成井喷失控事故，对稳定井壁也不利。
另外速敏的影响也会对储集层产生新的伤害，负压值太小，有可能起不到对储集层伤害小的作用。
二、欠平衡钻井中井内压力情况三、影响欠平衡钻井的压力1.钻井液静液柱压力（pm）钻井液静液柱压力与钻井液密度有关；该压力直接作用在地层上，直接影响欠压值的大小。
但在地层流体进入环空后，由于环空为多相流体，环空的钻井液静液柱压力很难求出。
2.环空压耗（pa）环空压耗是由于钻井液的流动而产生的，与钻井液性能和钻井参数有很大的关系。
欠平衡钻井需要控制井底压力
欠平衡钻井需要控制井底压力罗 超 译 王方飞 审校(中国石油物资装备总公司装备处) (石油勘探开发科学研究院机械所)摘 要 描述欠平衡钻井时井筒内的动态环境。
在欠平衡钻井过程中,影响井底压力的主要因素包括:非线性两相流系统、钻柱连接、钻井和起下钻操作、液柱的不均一性、设备故障、最初瞬时产液量。
讨论钻杆连接、环空注气、起下钻、随钻测斜、设备故障、地层压力下降等方面对井底压力的影响。
主题词 负压 钻井 压力波动 压力控制欠平衡钻井时,控制井底压力可以减轻对地层的侵害,避免循环液漏失和减少压差卡钻。
欠平衡钻井最基本的方法是注气,这可降低钻井液密度,使井底压力小于地层压力。
当井底压力小于地层压力时,地层内的产出液可以流入井筒。
注气可以通过钻杆柱注入井内或通过附加管柱(套管、油管)注入环形空间。
欠平衡钻井必须设计在整个钻井、完井过程中保持欠平衡条件。
若不能保持欠平衡条件,可引起井壁失稳。
本文是这个系列的第一部分,描述欠平衡钻井时井筒内的动态环境。
第二部分是使用欠平衡钻井模拟装置优化井底液柱压力。
图 欠平衡钻井系统压 力 波 动如果其它条件保持不变,压力波动是影响井底状态最重要的一个因素。
若井内钻井液流动状态保持稳定,没有钻杆上下运动,影响井底压力的因素包括:井筒几何尺寸;钻井液及注入气体类型;钻井液泵入速度及气体注入速度;地表控制程序;注气方法;油层产出速度。
井底压力应保持在一定的范围,不应对注气、钻井液流量、油层压力下降过于敏感。
必须避免过高的井131998年4月国 外 石 油 机 械1口压力及过平衡状态。
然而,钻柱运动、周期性和不连续的钻井液泵入速度、起下钻、接钻杆等操作要中断正常的液流流动状态(见图1),在井内产生压力波动。
现 场 实 例巴西Parana 盆地1-FR-1-SC 井的压力数据表明了欠平衡钻井时形成的动态环境,该直井采用常规钻机配用连接钻柱钻井。
图2 注气速度图3 当量泥浆密度图2是860～884m 井段的气体和钻井液注入速度,图3是图2相同井段及时间内的当量钻井液密度。
欠平衡钻井井底压差的分析及确定
⽋平衡钻井井底压差的分析及确定2019-02-07【摘 要】以⽋平衡钻井系统中的压⼒分布特性为基础，建⽴了⽋平衡钻井井控技术的理论模型。
研究了⽋平衡钻井过程中的⽋平衡钻井压差确定、井筒内压⼒分布计算和实现井底压⼒不变的⽅法。
【关键词】⽋平衡钻井井控压⼒分布Abstract: Based on the feature of pressure distribution in the Under Balanced Drilling system, a well control theory model is presented in this paper, and comparing to the conventional well control, the work of pressure of difference of Under Balanced Drilling and the calculation of pressure distribution in the wellbore is studied in detail when studying Under Balanced Drilling, furthermore, a method of holding up constant pressure in wellbore is studied in this paper.Key words: Under Balanced Drilling；Well control；Pressure distribution.在钻井过程中钻井液柱压⼒低于地层压⼒，使产层流体有控制地进⼊井筒并将其循环到地⾯，这⼀钻井技术称⽋平衡钻井。
⽋平衡钻井技术是在勘探开发难度⽇益增加，国际⽯油市场激烈竞争的条件下应运⽽⽣的，是90年代初国际上再次兴起的钻井新技术。
应⽤该技术解决了许多困难和复杂的勘探开发问题,提⾼了产量、降低了成本，尽快掌握和发展⽋平衡钻井技术是更好地发现和保护油⽓藏的重要战略措施。
欠平衡介绍
● 设备与工具的研制。多种型号的旋转头与旋转 防喷器，如：Williams， Grant和国产旋转头 的开发，基本能满足欠平衡钻井的需要。地面 处理设备，如：气，液；油，气，水，岩屑分 离器的研究取得了令人满意的成绩，加拿大的 四相分离器已在现场投入使用，国内也正在积 极开展这方面的研究工作。不同井口装置方案 能应付复杂的井下情况。此外，还开发了欠平 衡钻井过程中注入惰性气体的产生设备
分类 气体钻井 雾化钻井 充气泥浆钻井 泡沫钻井 玻璃微珠、塑料微珠钻井 钻井流体
密度g/cm3 0.001～0.01 0.01～0.03
0.45～0.9 0.032～0.064
﹥0.7 按地层压力梯度设计
3.气体钻井
利用干气（如空气、天然气、氮气、烟道气等） 作为循环介质的UBD钻井方式。 由于气体密度小，气体钻井中井内筒静水液柱压 力大大低于常规钻井流体静水液柱压力，因而极 易在井底形成欠压差值，这样不但能有效防止液 相和固相进入储集层，保护储集层，而且能极大 提高钻速。实践表明气体钻井比常规钻井液钻井 提高钻速3～4倍以上。
● 目前石油工业上游领域的重点放在中、小型油田， 复杂地质条件和恶劣地理条件下的油田，非常规 油气资源的勘探开发上，以及中、后期油田的改 造，挖潜上。这造成勘探开发难度增大，成本大 幅方式增加。
● 另外低成本的OPEC石油与中高成本的NO-OPEC石 油在获利方面有巨大差异，导致石油价格体系失 调，世界性的低油价格石油工业上游领域的发展 带来极大不利。由于中东原油产量远远不满足世 界石油市场的需求，必然有相当一部分中价非中 东原油进入世界市场参与竞争。能否参与竞争， 关键在于降低石油开发成本。
“雾”——指非乳化液相的体积分数小于 2.5%，它将以非连续液滴的形式存在于连续气相 中，这种低液相体积分数的钻井流体称为雾。
欠平衡钻井过程中的风险分析及对策研
欠平衡钻井过程中的风险分析及对策研究学生姓名：***专业班级：安全工程06-2班指导教师：***2010年6月20 日欠平衡钻井过程中的风险分析及对策研究摘要欠平衡钻井技术是90年代在国际上迅速发展起来的一项钻井新技术。
在美国，欠平衡钻井技术被称为上游石油工业新技术，已经成为钻井技术的发展热点。
然而，由于其技术及原理的特殊性，导致井喷事故时有发生。
因此，全面探究欠平衡钻井井喷的原因，制定相应的安全改进措施，也是这项技术的重要组成部分。
针对上述情况，本文以事故树的方式对欠平衡钻井过程中的井喷事故进行了安全系统分析，主要的工作如下：1.收集资料编辑事故树，通过查找文献数据，对井喷的原因进行总结分类，根据因果关系，利用FAULT TREE 编辑以“井喷”为顶事件的事故树。
2.对事故树进行了定性定量分析；找出了井喷事故发生与各基本事件之间的联系；对其中最主要的因素进行了结构重要度计算。
3.针对事故树分析的结果，对欠平衡钻井过程中的关键技术、操作、管理等环节提出了相应的改进措施。
关键词：欠平衡钻井技术；事故树；安全ABSTRACTUnderbalanced drilling technology is a rapid development of new drilling technology in the world in the 1990s. In the United States, underbalanced drilling technology called upstream oil industry has become the new technology, the development of drilling technology. However, due to the particularity of its technology and principle, cause blowout accidents occur frequently. Therefore, exploring underbalanced drilling blowout reasons, formulate corresponding measures to improve the security of this technology, but also the important component.In view of the above situation, based on fault tree of underbalanced drilling process of the safety accidents at the main job of system analysis, are as follows:1. Data collected by accident TREE edit, search blowout of the literature data, summarize the reason, according to the classification of FAULT TREE, using the causal relationship with "edit" for the event of blowout of accident TREE.2. The accident tree analysis of the qualitative and quantitative analysis, Find a blowout accidents and the relationship between the basic event, One of the main factors of the structure importance.3. In the accident tree analysis results of underbalance pressure drilling process, the key technology, operation, management, puts forward the corresponding improvement measure.Keywords: Underbalanced drilling technology; Fault tree; Safety analysi目录第1章前言 (1)1.1引言 (1)1.2欠平衡钻井技术简介 (1)1.2.1 欠平衡钻井的定义 (1)1.2.2 欠平衡钻井的产生 (2)1.2.3 欠平衡钻井分类 (3)1.2.4欠平衡钻井技术的优缺点 (4)1.3欠平衡钻井技术现状及发展 (9)1.3.1.国外主要钻井技术发展应用情况 (9)1.3.2中国主要钻井技术发展应用情况 (9)第2章欠平衡钻井主要风险及原因分析 (11)2.1井喷事故后果介绍 (11)2.2欠平衡钻井井喷事故原因分析 (11)2.2.1 钻井液的选择失当 (11)2.2.2 钻井操作失当 (13)2.2.3 固井操作失当 (16)2.2.4 未及时检测到井涌 (17)2.2.5 检测到井涌但控制措施不适当 (17)2.3事件的综合影响及门的选择 (18)第3章事故树定性分析 (20)3.1建树过程 (20)3.2事故树定性分析 (32)3.2.1 最小割集 (32)3.2.2 最小径集 (36)3.2.3 定性分析的意义 (40)第4章事故树定量分析 (41)4.1理论模型 (41)4.2等效事故树 (42)4.3事故树定量计算 (44)第5章风险控制改进措施 (46)5.1风险控制必要性 (46)5.2关键技术的控制 (46)5.2.1 做好欠平衡钻井地质选井工作 (46)5.2.2 合理确定欠平衡欠压值 (46)5.2.3 相对稳定的井口回压控制技术 (47)5.2.4 做好欠平衡完井技术 (47)5.3改进措施 (48)5.3.1 严格贯彻候选井选择方案 (48)5.3.2 做好欠平衡钻井计划 (48)5.3.3 做好欠平衡钻井井控工作 (48)5.3.4 加强钻井队的欠平衡钻井培训 (49)5.3.5 做好钻井液的设计工作 (49)第6章总结与展望 (50)6.1总结 (50)6.2展望 (51)致谢 (52)参考文献 (53)第1章前言1.1引言从石油工业发展的趋势来看，常规的钻井方式已经不能满足现代钻井的需要，欠平衡钻井技术已成为钻井技术发展的热点。
充气钻井井底压力影响因素分析
近的下部微分井段进行同样的计算, 这样至上而下迭代 计算出的液柱压力和环空摩阻的和就是该微分井段对 应井深处的压力。该过程循环往复, 直到计算深度为井 眼深度, 整个计算过程结束。最后一个微分井段计算所 得的压力就是井底压力。
dp 2f m v m ) fr = dz D 段塞流: v sg = c0vm + v r 1. 18
参考文献 : [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] 曾义金 , 樊洪 海 . 空气 和气体 钻井 手册 [ M ] . 北 京 : 中 国石 化出版社 , 2006. 周英操 , 翟洪 军 . 欠平 衡钻井 技术 与应 用 [ M ] . 北京 : 石油 工业出版社 , 2003. 刘永贵、 宋广 顺 . 深 井欠 平衡 环空岩 屑对 井底压 力影 响的 研究 [ J] . 天然气工业 , 2005. 周开吉 . 欠平 衡 钻井 多 相流 循 环系 统 分 析 [ J] . 天 然气 工 业 , 1998. 施连群 , 赵 德云 . 充气 钻井 提高钻 井速 度试 验研究 [ J] . 西 部探矿工程 , 2008.
v sg < 0 . 429 v sl + 0. 357v t
收稿日期 : 2009 04 07 第一作者简介 : 李勇 ( 1981 ) , 男 , 助理工程师 , 现主要从事钻井技术的研究和应用工作。
2010 年第 7 期
西部探矿工程
57
中, 主要是泡状流和段塞流, 过度流和环状流只有在注 气量很大或者井喷时才会出现。 泡状流: = ( v sg c 0 v m+ v t
4
k D2h
Q c c+ Q l l Qc + Ql 式中 : Qc 、 Ql 钻屑体积流量、 液相体积流量; =
欠平衡钻井井底压力控制技术
压值范 围较 大时 ， 模 型与实 际偏差 较小 ， 该 能保 持井
底压力 稳定 ， 实现 负 压 控制 ， 是 对 于 深层 气 探 井 ， 但 计算存 在一定 误差 ， 深越深 ， 差 就越 大 。因此考 井 误 虑设计 了一种 低成 本 、 济实 用 的测 量 工 具 ¨ Ｊ可 经 卫， 以测量 近钻 头井底 压 力 并 加 以存 储 ， 钻 后 进行 回 起
欠 平衡 钻 井 井底 压 力控 制技 术
周英操 刘永贵 鹿志文
（． １ 大庆石油管理局 ， 黑龙江大庆 １３ １ ２ ６４ ３； 大庆石油管理局钻探 集团钻 井工程技术研究院， 黑龙 江大庆 １３ １ ） ６４ ３
摘要 ： 在欠平衡钻 井过程 中， 井底压 力控制技 术是 其关键技 术之一 ， 为准确掌握井底压 力的大小， 高井底 负 提
压控制精度 ， 开展 了３项关键技 术研 究。首先利 用在钻 井过程 中随钻 测量起钻后 地面 回放 的方 法， 自行研 制开发
出能够抗 １０Ｃ高温 、 ８￣ 具有抗震功能的测量仪器 ； 次， 原有模型基础 上 ， 用实测数据进 行分析 ， 其 在 利 考虑 固相和 多
相流加速度压降的影响 ， 制开发 了流钻欠平衡钻 井环 空多相 流 井底 压力的计 算模型 ， 研 并推导 出机械钻速 影响 井 底压力增量的计 算公 式； 最后 ， 为验证模型精度 ， 开发 了钻 井监测 与分析计 算软件 ， 软件计 算结果与 实测数据 对比 ， 误差小于 ３ ％。研 究表 明 ， ３项技 术可提 高井底压 力计 算和控制精度 ， 为欠平衡钻井设计计 算与精确控制提供 了理
度 ， 欠平衡 钻 井设计施 工提 供依据 。 为
充气欠平衡钻井钻井的分类及优缺点
充气欠平衡钻井钻井的分类及优缺点[4]用于充气钻井作业的钻柱和井身结构有几套。
按气体注入方式，一般可分为两种：钻杆注入和环空注入。
（1）钻杆注入图5时钻杆注入充气钻井结构示意图。
在此结构里，不可压缩流体和压缩气体一起注入钻杆的顶端，这两种流体沿钻杆内而下，在通过钻头喷嘴时就会混合在一起。
当混合流体流入井底环空时，岩屑（来自钻头钻进）混入，最后，混合流由环空返回地面，混合流从环空出来，进入一根水平管线，此水平管线通向常规的敞口式泥浆罐。
当返回的气体中含有污染的流体、气体或烃时，就选用密封的回流罐。
图5钻杆注入充气钻井示意图为了使钻柱内的混合液流到钻头，做法是，在钻铤上安装一个喷射接头，使两相流动过钻铤之前，大部分压缩气体可从钻柱内直接流入到环空。
图2是装有喷射接头的钻柱注入充气钻井结构示意图。
喷射钻头钻柱注入技术，通常用于深井充气钻井作业中，因为，在深井底部，通常用小直径钻头和相应的小直径钻铤来钻井。
就像气泡能提供对付漏失层的抑制性机理一样，当充气液流经小内径的钻铤出口时，充气液中泡沫的表面张力会产生很高的管内摩阻。
增加的这个流动阻力，无法用均质流体试验中得到的常规摩擦系数来模拟。
因此，为了减少循环泵压，把喷射接头安装在钻铤以上的钻杆段中。
通常，喷射钻头安装在钻杆和钻铤结合处之前，喷射钻头水眼的尺寸要足以使压缩气体排入到环空中。
当用充气钻柱注入技术钻穿漏失层时，不可压缩钻井液以恒定的体积流量循环通过钻柱顶端。
不可压缩钻井液的实际流量，就是能充分清洁井底环空并携带岩屑的流量。
注入可压缩气体的体积流量，是在现场经过试算确定的。
气体体积流量逐渐增加直至钻井液漏失量减少或消除。
欠平衡钻井作业要求，在钻头钻进和井加深的过程中，保持一个恒定的境地压力。
为达到这一目标，需要钻井液以恒定体积流量注入钻柱内部。
不可压缩钻井液的实际体积流量，就是能充分清洁井底环空并携带岩屑的流量。
为了维持基本恒定的井底环空压力，注入压缩气体的体积流量，必须随井深的增加而增加。
欠平衡钻井(UBD)技术
其次，世界目前石油市场价格体系的失调，低成本的 OPEC石油与高成本的非OPEC石油在获利方面有巨大差别， 这种现象导致了油价体系的失调，世界性的低油价给石油工 业上游领域的发展带来了极大不利。但由于中东原油产量还 远不能满足整个世界市场的需求，从而必然有相当一部分非 中东原油进入世界市场参与竞争。而能否进入世界石油市场 参与竞争，其关键因素就是石油的生产成本。因此，降低石 油开发成本就是目前石油工业上游领域的重要任务之一。
首先，目前世界石油工业面临着严峻的形势，主要体 现在两个方面：一是远景性的石油资源严重匮乏，勘探开 发难度日益增大，新探明储量的增加速度远远小于可动用 储量的减少速度。从世界范围的勘探形势来看，发现巨型 大型油田的可能性越来越小，作为目前工业能源的石油已 明显不能保证未来几十年后工业发展的需要，但能够替代 石油作为今后工业主要能源的新能源仍然未能发现，所以 人们仍将能源发展的重点放在勘探开发更多的石油和天然 气上。而目前石油上游领域的重点则放在中、小型油田、 复杂地质条件和地表条件下的油田、非常规油气资源的勘 探开发上，以及中、后期油田的改造和挖潜上，这种形势 和任务必然导致勘探开发的难度日益增大，成本日益增加。
从世界范围的勘探形势来看发现巨型大型油田的可能性越来越小作为目前工业能源的石油已明显不能保证未来几十年后工业发展的需要但能够替代石油作为今后工业主要能源的新能源仍然未能发现所以人们仍将能源发展的重点放在勘探开发更多的石油和天然气上
摘要：有意图的降低钻井液的密度来促使井内静液压力低 于地层空隙压力，从而允许产层的流体在钻井过程中能得 到开采。一次成功的欠平衡钻井作业可以被定义为有效控 制住井眼和地层。传统意义上的钻井泥浆比重用于过平衡 的地层空隙压力，因此提供首要的安全屏障就是井底压力。 欠平衡钻井就是用流体来保持有效地井内静液压力略小于 地层空隙压力的影响。欠平衡所有的泥浆可能是传统的钻 井液，水，油，充气系统（充气泥浆或是泡沫）或是纯空 气或是雾气。“空气”或是充气系统可能会利用空气，天 然气，氮气，或是富含天然气。广义上说，欠平衡钻井被 采用时因为以下三个原因：1.提高钻井速度2.有限减少漏 失3.保护储层。这三条的任何一条还都有其他另外的许多 分支。无论怎样，如果欠平衡钻井不能减少钻井的成本或 是不能提高产能，它将不再有广泛采用的价值了。因此， 其最终的目的是开发产层来降低成本。
欠平衡压力钻井井底压力控制技术探讨
欠平衡压力钻井井底压力控制技术探讨由于钻井技术的不断的革新，钻井的深度也是越来越深，因此井底的压力控制成为一大难题。
本文主要通过对欠平衡压力钻井中井底压力如何控制进行具体的分析，从而可以找到有效控制的方法，为今后相同类型的压力钻井平台提供借鉴。
标签：欠平衡压力钻井;井底压力;控制技术引言：近年来，井喷井爆事故频繁出现，归根结底还是井内压力控制不当造成的。
对于欠平衡压力钻井来说，保持钻井过程中的欠平衡状态是欠平衡压力钻井能够实现的前提条件。
但是如果在钻井的过程中出现井底压力控制不当，就会造成过压或者漏压状态，就会打破原有的欠平衡状态，欠平衡压力钻井就无法实现，长此以往就会严重影响整体的地质勘探以及钻井工作的进行，甚至会发生一些不可预知的危险。
对于如何控制欠平衡压力钻井井底压力，国内外的研究学者进行了很多的理论研究，比如在压力控制方面，已经研究出FWD技术来对欠平衡压力钻井井底压力进行测量，并且取得了良好的效果，但是在国内，由于钻井的成本较高，很多企业并没有足够的预算来引进这项技术，因此追求经济上的效益，导致这项技术现阶段还不能有效的推广。
因此需要对现有的欠平衡压力钻井井底压力控制技术方法做一个具体的探讨，找到能够完整支持整个过程的技术，并且在成本允许的范围内，提高总体的效率。
1.欠平衡压力钻井引起井底压力波动的因素分析1.1泵排量不变，泵压下降引起压力波动这种情况发生是有一个前提条件的，在初次钻井时有时候会遇到油气层，导致油气层会形成一系列的油气柱，由于油气柱的气压是低于外界的气压的，会导致油气柱上升这样会带来一个问题会造成液柱的压力下降，这样会导致泵压的下降，总的井底的压力就会出现一个较为明显的波动，因此对于工程上来说比较难以监测井底压力的变化，很容易发生一些危险。
1.2钻柱的连接导致井底压力的变化钻井设备在连接的过程中，需要往钻柱中注入气体，在这个过程中气相和液相的循环会中断，并且在很多情况下由于往钻柱中注入了气体导致钻柱中的气压与井底的压力以及外界的压力出现一个差值，这个差值就会导致产生一定的压差，产生压力的波动现象。
欠平衡压力钻井技术研究报告2
首次选用胜利钻井研究院提供的氮气泡沫欠平衡钻井
四、充气钻井
利用特殊设备，再给井眼泵入钻井液的 同时，对钻井液进行充气，使充气后的钻 井液当量密度小于1.0g/cm3，并根据需要 使井底压力小于或等于底层压力。
采用充气钻井时，钻井液液相必须具有 较低的切力，易充气，易脱气，使气泡均 匀稳定，气液不分层。地面有脱气设备。 适用于易出水底层。
自20世纪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。到2006前后，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。
欠平衡钻井发展史
欠平衡钻井是20世纪90年代在国际上成 熟并迅速发展的一项钻井的新技术。在美 国，欠平衡钻井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。
为此，密度低于 1.0g/cm3的钻井液与 相应钻井技术得以发展与应用。对于裂缝 发育的高压底层，如果采用过平衡压力钻 井，则会出现严重的漏失，有时因此无法 钻达目的层。为此，常采用欠平衡压力钻 井。对于水平井，为保护油层也多采用欠 平衡压力钻井。
2、所钻地层不出水，无浅层天然气，无膏 盐层。
优点：
1.显著提高机械钻速，缩短钻井周期。
2.井底清洗及冷却条件好，延长了钻头的 使用寿命，节省了钻头用量。
3.使用空气锤钻头,钻压小,转速低,扭矩小， 防斜效果更加良好。
欠平衡钻井地层出气量对环空压力影响分析
时， 地层 气体会 在 重 力 置换 作 用 和 压 差 作用 下 进 入
Ｐ ＝ｐ ｇ ＋ ＋Ｐ （ １ ）
井筒， 在 环 空 中与 钻 井 液 一 起 形 成 气 液 两 相 流 动 。 环 空 中不 同深 度 压 力 不 同 ， 流 动形 态 也 不 同 。依 据 流 动机 理预测 气 液 两相 流 的流 型 ， 垂 直 管 中气 液 两 相 流动 可 以分 为 四种 流 态 ： 泡状 流 、 段塞流 、 搅 动 流 （ 过渡 流 ） 和环雾 流 。 。 。
２ ０ １ ３ 年 ４月 ２ ８日收到
国家科技重大专项
课题 （ ２ Ｏ ｌ １ Ｚ Ｘ ０ ５ ０ ２ ２ － ０ ０ ５ ） 资助
第一作者简介 ： 唐
斌（ １ ９ ８ ７ 一） ， 男， 四川成 都人 ， 西南石 油大学 油
气井工程硕 士研究 生。研究 方向 ： 气 体钻 井 ， 欠平衡 钻 井。Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ：
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２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
欠平衡钻井地层 出气量对环空压 力影 响分析
唐 斌 孟英峰 李 皋 张 婷 文春 宇 陈 佳
（ 油气藏地质及开发工程 国家重点实验室 ， 研究生院 ， 西南石油大学成都 ６ １ ０ ５ ０ ０ ）
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２ ． １ 环空气液两相流不 同流型之 间的转换准则 欠平衡钻进 时 ， 不 同的产气量 ， 不 同的井 深流
科
学
技
术
与
工
程
ｌ ３卷
态有所 不 同 ， 流动参数计算方法 也不 同， 因 此 流 态 判断是 气 液 两 相 流 计 算 中 关 键 。不 同流 型 之 间 的
气体钻井井底压力影响因素分析
气体钻井井底压力影响因素分析闫铁;陈勋;毕雪亮;孙士慧【摘要】Bottom-hole pressure control is the core of gas drilling technology. Based on model Cuo, differential iterative method is used to acquire downhole pressure. The algorithm was realized through program, the influence factors, such as gas injection rate, back pressure, depth, rate of penetration(ROP), and wellhole enlargement, were analyzed. The results show that, with the gas injection rate, back pressure, depth, ROP increases, the annular bottom-hole pressure gradually increasing; with the wellhole enlargement increases, the annular bottom-hole pressure gradually decreaseing. The result can be used to provide foundation for the optimization design and the well control theory in gas drilling.%井底压力控制是气体欠平衡钻井技术的核心,该文在Guo模型的基础上,采用微分迭代的方法求解井底压力.考虑气体注入速率、井口回压、井深、机械钻速和井径扩大率对井底压力的影响,并利用编制的计算程序进行模拟.模拟结果表明,随着气体注入速率、井口回压、井深、机械钻速的增大,环空井底压力逐渐升高;随着井径扩大率的增大,环空井底压力逐渐降低.计算为气体钻井设计和井控理论研究提供了一定的依据.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(000)025【总页数】4页(P6045-6048)【关键词】气体钻井;井底压力;井口回压;井径扩大【作者】闫铁;陈勋;毕雪亮;孙士慧【作者单位】东北石油大学提高油气采收率教育都重点实验室,大庆163318;东北石油大学提高油气采收率教育都重点实验室,大庆163318;东北石油大学提高油气采收率教育都重点实验室,大庆163318;东北石油大学提高油气采收率教育都重点实验室,大庆163318【正文语种】中文【中图分类】TE242.6由于气体钻井具有提高机械速、保护油气层、减少井的漏失、延长钻头寿命、井眼清洁、利于环保、防斜打快、降低成本等优势得到广泛应用［1—3］。
欠平衡钻井MWD信号的下降缘故及应对措施探讨
欠平衡钻井MWD信号的下降缘故及应对措施探讨欠平衡钻井技术一种提高勘探开发效益的钻井新技术，在油、气、田勘探开发方面进行了技术钻研和现场试验，并取得了显著效益。
在充气欠平衡钻进中，随钻测量设备MWD在井下发射的钻井液脉冲在传播过程中衰减的程度很大，使得地面检测设备难以对井眼轨迹进行检测和控制。
通过分析排除影响压力波信号传输的因素，可以通过模拟建立充气欠平衡钻井MWD信号传输模型，提出解决方案并进行现场试验。
实验结果证实：改变注气方式将气液充分混合后对信号传输有一定的改进作用，可以提升MWD的有效测量距离；地面传感器的安装位置对信号接收不会造成影响。
标签：充气欠平衡钻井；MWD；解决方法EM-MWD技术主要用于油田、气田等勘探同时的井下数据传输，该技术载体为电磁波，传统技术会因为井下地质条件复杂、倾斜角过多、介质类型复杂以及钻井方式的不同而导致数据传输受到影响，对工作效率有明显的负作用。
而EM-MWD技术能够确保在钻井同时，以钻杆、井壁等载体作为信号传输通道无限制辐射，信号传输效果极佳。
该技术对钻井液没有较高要求，且信号优劣与钻井液的含气量没有相关性，泥浆属性也不会对其造成影响，因此，该技术能够有效应用于欠平衡钻井工程，发展前景明朗。
1 分析充气欠平衡钻井信号衰减因素一般而言，气体具备可压缩性，因此在充气时，两相界面间有大量且高频率的动量交换现象，该问题也是目前欠平衡钻井出现的首要技术难题[1]。
MWD信号于井下发射，但随着信号的反弹、传递，到达地面之后，很难检测到较为强烈的信号源，因此可知，衰减明显，同时，传统的钻井液脉冲测量工具也无法在此类条件下使用，大部分工程会选用电磁波工具，然而该技术的信号测量范围有限，无法精确处理深度较大的单位，且技术复杂、所需成本过高。
针对上述问题，本文研究在常规情况下的充气使用问题，建立充气欠平衡钻，钻柱充气后，内部持气率有所提升，那么钻井液的脉冲发射速度会相应降低，相对应的衰减系数前期递增，后期会有所递减。