欠平衡钻井技术介绍

• 点火装置
• 旋转头
• 防回火装置（液体、充气）
• 液动阀
• 撇油系统（液体、充气）
• 节流监控系统（液体、充气） • 硫化氢检测系统
• 分离系统（液体、充气）
• 防爆系统
• 空压机、增压器（气相钻井） • 流量检测系统
• 制氮装置（气相钻井）
• 强行起下钻装置
大港欠平衡
欠平衡钻井井口装置分级
大港欠平衡
储层改造费用；
2、提高钻速，提高钻头寿命；
3、杜绝或减少井漏、压差卡钻等井下复杂；
4、对产层进行随钻测试；
6、能够避免井喷；
7、缩短勘探周期，提高勘探效率。
大港欠平衡
欠平衡钻井安全记录
• IADC/SPE 论文 #39354 “1960-1996年Gulf Coast 800 口井井喷排列的顺序”；
大港欠平衡
采用气相欠平衡钻井技术时，为防 止在接单根时气液倒返，还要在钻进中 每几个单根中加接一只回压凡尔（常闭 式）。例如：钻头＋回压凡尔＋钻铤＋ 投入式止回阀＋18°斜坡接头钻杆若干 ＋回压凡尔＋18°斜坡接头钻杆若干＋ 回压凡尔……＋下旋塞＋六方钻杆＋上 旋塞。
大港欠平衡
九.钻井液与完井液
●开发上：通过有效地保护储层，提高单井产 量，降低开发综合成本
●工程上：解决低压地层漏失问题，提高机械 钻速、减少压差卡钻
大港欠平衡
欠平衡钻井大发展
克服钻井困难、提高经济效益
勘探开发（提高勘探精度和终采率等）
比例
30% 85%
70%
15%
90年
年代
大港欠平衡
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，就叫做欠平衡钻井。
适用范围为0.7-1.0g/cm3，是应用广
列 泛的一种欠平衡钻井方法。气体体积低
于混合物体积的55% 。
5.液体欠平衡钻井
大港欠平衡
⑴油包水或水包油钻井液钻井 。密度适用范围为0.8-
欠 1.02 g/cm3； 平 ⑵水或卤水钻井液钻井。密度适用范围1-1.30 g/cm3； 衡 ⑶常规钻井液钻井。密度适用范围大于1.10 g/cm3； 钻 井 ⑷采用密度减轻剂钻井液钻井技术，密度适用范围大于 系 0.9 g/cm3。 列 6.泥浆帽钻井(Mudcap Drilling)。国外称之为浮
大港欠平衡
确定欠平衡钻井液密度
当欠压值确定后，可由公式Pu ＝ Pp －( Pm ＋ Par + Pbp) 反推出欠平衡钻井液密度：
mup
aru 9.8
×
103
式中：ρmu——欠平衡钻井液密度，g/cm3。
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欠压值的控制
•通过控制井口回压的方法实现 对欠压值的控制；
•通过调整钻井液密度的方法实 现对欠压值的控制 ；
大港欠平衡
欠平衡钻井技术是什么?
• 对于油气勘探来说它是一种油气层识 别技术;
• 对于油气开发来说它是一种油气层保 护技术;
• 对于钻井工程来说它是二次井控技术、 保护油气层钻井技术、防漏技术和提 高机械钻速的方法。
大港欠平衡
欠平衡钻完井技术的应用拓宽了勘探领域， 提高了勘探开发效果
●勘探上：提高低压、复杂岩性、水敏性、 裂缝性等类储层油气发现和保护
• 常规钻井流体体系； • 气体类； • 雾化液； • 泡沫； • 充气钻井液； • 无固相钻井液； • 含轻质固相添加剂的钻井液。
大港欠平衡
1.合理的井口回压设计 2.井口装置的试压 3.两套钻井液体系的准备
大港欠平衡
大港欠平衡
（一）、井口回压控制技术
井口回压控制是实施欠平衡钻井的
核心。在欠平衡钻进过程中，保持 立压等于立压参考值，随着井深的 增加，立压参考值应相应改变。
•通过调整注气量和注液量的方 法实现对欠压值控制。
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六.欠平衡钻井的装备 条件
大港欠平衡
欠平衡钻井设备配套
• 气相欠平衡钻井需要专 门的气体注入设备
• 液体、充气钻井应具有 一套独立的分离和撇油 系统
• 对井口装置及钻具类型 和组合的要求与常规钻 井不同
• 需要一些特殊的工具
大港欠平衡
Pmp—环空多相流体重力产生的压力，Mpa； Pam—环空多相流动阻力， Mpa。
大港欠平衡
3、欠压值的设计与控制
大港欠平衡
确定合理的欠压值
确定合理的欠压值十分关键， 直接影响欠平衡钻井的成败。欠平 衡钻井过程中，只要能保证地层流 体总是流入环空即可，一般不必追 求过高的欠压值，国内外均推荐欠 压值范围： 0.5-1.5MPa。
大港欠平衡
三级欠平衡钻井井口装置示意图
无大风险，装 备级别最简单
适用于低压油 井，原油稠和 溶解气少的生 产井。
大港欠平衡
欠平衡钻井旋转控制装置的选择
• 气体钻井和雾化钻井可以采用低压旋转 头,但此时的旋转头只能作为导流器使用, 不能控制回压;
• 泡沫和充气钻井应采用中压或高压旋转 头;
• 液体或泥浆帽钻井应采用高压而且是双 胶芯旋转头.
是高压气井，如果防喷系统损坏或人员操作错误有可能 导致井喷失控。
4.膨胀地层盐岩蠕动、泥岩膨胀缩径导致卡钻。不宜
应用欠平衡钻井。
5、油气产出过量：造成速敏。
6、设计实施困难：设备、工艺局限性。
大港欠平衡
八.钻具组合
大港欠平衡
钻具要求
使用18° 钻杆； 钻具外表面无毛刺。
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常用钻具组合
钻头＋回压凡尔＋钻铤＋旁通阀＋加重 钻杆＋投入式止回阀＋18°斜坡接头钻 杆＋下旋塞＋六方钻杆＋上旋塞。
气基循环介质欠平衡钻井工艺特点
●适用于低压或枯竭地层； ●气体、雾化、泡沫、充气液作为循环介质； ●专用设备多； ●需要专门的软件； ●需要使用EMWD、空气马达； ●作业成本比液体欠平衡钻井工艺贵。
大港欠平衡
空气、雾化、泡沫钻井现场
陕242天然气 钻井现场
大港欠平衡
四、欠平衡钻井技术与 常规井控技术对比
我国自从真正采用该技术后没有发生井喷。
大港欠平衡
三.欠平衡钻井分类与特点
（一）按工艺分类
及根
采据 用油
液体欠平衡钻井 是 (flow drilling)
的气 钻藏
指以液体钻井液为循环介质的欠平衡
井类
钻井；
液型
密、
度地 的层
人工诱导的欠平衡钻井是
不压 同力
指由于地层压力太低，必须采用特殊
以
的钻井循环介质和工艺才能建立欠平
通俗称欠平衡钻井技术为“边喷 边钻”，关键是在钻井过程使地层流 体连续进入井筒，因此:
欠平衡钻井技术的实质就是
二次井控技术
这就是欠平衡钻井技术风险所在
大港欠平衡
五.欠压值及其控制
大港欠平衡
1.影响欠平衡钻井的压力分析
大港欠平衡
•钻井液静液柱压力（Pm） •环空压耗（Par） •欠压值（Pu） •井口回压（Pbp） •地层压力（Pp）
大港欠平衡
欠平衡钻井定义内容包含以下两 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。
二.欠平衡钻井的优点
大港欠平衡
1、及时发现和有效保护油气层，是环保技术，节省
衡。如：气体、雾化、泡沫、充气液
等。
大港欠平衡
1.气体钻井。包括空气、天然气、废气和氮气
钻井，密度适用范围0－0.02g/cm3；
欠 平
2.雾化钻井。密度适用范围0.02-0.07g/cm3 。
衡 气体体积为混合物的96%-99.9%，常规的雾化
钻 钻井液含液量少于2.5% ； 井 系 3.泡沫钻井液钻井。包括稳定和不稳定泡沫钻
列 井，密度适用范围0.07-0.60g/cm3 。井口加
回压时可达到0.8g/cm3以上，气体体积为混合
物体积的55%-97.5% ；
大港欠平衡
4.充气钻井液钻井。包括通过立管注气
欠
和井下注气两种方式。井下注气技术是
平 衡
通过寄生管、同心管等在钻进的同时往
钻 井下的钻井液中注空气、氮气。其密度
井 系
大港欠平衡
七.欠平衡钻井局限性
大港欠平衡
１.井壁坍蹋：对于欠压实的地层, 不宜采用欠平衡
钻井技术。
２.环境保护:欠平衡钻井“产出”的储层流体有油、
气、水等，甚至含CO2或H2S。必须根据地面循环及分 离系统的功能、压力级别、控制能力等确定能否用欠平 衡钻井。
３.考虑井眼失控的危险性:对高压高渗地层，特别
大港欠平衡
常规井控技术分级
Hale Waihona Puke Baidu
大港欠平衡
常规钻井井控作法：
8通过调高钻井液密度，防止 地层流体流入井内， 从而避免井涌 的发生。
8有地层流体流入井内时，停止钻进。 8有钻井液漏失时，停止钻进。 8有地层流体流入井内时，钻具不可以离开井底。 8保持井底压力稳定并稍 高于地层孔隙压力。 8井口防喷器组和节流压井系统是必备的安全设备。
欠平衡钻井井控作法：
8通过降低有效钻井液密度， 有意识地使地层流体 流入井内。
8有地层流体流入井内时， 继续钻进。 8有钻井液漏失时，继续钻进。 8有地层流体流入井内时，钻具 可以离开井底。 8保持井底压力低于地层孔隙压力。 8井口防喷器组和节流压井系统是常用的控制设备。
大港欠平衡
欠平衡钻井技术的本质
大港欠平衡
（二）欠平衡钻井措施：
1、开钻前和钻进过程中认真进行“欠平衡钻井应急 程序”的演练，达到实战水平。
2、加强地层对比，及时提出地质预报并做好地层压 力的监测工作。
3、欠平衡钻进过程中，严密观察套压的变化，压力 超出设计范围应立即停钻排气或实施压井作业。
大港欠平衡
大港欠平衡
1、 性能可靠的井口装置及地面控 制设备。
这是实施欠平衡钻井的先决条件。
2、健全的应急程序。
这是欠平衡钻井安全实施的后盾。
大港欠平衡
3、训练有素的、具有丰富经验的欠平衡 钻井专业化队伍。
这是欠平衡钻井施工的支柱。
4、开钻前严格试压和试运转；钻进中途 严格检查。
这是实施欠平衡钻井的重要环节。
5、建立现场监督机制。
这是实施欠平衡钻井的重要保证。
欠平衡钻井技术介绍
大港欠平衡
一.欠平衡钻井的基本概念 二.欠平衡钻井技术的优点 三.欠平衡钻井方法分类与特点 四.欠平衡钻井与常规井控技术的对比 五.欠压值及其控制 六.欠平衡钻井条件 七.欠平衡钻井的局限性 八.钻具组合 九.钻井液与完井液 十. 欠平衡钻进中的几个关键环节 十一. 欠平衡钻井过程中的几个关键技术 十二.欠平衡钻井的几个必须 十三、安全与环保规定
大港欠平衡
2.欠平衡钻井过程井内 压力关系分析
大港欠平衡
欠平衡钻进开始时井筒内环空 压力关系
Pu ＝ Pp －( Pm ＋ Par)
式中：Pu——设计欠压值，MPa； Pp——地层压力，MPa； Pm——环空流体重力产生的压力，MPa； Par——环空流动阻力，Mpa; 此时地层流体尚未进入井筒。
• 德克萨斯铁路委员会统计的德克萨斯境内发 生的井控问题数据；
• 艾伯塔能源和利用委员会数据； • Williams Tool公司对使用旋转头所钻的井与
常规钻井对比数据。 得出下述结论：
欠平衡所钻的井比常规钻井井喷发生的 比率少 24% 到 30% 。原因如下：
大港欠平衡
欠平衡钻井提供了比较好的井控条件
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，是另类欠平衡钻井技术。
特点
大港欠平衡
液体欠平衡钻井工艺特点
• 压力较高，产能较高的地层； • 液体作为钻井液； • 专用设备最少； • 工艺简单； • 作业成本比其它UBD工艺低； • 可使用传统MWD。
液体欠平衡钻井现场
大港欠平衡
大港欠平衡
大港欠平衡
欠平衡钻井过程中停止循环时井 筒内环空压力关系
Pu ＝Pp － ( Pmp ＋ Pbp )
式中：Pu——欠压值，MPa； Pmp——环空多相流重力产生的压力， MPa； Pbp——井口环空回压值，MPa。
大港欠平衡
欠平衡钻进过程中井筒环空压力 关系式：
Pu＝ Pp － ( Pmp ＋ Pam ＋ Pbp )
• 对欠平衡钻井的地面设备进行认真检测，设备的能 力比常规钻井强；
• 欠平衡井是经过更仔细的设计，风险评价更全面； • 地层流体进入井筒是预先设计好的，排除了突然因
素； • 由于欠平衡钻井的井口设备需要经常使用，所以对
井口设备的试压、试运转更全面、认真，排除了设 备安装的缺陷； • 旋转头增加了一个安全屏障； • 防止井喷的第一个屏障不再是井筒液柱压力。
一级欠平衡钻井井口装置示意图
风险最大，装备级 别最高。
适用于气井和含少 量H2S或CO2气井 。 地面环境要求高， 探井、评价井。按 2006年石油钻井 井控规定，需要安 装剪切闸板。
大港欠平衡
二级欠平衡钻井井口装置示意图
风险不大，中等 装备级别。 地层压力低于 35Mpa。
适用于无H2S的生 产井，对产层压力 和流体性质资料掌 握较好的油气藏。