欠平衡钻井技术及应用
摘 要：欠平衡钻井是国际上90年代初再次兴起的提高勘探开发效益的钻井新技术。近几年我国来在油、气田勘探开发方面已进行了大量技术研究和现场试验，并取得了显著的成果。欠平衡钻井的相关理论和技术研究已经成为钻井工作者的一个研究热点。
第1章
欠平衡钻井相关理论
1.1 油气藏筛选理论
1.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏
1、具有潜在井漏或钻井液侵害的油气藏
这些油气藏包括晶间渗透率大于1μm2的地层；具有大的宏观开放型裂缝的地层；具有大量连通孔洞的非均质碳酸盐地层；可以导致过平衡压力大于6.9MPa的压力枯竭地层。过平衡钻井最坏的情况是高渗透性特点与严重的压力枯竭相结合。对于上面提到的这些油气藏来说，由于很难设计有效的过平衡钻井液体系，所以它们是欠平衡钻井的最佳选择对象。特别是在裂缝性或非均质碳酸盐油气藏，很难形成防止钻井液滤液和固相侵害地层的均质稳定滤饼，并且发生抽汲后，地层内的流体仍旧会不受约束的流入井眼。在这种情况下形成的滤饼，经常引起压差卡钻，最终导致毁灭性卡钻事故。在具有宏观渗透性特点的水平井中，由于重力引起的排泄，可能会发生井漏。
2、具有岩石-流体敏感性的地层
相当大的地层损害可能是由于不相溶水基滤液与地层粘土或其它活性材料的有害反应引起的。许多地层含有水活性粘土，如蒙脱石或混层活性粘土。这些粘土与非抑止性水基钻井液接触会发生膨胀，并严重影响采收率，而且在某些情况下，会影响近井眼区域固结。有些地层可能还含有悬浮粘土和细颗粒或可运移材料，如高岭石粘土，碎岩屑，焦沥青和无水石膏。这些问题中的许多情况可以通过欠平衡钻井技术或合理的采用油基或抑制性水基钻井液的过平衡钻井技术来解决。
3、具有液-液敏感性的地层
欠平衡钻井可以防止不相溶的钻井液滤液侵入地层，从而消除侵入滤液与地层盐水或原油发生有害反应。其中的一种有害反应是高粘水包油乳化剂钻井液被圈闭在近井眼区域。另外的有害反应包括：由于油基钻井液侵入油气藏原油引起脱沥，从而导致渗透率的降低；由于不相溶的水基钻井液滤液和地层盐水混合而导致地层胶合和固体物沉淀。正确的地质化学试验和相溶性试验可以消除大多数常规过平衡钻井过程中遇到的这种问题。然而，在特殊情况下，应首先采用欠平衡钻井来避免将具有潜在有害反应的材料引入地层。
4、具有潜在自吸能力的地层
1 由于有害的相对渗透率效应，近井眼区域的水或烃形成永久性圈闭，从而导致地层产量的降低。如果使用了错误的钻井液基液，欠平衡钻井会由于自然的对流自吸效应而使这一问题更加恶化。然而，合理设计的欠平衡钻井工艺可以成为一种减轻与钻井液保留和圈闭效应相关的潜在问题的有效途径。利用一种非湿性流体作为欠平衡钻井作业的基液，如果欠平衡钻井条件得以维持，那么就可以防止自吸和降低相圈闭的可能性。从而可以防止钻井液基液进入地层而直接产生驱替和圈闭。
5、油藏性质高度易变的地层
在油气藏渗透率、孔隙度或孔隙喉道尺寸的分布上呈现出很大差别的高度层状地层或大量沙岩或碳酸盐地层代表了设计有效过平衡钻井液体系的主要挑战。在这些情况下，为了获得预期的主要产量，通常设计的过平衡体系用来保护质量较好的那部分基岩。而这有可能对其它部分的潜在高产油气层造成严重损害。在其中的某些情况下，利用欠平衡钻井工艺可以从目标层段获得更加均匀的开采。
6、具有活跃的地下水并且对水锥进敏感的地层
在这样的地层如果采用过平衡钻井，那么钻井液会侵入地层，引起水锥进效应，并且在完井后的试油作业过程很容易向水层打开通道，给今后的开采带来麻烦。而欠平衡钻井，由于井底压力低于地层孔隙压力并且不需要试油作业，所以可以降低或避免以上问题的发生。
7、低钻速地层
对于某些硬地层来说，利用欠平衡钻井和利用过平衡钻井相比，机械钻速可以提高10倍，从而减少了钻井时间和相关费用。在有限的几种情况下，欠平衡钻井的主要目的是提高机械钻速而不是避免地层损害。 2.1.2 不适合欠平衡钻井的地层
1、高压和高渗透率相结合地层
从地层损害观点看，虽然埋藏较深的高压，高渗透率地层代表了欠平衡钻井最具可能性的地层之一，但是在地面可能出现安全和井控问题。井底压力高于21.7MPa，特别是在气层中，更适合常规的旋转钻井设备和旋转控制头。在这种情况下，由于地面额定压力非常大，所以采用连续柔管钻井可能更合适。相反，如果需要的地面注入压力较高，那么蓄积在地面连续管柱中的大量压力流体也会带来不安全因素。
2、受压力约束的地层
通常,具有不同压力的多个产层的油气藏或在给定的目的层中存在明显的压力变化的油气藏，是不适合采用欠平衡钻井的。
3、常规地层
大多数地层可以从完美的欠平衡钻井设计和执行中受益，但欠平衡钻井比常规的过平衡钻井昂贵得多，并且存在一定的风险和问题。对常规地层来说，如渗透率低于0.5μm2的均匀晶间地层以及具有较低的岩石（流体和流体）流体敏感性的地层，设计合理的过平衡作业与价格昂贵、风险较大的欠平衡作业相比，可以产生相当的或更好的效果。
2 2.1.3 油气藏筛选程序
对于直井或水平井的欠平衡钻井来说，筛选合理的油气藏是非常必要的。通过研究油气藏的构造图以及收集和分析相关的数据，可以描述出油气藏为均质油气藏还是非均质油气藏。需要提供和研究的油气藏数据参数包括油气比原油的API密度、平均孔隙度、平均渗透率、地层体积指数、压力、温度和含水量。另外，油气藏的构造资料、注水、注气以及原油粘度都在“区分油气藏特征”方面起着一定的作用。在油气藏筛选问题上，应该由一个有钻井工程师、油藏工程师、地质学家、地球物理学家、岩石物理学家、采油工程师、欠平衡钻井专家、安全专家、经济师等组成的多学科工作组来完成。多学科工作组在进行这项工作时，必须仔细考虑一个用于单个油气藏筛选的详细筛选程序。这个筛选程序为[8]：
1、用简单的欠平衡钻井技术能否完成这口井；
2、以我们现有的数据能否证明欠平衡钻井技术在此油气层中优于过平衡钻井技术；
3、用欠平衡钻井技术潜在的风险和事故；
4、该地层能否承受住压力降低而不坍塌；
5、欠平衡钻井技术与长期的油气层优选相比较费用是否划算；
6、多学科工作组是否对油气藏已经做了足够的研究工作；
7、初始油井设计是否能满足油气藏开发标准；
8、现有的井控设备能否满足预期的油气层条件。
第2章
欠平衡钻井关键技术
2.1 欠平衡钻井液技术
欠平衡钻井液技术是能否实现欠平衡钻井的关键技术，是实施欠平衡钻井的主要内容。采用流钻时不需要向钻井液中加入时密度降低的外加剂，也不需要由此而必备的的辅助设备和外围辅助设备，因而钻井成本较低。采用人工诱导方式产生欠平衡条件，有两种实现方法。第一种是直接用低密度的空气、雾化、泡沫等钻井液；另一种是往钻井液基液中注入一种或多种不凝气，以降低钻井液密度，实现欠平衡钻井的目的。采用这种方式，需要在在钻井液中加入减轻剂和使用减轻剂制备与充入设备，以及对返出钻井液进行处理的外围设备，钻井成本较高。 2.1.1 选择欠平衡钻井液体系应考虑的问题
选择欠平衡钻井液十分重要，选择钻井液时要根据所钻欠平衡井的类型、井身结构、储层物性、孔隙压力等来综合考虑选择合适的欠平衡钻井液。还要考虑钻井液基液本身的物理性质，比如粘度效应低、无腐蚀性、毒性低等。
1、钻井液可实现的最低密度
于开发特定的储层，其孔隙压力基本是已知的，所以实现欠平衡过程中欠压值确定的情况下，所需要的钻井液密度就确定了。而对于探井实施欠平衡，由于目前还没有一种能准确预测
3 地层孔隙压力的方法，给出的地层孔隙压力只是个参考值，而欠平衡钻井的核心就是钻井液的液柱压力要低于地层孔隙压力，这就要求选择的欠平衡钻井液体系的密度在一定范围内可调，特别是可实现的最低密度要比给出的地层孔隙压力系数要低，已知实际地层压力系数低于预测的地层压力系数时，可以降低钻井液的密度，实现欠平衡。
2、钻井液稳定井壁的能力
实施欠平衡钻井的前提是井壁要稳定，开发井储层比较明确，技术套管可以下到储层的顶部，而探井储层不明确，而且可能勘探的还是多个层，加之地层的孔隙压力不是很准确，在实际实施过程中，能否真正实现欠平衡还不是很清楚。除非在确切知道所实施的欠平衡井段十分稳定的前提下，可以不考虑井壁的问题，否则，在含有大段泥岩地层实施欠平衡钻井，就要考虑欠平衡过程中的井壁稳定问题。
欠平衡井壁稳定的问题，实际上就是在确定了的负压差条件下，实现欠平衡时钻井液的液柱压力是否高于欠平衡段地层的坍塌压力，如果实现欠平衡时钻井液的液柱压力是高于欠平衡地层的坍塌压力，那么井壁就是稳定的；否则，井壁就要失稳，换句话说，这个层段就不合适实施欠平衡钻井。在液柱压力高于地层的坍塌压力条件下，就实现了井壁的力学稳定，而在欠平衡实施过程中，特别是在低渗透水润湿储层（气层）实施欠平衡钻井时，水基钻井液会因对流自吸作用而滤失到近井眼，也可能引起井壁的不稳定问题发生。所以在选择欠平衡钻井液时也要考虑化学稳定井壁的问题。
3、欠平衡钻井液的携屑能力
安全钻井的前提就是钻井液要把钻头所破碎的钻屑有效的携带出来，欠平衡钻井也是一样，而且欠平衡钻井的机械钻速相对较快，欠平衡钻井液的携带问题显的更为重要。有的地层很稳定，使用清水可以实施欠平衡，而且可以采用提高排量来满足携屑能力，又会产生钻井液冲刷井壁，引起井径扩大。所以这就要欠平衡钻井液要有较好的流变性，即要有较好的携屑能力，满足欠平衡钻井安全施工的需要。
4、欠平衡液与地层产出物的相容性
[22]
在欠平衡钻井作业中，如果确实达到欠平衡钻井条件，地层中的油、气、水等单一或其混合物将从地层流入井眼并与循环的钻井液接触。这样，就会对欠平衡钻井液产生稀释降粘或增粘等作用，所以在选择欠平衡钻井液的时候要充分考虑欠平衡钻井液与地层产出物的相容性问题。
而在有的井实施欠平衡作业时，使用的是乳化钻井液，特别是在实施油层欠平衡钻井作业时，如果没有选择好合适的乳化剂，储层的原油侵入井眼后会产生高黏度的稳定的乳化物，导致钻屑分散性差，钻屑积聚和卡钻。在选择表面活性剂时还应十分谨慎，防止当钻井液漏失到地层中引起地层润湿性发生变化。
另一个要防止的问题是钻井液滤液与地层水相互作用产生结垢和沉淀物，也就是钻井液与地层水不配伍的问题。如果是充气钻井，在注入气中含有CO2，CO2溶解在产出或循环液的油中，在高的井底压力下会产生沥青。
5、防腐问题
如果使用充气，盐水钻井液等来实施欠平衡作业，就存在腐蚀的可能性，若地层中产出的气体中含有H2S，腐蚀问题会更加严重，容易产生氢脆问题。这就需要对欠平衡钻井液进行评价，采取加入除氧剂、除H2S剂等，还要仔细分析评价游离气、溶解气和地层水等。
6、对流自吸作用
如果欠平衡钻井作业在低渗透水润湿的储层中进行，毛细管压力作用可能导致地层损害，即便是在连续的欠平衡条件下，因水基钻井液的对流自吸作用而使钻井液滤失到近井眼带。这一问题可通过在钻井过程中全面脱除液体介质或选择非润湿液作为基液来解决，如选择柴油，稳定的凝析油和植物油等。选择非润湿性流体作为基液，是减轻对流自吸作用把侵入损害降低到最低程度的唯一方法。
7、对测井和录井的影响
选择欠平衡钻井液时还要考虑钻井液对测井和录井是否有影响，在可能的情况下，选择的钻井液应对测井和录井无影响或影响达到最小。
8、钻井液的经济性和安全性
在考虑了以上选择欠平衡钻井液的因素外，还要充分考虑钻井液的成本及使用过程中的安全性问题。
2.2 欠平衡钻井井底压力控制技术
井底压力控制时欠平衡钻井成功的关键，如果井底压力控制不当，会造成过压钻井，导致油气层污染，从而降低油气产能，甚至引起井漏等井下复杂事故，影响整体勘探开发的效果。井底压力影响因素分析: 可能造成井底压力波动的因素有：①地层参数和井筒几何尺寸；②钻井液参数和注入气体类型；③泵排量和气体注入速度；④随钻气液产量；⑤地面控制程序（主要是节流阀开度）；⑥注气方式；⑦起下钻、接单根和修理设备等操作。
1、地层参数和井筒的几何尺寸
地层压力是欠平衡钻井过程中首先要搞清楚的最基本压力，一切欠平衡的压力计算建立在这个压力基础之上。其他地层参数，如坍塌压力、破碎压力、岩性、产层等参数是设计井底负压值和井口回压的重要依据。井筒的深度、井径和井身结构是计算环空静液柱压力、环空循环压力损耗的稳定参数。
2、钻井液参数和注入气体类型、方式
由于地面上对返出钻井液中的油气进行了充分的分离，因此钻井液性能对压力波动的影响很小，除非人为地对钻井液性能进行调整。注入气的类型影响，主要是指所注入气的性能参数，它影响了井底压力的计算，如果注入气溶于钻井液，会影响钻井液的性能。同样，注入方式不同，所产生的效果不同，主要反映在钻井液柱压力的大小上。
3、泵排量和气体注入速度
5 泵排量是主要影响因素，它的变化反映在泵压、套压得变化上。影响着Pm、Pf、Pacc、Pt的变化。在欠平衡钻井中，气体在井眼内占据的体积和相应的流动循环摩阻对井底压力的大小影响很大。前者使井底压力下降，后者使井底压力增加，二者相互影响、制约，又会影响地层流体进入井眼气体的流量，这说明在给定的欠平衡钻井条件下，环空气量降低井底压力存在一个极限值——最佳注气量。①钻井液排量一定时，井底压力随着环空气量的增加而下降，但有一个极限值②一般而言，排量越小，井底压力的下降幅度越大。③环空气量一定时，井越浅，井底压力降低幅度越大，说明浅气井的井控问题突出。
4、随钻气液产量
这是一个很难精确控制的因素，但却对井底压力有重要的影响，上文说到它是设计井底负压值和最大井口回压的主要依据，同时也是在钻进过程中调节井底负压值的参考依据之一。在钻进过程中可以调整，最简单的办法是根据地面产量的测量数据，考虑影响因素，根据产层渗流方程进行回归分析。
5、起下钻、接单根和修理设备等操作
在起下钻、接单根和修理设备操作时，循环被终止，此时，在不同欠平衡工况条件下，由于没有摩擦压力损失，井底压力都会发生不同程度的变化。
（1）接单根
接单根时，井底压力下降，井底负压值增大，产油气量增加，其产出量取决于井眼类型、产出率等因素。在较长裸眼段的水平井内，过多的产液量引起钻井液分离，从而在较低部位引起静液压力变化，可能导致过平衡状态或负压增加。重新循环时，摩擦压力作用于井底，因液流加速度而增加，可能会导致压力激增。特别是钻杆注气，井底压力波动较大。采用环空注气在接单根时，如果环空关闭，井筒上部钻井液出现分离；如果环空开放，由于产出液的渗入，液柱压力增加幅度不大。因此，可保持适度的连续气量注入以避免压力激增。与钻杆注气不同的是，环空注气时井底压力取决于上部液体及注气速度。
（2）起下钻速度
起下钻很难保持欠平衡状态，如果连续管钻井，可以通过钻杆注气的方式进行维护；如果是流钻条件钻井，则需要压井，此时井下将达到过平衡状态，应该用不压井起下钻工艺[24]；应用环空注气与不压井起下钻工艺结合，效果较理想，可以维持连续的欠平衡状态。同时起下钻作业会引起抽汲压力和激动压力，要严格控制速度，避免引起井底压力产生较大波动。另外，欠平衡钻井时，尽量缩短设备的修理时间。
