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1、2022/12/4,1,全过程欠平衡钻井技术,新疆石油管理局钻井工艺研究院,陶冶 刘伟 罗维,2022/12/4,2,一、摘要 二、概述 三、井壁稳定分析、合理压差计算是全过程欠平衡钻井的核心 四、套管阀（DDV）的开发和应用是全过程欠平衡作业的硬件基础 五、带压测井接头的研制和使用完善了欠平衡测井工艺 六、数据采集监测系统是欠平衡钻井施工的保证 七、夏72井、夏202井三开欠平衡钻井工艺的应用特点 八、认识及建议,目 录,2022/12/4,3,一 、摘 要,所谓全过程欠平衡钻井技术，就是在钻进、起下钻、完井、测井等多种工况作业中均实现欠平衡，从而达到最大限度地保护储层的目的。这就对配套技术
2、、相关设备及入井工具提出了更高的要求。近年来，新疆局钻研院在这方面取得突破，继2003年在夏72井三开井段首次实现了全过程欠平衡钻井施工，裸眼段钻进长度达到了1511m，创全国欠平衡钻井进尺最高记录之后，2004年在克89井、夏202井应用全过程欠平衡钻井技术再获成功。 实践表明：井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心；井下封井器（套管阀DDV）的开发和应用是全过程欠平衡作业的硬件基础；带压测井接头的研制和使用使欠平衡测井得以完善；数据采集监测系统的应用是整个欠平衡钻井施工的保证。,2022/12/4,4,二、概述,根据现场实践和大量调研发现，在以往欠平衡钻井施工过程中，由于地面设备、装
3、置及入井工具的限制，加上施工工况的多元化、复杂化，地质因素的不确定性、多变性，以及欠平衡钻井工艺的不完善性等，往往不可避免地出现了过平衡状态。这种状态从短暂的瞬间到数十小时不等，由此可能使井内的循环介质或多或少地侵入并污染油气生产层，从而降低，甚至丧失先前的原始产能。如有的井在欠平衡钻井施工过程中油气显示良好，但经过起下钻、完井作业后，在后期投产中却发现产量并不高。因此，为了真正、科学地开发、评价和解放油气生产层，达到最大限度地保护储层的目的，就必须尽量设法使整个的施工过程都维持欠平衡状态，即实现全过程欠平衡施工。,2022/12/4,5,二、概述,夏72井、夏202井分别为新疆油田公司200
4、3年度和2004年度的重点探井及评价井，位于准噶尔盆地西北缘乌夏断裂带下盘玛湖北斜坡夏40井背斜圈闭上。这两口井三开均采用了欠平衡钻井技术，所穿越的地质层位有乌尔禾组、夏子街组、风城组、佳木河组，岩性较为复杂。在施工过程中，均使用了先进的欠平衡钻井设备Williams7100旋转控制头及地面配套系统、新疆局钻研院自行研制的带压测井连接头、欠平衡钻井数据采集系统以及最新研制的井下套管阀。其中，夏72井应用的是美国Weatherford公司生产的套管阀，夏202井应用的是我院独立研制出的具有自主知识产权的国产套管阀。上述装置、设备的成功应用实现了包括边喷边钻、不压井起下钻、带压测井等全过程欠平衡施
5、工。,2022/12/4,6,二、概述,夏72井、夏202井应用全过程欠平衡钻井技术及时发现并有效的保护了油气层，两口井经后期压裂作业均获得高产油气流，使夏40井背斜二叠系风城组、佳木河组勘探获得重大突破。西北缘夏子街地区没有高效油田的历史一去不复返了。,2022/12/4,7,1、井壁稳定分析,地层的坍塌压力、破裂压力是安全钻进的关键因素之一，其与地应力大小（构造应力系数）、地层强度、孔隙度、有效应力系数有关。欠平衡钻井过程中，通常选用的钻井液密度较低，此时要注意地层坍塌压力，以合理的钻井液密度保证井壁稳定。,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,8,1、井壁
6、稳定分析,地层坍塌的当量钻井液密度可由下式来计算为：,破裂压力的当量钻井液密度可采用下面两个公式进行计算：,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,9,1、井壁稳定分析,利用夏72井、夏202井邻井钻井井史及测井资料，通过分析计算可得出夏72井、夏202井三开所钻地层的坍塌压力分布规律，该井乌尔禾组地层坍塌压力梯度在0.81.15 MPa/100m之间，夏子街组中上部地层坍塌压力梯度为0.851.10 MPa/100m，其底部坍塌压力梯度降低为0.50.8 MPa/100m，风城组地层坍塌压力梯度为0.50.9 MPa/100m，地层相对不易坍塌。,三、井壁稳定分
7、析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,10,1、井壁稳定分析,其次，对夏72井、夏202井邻井的岩矿理化性能进行了分析，发现乌尔禾组粘土矿物中，伊蒙混层含量为50%75%，其中蒙脱石占到50%85%。夏子街组伊蒙混层含量更高，达到71%78%。风城组岩性主要为凝灰岩，粘土矿物主要为绿蒙混层，含量在50%80%之间。从岩石理化特性分析可知，乌尔禾组、夏子街组和风城组井壁稳定性差的主要原因还与粘土矿物中各组份的水化程度不均一有关。,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,11,2、合理压差计算,欠平衡钻井合理压差设计如下：保护井壁稳定的合理压差（多孔
8、弹性介质力学理论来建立储层井壁失稳压差模型） 保护井口设备的合理压差 设计的防喷器组包括70MPa双闸板防喷器的一个半封和一个全封、 70MPa单闸板防喷器的半封、35MPa万能防喷器和Williams7100旋转控制头（静压：35MPa，动压：17.5MPa） 。 根据井身结构、钻具组合、泥浆性能等，当地层天然气侵入量接近18104m3/d时，井底压差可达14.58MPa。此时，应及时调整泥浆性能或调整节流管汇上节流阀的开启程度，否则，天然气入侵量可能会超过液气分离器的日处理能力，造成人员中毒、着火、爆炸的危险。,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,12,保
9、护储层的合理压差可通过上式计算：式中：n地应力；P0储层压力；c破坏临界强度；孔隙弹性系数；泊松比；f孔隙度。,保护储层的合理压差在欠平衡钻井施工过程中，应合理控制压差，以避免出现裂缝开启、闭合幅度过大，频率过高，以及过平衡、速敏等伤害储层的情况发生。,2、合理压差计算,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,13,3、钻井液密度设计,夏72井三开选用的是聚磺钻井完井液体系。在欠平衡钻井施工过程中，气液两相流在环空中是以一定规律运动的，在井底附近，一般为泡状流，随着气相在环空中的上升，压力逐渐减小，其体积也随之不断膨胀，依次可能过渡到弹状流、段塞流和环状流。环状流
10、是气体大量返出的情形，在欠平衡钻井施工中要控制这种状态的出现。,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,14,3、钻井液密度设计,气相连续方程为：液相连续方程为：混合运动方程为： 式中，m为液相密度，单位为kg/m3；g 为气相密度，单位为kg/m3；g为气相速度，单位为m/s； m为液相速度，单位为m/s；P为压力，单位为Pa；为空泡率，无因次；qgp为气体进入速率，单位为kg/m3s；g为重力加速度，单位为m/s2。,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,15,3、钻井液密度设计,井筒出气量对井底压力的影响如下：,从图表中可以看
11、出，井底压力随出气量的增加，先是降低，当达到15104m3 /d时，压力最小，随后，井底压力又开始增大。这是环空当量密度和环空摩阻共同作用的结果。根据不同出气量下的井底压力，结合钻井过程中所监测的地层孔隙压力，就可以合理施加回压，有效控制天然气的返出量，以保证欠平衡钻井施工的顺利进行。,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,16,3、钻井液密度设计,依据所计算的夏40井坍塌压力分布状况，结合夏72井预测的地层压力、地质岩性、井身结构等，可推算出夏72三开钻井液的密度范围为1.06 g/cm31.20 g/cm3，并可计算出不同气量进入井筒后的井筒压力值。结合前面
12、所做的井壁稳定分析数据，最后确定三开钻井液密度的调节范围为1.10 g/cm31.20 g/cm3。,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,17,3、钻井液密度设计,夏72井相对夏40井处于背斜的高点，其储层会聚集更多的气体，这就要求在钻进过程中应切实加强随钻监测，根据实钻情况及时修正钻井液密度，控制地层产气量，以使该井在保证井壁及井口设备安全的前提下实现“边喷边钻”，达到最大限度地发现、保护油气层的目的。,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,18,在夏72井实钻过程中，首先选用1.15g/cm3的钻井液钻入新地层，钻遇油气层后
13、，根据现场具体情况，将钻井液密度逐渐调低，接近设计的最低钻井液密度1.10g/cm3，曾出现数次不同程度的挂卡、井壁剥落现象。参照施工前期所做的井壁稳定分析与钻井液密度设计，将密度调整在1.10g/cm3以上，控制HTHP失水。同时合理调整钻井参数，并及时短提，循环划眼。维持了在较低的钻井液密度下欠平衡正常施工，保证了井壁的稳定。从这一现象可以充分说明我们在前期设计中所作的井壁稳定分析与钻井液密度设计与现场实钻是非常吻合的。,3、钻井液密度设计,三、井壁稳定分析、合理压差计算是欠平衡钻井的核心,2022/12/4,19,四、套管阀（DDV）是全过程欠平衡作业的硬件基础,套管阀在国内已成功应用3
14、口井次，均在新疆油田使用。其中夏72井、克89井使用的是Weatherford公司生产套管阀（DDV），夏202井使用的是我局钻研院研制开发的具有自主知识产权的国产井下封井器。上述两种套管阀的尺寸均为244.50mm，可承受的最大内外压差均为35Mpa。,下表为套管阀在三口井中使用情况对比。,2022/12/4,20,在起下钻施工前，先进行循环洗井，尽量减少环空钻井液柱中的天然气含量，然后利用旋转防喷器进行带压起钻。钻头提过套管阀后，通过地面液控系统关闭套管阀，使其将上部井筒与下部井筒分隔开。泄掉套管阀上部套压后，即可取出旋转防喷器胶芯，加快速度进行起下钻作业。当钻头下钻至套管阀顶部时，如套管
15、阀上下井筒的压差较大不易打开时，可施加适当回压来平衡此压力差，然后打开套管阀，继续下钻。,四、套管阀（DDV）是全过程欠平衡作业的硬件基础,2022/12/4,21,现场应用表明，我院自主研发的国产井下封井器的性能指标和应用效果完全与Weatherford公司生产的套管阀相当，使用安全、可靠，完全可满足全过程欠平衡作业的要求。,四、套管阀（DDV）是全过程欠平衡作业的硬件基础,2022/12/4,22,1、在欠平衡钻井起下钻作业前，不需压井，从而避免了压井施工对油气层的伤害；2、同强行起下钻装置相比，套管阀安装简便，不占据钻台空间，避免了强行起下钻装置起下钻速度慢、作业效率低，对完井管柱和下部
16、钻具组合有特殊要求（如打孔管、割缝管、多稳定器钻具组合等），对钻机需选型，体积大，安全性和稳定性差的缺点；3、使用套管阀可加快起下钻作业时间。其起下钻状况同正常情况基本相同，而使用强行起下钻装置，其施工速度不到正常施工的二分之一；,四、套管阀（DDV）是全过程欠平衡作业的硬件基础,套管阀（DDV）作用及优点：,2022/12/4,23,4、可降低成本。在整个起下钻施工中，由于不压井，就不需要调整钻井液密度，从而节约了钻井液材料和调整钻井液密度的时间；5、易于同标准套管程序相结合，可在正常下套管的过程中下入，安装方便；6、允许下入长而复杂的井底钻具组合、测井仪器组合；7、套管阀与Williams
17、旋转防喷器相结合，使得带压测井装置的安装非常迅速；8、完井作业中允许下入复杂完井管柱；9、套管阀可以和套管一起下入并固在井内，也可以采用尾管悬挂器与套管回接方式下入，使用后回收。,四、套管阀（DDV）是全过程欠平衡作业的硬件基础,2022/12/4,24,为保证夏72井三开实现带压测井施工，欠平衡钻井施工人员研制了与旋转防喷器相匹配的带压测井接头。在测井施工中使用了带压测井装置，通过注入高粘度密封油脂解决了测井电缆的密封问题。,五、带压测井接头完善了欠平衡测井工艺,2022/12/4,25,（1）安装带压测井头；（2）调试安装测井仪器，安装带压测井装置；（3）下入测井仪器至套管阀以上，打开套管
18、阀；（4）继续下入测井仪器，进行测井作业；（5）测井仪器起至套管阀上部时，关闭套管阀，释放井口套压；（6）提出测井仪器，完成带压测井。 在测井施工中应依据实际情况定期补充密封油脂。,五、带压测井接头完善了欠平衡测井工艺,在夏72井电测施工中，通过使用带压测井装置，使测井仪器能够在井内自由运动。其测井施工步骤如下：,2022/12/4,26,在欠平衡钻井施工过程中，由于存在着地层岩性、地层流体的复杂性和不确定性，钻井参数的多变性，施工工况的多元化等原因，这就加大了欠平衡钻井施工的难度。欠平衡数据采集系统能及时采集钻井参数、钻井液性能参数，监测施工过程中所出现的异常情况。这样，就使得施工人员实时掌
19、握欠平衡钻井施工状况成为可能，并能根据实际情况及时作出正确的判断和合理措施，并对钻井参数、钻井液性能参数进行调整、优化，以确保欠平衡钻井施工是在可控情况下有序进行的。,六、数据采集监测系统是欠平衡钻井施工的保证,2022/12/4,27,夏72井三开使用了欠平衡数据采集系统，能实时采集立管压力、套管压力、井底压力、钻井液排量、井底天然气返出量、钻井液进出口密度、钻压、转速、扭矩、钻速等多个参数，同时能对液气分离器的钻井液出口和燃烧管线出口进行视频监视与记录。,六、数据采集监测系统是欠平衡钻井施工的保证,2022/12/4,28,欠平衡数据采集系统还能及时、有效的反映出钻进过程中所出现的一些异常
20、情况，如当发生轻微溢流或井漏时，返出的钻井液就必将会增加或减少，而数采系统的排量传感仪能迅速发现这一细微现象，并能及时予以报警。而在泥浆罐上，溢流量或漏失量往往要达到1m以上时，才能发现，两者的时间差可达15min以上。,六、数据采集监测系统是欠平衡钻井施工的保证,2022/12/4,29,目前我们正在对这套欠平衡数据采集系统进行升级、完善，即在现有采集参数的基础上增加对井底数据（压力、温度、烃值等）的采集，使技术人员能够更加直观、及时、准确地了解井下的真实状况，从而对钻井参数做出准确及时地调整；同时也可以对目前欠平衡钻井使用的软件计算模式的准确性进行验证和校核。这套系统的研发成功，必将对安全
21、、科学实施欠平衡钻井起到至关重要的作用。,六、数据采集监测系统是欠平衡钻井施工的保证,2022/12/4,30,七、夏72井、夏202井三开欠平衡钻井工艺的应用特点,1、实现了真正意义上的全过程欠平衡钻井施工，实现了边喷边钻，达到了科学评价和保护油气层的目的；2、在夏72井三开施工中，首次应用了美国Weatherford公司生产的套管阀，该井开启次数多达16次，同国外使用情况相比也是开启次数最多的欠平衡井。在夏202井三开施工中，首次应用了新疆局钻研院独立开发研制的具有独立知识产权的套管阀，它的成功使用保证了欠平衡起下钻、欠平衡测井的顺利进行； 3、成功使用了自行研制的欠平衡数据采集系统，保证
22、了夏72三开欠平衡井的顺利施工；,2022/12/4,31,4、研制及应用了与威廉姆斯7100旋转防喷器和测井管汇相匹配的带压测井头，成功实现了欠平衡状态下直接测井； 5、同常规钻井方式相比，欠平衡钻井能大幅度提高机械钻速。夏72井、夏201井和夏202井机械钻速同夏40井相比，提高十分明显，乌尔禾组钻速提高幅度达2.182.35倍，夏子街组钻速提高幅度达1.702.40倍。 6、夏72井欠平衡钻井井段达到1511m，创全国欠平衡钻井单井进尺最高记录。,七、夏72井、夏202井三开欠平衡钻井工艺的应用特点,2022/12/4,32,1、欠平衡钻井施工前，应尽量多地了解所钻地层的地质状况，结合所
23、用钻井设备的特点，制定出详细的欠平衡钻井设计、施工预案、应急措施，并且应在施工中加强随钻监测的力度和手段；2、套管阀（DDV）作为欠平衡钻井工艺的一个新型井下工具，对实现全过程欠平衡钻井非常实用。从使用情况来看，当套管阀关闭后，阀体下部井筒压力无法准确测量，这对套管阀开启和开启套管阀后的安全会带来一定的风险。如果能够做到对套管阀下部井筒压力准确测量，将会对套管阀的安全使用极为有利。,八、认识及建议,2022/12/4,33,3、进口套管阀价格昂贵，新疆局钻井工艺研究院已研制出同类产品，在夏202井应用中，最高开启压差达到9MPa，质量稳定、性能可靠，已达到国外同类产品的水平，应大力推广使用； 4、欠平衡钻井数据采集系统对保证欠平衡钻井的安全、顺利实施起到了重要作用。目前正在完善井底压力实时采集部分，这将对科学实施欠平衡钻井作业，准确评价和有效开发、保护储层都具有非常重要的作用。 5、应进一步加强欠平衡钻井井底压力监测技术的研究工作，变地面监测为井下实时监测，做到早期发现、早期监控； 6、进一步完善和发展全过程欠平衡钻井技术，拓宽该项技术的应用范围。,八、认识及建议,2022/12/4,34,谢谢各位领导及专家,
