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1、延安职业技术学院 毕 业 论 文 题 目： 欠平衡钻井技术概况 所属系部： 石油工程系 专 业： 石油工程 年级/班级： 09 钻井技术（二班） 作 者： 陈庆云 学 号： 091395002021212 指导教师： 评 阅 人： 目 录第1章 绪论11.1 研究欠平衡钻井技术的意义11.2 欠平衡钻井技术国内外进展历史及现状1第2章 欠平衡钻井相关理论42.1 油气藏筛选理论42.2 欠平衡钻井地层稳定性理论52.3 欠平衡钻井两相流理论62.4 欠平衡钻井井下爆燃基础理论82.5 裂缝性储层欠平衡钻井流动规律9第3章 欠平衡钻井关键技术103.1 欠平衡负压值的确定及控制103.2 欠平衡
2、钻井液技术10第4章 欠平衡钻井信息采集处理系统以及应用144.1 研究欠平衡钻井参数采集与分析处理系统的意义144.2 方案设计144.3 系统软件的主要功能154.4 系统软件的应用154.5 欠平衡钻井技术应用事例16致 谢23参考文献24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。 本文介绍了欠平衡钻井技术国内外的发展状况，实施欠平衡钻井的优缺点。分析和总结了欠平衡钻井相关理论研究成果，为技术的应用提供理论依
3、据。关键技术从三个方面入手：在考虑了影响负压值各方面的因素后，提出了合理的设计程序；通过计算出的钻井液密度选择适应于实际条件的最优钻井液类型；分析了井底压力波动和气侵后的环空压力变化，给出了一些井底压力控制措施。最后介绍了欠平衡钻井的信息采集处理系统，通过全过程的监测和指导保证欠平衡钻井的安全进行关键词：欠平衡；钻井液；信息采集第1章 绪论1.1 研究欠平衡钻井技术的意义进入20世纪90年代，由于世界范围内油气勘探开发从整装大油田、高压和常规压力、中高渗均质砂岩等良好勘探开发条件转移到了复杂中小油田、断块油田、薄油层、低压低渗低产能、老油田改造、复杂储层条件、非常规油气等恶劣的开发勘探条件，这
4、种形势迫使勘探开发必须要有新的思路和方法，同时由于非封固完井的水平井数量增多，强化了对防止储层损害的关注。另外国际油价的持续走高，对世界经济造成了很大的影响。高油价促使世界各国进一步增强了对石油资源重要性的认识，加强了对自己国内石油资源的勘探开发和利用，增加国内石油供应，减少对国际石油的依赖程度，其关键因素就是石油的勘探开发成本，因而降低石油的勘探开发成本则是目前石油工业上游领域的重要任务之一。欠平衡钻井技术不但能有效地降低油气田的勘探开发成本，最大限度得保护油气层，而且能很好地克服钻井作业过程中的难题和避免一些复杂情况的发生；有利于中小型油气田、非常规油气藏，低压低渗油气藏得勘探开发；有利于
5、油田中后期改造挖潜。因此，欠平衡钻井由于其先进性为勘探、开发带来了广阔的前景，在油气田开发中发挥着越来越重的作用。欠平衡钻井技术是21世纪油气资源开发中必不可少的主干技术之一，又是一项涉及面宽、投资大、风险大的系统工程，也是继水平井技术之后在钻井技术上的另一大发展方向和热点，应尽快掌握和发展欠平衡钻井技术，使其更好地作为发现和保护油气藏的重要战略措施。1.2 欠平衡钻井技术国内外进展历史及现状欠平衡钻井技术是20世纪90年代在国际上成熟并迅速发展的一项钻井新技术(图1)。欠平衡钻井分为：气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井、淡水或卤水钻井液钻井、常规钻井液钻井和泥浆帽钻井。在美国，欠平衡钻井
6、技术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。 现在已有20多个国家应用欠平衡技术钻井，技术先进的国家包括美国、加拿大、英国、阿根廷、墨西哥等国。这些欠平衡技术先进的国家，创造欠平衡条件采用的常用技术有：边喷边钻、泥浆帽钻井、立管气体注入、环空气体注人、连续油管钻井。水、地层水、海水、淀粉水、柴油、原油都曾用做欠平衡钻井的循环工作介质。散装或膜滤氮气、工业废气、空气、氮气和空气的混合气、天然气和空心玻璃球都作为减轻剂或发泡剂。早在20世纪50年代，国内的四川油田就
7、开始运用欠平衡钻井技术，但由于设备能力不足、地层出水等问题而放弃。进入80年代以来，新疆石油管理局首先开展了泡沫钻井技术的研究与应用，于1984年在克拉玛依油田红一29井成功地进行了我国第一口泡沫钻井。为了满足不同地层对欠平衡钻井的需要，随后又相继开发了空气钻井、雾化钻井、充气钻井和低密度泥浆钻井等欠平衡钻井技术。目前全国各大石油院校及油田都在不同程度上开展了欠平衡钻井技术的研究和推广应用，并取得了显著的经济效益。如大港油田于1998年采用欠平衡钻井技术在板桥地区的勘探上取得了重大突破，发现了亿吨级整装油气田。四川油田从1999年2002年间，从单一欠平衡钻井技术初步发展形成了欠平衡钻井、欠平
8、衡取心、不压井起下钻、不压井测井、欠平衡完井等全过程欠平衡钻井完井配套技术，推动了国内欠平衡钻井技术的发展，实现了欠平衡钻井技术的重大突破。就我国来说，特殊油气资源分布于全国各大油田，其储量占总探明储量的三分之一以上。同时，还有相当一部分开发中、后期油田由于压力递减而进入低压油田范畴。欠平衡钻井的主要技术特点适合开发这类油田。因此，欠平衡钻井自身具有的技术优势与世界石油工业勘探开发形式的需求决定了欠平衡钻井技术必定具有广阔的应用前景。 1.3 欠平衡钻井优点和缺点欠平衡钻井技术能够迅速发展是因为它能很好的克服钻井作业过程中的难题并避免一些复杂情况的发生、能有效地降低油气田的勘探开发成本。从目前
9、国内外研究及应用情况来看，其具有以下几方面的优缺点：优点：减少对油气层的伤害，有效保护油气层，提高油气井的产量实时发现地质异常情况，及时评价低压低渗油气层有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生，减少作业和相关的费用6提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，降低钻井成本可以在钻井过程中生产油气。缺点：循环系统的稳定性（压力波动）油层伤害（过平衡状态，逆流自吸，地层液体配伍，出砂等）井壁稳定性（力学，物理，化学作用）安全问题（井下爆炸或燃烧，井控问题，H2S腐蚀）经济因素（设备，材料，环境问题）。1.4 本文研究思路本文主要建立在文献调研的基础上，通过翻阅大量的关于欠平衡钻井技
10、术和各油气田开发建设方面的文献资料，结合自己所学的专业知识，研究以下内容：1、欠平衡钻井技国内外技术、设备发展现状，实施欠平衡钻井的优缺点；2、欠平衡钻井相关理论；3、欠平衡钻井过程中关键技术的应用，主要是欠压值的如何确定，欠平衡钻井液技术和井底压力控制技术；4、欠平衡钻井信息实时采集分析处理系统研究与应用。第2章 欠平衡钻井相关理论2.1 油气藏筛选理论2.1.1 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2、具有岩石-流体敏感性的地层3、具有液-液敏感性的地层4、具有潜在自吸能力的地层5、油藏性质高度易变的地层6、具有活跃的地下水并且对水锥进敏感的地层7、低钻速地层2.1.
11、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；2、受压力约束的地层；3、常规地层。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
12、、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：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。2.2 欠平衡钻井地层稳定性理论2.2.1 井壁失稳机理采用欠平衡钻井，
13、首先要使钻井液液柱压力低于储层压力，此时钻井液密度降低后，井壁的稳定性是否可以保证。如果试验和计算结果表明，欠平衡钻井的钻井液密度不能保证井壁稳定，通过调整钻井液体系和性能，增强井壁的稳定性。对井壁失稳机理进行分析，井壁失稳的本质是：井壁上某部分的应力状态超过了井壁岩体的抗破坏强度。这其中有两个制约因素：材料（岩体）和应力。1、岩体：破碎岩体和含弱面的岩体；塑性岩体，如盐膏层、软泥岩等；泥页岩（以硬脆性为主）。2、应力：深部地层的上覆岩层压力引起的地应力；强烈地质构造作用引起的地质构造力；异常热应力、循环温度应力、流固耦合应力。破碎岩体和含弱面的岩体由于本身强度低而导致井壁失稳；塑性岩体由于液
14、柱压力不够时而出现蠕动变形；埋藏很深的地层由于巨大的上覆岩层压力使水平应力增大；强烈的地质构造作用造成很大的残余构造力使井壁失稳。2.2.2 非泥页岩地层的稳定性对于给定段地层，在给定欠平衡钻井的条件下，井壁是否可以保持稳定，可按图（2-1）所示的动作程序进行一系列的试验和分析，最终得到结论。由上述综合分析所得到的结论，如果井壁能保持稳定，则可以采用给定参数的欠平衡钻井；如果井壁不能保持稳定，则应加大钻井液密度直至井壁稳定，必要时放弃欠平衡钻井的方法。图2-1 非泥页岩地层稳定性预测图可得出，泥页岩是在原有地应力再加水化应力条件下，以水化后降低的泥页岩强度来决定水化后是否井壁失稳；如果井壁稳定
15、性不够，则靠提高钻井液密度予以克服。泥页岩的水化应力大小及水化后强度降低多少，是由钻井液的体系和性质来决定的；而井壁的最终稳定性很大程度上还取决于钻井液密度的提高。在常规的过平衡钻井中，人们常常是在给定钻井液密度的前提下，调整钻井液体系和性质达到一个合适的状态，使该状态下泥页岩水化应力、水化下降程度在给定钻井液密度条件下能保持井壁稳定。显然此时钻井液体系和性能并没有使泥页岩水化影响降低到最小。因此我们完全可以通过调整钻井液体系和性能，使泥页岩水化影响大幅度降低（即减少水化应力、使强度降低减少），到达使泥页岩井壁稳定强化的目的，在此条件下可以大幅度降低钻井液密度，实现欠平衡钻井。2.3 欠平衡钻
16、井两相流理论多相流动是几个相处于一个系统内流动的体系。这几个相可以是同一种物质的不同相态，也可以是不同物质的不同相态。仅有两种相态同处于一个体系内的流动便称为两相流动，它是多相流动中最常见的一种流动组合。可以是一种物质的两个相态，也可以是两种物质的两种相态。因此，可以分为单组分两相流动和双组分两相流动。单组分两相流动是由同一种化学成分但不同的相态混合在一起的流动体系。双组分两相流动是指化学成分不同的两种物质同处于一个系统内的两相流体流动。但是，广义来说，某些双组分流动（主要指液体、液体流动），由彼此互不混合的一种相态构成，也常被称为两相流动，例如油、水两相流动。双组分两相流动和单组分两相流动定
17、义虽有一些差异，但从流动相态的数学抽象，亦既从基本守衡方程的数学模型来看是相同的。在不涉及相变的条件下，常可将它们视为同一种物理现象处理。2.3.1 环空两相流流态分类及其判别方法在欠平衡钻井过程中，井筒中的多相流在流动时其流态是变化的。通过大量实验观察研究，对气液多相流的流态，不同的人有不同的划分方法。根据Taitel等人的研究成果，典型的直井流态通常可分为泡状流，段塞流，过渡流和环状流。气液两相的相态主要受各项速度、密度等参数的影响外，气液两相的流动的形成过程、少量杂质的存在等可能对流态有一定的影响。然而，由于不同的流态受不同的水动力学条件的控制，所以可以利用水动力学原理通过机理分析，得到
18、流态的判别准则。1、泡状流判别准则1（小气泡）： （2-1）判别准则2（大气泡）： （2-2） （2-3） （2-4）式中：管径，mm ：气体界面张力，Pa ：单个气体上升的极限速度，m/s ：泰勒气体气泡上升速度，m/s ：气相真实密度，g/cm3 ：液相真实密度，g/cm3：混合物真实密度，g/cm3 ：液相真实粘度，mPa /s ：含气率，无因次 ：气体表观相速度，m/s ：液体表观相速度，m/s ：混合物速度，m/s2、段塞流判别准则： （2-5） 如果，则： （2-6）如果，则： （2-7）3、过渡流判别准则： （2-8）如果，则： （2-9）如果，则： （2-10）4、环雾流判别准
19、则： （2-11）2.3.2 欠平衡钻井气液两相流数学模型建立在整个欠平衡钻井过程中，我们关注的井内各是井底、井口及套管鞋处的压力主要受气体、液体的流量、分布状态和运动规律的影响，理论研究时排除了一些次要因素，突出主要影响因素的影响，因此先将研究对象模型化。在本模型的建立中，应用了以下假设：1、在本文的研究中，假设井眼截面为圆形且与井内钻柱同心。2、忽略气体在泥浆中的溶解，且两相间无化学反应。3、本文只讨论沿流动方向的一维非定常流动问题，用截面的平均特性和分布系数修正方法来表征过流断面的流动参数分布。4、环空内两相段在同一位置处气液两相温度相同，无热量交换。两相流体动力学研究提供了描述一元两相
20、流动基本方程，既保证能够计算求解，又保证了两相流的重要特点。2.3.3 三相携屑研究井眼净化能力是否满足正常钻井需要，取决于钻井环空流体的有效上返速度，只要有效上返速度大于岩屑的沉降速度和岩屑的最低上返速度，岩屑就可以被携带到地面上来。2.4 欠平衡钻井井下爆燃基础理论根据燃烧学理论，气体燃烧的可以分为扩散性燃烧预混气体燃烧两大类。扩散性燃烧是指燃料与空气在着火前不互相混合，燃烧速度主要受扩散速度控制，相对预混气体燃烧，其燃烧速度较低。而预混气体燃烧则是在着火前燃料与空气已经混合，一旦着火，其燃烧速度很快，通常表现为失火爆炸形式。在井下条件下，多数情况都表现为空气与可燃气体混合后失火爆炸的形式
21、，其危害性较大，主要介绍预混气体的失火爆炸问题。任何可燃混合物（燃料与空气或其他氧化剂的混合物）的燃烧都必须着火后才能产生快速的燃烧爆炸。着火前可燃气处于缓慢的氧化过程，化学反应速度很低，而一旦着火后，初期对着火点的燃烧使可燃混合物的温度升高，化学反应加速。反应的加速又近一步使反应热增大，使可燃混合物的温度进一步增高，如此反应，在很短的时间内致使反应速度急剧升高，从而由缓慢的氧化过程转化为燃烧过程直至爆炸。使可燃混合物着火的方法一般有两种：自燃与点燃。前者是自发的，后者是人为的，可燃混合物由于化学反应使自身温度升高而引起反应速度急剧升高形成的燃爆称为热自燃，反之由外界加入能量。点燃时，由于点火
22、物体的形状与能量传递途径的不同，也可以分为不同的种类。以下将介绍引起井下失火的可能方式，即热自燃、平板点火、热球点火、火花点火的燃烧分析。2.5 裂缝性储层欠平衡钻井流动规律2.5.1 严重裂缝性储层的最大问题是井漏所有碳酸盐岩储层探区均存在不同程度的井漏问题。井漏严重制约着勘探开发速度和钻井成功率。对于严重井漏、恶性井漏和漏喷同层，不但堵漏成本与时效很高，有时无法堵漏。尤其是探井打开产层，产层同时又是漏层。产层漏失除了造成时效成本损失外，漏入产层的工作液还造成了严重的储层伤害。井漏是钻井工程中最复杂的问题之一，它不仅大大增加了钻井液的费用，而且还会导致循环丧失，施工中断，无法进行岩屑录井，甚
23、至引起井塌、井喷和卡钻等恶性事故。2.5.2 漏层漏失的原因分析 漏失性地层中钻井液漏失一般具备以下条件：地层中有孔隙、裂缝或溶洞；地层孔隙中的流体压力(通常称之为地层压力)小于钻井液的液柱压力；地层破裂压力小于井底压力（包括液柱压力、循环回压和激动压力），因地层破裂而发生钻井液漏失。地层中的孔隙、裂缝或溶洞以及地层压力和破裂压力，是在地层沉积、构造运动或地下水溶蚀过程中天然形成的，因其成因不同又分为渗透性漏失和裂缝(溶洞)性漏失。渗透性漏失多发生在胶结不好的孔隙性地层，其岩性以砂、砾岩为主。在钻进渗透率大于14m2或砂、砾岩的平均粒径大于钻井液固相颗粒直径三倍的孔隙性地层时，若井底压力超过地
24、层压力就会发生渗透性漏失。在钻进石灰岩、白云岩的裂缝、溶洞及不整和侵蚀面、断层、地应力破碎带，火成岩侵入体的裂缝和孔洞时，若井底压力大于地层压力就会发生裂缝(溶洞)性漏失。而且漏失量大，漏失速度快。钻井过程中发生井漏，除了地层本身存在孔隙、裂缝或溶洞，具有钻井液通行的条件外。井底压力大于地层压力是导致钻井液漏失的重要原因。2.5.3 漏层的漏失规律与地质特征对川东地区的井漏进行统计，结果表明：川东地区所有构造上均发生井漏。漏失的层位则从沙溪苗到志留系，从地表到5000米以下，几乎每个层位都发生过井漏，但不同层位其漏失的严重程度和普遍程度有很大差异。嘉陵江、飞仙关、茅口组三个漏层，地层裂缝非常发
25、育，尤其是高角度大裂缝发育（常发现裂缝宽度大于10mm、倾角大于30、延伸很远的非填充裂缝），同时地下溶洞发育，故经常出现严重漏失和恶性漏失。而恶性漏失有时与钻井中的放空现象相关联，个别情况下的某些漏失通道甚至同地表连通。雷口坡、二叠系、石炭系三个漏层，裂缝网络发育，也有高角度裂缝发育，但裂缝规模比嘉陵江、飞仙关、茅口组要小，溶洞不太发育。这些层位经常发生严重井漏，但恶性井漏较为少见。须家河、自流井、沙溪苗三个层位，属于孔隙性气层，孔隙压力偏低，常发生渗透性漏失。有时在强构造作用下，地层破碎，产生裂缝网络，也会发生比较严重井漏。第3章欠平衡钻井关键技术3.1 欠平衡负压值的确定及控制3.1.1
26、 确定井底负压值应考虑的因素及分析1、产油、气量 2、负压井段不同压力体系的地层压力3、水平段的长度4、井口设备性能5、井眼稳定性6、地层伤害7、压力波动3.1.2 负压差设计流程欠平衡钻井负压差的设计流程在设计时，油藏地质部门必须提供该井不同负压差下的油、气和水的产量以及地层的坚固程度判别式，并有必要对井壁稳储层伤害进行评价。3.1.3 井底负压差的控制研制出欠平衡钻井地面数据监控系统，可依据实时监测的钻井作业参数和产出流体的量，以及立管压力和套管压力与实际井底压力间的数学关系及软件计算，调节钻井液密度和井口回压来控制井底负压差。3.2 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
27、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。3.2.1 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
28、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2、钻井液稳定井壁的能力3、欠平衡钻井液的携屑能力4、欠平衡液与地层产出物的相容性5、防腐问题6、对流自吸作用7、对测井和录井的影响8、钻井液的经济性和安全性3.2.2 欠平衡钻井液密度的确定 钻井液密度的计算过程是：先确定地层孔隙压力、环空压耗，然后求出钻井液密度。 1、地层孔隙压力油藏地质工程提供的地层孔隙压力主要是试油静压、钻杆测试压力及RFT（MFT）测试压力，所钻井的压力可根据油层深度校正。另外，经研究，作者建议在探井中可以根据随钻过程中试井数据进行解释分析,得出地层
29、孔隙压力。关于各种地层压力的监测方法（dc指数法、声波时差法、C指数法等）的计算结果误差很大,深井中误差远远超过了负压差值。因此,这些监测方法对于钻井液密度确定意义不大。2、环空压耗环空压耗与钻井液密度的设计有直接关系，常规过平衡及近平衡钻井现场泵排量是按喷射钻井最大钻头水功率或冲击力原则进行设计，钻井液循环足以达到紊流状态。但是，对于欠平衡钻井而言，为了降低泵、井口旋转防喷器及节流管汇等设备的负荷，增加井控的可靠性,并且避免紊流对裸眼油气层的冲刷作用，我们一般以满足钻井液携岩要求为原则，认为欠平衡钻井钻井液排量不宜太大，流动状态应以层流为主。因此按式可以计算层流时钻井液的环空压耗。 （3-1
30、2）式中 ：环空压耗 kPa ：钻井液塑性黏度 mPas：钻井液排量 L/s ：钻柱直径mm：井眼直径或套管直径mm ：钻杆长度m：屈服值Pa3、钻井液密度的确定钻井液密度的计算应在井口回压为零、正常钻进中负压差达到设计值的情况下进行。钻井液密度的计算式为 （3-13）式中 ：预测地层孔隙压力KPa ：井底负压设计值KPa ：井深m ：钻井液密度g/cm3欠平衡钻井中钻井液密度的设计以地层孔隙压力的预测技术为前提，预测的精确程度直接关系到钻井液密度设计及钻井作业的成败。因此在设计过程中应详细研究、评估所测数据和相关资料，以确保安全钻进。对于一口欠平衡井来说，井底负压差确定之后，如何确定钻井液密
31、度是实现井底的负压差范围重要手段。经过研究实践，得出一套完整的欠平衡钻井液密度的确定方法如图（3-2）所示。 预测地层空隙压力钻具组合数据井身结构数据井身负压值设计值计算环空压耗值合理钻井液密度 图3-2 钻井液密度设计图 3.2.3 目前应用的欠平衡钻井液体系1、常规钻井液当钻遇某些高压地层时，由于常规钻井液的循环液柱压力低于地层孔隙压力，使井底压力自然处于欠平衡状态，因此可以应用常规钻井液进行边喷边钻。常规钻井液体系具有独特的流变性能，可以抑制其侵入地层,还有利于井眼清洁和携岩。2、气流体气流体是指空气或天然气,氮气、二氧化碳、防腐剂及干燥剂等组成的循环流体。由于气体密度低，常用于钻漏失层
32、、敏感性强的低压油气层、溶洞性低压层和低压生产层等。使用气流体钻井时,需要在井场配备专用钻井设备,还需有井口防喷器、旋转头、密封钻杆、岩屑排除管汇及测量仪表等。气流体钻井的优点是：可大幅度降低压差，大大提高机械钻速，延长钻头使用寿命；减少对敏感地层的损害，保护低压油气层；可安全钻穿易漏层。其缺点是易引起井下着火与爆炸，造成井下钻具破坏，所以气流体钻井选择气体类型很重要。3、雾流体雾流体是空气、发泡剂、防腐剂和少量水混合组成的循环流体，其中空气是连续相，液体是非连续相，适于钻开出液量低于24m3/h低压油气层，如果地层出液量大于24m3/h，则采用泡沫钻井液钻进。其优点类同于空气钻井，缺点是需要
33、的空气量比空气钻井多20%40%，实际需要量还要高些，否则井下不安全，且在超深井中,易腐蚀钻具。4、充气水基或油基钻井液体系充气钻井液是将空气注入钻井液内来降低流体液柱压力，其密度最低可达到0.59kg/L,钻井液和空气的混配比一般为10:1。用充气钻井液钻井时。环空速度要达到0.88.0m/s，地面正常工作压力为3.58.0MPa。在钻进过程要注意空气的分离和防腐，防冲蚀等问题，要求有配套工艺和地面充气设备。5、泡沫钻井液泡沫钻井液是气体介质分散在液体中，并配以发泡剂、稳泡剂或粘土形成的分散体系，常用于低压产层钻井。油田用泡沫钻井液一般为硬胶泡沫和稳定泡沫。硬胶泡沫是气体、粘土、稳定剂和发泡
34、剂配成的稳定性比较强的分散体系，用于需要泡沫寿命长、携带能力强的情况，如解决大直径钻井岩屑携带和清洗井底或防漏、堵漏、堵水等问题，其成本低，但它对电解质及油品的污染较敏感，一般不宜在油气井中应用。稳定泡沫是指空气（气体）、液体发泡剂和稳定剂配成的分散体系，稳定泡沫能与各类电解质、原油及钻井作业过程的污染物配伍，且能处理水，主要用于保护油气层损害，低压油气层及枯竭层、永冻地区（-20-80）及地热井钻井。它具有密度低、携岩能力强、对油层伤害小的特点。泡沫钻井液现已在我国新疆、长庆、华北、二连、辽河等油田的低压油层使用，取得较好效果。6、加有新型降密度剂的钻井液体系美国开发了一种不含气相的低密度钻
35、井液（将不可压缩空心玻璃珠作为低密度固相添加剂），其塑性粘度、屈服值以及滤失量均能满足钻井要求23。当空心玻璃球的密度为0.7g/cm3,而微型空心玻璃球的密度为0.38g/cm3，抗破坏压力为20.727.6MPa。根据资料介绍，在密度为1.054g/cm3的钻井液中加入50%的空心玻璃球，可以使其密度降低到0.7188g/cm3；当空心玻璃球的加量控制在35%40%时，钻井液的密度控制在0.780.82g/cm3。空心玻璃球钻井液的成本要比普通钻井液的高。 表3-2 根据地层压力优选钻井液类型对比表地层压力系数优化钻井液类型地层压力系数优化钻井液类型0.002空气/天然气/氮气0.91.0
36、2油或油基钻井液0.020.07雾化钻井液1.01.3水（盐水）0.070.6泡沫钻井液1.3以上常规水基钻井液0.60.9充气钻井液第4章 欠平衡钻井信息采集处理系统以及应用4.1 研究欠平衡钻井参数采集与分析处理系统的意义钻井过程中的事实数据监测是科学打井的前提性工作，对于欠平衡钻井尤其重要。在欠平衡钻井期间，地层流体不断地侵入环空，侵入量的大小与地层产能状况、井底欠压值等因素密切相关。而侵入量的大小又决定地面设备的承受能力。要求研发的采集与分析处理系统既能够实时分析掌握井下欠平衡状况，提前预防井下发生的异常情况，又能够为事后分析提供基础资料。若想实时了解井下动态，就要求有一套钻井参数与分
37、析处理系统，实时分析井底欠平衡钻井状态，如井底欠压值的大小、地层流体侵入量、地层压力的变化情况等，根据采集分析处理数据，对影响欠平衡钻井的诸要素实时调整，进而实现安全快速钻井的目的。欠平衡钻井数据自动采集系统研究的主要内容是：实时采集钻井过程的相关钻井机械参数、水力参数、钻井液性能参数以及其它与钻井相关的参数，并结合实时的井眼参数，实时分析、预测井下的欠压值等。现已经开发出欠平衡钻井采集和分析处理系统，系统能够对欠平衡钻井相关的参数进行自动采集，通过计算机软件进行处理并指导欠平衡钻井的现场作业。该系统在现场应用后，达到了设计目的，软件功能强大，设计符合率高效果明显。4.2 方案设计 欠平衡钻井
38、的采集有两种方式，第一种是按常规的方法获取现场数据，即配套地面传感器、数据采集板卡的方式采集欠平衡钻井数据。第二种方式是采用侦听方式直接从录井终端截取。配备先进的综合录井仪，该录井仪器实时采集的数据中，包括欠平衡钻井实时分析所需的基础数据。第一步是针对配备的综合录井仪器的欠平衡钻井，主攻方向是录井仪数据的截取和分析。 第二步是针对将来配备的其它系列钻井设备的欠平衡钻井，同样要开发数据获取接口。第三步对于将来不配备的欠平衡钻井仍然采用常规的数据采集系统开发方法、配备传感器。系统工作流程图（4-1）所示。 传感器参数录入数据采集录井数据截取录井终端手工录入数据绘制参数曲线实时显示计算分析数据处理时
39、间同步 数 据 库 图4-1 系统工作流程4.3 系统软件的主要功能系统软件能够对欠平衡钻井中的参数进行采集、监测、分析和处理；同时，该系统软件能过对欠平衡钻井进行事前预测，钻井过程中进行处理并指导决策，事后对一口前平衡钻井过程进行分析总结。 系统软件是有十几个功能模块组成。其数据的采集、分析及处理是以图形、曲线和数据表的形式实现的。可以利用存储模块、数据随机查询等模块对其欠平衡钻井期间采集的数据自动存储或随机查询任意时间的或井深时的数据。4.4 系统软件的应用1、采集数据钻井参数仪和综合录井仪实时采集了丰富的地层信息和钻井工程信息，其中包括地层岩性特征、油气显示、井下复杂情况及钻井工程参数及
40、钻井工况。钻进作业过程中数据显示与监测的主要内容有：底部钻具状态、钻井液池体积、钻井泵状态（包括开启状态、冲数、计算流量、上水效率等）、钻井液性能（包括实时密度、密度超限报警、计算流变参数等） 、水力参数、钻头磨损（包括牙齿磨损与轴承磨损）、每米成本（包括常规成本与风险成本）、立管压力变化、总池体积净增量（判断井涌、井漏）、流量差值监测（判断井涌、井漏）、卡钻系数、扭矩变化（判断钻头失效、断钻具等主要依据）、钻压变化（监测钻压超限界、判断溜钻）、钻具疲劳、大钩载荷增减量（判断超拉与遇阻）等显示与监测以及 dc 指数监测地层压力等29。起下钻作业过程中监测的主要内容有：底部钻具与井眼几何状态显示
41、、压力波动监测、裸眼静止时间监测、钩载增减量监测（判断超拉与遇阻）总池体积净增量监测（判断井涌、井漏）。实时采集的总烃值和气体地面流量可以为预测地层流体侵入井筒，判断井底实现欠压值提供理论依据。实时采集的套压值和立压值为现场控制井底欠压值提供参考数据。自动采集其他相关数据或者参与计算，或者可以直接分析处理现场相应的情况。根据地层压力合理设计钻井液的密度，能够保证井壁稳定、保障钻井安全和提高钻速。地层压力实时监测不仅有助于发现油气层、保护油气层，而且可以预防井漏、井喷等不安全事故的发生。2、分析数据 通过数据分析模块对所采集的数据进行分析处理，分析结果数据包括井底压力，井底欠压值，环空钻井液密度
42、分布规律，环空压力变化规律等，这些分析结果数据可以直接用于分析判断井下欠平衡动态，对现场及时准确地调整欠平衡钻井方案提供理论依据，结果数据通过数据显示模块以表格和曲线的形式实时显示在计算机屏幕上。3、欠平衡钻井过程中的监测可以运用直接采集和分析处理后得到的数据结果对欠平衡钻井中的工序进行调整和控制。如通过压力、液位、泵冲、气体流量等传感器和录井仪实时采集的各种信号经放大器放大、处理、变换后转换为相应的参数输入计算机中，经内置的计算软件计算出井底压力，可作为现场监测的依据。在此如果嵌入自动控制程序模块，系统处理器一方面将采集到的数据及计算出的数据显示输出并储存，另一方面将计算出的井底压力与设计的
43、井底压力比较，当计算的井底实际压力设定值+设定误差时，发出开大节流阀开度指令，减少套压值；在等待一个压力传播延迟后根据变化了的泵压和其它数据重新计算井底压力，再把计算的井底实际压力与设定值进行对比到井底压力在设定值设定误差范围之内。这样，可使实际井底压力保持在欠平衡钻井的设计范围内。或是是人工设定一个井口压力值，通过系统控制节流阀使井口压力稳定在给定的压力值范围内。同样软件可以嵌入对其他作业的控制程序，达到现场施工的智能控制。4.5 欠平衡钻井技术应用事例 针对大庆长桓东部储层的特点，用常规钻井方法无法打开储层，不但钻速低，经常发生漏失、卡钻等事故，而且还容易造成严重的储层伤害，勘探成功率低。卫减少损害，增大产能，提高钻井效率，开发欠平衡钻井是一种理想方案。卫深5井是大庆油田在黑龙江安达市升平镇实施的一口欠平衡井。设计欠平衡井段是30873670米，预测目的层地层压力系数1.03。欠平衡钻井液体系为水包油钻井液体系，钻探的目的是采用欠平衡钻井技术解放储层，从而达到准确评价该区含气情况，突破产能关，提高该区勘探成功率和勘探精度。4.5.1 工程设计1、井身结构: 444.5mm301m（339.7mm300m）+311.2m
