《欠平衡鉆井技術(shù)發(fā)展研究（論文）》

一、引言（一）研究背景經(jīng)過三十多年的探索，我國石油勘探面臨的壓力正在逐步加大。利用欠平衡鉆井技術(shù)對古埋山低滲裂縫性油氣藏進行勘探極為重要，同時對已探明未探明儲量具有十分重要的意義。欠平衡鉆井技術(shù)由于具有以下優(yōu)點而被廣泛使用：增加已探明的難以開采的儲量；開發(fā)低壓，低滲透的油氣藏，巖性復雜的地層；開發(fā)舊區(qū)并提高采礦的經(jīng)濟效益。地層壓力系統(tǒng)單一，穩(wěn)定性好。使用該技術(shù)可以保護油氣層，減少油層污染，然而，當在這種類型的中進行欠平衡鉆井時，很可能發(fā)生井崩，泄漏和井噴。泄漏壓力和破壞壓力之間的間隔相對較小。如果密度太低，則密度太高時很可能發(fā)生井壁坍塌。因此，在該區(qū)塊采用欠平衡技術(shù)進行施工時，必須準確計算并嚴格制定施工設計。本文擬根據(jù)遼河油田的特點，分析影響欠平衡鉆井技術(shù)成功率的因素和原因，總結(jié)該技術(shù)在應用中的優(yōu)缺點，并評估該技術(shù)是否可以達到預期的經(jīng)濟效益。（二）欠平衡鉆井技術(shù)發(fā)展概況自從1980年代中期采用水平井鉆井技術(shù)以來，沒有任何一種鉆井技術(shù)具有如此大的魅力。而且，根據(jù)美國能源部和莫拉爾工程公司的預測，欠平衡鉆井技術(shù)的應用在未來10年將繼續(xù)穩(wěn)定增長。一方面當前包括中國在內(nèi)的世界石油工業(yè)正面臨嚴峻的形勢，首先，潛在的石油資源嚴重匱乏，可用儲量迅速減少，從范圍內(nèi)的勘探情況來看，發(fā)現(xiàn)巨大油田的可能性越來越小。作為目前的工業(yè)能源油，顯然不可能保證未來。十年后需要工業(yè)發(fā)展，但是尚未發(fā)現(xiàn)可以代替石油作為未來工業(yè)主要能源的新能源，因此人們?nèi)匀粚⒅攸c放在中小型油田的開發(fā)上。而在復雜的地質(zhì)條件和地表條件下，非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)較為困難，同時不可避免地導致勘探和開發(fā)難度增加以及成本增加。另一方面，世界特殊的油氣藏資源十分豐富，以中國為例，其儲量占已探明總儲量的三分之一。不僅擁有大量的油氣資源，而且在開發(fā)的中后期，相當一部分油田也進入了低壓范疇。欠平衡鉆井本身的技術(shù)特性非常適合此類油田的開發(fā)。因此，從這個角度來看，欠平衡鉆具有著廣闊的應用市場。從目前國內(nèi)外研究和應用的角度來看，其主要特點和機理如下：（1）減少編隊傷害在欠平衡鉆井過程中，消除了將鉆井液的固相和液相帶入開采區(qū)的正壓差，從而減少附近區(qū)域所造成的地層損害。在水平井中使用欠平衡技術(shù)時時，還可以消除正壓差下固相和液相的侵入，并可以更好地保護產(chǎn)層。（2）提高鉆孔速度欠平衡鉆井孔的液柱壓力降低，并且還有助于降低/保持鉆效，從而提高了鉆井速度。當鉆水平井時，這一點更加明顯。通常，發(fā)現(xiàn)在水平井段中鉆井時，鉆井速度隨著水平井段長度的增加而降低，在相同重量下，欠平衡鉆孔可以獲得更高的鉆孔速度。（3）避免泄漏井泄漏可能會大大增加鉆井成本。如果鉆井液泄漏到裂縫，低壓儲層或高滲透率儲層中，將增加額外的鉆井液成本，更不用說損失的鉆井液會造成嚴重的地層破壞。漏失循環(huán)的發(fā)生使常規(guī)鉆井成本比欠平衡鉆井高，因為欠平衡鉆井可以減少或避免漏失問題。（4）減少卡壓差在常規(guī)鉆井的正壓差下，鉆井液的過濾將在井壁上形成泥餅。如果將鉆柱壓在泥餅上，則可能會發(fā)生壓力粘附。欠平衡鉆井不會在井壁上形成泥餅，也不會產(chǎn)生正壓差。二、欠平衡技術(shù)鉆井液體系研究（一）常規(guī)體系在常規(guī)鉆井工藝中，若要保持井壁穩(wěn)定以及防噴，鉆井液的密度在滿足平衡地層孔隙壓力的程度上，倘若某井的地層壓力預測并非精確值，則該系數(shù)就會比較大，這樣很容易對油氣資源產(chǎn)生破壞，此外鉆井液密度若持續(xù)過高的話，也易發(fā)生井漏現(xiàn)象，嚴重時會極大地降低鉆井的機械鉆速，這對鉆井作業(yè)來講是非常不利的因素。因此，欠平衡技術(shù)是解決者一問題的非常有效且良好的方法。欠平衡鉆井技術(shù)關(guān)鍵是確定地層的負壓差，最大的優(yōu)勢是能夠效果更好地保護好油氣資源。其不僅能夠最大限度地降低井漏、井塌等井下復雜或事故，并且能夠有效體提高鉆井作業(yè)的機械鉆速，此外，也易于進行油井產(chǎn)能的隨鉆評價。在一般情況下，以下幾種地層非常適用于欠平衡技術(shù)的應用。（1）低滲透油層，高壓油層，易污染地層；（2）低壓層，易漏失的儲層；在國外的某些油氣田中，低密度鉆井液已在實際施工中長期使用。從1950年代到1970年代，其他欠平衡鉆井液系統(tǒng)的應用逐漸成熟。到目前為止，為了滿足欠平衡鉆井技術(shù)的要求，通常使用兩種類型的低密度鉆井液：一種是單相流體類型，例如清水，輕油，柴油，空氣和低密度常規(guī)鉆井液。體液;兩種類型是液/氣兩相流體，例如泡沫鉆井液或充氣鉆井液。目前，欠平衡鉆井技術(shù)中常用的鉆井液系統(tǒng)如下。（1）液體系統(tǒng)：如果地層壓力高，則可以使用凈水，低密度常規(guī)鉆井液，油等鉆井液，因為地層的地層孔隙壓力大于循環(huán)液柱壓力這種鉆井液系統(tǒng)，自然會使井底壓力處于欠平衡狀態(tài)。（2）含減密度劑的鉆井液體系：如空心玻璃球等添加劑，所產(chǎn)生的鉆井液，其鉆井液性能可滿足欠平衡鉆井施工的要求；（3）泡沫系統(tǒng)：在其中充入氣體的氣體，以及通過添加發(fā)泡劑，泡沫穩(wěn)定劑或黏土和失水劑等形成的分散系統(tǒng)，其在低壓生產(chǎn)層中的應用較為普遍。常用的泡沫鉆井液有兩種，一種是穩(wěn)定泡沫，另一種是硬橡膠泡沫。前者的配置主要基于空氣，后者是基于前者的構(gòu)造，適當?shù)靥砑右欢康恼惩?，其特點是具有更好的穩(wěn)定性和更好的載砂能力，但對油氣層的破壞相對較大。上述鉆井液具有各自的優(yōu)點和缺點。實際操作應根據(jù)現(xiàn)場條件和其他條件進行評估和選擇。（二）設計原則（1）鉆井液密度設計原則應根據(jù)地層壓力，環(huán)空壓力消耗，井底負壓以及井口選擇回玉控制范圍來確定欠平衡鉆井液密度。在根據(jù)地層壓力設計鉆井液密度時，應選擇鉆井液密度的下限，然后在施工過程中，根據(jù)測得的井底深度進行選擇，然后調(diào)整密度和背壓調(diào)整負壓值。（2）鉆井液粘度的設計原理粘度的主要目的是確保鉆井液具有良好的流變性，良好的切屑承載能力，同時，為了提高機器的磁速度，粘度值不應太高。（3）鉆井液剪切力的設計原理剪切力的主要目的是確保鉆井液具有良好的懸浮穩(wěn)定性，從而更好地懸浮鉆屑，保持井底清潔，并應同時滿足地面方便鉆孔清除雜物的要求。（4）欠平衡鉆井液系統(tǒng)的經(jīng)濟評價鉆井液的成本是指鉆井液的成本。經(jīng)濟評估主要基于類似鉆井液的比較以確定成本水平。三、欠平衡鉆井技術(shù)的井控研究（一）欠平衡鉆井技術(shù)井控的研究方向（1）導氣時間通常在采用欠平衡鉆井技術(shù)時，在鉆探油氣層時，可以通過鉆井工具的“空”狀態(tài)來判斷鉆井工具是否到達儲層。（2）地層滲漏為了在不控制井噴的情況下實現(xiàn)“隨鉆井噴”的目的，有必要在井底壓力差與到達井眼的地層流體速度之間獲得準確的關(guān)系。為了調(diào)整地層流體的速度，可以通過液氣分離器等相關(guān)的專用設備來控制和調(diào)節(jié)井底負壓值。（3）欠平衡鉆井技術(shù)的相關(guān)井控措施由于鉆井作業(yè)失衡的風險很高，涉及安全，環(huán)境，工程等諸多因素，因此重要的是控制井底的負壓值，以防止井噴失控。（二）欠平衡鉆井的壓井研究遼河油區(qū)欠平衡鉆井所用的鉆井液是可回收的微泡沫鉆井液系統(tǒng)。在實際欠平衡鉆井作業(yè)中，必須將鉆井工具的作業(yè)應用于壓井和鉆井。（1）確定欠平衡的壓井液系統(tǒng)在早期確定用于欠平衡的鉆井液系統(tǒng)時，已經(jīng)考慮了相關(guān)的壓井問題。由于井控技術(shù)的復雜性，還對所需的壓井液系統(tǒng)進行了研究和論證，開發(fā)了與欠平衡鉆井液系統(tǒng)配套的壓井液系統(tǒng)。（2）鉆井液和壓井液的設計與研究欠平衡壓井是一項特殊的工作，與常規(guī)的鉆井壓井有根本的不同。在常規(guī)鉆井過程中，壓井液可以作為常規(guī)鉆井液循環(huán)使用。但是，欠平衡壓井后的壓井液不能在鉆井作業(yè)中連續(xù)使用，必須用低密度鉆井液替代才能繼續(xù)鉆井，因此要解決的問題是如何在兩者之間快速切換。（3）欠平衡壓井法在實際的欠平衡壓井技術(shù)的應用中，如果流量大，則采用正循環(huán)壓井法進行鉆探。同時應根據(jù)實際情況及時更換缸套的選擇。如果排量沒有增加，則壓井時間將拖延很長時間，而且對壓井液的性能影響更大。四、欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展展望（一）國外復雜地層鉆井技術(shù)進展1.膨脹管鉆孔技術(shù)為了解決巖石鉆探不穩(wěn)定和鉆井成本控制的問題，殼牌研究中心開發(fā)了膨脹縫管和實心套管，這項技術(shù)可以輕松有效地解決復雜斷面中的壁穩(wěn)定性問題，并可以減小上部井眼的尺寸和套管層的數(shù)量，從而大大降低了鉆井成本。2.連續(xù)管鉆技術(shù)連續(xù)油管鉆井技術(shù)是1990年代在國外大力研究和開發(fā)的流行鉆井技術(shù)之一。連續(xù)管鉆探技術(shù)使用纏繞在滾筒上的連續(xù)柔性鉆桿進行連續(xù)鉆削，這大大提高了鉆探效率，并減少了鉆井液中不穩(wěn)定地層的井眼。目前，世界上大多數(shù)研究和應用連續(xù)管鉆探技術(shù)的公司都集中在歐美的一些發(fā)達國家，美國和加拿大是連續(xù)管鉆探最活躍的兩個國家，占全球的80％連續(xù)管鉆位于此處。3.信息化和智能鉆井技術(shù)在1980年代，隨鉆測井首次用于定向井鉆探。它與近鉆頭傾角儀（MNB）結(jié)合使用，可測量井的傾角和方位角，并進行鉆探以發(fā)現(xiàn)井眼的實時偏差損失。在1980年代后期，隨鉆測井工具問世。三參數(shù)組合隨鉆測井儀和四參數(shù)組合隨鉆測井儀已成為標準的隨鉆測井儀，可以執(zhí)行時間面?zhèn)鬏敽蛢煞N記錄存儲在井下儀器的芯片中。美國SchlumbergerAnadrill企業(yè)于1992年首次提出了地質(zhì)導向的概念，并于1993年開發(fā)了第一套地質(zhì)導向工具。此后，其他企業(yè)也開發(fā)了各自的地質(zhì)導向工具。目前，美國擁有最先進的地質(zhì)導向技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)成熟并廣泛用于水平井鉆井和大位移井中。4.欠平衡鉆井技術(shù)欠平衡鉆井是一種新的鉆井技術(shù)，在1990年代已在國際上迅速成熟和發(fā)展。欠壓鉆井也稱為受控負壓鉆井。欠壓鉆井具有以下優(yōu)點：l）防止井中液體進入地層。2）及時發(fā)現(xiàn)新的油氣層。3）消除鉆井過程中井眼液柱壓力對巖屑的“保壓作用”，避免鉆井液滲入地層和卡住。4）鉆井時可以開采油氣，油氣井可以盡早投入生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，美國約有25％的油氣井和地熱井不同程度地采用了該技術(shù)，某些油氣田的利用率高達98％。5.深井和超深井鉆井技術(shù)在國外完成的深井中，有一半是探井。井深已從4500m增加到目前的12000m。目前，美國，俄羅斯和德國的超深井鉆井技術(shù)裝備和綜合技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位。美國是世界上鉆深井歷史最長，工作量最大，技術(shù)水平最高的國家。6.鉆井液技術(shù)新型鉆井液材料發(fā)展迅速，包括高效水基鉆井液，防止重晶石沉降的INNOVERT鉆井液系統(tǒng)，在防止泄漏和堵漏的新技術(shù)方面，有包含復合聚合物顆粒和膠體顆粒的微復合有機/無機膠堵劑等。在井眼壁穩(wěn)定技術(shù)，分子模型方面已經(jīng)用于了解聚合物穩(wěn)定頁巖的機理。（二）國內(nèi)復雜地層鉆井技術(shù)進展為了盡快滿足中國油氣資源勘探開發(fā)的需要，縮小與國外鉆井技術(shù)的差距，國內(nèi)主要石油公司開展了復雜地層鉆井技術(shù)研究，取得了顯著成效。1.升級鉆井設備?！笆逦濉逼陂g，鉆井設備國產(chǎn)化得到加強，鉆井設備技術(shù)水平得到提高。1）國際先進的直流變頻電動鉆機的研發(fā)：2001年以來，寶雞石油機械廠等鉆機制造企業(yè)相繼開發(fā)了4000m，5000m，7000m交流變頻鉆機，2005年起l2月，寶雞石油機械廠成功開發(fā)了9000m交流變頻鉆機。2007年11月，成功開發(fā)了12000m交流變頻鉆機。目前我國的電動鉆機已出口到包括美國，歐洲，中東和南美在內(nèi)的國家和地區(qū)。2）開發(fā)兼顧先進性和經(jīng)濟性的復合鉆機：寶雞石油機械廠開發(fā)的鉆機，轉(zhuǎn)盤和絞盤是電動的，泵由柴油發(fā)動機驅(qū)動，具備一定的經(jīng)濟型以及強大的功能。3）開發(fā)了頂驅(qū)鉆具，盤式制動器，盤式制動器和電子鉆機系統(tǒng)。此外，在柴油機，鉆井泵，防噴器和固井系統(tǒng)方面也取得了重大技術(shù)進步。2.反傾斜理論的適用在復雜的地層鉆井工程中，由于復雜的地層的影響，例如山麓中的高陡結(jié)構(gòu)，會導致嚴重的井斜，為了保證井眼的質(zhì)量而施加壓力甚至“輕壓力提升”，國內(nèi)學者從另一個角度研究了有效的直井抗彎和快速移動技術(shù)，并提出了一種新的抗彎理論，即“動態(tài)抗彎”。隨之而來的一系列鉆探技術(shù)應運而生，可以說這項研究大大提高了機械破碎的效率，并實現(xiàn)了垂直井鉆進中大鉆頭重量的快速鉆進。3.高效碎石技術(shù)的進步為了適應復雜地層快速鉆井的高效破巖技術(shù)，陸續(xù)出現(xiàn)了多種適應各種地層高效破巖技術(shù)的鉆頭改良技術(shù)，通過大量的測試和實踐，我國學者已提出了在復雜地層條件下的各種高效鉆井工藝，同時以及中碎巖的鉆進方式主要是沖擊破碎，極大地改變了鉆進效率低，取得了良好的鉆進效果。欠平衡鉆井技術(shù)得到了不斷改進和完善。自2000年以來，中石油累計進行了137次欠平衡鉆井作業(yè)。開發(fā)以天然氣，柴油機排氣和泡沫為循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井，完善了欠平衡完井方法，并開發(fā)了隨鉆環(huán)空壓力測量裝置。通過欠平衡鉆井技術(shù)的應用，有效地保護了儲層，同時形成了以四川和長慶油田為代表的天然氣井欠平衡鉆井技術(shù)；以及以新疆油田和伊朗項目為代表的氣/泡欠平衡鉆井技術(shù)；以大慶和大港石油國家為代表的低密度欠平衡鉆井技術(shù)。4.針對防漏地層的氣體鉆探實驗以及磨料地層的加速為應對嚴重的滲漏問題，西南油田公司從2002年開始在Ba1井進行了空氣鉆井實驗，成功解決了漏層鉆井問題，降低了鉆井成本。此外為響應蘇里格氣田的發(fā)展，長慶油田還進行了小孔氣鉆探實驗。氣體鉆探段的平均鉆速超過三倍，并已在縮短鉆探周期方面取得了初步成果。。

五、結(jié)語長期以來，大慶油田鉆探對大慶油田長垣內(nèi)部調(diào)整改造井建設進行了一系列配套技術(shù)研究，解決了大慶油田長垣內(nèi)部調(diào)整改造井建設中的鉆井技術(shù)難題。但是，對于超低滲透油田，調(diào)節(jié)鉆井安全性和效率的技術(shù)問題尚未得到有效解決。（1）遼河油田低滲，地層壓力系統(tǒng)單一，欠平衡鉆井技術(shù)的使用對未探明儲量的勘探具有重要意義。（2）欠平衡鉆井技術(shù)的關(guān)鍵是確定地層的負壓差，其可以更好地保護油氣資源。設計鉆井液密度時，應盡可能保證井底負壓值和井口背壓的可調(diào)范圍，并根據(jù)測量的井底壓力進行背壓。（3）欠平衡井控技術(shù)和裝備要求很高，必須有相應的技術(shù)措施和設備配合。

參考文獻[1]馬金山,劉金峰.欠平衡鉆井技術(shù)[J].石油知識,2000(2):29-29.[2]周英操,翟洪軍.欠平衡鉆井技術(shù)與應用[M].石油工業(yè)出版社,2003.[3]劉偉,李麗,胥宏圖.氮氣欠平衡鉆井技術(shù)在定向深探井中的應用[J].石油鉆采工藝