第一篇：低壓欠平衡鉆井(勘探應用)

低壓欠平衡鉆井 —勘探鉆井中技術發展新動向(續)

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羅平亞

孟英峰

摘要 介紹了國外欠平衡鉆井的發展與應用，以及目前存在的主要問題。在此基礎上提出了低壓欠平衡鉆井技術系列，它是一套特殊工作液(氣體、充氣液、特殊泡沫、低密度液體)、特殊壓力控制(平衡、欠平衡、過平衡)、低液柱壓力與特殊屏蔽暫堵相結合的技術。

主題詞 勘探鉆井；低壓鉆井；欠平衡鉆井 中圖分類號 TE249.1 4.2 技術的應用現狀與效果

利用低壓鉆井技術打開儲層增產，70年代初在美國、歐洲、中東、前蘇聯等地就開始流行。但當時人們的注意力是高壓、高滲、高產油氣田，對低壓、低滲、低產油氣田不太重視，該技術并未受到特別關注。進入80年代，采用低壓鉆井技術打開產層，逐漸受到人們關注。

利用水平井技術提高油氣田采收率是國際上80年代的先進技術，而國際上90年代再次發展起來的低壓鉆井技術一開始就緊密與水平井技術相結合，出現了低壓鉆井鉆水平井的新技術，這項新技術廣泛地應用于勘探和開發領域中。

水平井鉆井過程中的儲層傷害有其特殊性。一般垂直井儲層井段的傷害上下比較均勻，傷害深度較淺；而水平井由于水平段鉆進時間長，為維持井壁穩定而采用較高密度鉆井液，造成了水平井根部（Heel Part）的長時間浸泡，此處地層傷害嚴重，整個井段的地層傷害呈錐形。恰恰傷害最嚴重的根部是對油井產量貢獻最大的部位。一般而言，同樣地層和施工條件下水平井的地層傷害要比垂直井嚴重許多。

為了更好地發揮水平井的增產作用，人們將低壓鉆井、欠平衡鉆井等低傷害鉆井方法與水平井技術結合使用。所做的數值模擬表明：若用無傷害的水平井技術打開產層而保持表皮系數為零，那么其它鉆井方法的產層傷害造成的表皮系數增加將等效于水平井段有效段長的大幅度降低。比如傷害造成表皮系數為5時，實1000 m水平段只相當于無傷害的500 m段長，當然其產量要受到嚴重影響。如果能做到水平鉆井不受傷害或少受傷害，則水平井的增產效果必定有大幅度提高。

比較早的典型實例是加拿大Weyburn油田的一系列實驗結果。油田是1950年全部投入開發的，1974年開始注水開發。為了提高最終采收率，從1985年至今共鉆了149口垂直加密井，平均產量每天5.3m3，總采出量為25.8%，屬于裂縫—孔隙型儲藏。為了提高采收率，1991年鉆了三口水平井，平均日產8.3m3，增產效果不理想，分析結論為儲層傷害所致。1993年鉆第一口低壓欠平衡水平井，水平段長363m；第二口水平井段長357m，平均日產25m3。1994年初鉆一口側鉆水平井，段長659m，日產55m3。同年鉆段長923m水平井，日產95m3。增產幅度越來越高，技術也日趨成熟。

現場試驗的成功和實用技術的完善，大大刺激了欠平衡鉆井的發展。僅在加拿大西部，每月完鉆的欠平衡鉆井數量直線上升。1993年以后進入迅速發展時期，最高曾月完井39口。泛加石油公司則根據實鉆統計提出的“欠平衡水平井可以比常規直井增產10倍，比常規水平井增產6倍”的基本估計。

加拿大的低壓水平井是以開發稠油、開發裂縫性儲藏為特點，美國的低壓水平井技術也是以開發裂縫性儲藏為特點，同時在開發致密氣資源上頗具特色。在儲層壓力上的共同特點是低壓儲層，近一兩年欠平衡技術也開始延伸到常規壓力和高壓儲層。

在美國的Austin Chalk儲層，是裂縫—孔隙—溶洞型復雜儲層，目前欠平衡鉆水平井技術非常活躍，是世界上欠平衡鉆井的活躍點之一。歐洲許多國家也開始試驗欠平衡水平井技術。

致密氣開發是美國的一大科技優勢，美國有大量的泥盆紀頁巖氣藏和致密砂巖氣藏，低壓、低滲、嚴重水敏，常規鉆井方法幾乎不能獲得工業性氣流。用常

43規泥漿鉆了上千口垂直井，平均產量0.84×10m／d。美國能源部組織研究項目，決定用空氣／霧化／泡沫鉆直井和水平井，以求獲得產能；如果效果仍不好，則采用氣體壓裂、泡沫壓裂、泡沫加砂壓裂方法增產。用空氣鉆的垂直井產量提高了3倍，約2.5×104m3／d；用空氣鉆的水平井產量提高了約10倍，達到8.4×104 3m／d左右。因此，空氣鉆水平井成了頁巖氣藏開發的首選技術，而且配合氮氣泡沫加砂的水平井多次壓裂進行增產改造。進一步的研究還表明：無傷害地鉆開井眼（如空氣鉆井）與普通鉆開的井眼，采取相同措施進行增產改造后的效果也不相同，說明地層傷害也會影響到增產改造的成功實施。美國從事致密的低壓低滲氣開發已有20年歷史，從阿巴拉契亞和圣胡安盆地，至落基山地區各主要含氣盆地，最近擴展至德克薩斯和中陸地區，都有豐富的致密氣資源；低壓鉆井技術、水平井技術、新型壓裂等新勘探開發技術使致密氣開發由不經濟轉為熱點開發。美國目前有12200 口井開發致密氣，占天然氣生產井數的1／3以上，年產量達7×1010m3。

在美國，應用多側向分枝水平井技術與低壓欠平衡鉆井相結合進行多層位開發，是很成功。美國Austin Chalk儲層，就是采用這種聯合技術，同時采用頂驅鉆機、隨鉆長篩管、犧牲馬達，進行邊噴邊鉆、邊漏邊鉆、邊鉆邊完井，鉆開一層投產一層，逐層向上移動。實踐證明，這是該儲層最合理的開采方式。4.3 技術改造的主要內容與途徑

美國和加拿大在低壓欠平衡技術的發展過程中起了主要作用。美國由于國力雄厚、基礎工業發達，在低壓鉆井發展、應用及配套措施上做了很多工作。而加拿大由于豐富的非常規油資源和敢想敢干的精神，在欠平衡鉆井方面起了開拓作用。

美國在70年代以前就已經投入了相當大的力量研究、發展低壓鉆井技術，由于該技術的高鉆速、低成本，成為首選鉆井方法。低壓鉆井技術成為美國鉆井領域中必不可少的一個組成部分，當時主要是空氣鉆井、泡沫鉆井和充氣液鉆井。全國低壓鉆井的承包、設備租賃、技術服務已成體系，在能夠采用低壓鉆井（尤其是空氣鉆井）的場合就一定優先采用。在加拿大、歐洲，也是同樣如此。

進入80年代之后，使其適應新形勢的需要。首先采取了政策刺激、優惠稅率等辦法，激發非政府投資向難拿儲量的開發和研究上傾斜，例如限制石油進口、調節油價、實行難拿儲量稅收豁免和優惠，如低產、三采、邊遠地區、稠油、致密氣、煤層氣等都有相應的優惠政策，對首次100萬美元以上勘探開發投資予以20%免稅，這些政策大大刺激了對難拿儲量的勘探開發投資。同時美國能源部、內政部、GRI等撥出專款，進行全國性調查（資源調查和技術調查）、科技投入、新技術示范工程等。自1980年始至1996年，美國政府組織了95個提高采收率、拿難拿儲量的技術示范工程，共投資25億美元。此類項目一旦批準，政府便負擔投資1／3，承辦公司負擔2／3。政府的這種組織和引導行動，對近幾年美國石油技術的發展起到了不可忽視的作用。

下面簡單介紹與低壓欠平衡鉆井相關的技術發展情況。

實驗結果表明：用空氣鉆井鉆水平井，確實大幅度提高了非常規油氣資源的開發效率。為了徹底消除空氣鉆井對致密氣藏、頁巖氣藏的傷害（由于空氣霧化鉆井中的水基霧滴和攜帶出的地層水的水膜等的吸水、水敏傷害，以及可能存在的粉塵傷害），能源部專門組織了反循環干空氣鉆井實驗。反循環的目的是保證干空氣在環空內，地層水和霧化液在鉆桿內，壓縮機將空氣在地面干燥處理后再入井，保證不含水。鉆井和產層評價中應用了井下電視；就地注氮氣進行氣測滲透率分析；適合于干井眼測井系列分析等實驗。結論是干空氣鉆井對地層基本不存在傷害。美國能源部又組織了大型調查項目：空氣鉆井在美國鉆垂直井和水平井的潛力。調查報告詳細分析了空氣鉆井在美國的應用現狀、存在問題及發展方向。

美國能源部Morgan研究所為協調單位，組織規劃了全美大型示范工程項目—DCS計劃，將儲層傷害最小的鉆井（Drilling）、完井（Completion）、增產（Stimulation）形成系統。這實質上是一個低壓系列的鉆井、完井、增產改造系統。鉆井方法中，從對地層傷害由小到大、鉆井成本由低到高，依次排列的實驗技術為：氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣液鉆井、欠平衡優質泥漿鉆井；增產改造（酸化壓裂）方法中，從對地層傷害由小到大依次排列為：氣體（CO2、N2）加砂、氮氣泡沫、氮氣泡沫助排、烴基液、水基液。完井新方法中重點突出了層間隔離裸眼完井、可增產改造裸眼完井、洞穴改造完井等新方法。并在美國布署了24個實驗區。

除了DCS計劃外，圍繞配套于低壓鉆井、低壓低滲開發的完井問題，美國先后推出一些新的完井方法，如：直接裸眼完井、低密度泡沫水泥固井、泡沫礫石充填、管外封隔器裸眼完井、以及其它的特殊完井方法。但總體來看，完井方法仍然未能理想解決。

在與低壓鉆井配套的增產改造措施上，先后推出了泡沫酸、霧化酸、泡沫單井壓裂及泡沫壓裂整體改造，水平井分段裸眼壓裂與酸化、水敏性致密氣藏醇處理等技術。尤其是氮氣泡沫加砂壓裂，是對低滲透的一大貢獻。極低失水和強封堵保護儲層，使其特別適于低滲透油氣藏，其產量比常規水基壓裂提高2至4倍，最大壓裂規模已至1000m3基液、140t砂。自1980年以來，美國平均每年泡沫酸化壓裂1000口井次以上，平均每次處理增產250t。水平井分段裸眼壓裂則是美國DOE組織的另一個示范工程項目，其產量提高是垂直井壓裂的10倍左右。在配套的三采技術上，泡沫驅替、泡沫封堵、轉向保護、泡沫調剖、泡沫熱采、泡沫段塞改善氣水錐進、人造氣頂驅等技術先后實施，已經成為三采中的重要方向。但目前還不能說這類問題已經解決。

美國的煤層氣開發中低壓鉆井起到了關鍵性作用。90%的煤層甲烷直井、水平井均是空氣鉆井所鉆，這不單是由于降低成本的需要，更重要的是由于保護儲層不受傷害的需要。煤層井鉆完之后，普遍采用氣體動力洞穴完井做為增產改造措施。美國DOE與AMOCO聯合，還組織了向煤層注氮氣，驅替和競爭吸附提高甲烷采收率。中國煤層氣開發不成功，除了中國煤層的氣飽和、特低滲以外，技術上沒有空氣鉆井、沒有氣體動力洞穴完井，也是不利因素之一。

為了同氣基流體的低壓鉆井技術相配套，美國能源部組織了一系列的技術攻關項目，以解決低壓鉆井技術中出現的新問題。典型的重要技術有如下內容。氣基流體的井下動力鉆具和導向工具：井下動力鉆具有氣基流體（氣體、泡沫、充氣液）渦輪鉆具及配套減速器、螺桿鉆具、水平井自推進沖擊式鉆具（井下氣錘的改進產品）。氣基流體的隨鉆測量：因流體含氣，故常規MWD不能再用，進而發明了電磁MWD（EMMWD），用于軌跡測量和導航鉆井，更簡單的軌跡測量有纜式測量工具（CDT系統）。氣基流體測井技術：因流體含氣或純氣，有些測井方法失效（如聲波、電阻率等），故形成了氣基流體測井系列，但總體講還不是十分完善。地面設備：發展的最重要地面設備是井口旋轉頭（RHCs，Rotary Head Control System）和高壓注氣系統。氮氣發生器：為了井下和地面安全，將注入空氣改為注入氮氣，故產生了地面制氮系統，最常見的是空心纖維的膜分離裝置。還有其它一些單項技術，此處不再一一列舉。

在加拿大，則明顯標志為欠平衡鉆井鉆水平井。1993年初Husky公司首次采用液氮為氣源，鉆了三口充氣液水平井。第一口為泥漿充空氣，但控制原油不使其流入井內，結果增產并不理想，分析原因仍是儲層傷害所致。第二口則改變了方案，實現真正負壓差，在泥漿中充氮氣，允許原油大量涌入井內，形成了原油充氮氣的充氣液鉆井，增產效果比同區常規水平井提高約三倍。對設備進行改造后鉆了第三口井，不但原油充氮氣，而且對返出流體進行地面分離，回收原油，效果很好。但液氮耗量驚人，每天達12萬美元。因此，該公司委托加拿大Calgary大學火燒油層實驗室，進行氮氣與空氣混合的充氣液井下燒爆實驗，找到了空氣混60%氮氣的阻燃比例。Husky公司以此為依據發展了混合氣體的充氣液鉆水平井，液氮費用降至每天6萬美元。此后，美、加多個公司競相進行此類實驗，終于在1994年出現了膜分離現場制氮設備和密閉地面循環系統。目前，該技術已經商業化，配套設備和技術有：井口旋轉頭控制系統、地面制氮系統、高壓注氣系統、地面分離系統、監測儀表系統、支持軟件系統。該技術在美、加、歐洲正在被廣泛采用。

在美國，該技術延伸發展，由低壓充氣液欠平衡，發展到了輕泥漿低壓欠平衡，即用比儲層壓力系數低的輕泥漿鉆開儲層，實現欠平衡邊噴邊鉆。在設備上去掉了高壓注氣系統和地面制氮系統，地面分離也多采用分級分離方法。注意，輕泥漿的低壓欠平衡鉆井只能用于常規壓力或高壓儲層，不能用于低壓、低滲等層位。在美國Austin，最高極限是用1.80密度的泥漿欠平衡鉆開2.04壓力系數的儲層。

由于欠平衡鉆井有對儲層傷害小、直接的油氣顯示等優點，近年來，隨著老井重入、老井加深、老井側鉆及小井眼技術的發展，柔性盤管鉆機與充氣液低壓鉆井方式相結合，以氮氣為氣源進行產層各種作業，在加拿大、美國發展非常迅速。在美國，更新的水平井技術也正進一步與低壓鉆井、欠平衡鉆井相結合，以產生更有效的勘探開發手段。如：超長延伸水平井技術、地質導向水平井技術、重力輔助的蒸汽驅成對水平井技術、多側向水平井技術等。人們為重力輔助蒸汽驅的成對水平井技術，研制了井間電磁MWD技術，這種方法可以很好地用于各種方式的低壓鉆井。多側向分枝水平井技術，是一個多層位開發的新概念，該方法已經在美國的Austin Chalk儲層與欠平衡鉆井結合得以實施，效果很好。在嚴重水敏、嚴重吸水的低滲、特低滲油氣層，用無傷害低壓欠平衡鉆井鉆超長水平井、分枝水平井，代替常規水基壓裂，是頗具吸引力的一項新技術。

在美國，低壓鉆井年進尺數至少占總年進尺數的30%，僅空氣鉆井一項就占16.7%（1992年美國能源部統計報告），有些區域低壓鉆井進尺數占總進尺數的90%左右。前蘇聯于1984年的統計，氣基流體鉆井進尺占年總進尺的18%。1993年在加拿大開始出現欠平衡鉆井，僅在該技術出現的這年，加拿大就有200余口欠平衡的水平井完鉆。1996年的統計結果顯示：1994年美國、加拿大共完成低壓欠平衡鉆井976口，1995年達1210口，預計1997年增長率為15%，2000年增長率將達20%至30%。1996年統計，美國、加拿大已有25%的鉆機經設備改造后具有鉆低壓欠平衡井的能力，預計最終將有30%至40%的鉆機要進行這種改造。在15th WPC上有人預言：進行這種改造的鉆機數最終將占50%～60%。無論哪一種預測成為現實，都將說明低壓欠平衡鉆井的確是勘探開發所需要的技術。4.4 國外欠平衡鉆井中存在的問題

本文提出的低壓欠平衡鉆井是一個技術系列，它包括：氣體鉆井、霧化鉆井、穩定泡沫鉆井、不穩定泡沫鉆井、保護儲層的充氣液鉆井（欠平衡或平衡）、特殊泡沫鉆井、保護儲層的泥漿欠平衡鉆井，是一套特殊工作液(氣體、特殊充氣體、特殊泡沫等)與特殊壓力控制(平衡、欠平衡、過平衡)相結合的系列技術，是低液柱壓力與屏蔽暫堵相結合的技術，壓力控制關系可欠可過。當動態試井、了解產層、打開產層時可采用欠平衡，而當起下鉆、完井、測井時可用過平衡，過平衡一定是要建立在微過平衡和特殊屏蔽暫堵技術的基礎上。

“低壓鉆井”一詞目前尚未得到國際公認，雖然有人用過低壓頭鉆井(Low head drilling)，國際上一直沿用“欠平衡鉆井”術語（UBD,Under—Balanced Drilling）。但欠平衡鉆井的具體含義也是有些含混、不確切的。在90年代以前，有人按液柱壓力對地層孔隙壓力的關系將常規鉆井分為過平衡、欠平衡和平衡壓力鉆井，這種分類方法并未涉及產層流體是否可控制地返到地面。與此同時，更多的人將“空氣鉆井、霧化鉆井、充氣液鉆井、泡沫鉆井”統稱為欠平衡鉆井；但實際上，只有空氣鉆井、霧化鉆井屬于實質上的欠平衡，而充氣液鉆井、泡沫鉆井都是平衡鉆井或微過平衡鉆井。進入90年代初，欠平衡鉆井的概念又有了新的意義。Mark E.Teel于1992年首次提出“真正的欠平衡”和“偽的欠平衡”的區別，認為真正的欠平衡是使地層流體源源不斷流入井眼，可將其循環到地面并加以有效控制，這樣的鉆井技術稱欠平衡鉆井。但也有人將這種技術稱之為Flowing Drilling（類似于70年代國內的邊噴邊鉆）。加拿大能源儲備部（ERCB）提出新的定義：鉆井過程中使泥漿液柱壓力低于產層壓力，若鉆井液密度不夠低，則在鉆井液內充入氣體，允許地層流體進入井眼，并可將其循環至地面加以控制。在實際操作中，正常的邊噴邊鉆已經可以實現，但在欠平衡條件下的測井，下套管或下尾管、完井或注水泥等，目前還難以實現。因此，更多的人傾向于采用平衡壓力鉆井（實際上是微過平衡），即調節液柱壓力與地層孔隙壓力相平衡（或略高一點），一般情況下要采用氣基流體做鉆井液，同時對鉆井液加以改造使其具有較好的儲層保護能力，這樣既可以很好保護儲層，又可以在鉆井、完井過程中不使油氣大量涌入井內。對這樣一個系統的鉆井技術，我們將其歸納為“保護儲層的低壓鉆井技術”。這個系統技術的共同特點有三：一是“低壓”特點，相對于常規鉆井方法來講其液柱壓力都低，但其值或小于地層孔隙壓力（欠平衡）或等于、略大于地層壓力（平衡）；鉆井流體或是泥漿（對正常壓力梯度地層或高壓地層），或是氣基流體（對低壓異常層）。第二個共同特點是設備上的共性，井口都采用旋轉控制頭（RCHs，Rotating Control Heads）和可控阻流管匯，而注氣系統（氣基流體用）和多相分離系統（邊噴邊鉆用）則根據情況配用。第三個共同特點是技術的目的，這些技術的發展和采用，都是為了保護儲層，進而提高勘探開發成功率，而這一點都是通過降低泥漿液柱壓力來實現的。

但國際上目前最火熱的乃是欠平衡鉆井（充氣液的或輕泥漿的）。

欠平衡鉆井并非完全沒有儲層傷害，某些情況下還可能造成嚴重的儲層傷害。欠平衡鉆井中存在的儲層傷害的詳細討論此處從略，但概括起來講產生傷害的原因有設計原因、操作原因和本質原因。設計原因和操作原因可以通過認真的研究、控制得到改善，但本質原因是無法回避的。最嚴重的本質原因帶來的傷害主要有正壓差傷害、漏失性傷害和毛管現象傷害。正壓差傷害的主要原因是由于封堵能力的喪失；漏失性傷害的主要原因是無法制止大中縫置換性漏失、溶洞漏失及噴漏同在等復雜性漏失；毛管現象傷害的主要原因是水基液體的失水性質和滲濾性質。要想減輕或回避這些傷害，必須有更新概念的欠平衡鉆井方法。更關鍵的問題是鉆井可以實現欠平衡，而起下鉆、下套管注水泥、完井、測井等還不能實現欠平衡作業，因此也需要考慮新思路。

4.5 低壓欠平衡鉆井中待發展的技術改造重點 4.5.1 能夠順利地完成油氣層井段鉆井、完井作業

最重要的技術改造是要使低壓鉆井敢于面對油氣層，可以安全、順利地完成油氣層段作業。而傳統的低壓鉆井流體均為空氣與液體的兩相流，空氣在井內與油、氣混合極易產生井下燃燒與爆炸，造成鉆具熔斷、井口炸毀、甚至人員作傷亡。故而早期的觀點認為低壓鉆井不能進入產層，而在進入產層之前轉換為泥漿鉆井或天然氣鉆井（如果有天然氣源可用）。要使低壓鉆井敢于面對油氣層，首先要解決井下燃爆問題。而解決該問題的唯一可靠方法是斷氧，使用惰性氣體下井。大量地使用高純度惰性氣體下井一般意味著很高費用，能否采用一定比例的空氣和惰性氣體下井阻燃？如何在現場方便經濟地產生足夠多的惰性氣體？于是進行了模擬井下條件的燃爆實驗。一是開口流動條件下井下實驗，另一個是閉口靜止條件下的井下實驗。分別模擬了在鉆井循環條件下和停止循環條件下的井下燃爆。對各種燃料（甲烷、天然氣、原油蒸發氣），氧含量的最低燃爆限為14%（氣體鉆井、泡沫鉆井）和10%（充氣液鉆井）。因此，第一個技術改造是將空氣氣相經濟方便地轉換為惰性氣相。4.5.2 具有良好的保護油氣層的能力

如前所述，一般講低壓欠平衡鉆井具有比常規鉆井強得多的保護油氣層的能力；但某些情況下仍可能產生某種程度的、甚至是很嚴重的儲層傷害。尤其是前面所述由于“本質原因”帶來的傷害，則必須在“非常規壓力（低壓）”、“非常規壓力控制關系（平衡、欠平衡）”基礎上，加以“非常規流體”予以解決。

氣體鉆井是一種非常規流體，對儲層傷害最小，尤其適于低滲透、高水敏油氣藏。但氣體鉆井對付復雜地層的能力差（如地層出水、井壁坍塌等），故其應用范圍受限。

高干度穩定泡沫具有良好的綜合特性，例如：

極低的液相（10%～30%，一般20%）； 泡沫結構和基液性質決定極小失水（甚至可達失水為0）； 隋性氣相（無反應沉淀、乳化、細菌、腐蝕）； 泡沫膜、結構、尺寸對孔喉的單封作用； 泡沫結構流體對裂縫的封堵（微小縫半英寸之內）； 精心設計的基液組分和性質，可以保證對儲層的相容性和對頁巖地層的穩定；泡沫層承受正壓差沖擊的能力（膜的雙電層結構和馬格朗尼效應）；壓縮氣體的極好反排作用。

高干度穩定泡沫的作用：

可欠可過，均不傷害儲層； 可很好地用于封堵儲層保護微小裂縫； 極低的失水，可適用于致密氣藏、低滲油藏、水敏性儲層，保護效果僅次 于干氣； 水敏性儲層，保護效果僅次于干氣； 可較好地用于特大漏失層防漏和保護儲層； 低液柱壓力、強攜巖能力、高鉆速。

4.5.3 能夠適應深井和長水平井段水平井

很多情況下的深井和長水平段水平井都存在某種程度上的井壁力學性不穩定，氣體鉆井由于對井壁無任何支撐能力，因此氣體鉆井難以勝任普遍性的深井和長延伸水平井。充氣液鉆井屬于一種不穩定的氣液兩相流體，故而在垂直井筒內隨深度（或隨液柱壓力）有很大的流態變化，這使得充氣液鉆井不能將流體平均密度降低太多（在0.8～1之間），使用井深不能太深（一般未超過2000 m），否則上部井段會出現環霧流，氣體竄越而出，而失去液體循環和攜帶巖屑的功能。在長水平井段，充氣液的流態不穩定還會出現分層流，氣體由頂部竄越，液體攜帶巖屑在下部流動，這可能造成巖屑床堆積，增加鉆井困難。因此，充氣液鉆井也不適應于深井和長井段延伸水平井。泡沫流體，是氣液兩相的穩定均相流，無論是在深井還是淺井，只是泡沫流體的結構、尺寸和泡沫質量數隨壓力、溫度有一定變化，但始終是穩定泡沫，且可以直接傳遞支撐壓力到井壁上，因此它可以適應深井和長延伸水平井的要求。

4.5.4 能夠適應于高滲、特高滲、裂縫性儲層

以前，人們提到低壓儲層時往往直接意味著低壓低滲；但今天，低壓的高滲、特高滲、裂縫性已是無法回避的現實。在非均質性很強的高滲、特高滲、裂縫性儲層，并不能保證在負壓差條件下防止井內流體大量進入儲層，充氣液鉆井不能避免這種傷害。而具有特殊性質的泡沫流體則可克服這種傷害。4.5.5 能有效地保持井壁穩定

要想把低壓鉆井技術做為一種有普遍意義的新鉆井技術加以推廣應用，首先要解決的問題是低壓鉆井的井壁穩定問題。90%的井壁不穩定是泥頁巖層段井壁不穩定。井眼打開后泥頁巖與外來鉆井液相接觸，通過壓力滲流、自由水吸附擴散、陽離子交換等作用產生水化反應。根據水化反應的類型，可將泥頁巖分為四大類：軟泥巖（膨脹性粘土含量高，水化表現為塑性流動），分散型硬脆泥頁巖（混層粘土含量高，水化表現為開裂成為碎塊或碎片），吸水降強型硬脆泥頁巖（膨脹型粘土與混層粘土含量都很低，水化后無明顯外觀變化，但力學強度大幅度降低），應力型硬脆泥頁巖（多見于高構造應力區及5000m以上超深井）。這四類中最為普遍的是吸水降強型硬脆泥頁巖。在傳統的泥漿鉆井中，人們采用的是一種try and err的方法逐步達到井壁穩定的目的。在新區第一口井若出現了井壁不穩定，則采取三條可用措施增加鉆井液對井壁的穩定能力：第一提高密度，第二提高對泥頁巖的抑制性，第三提高泥漿的封堵能力。通過幾口井的try and err最終達到了井壁穩定的目的，這種井壁穩定是對應著一定的泥漿密度（大于1.0）、一定的抑制性、一定的封堵能力而言的。但人們就認為這個對應密度就是井壁穩定的臨界密度，并從此不敢采用低于此臨界密度的鉆井液鉆井。這個觀點雖然傳統，但確實錯誤。由于泥漿成本和性能維護的原因，人們總是從弱抑制能力泥漿開始進行試驗，逐步增大抑制性、密度和封堵能力，最終在抑制性、密度和封堵能力三者間找到了一個平衡點。但實際此時由于泥漿的水化抑制能力均處于中等偏弱水平，這種鉆井液實際上已造成了泥頁巖強度的大幅度降低（實測結果一般降低50%～70%），增大泥漿抑制性，可粗略理解為減少泥頁巖強度喪失。這樣，在一定的泥漿抑制性（或水化后泥頁巖強度）的條件下，便有一個臨界的井壁穩定泥漿密度。如果可以使泥頁巖強度少降低甚至不降低，則可使井壁穩定臨界密度大大降低。采用特殊配制的泡沫流體，可使泥頁巖強度降低量控制在10%～20%范圍，因此井壁穩定臨界密度可以大幅度降低。一般對1.20左右密度、抑制性中等偏弱的泥漿便可穩定的泥頁巖地層，采用特殊配制的泡沫流體，則可使穩定密度降至0.3左右。因此，對中國大部分地區，均可采用低壓鉆井。4.5.6 能夠應付復雜地層壓力體系

傳統的低壓鉆井，只用來對付低壓儲層。但今天的勘探與開發，經常在一口井中同時存在多個壓力體系的產層，對一口井的鉆井液，需要對付高壓，也必須適應低壓。高壓需要主要來自兩個方面：一是穩定上部井壁的需要；二是封堵上部高壓層的需要。中國大部分油田屬于陸相沉積的多套油層類型，由于早期開采時只打開了最有利的主產層，且中后期采用高壓注水（甚至早期就采用強化注水）措施，現在主產層已近于枯竭。目前改造挖潛、調整開發的主要任務之一就是要打開主產層之下未開發的油層，主產層是高壓注水層，相對其它待開發產層就成為低壓層。采用復雜的井身結構，不但成本高，而且有時壓力系統已復雜到不能用多層套管封隔的地步。因此，井內的流體，既要能夠穩定裸眼完井壁，封堵住高壓層，同時又要對低壓產層形成良好的保護。這是對非常規流體鉆井技術的更高要求的技術改造。

4.5.7 能夠提供及時的、準確的動態試井

當井身軌跡完全穿透產層之后，人們希望能夠立即進行動態試井，由此了解有關產層的基本情況。經過技術改造的低壓鉆井技術，配套有一套監測儀表系統和試井解釋系統。可以使操作者方便地進行上述測試。在實驗架上的實驗表明：泡沫流體比充氣泥漿給出了好得多的試井解釋結果，原因是充氣泥漿的氣液不穩定兩相流計算的復雜性和不確定性。4.5.8 低壓欠平衡鉆井配套的完井技術

低壓欠平衡鉆井配套的完井技術，雖然已有一些簡單方法，但仍然非常欠缺，是整個配套技術中的最薄弱環節，極需提高。不良好的完井，可以說是最大的永久性傷害之一，應該予以高度重視。儲層的良好完井方法，對低滲透、裂縫性儲層非常重要。

配套的氣基流體測井、地質錄井及增產改造技術，也是技術改造的重點內容，但這需要更廣泛的跨學科攻關。

4.6 低壓欠平衡鉆井在我國的推廣與應用 4.6.1 有多大范圍應該采用此項技術

對于全國有多大范圍應該采用低壓欠平衡鉆井技術，沒有詳細的統計資料，粗略估計如下。

（1）低壓低滲低產能油氣資源，估計占總資源量的1／3。

（2）開發中后期老油氣田的改造挖潛，估計至少有一半任務要面對壓力枯竭。

（3）非常規油氣資源（稠油、天然瀝青、煤層氣等）是必需上低壓欠平衡鉆井的領域。

（4）異常復雜的儲層（漏、噴、塌、嚴重傷害等），如碳酸鹽巖、古潛山風化殼、礫巖等，也必需此項技術。

（5）降低成本，提高效益。國外應用結果：鉆速提高4至10倍，產量提高3至10倍。

（6）保護儲層的必需技術。至少有三分之一的儲層必需靠低壓欠平衡保護。

（7）提高勘探成功率和精度，提高開發效益。除少數情況外（高含H2S氣井、高壓氣井、超深井、嚴重不穩定地層），大部分儲層均可低壓欠平衡打開，而且保護效果優于常規鉆井打開儲層。

（8）低壓欠平衡鉆井是一個系統技術，不可只偏重其中一兩項，應全面發展，根據情況選用。例如：

致密氣、煤層氣—氣體鉆井

低滲油、水敏性—氣體鉆井、穩定泡沫鉆井

復雜地質條件儲層—穩定泡沫、充氣液鉆井

一般油氣層—充氣液、不穩定泡沫鉆井

高壓油氣層—優質輕泥漿欠平衡

復雜壓力體系—特殊泡沫鉆井

探井—各種流體欠平衡

大面積開發井—各種流體平衡加封堵保護，或各種流體欠平衡

（9）低壓欠平衡與其它技術結合

低壓欠平衡加水平井、導向鉆井，用于提高勘探成功率；

低壓欠平衡加水平井、分枝井、超長水平井，用于提高開發效益；

低壓欠平衡加盤管鉆機、老井加深、老井側鉆、小井眼技術，用于老油氣 田改造挖潛；

低壓欠平衡加超長水平井、分枝水平井，用于特低滲、強水敏油氣田增產 改造，部分代替水力壓裂。

（10）究竟有多大范圍應該使用，尚無準確定論。但最保守估計：至少總儲量的1／3要靠低壓欠平衡系列技術，我國的鉆機裝備至少應改造1／3，使其具有進行低壓欠平衡鉆井的施工能力。美國、加拿大于1996年就達到了裝備改造占25%的比例；最近有人預言，最終裝備改造比例將超過50%。主要結論

油氣工業鉆井領域的近期形勢是嚴峻的，任務是艱巨的。主要體現在開發上要拿難拿儲量、非常規油氣資源，勘探上要適應日益復雜困難的地質條件的需要。低滲透、原生性低壓、復雜條件下的儲層、非常規油氣、老油田改造、提高勘探成功率和精確性、降低勘探開發成本，這些就是主要任務。為了完成這些任務，鉆井界必須發展新技術。低壓欠平衡鉆井，是滿足目前嚴峻形勢、完成艱巨任務所必需的，因此，應該列為我國鉆井界近期重點發展技術。西南石油學院對此項技術已進行了近7年的儲備性研究，很多方面有國際先進的技術思路，希望能得到支持盡快打開局面。

致謝 本文主要研究內容與成果，為西南石油學院低壓鉆井學術組全體人員近7年的共同研究成果。形成該成果的過程中同時有如下單位參加研究：新疆局鉆井研究院；遼河局鉆井處、鉆采研究院、鉆井二公司；吐哈油田鉆井研究所；四川局川西南礦區；四川局川中礦區。執筆作者在此向所有參研人員表示感謝。同時感謝勘探局孫振純同志、楊光盛同志，科技局孫寧同志、胡世杰同志對本文的審查修改意見。

(編輯 羅先碧)羅平亞,男，1940生，中國工程院院士

作者單位：西南石油學院完井中心，四川南充 637001

1998—03—07收稿

第二篇：欠平衡鉆井技術及應用

欠平衡鉆井技術及應用

摘 要：欠平衡鉆井是國際上90年代初再次興起的提高勘探開發效益的鉆井新技術。近幾年我國來在油、氣田勘探開發方面已進行了大量技術研究和現場試驗，并取得了顯著的成果。欠平衡鉆井的相關理論和技術研究已經成為鉆井工作者的一個研究熱點。

第1章

欠平衡鉆井相關理論

1.1 油氣藏篩選理論

1.1.1 適合欠平衡鉆井的油氣藏

1、具有潛在井漏或鉆井液侵害的油氣藏

這些油氣藏包括晶間滲透率大于1μm2的地層；具有大的宏觀開放型裂縫的地層；具有大量連通孔洞的非均質碳酸鹽地層；可以導致過平衡壓力大于6.9MPa的壓力枯竭地層。過平衡鉆井最壞的情況是高滲透性特點與嚴重的壓力枯竭相結合。對于上面提到的這些油氣藏來說，由于很難設計有效的過平衡鉆井液體系，所以它們是欠平衡鉆井的最佳選擇對象。特別是在裂縫性或非均質碳酸鹽油氣藏，很難形成防止鉆井液濾液和固相侵害地層的均質穩定濾餅，并且發生抽汲后，地層內的流體仍舊會不受約束的流入井眼。在這種情況下形成的濾餅，經常引起壓差卡鉆，最終導致毀滅性卡鉆事故。在具有宏觀滲透性特點的水平井中，由于重力引起的排泄，可能會發生井漏。

2、具有巖石-流體敏感性的地層

相當大的地層損害可能是由于不相溶水基濾液與地層粘土或其它活性材料的有害反應引起的。許多地層含有水活性粘土，如蒙脫石或混層活性粘土。這些粘土與非抑止性水基鉆井液接觸會發生膨脹，并嚴重影響采收率，而且在某些情況下，會影響近井眼區域固結。有些地層可能還含有懸浮粘土和細顆粒或可運移材料，如高嶺石粘土，碎巖屑，焦瀝青和無水石膏。這些問題中的許多情況可以通過欠平衡鉆井技術或合理的采用油基或抑制性水基鉆井液的過平衡鉆井技術來解決。

3、具有液-液敏感性的地層

欠平衡鉆井可以防止不相溶的鉆井液濾液侵入地層，從而消除侵入濾液與地層鹽水或原油發生有害反應。其中的一種有害反應是高粘水包油乳化劑鉆井液被圈閉在近井眼區域。另外的有害反應包括：由于油基鉆井液侵入油氣藏原油引起脫瀝，從而導致滲透率的降低；由于不相溶的水基鉆井液濾液和地層鹽水混合而導致地層膠合和固體物沉淀。正確的地質化學試驗和相溶性試驗可以消除大多數常規過平衡鉆井過程中遇到的這種問題。然而，在特殊情況下，應首先采用欠平衡鉆井來避免將具有潛在有害反應的材料引入地層。

4、具有潛在自吸能力的地層 由于有害的相對滲透率效應，近井眼區域的水或烴形成永久性圈閉，從而導致地層產量的降低。如果使用了錯誤的鉆井液基液，欠平衡鉆井會由于自然的對流自吸效應而使這一問題更加惡化。然而，合理設計的欠平衡鉆井工藝可以成為一種減輕與鉆井液保留和圈閉效應相關的潛在問題的有效途徑。利用一種非濕性流體作為欠平衡鉆井作業的基液，如果欠平衡鉆井條件得以維持，那么就可以防止自吸和降低相圈閉的可能性。從而可以防止鉆井液基液進入地層而直接產生驅替和圈閉。

5、油藏性質高度易變的地層

在油氣藏滲透率、孔隙度或孔隙喉道尺寸的分布上呈現出很大差別的高度層狀地層或大量沙巖或碳酸鹽地層代表了設計有效過平衡鉆井液體系的主要挑戰。在這些情況下，為了獲得預期的主要產量，通常設計的過平衡體系用來保護質量較好的那部分基巖。而這有可能對其它部分的潛在高產油氣層造成嚴重損害。在其中的某些情況下，利用欠平衡鉆井工藝可以從目標層段獲得更加均勻的開采。

6、具有活躍的地下水并且對水錐進敏感的地層

在這樣的地層如果采用過平衡鉆井，那么鉆井液會侵入地層，引起水錐進效應，并且在完井后的試油作業過程很容易向水層打開通道，給今后的開采帶來麻煩。而欠平衡鉆井，由于井底壓力低于地層孔隙壓力并且不需要試油作業，所以可以降低或避免以上問題的發生。

7、低鉆速地層

對于某些硬地層來說，利用欠平衡鉆井和利用過平衡鉆井相比，機械鉆速可以提高10倍，從而減少了鉆井時間和相關費用。在有限的幾種情況下，欠平衡鉆井的主要目的是提高機械鉆速而不是避免地層損害。2.1.2 不適合欠平衡鉆井的地層

1、高壓和高滲透率相結合地層

從地層損害觀點看，雖然埋藏較深的高壓，高滲透率地層代表了欠平衡鉆井最具可能性的地層之一，但是在地面可能出現安全和井控問題。井底壓力高于21.7MPa，特別是在氣層中，更適合常規的旋轉鉆井設備和旋轉控制頭。在這種情況下，由于地面額定壓力非常大，所以采用連續柔管鉆井可能更合適。相反，如果需要的地面注入壓力較高，那么蓄積在地面連續管柱中的大量壓力流體也會帶來不安全因素。

2、受壓力約束的地層

通常,具有不同壓力的多個產層的油氣藏或在給定的目的層中存在明顯的壓力變化的油氣藏，是不適合采用欠平衡鉆井的。

3、常規地層

大多數地層可以從完美的欠平衡鉆井設計和執行中受益，但欠平衡鉆井比常規的過平衡鉆井昂貴得多，并且存在一定的風險和問題。對常規地層來說，如滲透率低于0.5μm2的均勻晶間地層以及具有較低的巖石（流體和流體）流體敏感性的地層，設計合理的過平衡作業與價格昂貴、風險較大的欠平衡作業相比，可以產生相當的或更好的效果。2.1.3 油氣藏篩選程序

對于直井或水平井的欠平衡鉆井來說，篩選合理的油氣藏是非常必要的。通過研究油氣藏的構造圖以及收集和分析相關的數據，可以描述出油氣藏為均質油氣藏還是非均質油氣藏。需要提供和研究的油氣藏數據參數包括油氣比原油的API密度、平均孔隙度、平均滲透率、地層體積指數、壓力、溫度和含水量。另外，油氣藏的構造資料、注水、注氣以及原油粘度都在“區分油氣藏特征”方面起著一定的作用。在油氣藏篩選問題上，應該由一個有鉆井工程師、油藏工程師、地質學家、地球物理學家、巖石物理學家、采油工程師、欠平衡鉆井專家、安全專家、經濟師等組成的多學科工作組來完成。多學科工作組在進行這項工作時，必須仔細考慮一個用于單個油氣藏篩選的詳細篩選程序。這個篩選程序為[8]：

1、用簡單的欠平衡鉆井技術能否完成這口井；

2、以我們現有的數據能否證明欠平衡鉆井技術在此油氣層中優于過平衡鉆井技術；

3、用欠平衡鉆井技術潛在的風險和事故；

4、該地層能否承受住壓力降低而不坍塌；

5、欠平衡鉆井技術與長期的油氣層優選相比較費用是否劃算；

6、多學科工作組是否對油氣藏已經做了足夠的研究工作；

7、初始油井設計是否能滿足油氣藏開發標準；

8、現有的井控設備能否滿足預期的油氣層條件。

第2章

欠平衡鉆井關鍵技術

2.1 欠平衡鉆井液技術

欠平衡鉆井液技術是能否實現欠平衡鉆井的關鍵技術，是實施欠平衡鉆井的主要內容。采用流鉆時不需要向鉆井液中加入時密度降低的外加劑，也不需要由此而必備的的輔助設備和外圍輔助設備，因而鉆井成本較低。采用人工誘導方式產生欠平衡條件，有兩種實現方法。第一種是直接用低密度的空氣、霧化、泡沫等鉆井液；另一種是往鉆井液基液中注入一種或多種不凝氣，以降低鉆井液密度，實現欠平衡鉆井的目的。采用這種方式，需要在在鉆井液中加入減輕劑和使用減輕劑制備與充入設備，以及對返出鉆井液進行處理的外圍設備，鉆井成本較高。2.1.1 選擇欠平衡鉆井液體系應考慮的問題

選擇欠平衡鉆井液十分重要，選擇鉆井液時要根據所鉆欠平衡井的類型、井身結構、儲層物性、孔隙壓力等來綜合考慮選擇合適的欠平衡鉆井液。還要考慮鉆井液基液本身的物理性質，比如粘度效應低、無腐蝕性、毒性低等。

1、鉆井液可實現的最低密度

于開發特定的儲層，其孔隙壓力基本是已知的，所以實現欠平衡過程中欠壓值確定的情況下，所需要的鉆井液密度就確定了。而對于探井實施欠平衡，由于目前還沒有一種能準確預測 地層孔隙壓力的方法，給出的地層孔隙壓力只是個參考值，而欠平衡鉆井的核心就是鉆井液的液柱壓力要低于地層孔隙壓力，這就要求選擇的欠平衡鉆井液體系的密度在一定范圍內可調，特別是可實現的最低密度要比給出的地層孔隙壓力系數要低，已知實際地層壓力系數低于預測的地層壓力系數時，可以降低鉆井液的密度，實現欠平衡。

2、鉆井液穩定井壁的能力

實施欠平衡鉆井的前提是井壁要穩定，開發井儲層比較明確，技術套管可以下到儲層的頂部，而探井儲層不明確，而且可能勘探的還是多個層，加之地層的孔隙壓力不是很準確，在實際實施過程中，能否真正實現欠平衡還不是很清楚。除非在確切知道所實施的欠平衡井段十分穩定的前提下，可以不考慮井壁的問題，否則，在含有大段泥巖地層實施欠平衡鉆井，就要考慮欠平衡過程中的井壁穩定問題。

欠平衡井壁穩定的問題，實際上就是在確定了的負壓差條件下，實現欠平衡時鉆井液的液柱壓力是否高于欠平衡段地層的坍塌壓力，如果實現欠平衡時鉆井液的液柱壓力是高于欠平衡地層的坍塌壓力，那么井壁就是穩定的；否則，井壁就要失穩，換句話說，這個層段就不合適實施欠平衡鉆井。在液柱壓力高于地層的坍塌壓力條件下，就實現了井壁的力學穩定，而在欠平衡實施過程中，特別是在低滲透水潤濕儲層（氣層）實施欠平衡鉆井時，水基鉆井液會因對流自吸作用而濾失到近井眼，也可能引起井壁的不穩定問題發生。所以在選擇欠平衡鉆井液時也要考慮化學穩定井壁的問題。

3、欠平衡鉆井液的攜屑能力

安全鉆井的前提就是鉆井液要把鉆頭所破碎的鉆屑有效的攜帶出來，欠平衡鉆井也是一樣，而且欠平衡鉆井的機械鉆速相對較快，欠平衡鉆井液的攜帶問題顯的更為重要。有的地層很穩定，使用清水可以實施欠平衡，而且可以采用提高排量來滿足攜屑能力，又會產生鉆井液沖刷井壁，引起井徑擴大。所以這就要欠平衡鉆井液要有較好的流變性，即要有較好的攜屑能力，滿足欠平衡鉆井安全施工的需要。

4、欠平衡液與地層產出物的相容性

[22]

在欠平衡鉆井作業中，如果確實達到欠平衡鉆井條件，地層中的油、氣、水等單一或其混合物將從地層流入井眼并與循環的鉆井液接觸。這樣，就會對欠平衡鉆井液產生稀釋降粘或增粘等作用，所以在選擇欠平衡鉆井液的時候要充分考慮欠平衡鉆井液與地層產出物的相容性問題。

而在有的井實施欠平衡作業時，使用的是乳化鉆井液，特別是在實施油層欠平衡鉆井作業時，如果沒有選擇好合適的乳化劑，儲層的原油侵入井眼后會產生高黏度的穩定的乳化物，導致鉆屑分散性差，鉆屑積聚和卡鉆。在選擇表面活性劑時還應十分謹慎，防止當鉆井液漏失到地層中引起地層潤濕性發生變化。

另一個要防止的問題是鉆井液濾液與地層水相互作用產生結垢和沉淀物，也就是鉆井液與地層水不配伍的問題。如果是充氣鉆井，在注入氣中含有CO2，CO2溶解在產出或循環液的油中，在高的井底壓力下會產生瀝青。

5、防腐問題

如果使用充氣，鹽水鉆井液等來實施欠平衡作業，就存在腐蝕的可能性，若地層中產出的氣體中含有H2S，腐蝕問題會更加嚴重，容易產生氫脆問題。這就需要對欠平衡鉆井液進行評價，采取加入除氧劑、除H2S劑等，還要仔細分析評價游離氣、溶解氣和地層水等。

6、對流自吸作用

如果欠平衡鉆井作業在低滲透水潤濕的儲層中進行，毛細管壓力作用可能導致地層損害，即便是在連續的欠平衡條件下，因水基鉆井液的對流自吸作用而使鉆井液濾失到近井眼帶。這一問題可通過在鉆井過程中全面脫除液體介質或選擇非潤濕液作為基液來解決，如選擇柴油，穩定的凝析油和植物油等。選擇非潤濕性流體作為基液，是減輕對流自吸作用把侵入損害降低到最低程度的唯一方法。

7、對測井和錄井的影響

選擇欠平衡鉆井液時還要考慮鉆井液對測井和錄井是否有影響，在可能的情況下，選擇的鉆井液應對測井和錄井無影響或影響達到最小。

8、鉆井液的經濟性和安全性

在考慮了以上選擇欠平衡鉆井液的因素外，還要充分考慮鉆井液的成本及使用過程中的安全性問題。

2.2 欠平衡鉆井井底壓力控制技術

井底壓力控制時欠平衡鉆井成功的關鍵，如果井底壓力控制不當，會造成過壓鉆井，導致油氣層污染，從而降低油氣產能，甚至引起井漏等井下復雜事故，影響整體勘探開發的效果。井底壓力影響因素分析: 可能造成井底壓力波動的因素有：①地層參數和井筒幾何尺寸；②鉆井液參數和注入氣體類型；③泵排量和氣體注入速度；④隨鉆氣液產量；⑤地面控制程序（主要是節流閥開度）；⑥注氣方式；⑦起下鉆、接單根和修理設備等操作。

1、地層參數和井筒的幾何尺寸

地層壓力是欠平衡鉆井過程中首先要搞清楚的最基本壓力，一切欠平衡的壓力計算建立在這個壓力基礎之上。其他地層參數，如坍塌壓力、破碎壓力、巖性、產層等參數是設計井底負壓值和井口回壓的重要依據。井筒的深度、井徑和井身結構是計算環空靜液柱壓力、環空循環壓力損耗的穩定參數。

2、鉆井液參數和注入氣體類型、方式

由于地面上對返出鉆井液中的油氣進行了充分的分離，因此鉆井液性能對壓力波動的影響很小，除非人為地對鉆井液性能進行調整。注入氣的類型影響，主要是指所注入氣的性能參數，它影響了井底壓力的計算，如果注入氣溶于鉆井液，會影響鉆井液的性能。同樣，注入方式不同，所產生的效果不同，主要反映在鉆井液柱壓力的大小上。

3、泵排量和氣體注入速度 泵排量是主要影響因素，它的變化反映在泵壓、套壓得變化上。影響著Pm、Pf、Pacc、Pt的變化。在欠平衡鉆井中，氣體在井眼內占據的體積和相應的流動循環摩阻對井底壓力的大小影響很大。前者使井底壓力下降，后者使井底壓力增加，二者相互影響、制約，又會影響地層流體進入井眼氣體的流量，這說明在給定的欠平衡鉆井條件下，環空氣量降低井底壓力存在一個極限值——最佳注氣量。①鉆井液排量一定時，井底壓力隨著環空氣量的增加而下降，但有一個極限值②一般而言，排量越小，井底壓力的下降幅度越大。③環空氣量一定時，井越淺，井底壓力降低幅度越大，說明淺氣井的井控問題突出。

4、隨鉆氣液產量

這是一個很難精確控制的因素，但卻對井底壓力有重要的影響，上文說到它是設計井底負壓值和最大井口回壓的主要依據，同時也是在鉆進過程中調節井底負壓值的參考依據之一。在鉆進過程中可以調整，最簡單的辦法是根據地面產量的測量數據，考慮影響因素，根據產層滲流方程進行回歸分析。

5、起下鉆、接單根和修理設備等操作

在起下鉆、接單根和修理設備操作時，循環被終止，此時，在不同欠平衡工況條件下，由于沒有摩擦壓力損失，井底壓力都會發生不同程度的變化。

（1）接單根

接單根時，井底壓力下降，井底負壓值增大，產油氣量增加，其產出量取決于井眼類型、產出率等因素。在較長裸眼段的水平井內，過多的產液量引起鉆井液分離，從而在較低部位引起靜液壓力變化，可能導致過平衡狀態或負壓增加。重新循環時，摩擦壓力作用于井底，因液流加速度而增加，可能會導致壓力激增。特別是鉆桿注氣，井底壓力波動較大。采用環空注氣在接單根時，如果環空關閉，井筒上部鉆井液出現分離；如果環空開放，由于產出液的滲入，液柱壓力增加幅度不大。因此，可保持適度的連續氣量注入以避免壓力激增。與鉆桿注氣不同的是，環空注氣時井底壓力取決于上部液體及注氣速度。

（2）起下鉆速度

起下鉆很難保持欠平衡狀態，如果連續管鉆井，可以通過鉆桿注氣的方式進行維護；如果是流鉆條件鉆井，則需要壓井，此時井下將達到過平衡狀態，應該用不壓井起下鉆工藝[24]；應用環空注氣與不壓井起下鉆工藝結合，效果較理想，可以維持連續的欠平衡狀態。同時起下鉆作業會引起抽汲壓力和激動壓力，要嚴格控制速度，避免引起井底壓力產生較大波動。另外，欠平衡鉆井時，盡量縮短設備的修理時間。

第三篇：欠平衡鉆井條件下錄井技術研究

欠平衡鉆井條件下錄井技術研究

摘 要:隨著欠平衡鉆井技術的應用,綜合錄井如何盡快適應這一新技術的發展和挑戰,已成為錄井界面臨的重要研究課題之一。文章闡述了欠平衡鉆井工藝概況,欠平衡鉆井工藝對錄井的影響,相應提出了一套較為全面的錄井措施和配套技術。對同類型作業的錄井施工具有指導意義。

關鍵詞:欠平衡;錄井;影響;措施;應用;認識

在石油鉆探過程中,為了更有利于發現油氣層,保護儲層,提高鉆井速度,保障井下安全,越來越多地采用欠平衡鉆井技術,并取得了十分顯著的效果。隨著欠平衡鉆井新技術的應用,現有錄井技術和方法已不能滿足這一新技術的發展。目前,隨著這一新技術的大量應用,必須開展與之相配套的錄井技術的研究工作,以適應勘探形勢的發展,促進錄井技術及綜合解釋評價技術的全面提高。欠平衡鉆井工藝概況及配置 1.1 基本原理及方式

欠平衡鉆井技術是指在鉆井過程中使鉆井液的循環壓力(包括液柱壓力和循環回壓),低于地層的孔隙壓力,允許地層流體進入井眼,并將其循環到地面并加以有效控制的一種鉆井技術,又稱負壓鉆井技術。

按照循環介質的性質來分類,主要有以下兩種方式:(1)液相欠平衡鉆井:主要采用低密度鉆井液來實現欠平衡鉆進。適用于地層壓力系數大于1.05的地層。

(2)氣相欠平衡鉆井:包括干空氣鉆井、氮氣鉆井、天然氣鉆井、霧鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井。適用于地層壓力系數小于1.05的地層。

1.2 工藝特點

1.2.1 液相欠平衡鉆井工藝特點欠平衡鉆進過程中,從井筒內返出的混合物經過井口鉆井四通、再經過節流管匯節流閥的降壓控制,進入液氣分離器將氣相分離出來,被分離出的可燃氣體通過燃燒管線排出井場并燃燒掉,液相和固相進入固控系統將固相清除,液相進入撇油系統后將油與鉆井液分離開,油進入儲油罐,干凈的鉆井液被泵回循環系統。

1.2.2 氣相欠平衡鉆井系列工藝特點 氣相欠平衡鉆井系列可分為以下幾種:(1)氣體鉆井:包括空氣、天然氣、廢氣和氮氣等介質,密度適用范圍為小于0.02 g/ cm3。

(2)霧化鉆井:密度適用范圍0.02～0.07g/ cm3;

(3)泡沫鉆井液鉆井:包括穩定泡沫、硬膠泡沫、可循環泡沫鉆井,密度適用范圍為0.07～0.70g/ cm3;(4)充氣鉆井液鉆井:在鉆進的同時往鉆井液中注氣,其密度適用范圍為0.7～0.95 g/ cm3 ,是廣泛應用的一種欠平衡鉆井方法。

其主要優點為：

(1)應用廣泛,適用于地層壓力系數小于1的低壓、枯竭的以及用液相欠平衡鉆井技術無法成井的儲層;(2)最大限度地減少對低壓產層的損害,進而降低完井成本;(3)提高勘探開發效率,縮短勘探周期,降低勘探費用;(4)機械鉆速提高2～5倍,提高單只鉆頭進尺,降低鉆機作業時間;(5)可以消除發生在低壓漏失層的鉆井液漏失、卡鉆等事故;2 欠平衡鉆井工藝對錄井的影響

欠平衡鉆井施工過程中,由于鉆井工藝、流程和循環體系的改變,常規錄井設備、方法已經難以滿足現場錄井工作的需要,部分技術缺少理論基礎,主要反映在以下方面: 2.1 儀器設備的安裝受到限制

欠平衡鉆井過程中,由于鉆井設備的增加和改進,所需設備的數量和安裝條件發生了變化,致使部分儀器設備的安裝、使用及操作需做相應的變動。

由于是負壓鉆井,對地層油氣的敏感性較強,如果鉆遇油層或含有H2 S地層,油層內油氣會隨著循環物直接排出,油氣的分離和處置或H2 S的處置在現場直接進行,給現場帶來了安全隱患,因此對錄井系統的安全防護技術提出了新的、更高的要求。

同時現場存在多個高壓區,對設備和人員的安全及設備性能提出了更高的要求。

2.2 錄井技術和方法的不足 在欠平衡鉆井條件下,常規錄井的一些技術和方法已經不能滿足錄井工作的要求,需要改進和創新。

(1)巖屑錄井

首先,是巖屑采集的問題。由于欠平衡鉆井采用密閉循環體系,無法采用常規的振動篩實現分離液固相的方式來收集巖屑。

其次,是巖屑的識別問題。由于鉆井液密度較低,攜砂能力差,返出的巖屑樣品數量少,巖屑細小、混雜,代表性差;在使用油基泥漿、泡沫泥漿等泥漿體系的條件下對巖屑的評價與分析比較困難。

第三,是巖屑歸位問題。傳統的巖屑錄井是在取得了對應于某一深度之處的巖屑進行巖性的識別與油氣層的監測,由于欠平衡鉆井工藝流程的變化,巖屑是經過液固或氣固分離器后才能排出循環系統,巖屑是某一層位的混合物,根本無法歸位。

(2)氣測錄井由于鉆井工藝流程的變化,主要帶來以下幾方面的問題: 一是以泥漿脫氣為主的氣體采集系統沒有了基礎,也就是說從井口上來的就是氣體,直接進機分析,常規以脫氣為主的工藝要改變為如何在高壓力下采集到有代表性的氣體。

二是欠平衡鉆井如果采用油基泥漿,氣測采集分析的是經油氣分離器分離之后的流體內的氣體,背景值較高,對地層油氣發現有影響,同時若井口回壓控制較高,原油容易進入氣管線造成污染而發生漏測。

三是在以液相作為鉆井介質的欠平衡鉆井中,流體呈間斷返出,并因分離器中的氣體不能充分排凈形成的滯留氣的影響,使得信息被混淆、或被干擾、疊加,同時因欠平衡鉆井,上部地層流體源源不斷地進入井筒,對新鉆遇油氣層的發現造成困難。而以氣相為鉆井介質時,地面有機氣體(有些地區部分井采用天然氣鉆進)將直接影響氣測監測,而其中的無機氣體則將影響CO2、H2、N2 的監測。

(3)地層壓力錄井

由于鉆井介質發生變化,巖石破損機理跟常規鉆井也有所不同,傳統dc指數、sigma指數地層壓力監測法已缺少相應的理論支持,需要重新認識與研究。在使用密閉循環系統進行鉆井時增加了對鉆井負壓值進行實時監測的難度。

(4)工程事故預報 由于欠平衡鉆井工藝發生了變化,常規鉆井條件下的部份工程事故預報的機理發生了變化,需要重新認識與研究。

(5)鉆井液錄井

采用氣體、霧化、泡沫等介質鉆井,原有綜合錄井所采用的鉆井液錄井技術失去效用,從而減少了發現及評價油氣層的相關參數。2.3 錄井技術缺少相應的理論支持

在常規鉆井過程中,循環系統采用泥漿泵入的方式,在欠平衡鉆井條件下,由于鉆井工藝的變化,循環系統也發生了變化,遲到時間的計算具有不確定性,缺少理論支持,具體表現在巖屑采集和氣體監測方面,不能真實反映相應井深的地層信息。欠平衡鉆井條件下錄井措施

通過對欠平衡鉆井工藝技術條件的分析及對錄井施工作業的影響,需要對錄井設備和技術加以改進和完善。

3.1 錄井設備改進

3.1.1 安全防護設備的改進

從增加現場錄井人員的安全性要求為內容,確保現場可燃氣體不能進入儀器房,增加了錄井房增壓防爆裝置。

以加強現場作業人員的安全性出發,增加了H2 S檢測傳感器和可燃氣體報警器,聲光報警系統及防護設備以便及時采取措施從消除現場安全隱患出發對儀器房、地質房中的各種電器、電路、電源等按防爆要求進行改進完善。

3.1.2 錄井傳感器的改進

除常規錄井需要配置的傳感器外,在附加的欠平衡泥漿罐上增加一套出口泥漿性能傳感器,在欠平衡振動篩上增加一只H2 S傳感器。根據設計泥漿密度范圍,對低密度的泥漿體系選擇使用適合量程的傳感器,或對傳感器性能進行改進。

更換適合欠平衡鉆井的套管壓力傳感器,配備測量范圍在70MPa以上的套管壓力傳感器。為確保工程按照設計施工,增加電磁流量計和氣體流量計,實時監控鉆井介質的流量。

3.1.3 撈取巖屑裝置的改進 在欠平衡鉆井過程中巖屑撈取可采用以下兩種方式:(1)利用液氣分離器從井底返出的攜帶巖屑的鉆井介質經過液氣分離器分離后,流經振動篩,采集巖屑。

(2)采用改進裝置,在循環管線上撈取巖屑設計了二種簡易的巖屑取樣裝置。

將取樣裝置安裝于鉆井介質返出管線靠近排出口3～4 m的地方,巖屑返出時在擋板的作用下進入收集器,收集巖屑時打開閘門,巖屑靠重力及氣流的推力排出來實現巖屑采集。

3.1.4 氣體檢測裝置的改進

(1)配置雙套脫氣器,一套安裝于常規緩沖罐用于常規錄井的氣體檢測,一套安裝于欠平衡振動篩用于欠平衡鉆井的氣體檢測。采用雙套脫氣器,可以在鉆井狀態進行體內循環和體外循環的轉換時保證地層氣體連續、實時監測。

(2)欠平衡鉆井如果采用氣相介質時,可以在液氣分離器之后的排氣管線上安裝一套氣體取樣裝置,井內返出混合氣體在進入氣管線之前,經過濾篩網一方面過濾掉固相物,同時也起到了減壓緩沖作用,即可直接進機分析。

3.1.5 安裝氣體流量計

對于采用氣相介質的欠平衡鉆井,可以在氣液分離器之后的燃燒管線上安裝氣體流量計,以便于監測密閉鉆井過程中經氣液分離器脫出的鉆井液氣體流量變化和在不中斷鉆進的情況下初步產能計算。

3.2 錄井技術的改進和完善 3.2.1 巖屑錄井技術

欠平衡鉆井由于鉆井液密度較低,攜砂能力差,返出的巖屑樣品數量少,而且巖屑細小、混雜,代表性差,對巖屑的識別帶來困難。對于此種情況,振動篩應改為80目以上的篩布,盡量減少細小真巖屑從振動篩上流失,洗樣時應盡量采用小水流,輕攪拌,稍微沉淀后倒去混水再換清水漂洗的方法,防止細小的真巖屑在清洗過程中流失。

3.2.2 氣體監測評價技術

密閉鉆井時,鉆井液在從環空到達振動篩之前,需要經過液氣分離器,經液氣分離器除氣后流向振動篩,這樣,一方面在油氣顯示不好的情況下,可能會漏掉油氣層;另一方面,由于色譜采集分析的是油氣分離之后流體內的原油伴生氣或殘余氣。在油氣顯示較好的情況下,會因為氣體值較高,容易造成氣路管線甚至色譜柱的污染,造成后續井段的假顯示,增加氣測解釋的困難,同時若井口回壓控制較高,原油容易進入氣路管線也會造成污染。為了解決以上問題,可以采用下面的方法予以解決:(1)定時對排氣管線中的氣體進行取樣分析,見顯示時加密取樣。(2)比較氣體流量計輸出的流量曲線與色譜曲線變化進行解釋。在色譜被污染的情況下甚至可以用氣體流量曲線確定顯示層位,同時用取樣分析數據進行解釋。

(3)在進行地層評價時,比較隨鉆氣體分析數據和定時取樣分析數據,取其相對較高中的值為實際地層氣體數據。

3.2.3 OFA定量熒光分析技術

液相欠平衡鉆井泥漿體系通常采用混油和加處理劑的方法來降低泥漿密度,這就使常規的巖屑熒光錄井技術和方法受到了很大的局限。為了解決這一問題,可以采用OFA定量熒光技術對錄井巖屑進行分析,根據定量熒光數據和圖譜不僅可以確定巖屑中的真假油氣顯示,還可以確定地層油氣含量和油氣性質。

3.2.4 地層壓力監測技術

傳統綜合錄井的地層壓力監測方法主要為Dc指數法和Sigma指數法。在欠平衡鉆井過程中,如果采用液相介質鉆井,這兩種方法仍然是檢測地層壓力異常的主要手段,如果采用氣相介質鉆井,傳統的Dc指數法和Sigma指數法已缺少理論依據。通過研究,我們提出了兩種另外解決辦法,即井底流壓監測法和井口壓力監測法。

(1)井底流壓法

井底流壓是流動泥漿對井底地層產生的壓力,錄井上稱作循環當量密度(ECD)。密閉鉆井時,我們用循環當量密度與設計的井底流壓值進行比較來實現鉆井欠壓值的監測。

在不同的鉆井深度,錄井程序通過計算循環當量密度,并與設計的井底流壓低值和高值進行比較,若循環當量密度值界于設計井底流壓低值和高值之間,則欠壓值是合理的;若循環當量密度值大于設計井底流壓高值,則沒有達到欠壓效果;而若循環當量密度值小于設計井底流壓低值,則欠壓值過大,容易造成井下事故的發生。

實際錄井時,根據循環當量密度實時變化曲線,適時調整設計井底流壓低值與高值的報警門限,就可比較直觀地掌握井底流壓變化情況。

(2)井口壓力監測法

通過實時檢測套管壓力來檢測井口壓力變化,從而達到實時檢測井口欠壓值變化的目的。鉆進中通過對比井口套管壓力與設計井口壓力的變化來調整鉆井欠壓值。正常欠平衡鉆井時,套管壓力值應小于設計的最大井口壓力值。當套管壓力大于設計的井口壓力時,則欠壓值過大,需要采取措施防止鉆井事故的發生。

3.2.5 工程事故預報

除了常規鉆井條件下的工程事故預報方法外,更要總結和加強欠平衡鉆井條件下的工程事故預報。具體表現在:(1)如果注氣壓力增大,排出口有水噴出,則可能地層出水。

(2)如果排砂管線出口出現火焰,停止注氣后,仍有氣體排出并見火焰,則可能地層出氣。

(3)如果注氣壓力增大,火焰增高,并且伴有黑煙,則可能地層出油。(4)如果注氣壓力增大,同時轉盤扭矩增大,上提鉆具阻力增大,下鉆遇阻,有可能發生地層坍塌。欠平衡鉆井條件下錄井技術的應用

窿x井是玉門油田分公司部署在酒泉盆地青西凹陷窟窿山逆沖斷裂帶窟窿山構造南翼上的一__口預探井,在井段2 970 m至3 300 m采用欠平衡鉆井技術,期間交替運用了氣體、泡沫、霧化液三種鉆井介質。錄井作業采用DR ILLBYTE增壓防爆型綜合錄井儀錄井,具體措施如下:(1)巖屑錄井

在巖屑和鉆井介質返出口附近,安裝一個取樣管線和閘門,為減小壓力起緩沖作用,安裝兩個閘門,取樣時先打開上閘門,讓巖屑進入取樣管線,然后關閉上閘門,接著打開下閘門,在取樣口采集巖屑。

(2)氣測錄井 配置雙套脫氣器,一套安裝于常規振動篩用于常規錄井的氣體檢測,一套定量脫氣器安裝于欠平衡振動篩用于欠平衡鉆井的氣體檢測。在氣相介質鉆進過程中,在巖屑和鉆井介質返出管線上做一出氣口,為防止巖屑等雜物進入氣路管線,在出氣口與氣路管線之間做一個減壓篩網,地層反出氣體通過氣路管線直接進入色譜儀器進行分析。

在進行欠平衡鉆井時,在液氣分離器之后的排氣管線上安裝一套氣體取樣裝置,對液氣分離器從泥漿中分離出的氣體定期取樣,做vms分析,供地層氣體解釋時使用和參考。

(3)工程錄井

除常規錄井需要配置的傳感器外,還在立管上加裝了入口電磁流量計,出口架空管線上安裝用于測量出口鉆井液流量的電磁流量計。

為了監測密閉鉆井過程中經氣液分離器脫出的鉆井液氣體流量變化,在氣液分離器之后的燃燒管線上安裝氣體流量計。在附加的欠平衡泥漿罐上增加一套出口泥漿性能傳感器,在欠平衡振動篩上增加一只H2 S傳感器。結論與認識

隨著鉆井技術的更新和發展,尤其是欠平衡鉆井技術的應用,傳統錄井技術面臨許多新的挑戰,錄井應適時研究新的技術及方法,只有這樣,錄井才能適應新的環境及要求,得以生存和發展。通過此次的探索總結,有針對性的提出了一些欠平衡條件下的巖屑撈取、氣體檢測、工程實時監測及油氣層識別和評價等現場錄井方法,但由于欠平衡鉆井條件下的錄井工作經驗有限,加上現場各種鉆井條件的限制,上述的一些方案和設想并沒有能夠在實際工作中完全實施并得到驗證,還有待于進一步的總結和完善,相應的技術和理論體系還需認識和研究。目前存在的問題有:(1)由于行業所限,欠平衡條件下錄井技術研究缺乏廣泛的研究基礎,部分技術和方法缺少相應的理論支持。

(2)目前研究與實施的錄井方法還不全面,還有待于進一步的探索和完善。(3)欠平衡鉆井工藝的錄井設施還不完善,有些不具備推廣價值。(4)缺乏針對欠平衡鉆井工藝的錄井軟件,行業有待進一步研究與開發。

第四篇：欠平衡鉆井過程中的事故分析及對策研究 文獻綜述

欠平衡鉆井過程中的事故分析及對策研究

文獻綜述

專業：機械設計制造及其自動化 班級：機自08-7班 姓名：朱韓鵬 學號：08041723 指導老師：賈星蘭

2012年3月10日

欠平衡鉆井過程中的事故分析及對策研究文獻綜述

前言

近幾年隨著大慶、勝利等大型油田產量的遞減,中國的原油供應能力難以持續增長,今后發現巨型、大型整裝油田的可能性已經很小,近十年來的實踐經歷證明,利用現有的勘探技術手段,不能夠有效發現、開發、利用中國 的遠景油氣資源。要達到此目的,必須要有技術進步,產生相應的新技術。這為欠平衡鉆井的發展提供了條件。欠平衡鉆井是在鉆井液液柱壓力小于地層壓力的情況下 ,有控制地讓地層液體進入井眼的一種鉆井技術。欠平衡鉆井技術自20世紀90年代以來,在石油領域掀起了一場熱潮,受到了國內外石油工程專家的普遍重視。通過對相關文獻的檢索和查詢，使我充分了解了欠平衡鉆井的來源、研究現狀和未來發展趨勢。他們總結了目前國際上欠平衡鉆井的分類方法，并在綜合考慮地層孔隙壓力、流體類型及欠平衡應用的情況下，提出了一種新的欠平衡鉆井分類方法，然后就欠平衡鉆井油藏篩選方法進行了系統論述。

關鍵詞：欠平衡、發展、應用

正文

一：欠平衡鉆井技術的歷史：

20世紀90年代，欠平衡鉆井技術開始在國外迅速發展，目前全球裝備的欠平衡鉆井數量已經超過1.5萬口，到2010年將超過2萬口。在許多發達國家，欠平衡鉆井已經成為常規鉆井技術，例如，美國、加拿大兩國的欠平衡鉆井已經占到本國鉆井總量的1/5左右。欠平衡鉆井技術有很多優點，例如，它能有效解決傳統鉆井污染油氣層的難題，大大減輕鉆井對地層的傷害。它從根本上解決了井漏難題，還能有效發現各種隱蔽性的油氣層，從而開采那些用傳統方法、設備、工廠發現不了的油氣田。欠平衡鉆井技術還能大大提高油氣開采效率，例如，第一，產量方面，根據某些國外企業的統計數據，與常規方法鉆水平井相比，欠平衡鉆井技術能夠使水平井產量提高約10倍；第二，速度方面，欠平衡鉆井的速度比常規鉆井提高了10多倍，有的甚至超出約20倍。

在國外，欠平衡鉆井技術已經在多種技術路線上形成系統、完備、穩定、有效的裝備和工廠技術體系，如氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井、淡水或鹵水鉆井液鉆井、常規鉆井液鉆井和泥漿帽鉆井等。從專利文獻看，國外欠平衡鉆井技術主要集中在井控、鉆井液、程序設計、特殊工具等方面。不過，隨著欠平衡鉆井技術的不斷更新，其專利部署空間在持續拓展。在油氣鉆探和開采這個特殊行業，靠所謂基礎專利壟斷國際技術標準的局面沒有出現，今后也很難出現。

目前，我國各油氣田都在應用欠平衡鉆井技術，國內欠平衡鉆井數量在快速增加，可望在五年內從不足全國鉆井總數的0.5%增加到3%～5%。隨著我國大批鉆探隊伍開赴海外并廣泛使用新技術，我國在海外擁有的欠平衡鉆井數量也將快速增加。在我國石油行業，欠平衡鉆井技術已經成為成熟、系統化的技術。在該技術領域，我國各油田已經成功試用或者應用泡沫鉆井、空氣鉆井、氮氣鉆井、尾氣鉆井、天然氣鉆井、充氣鉆井、霧化鉆井等主要技術路線。尤為可喜的是，我國不但研究、開發、改進了大量欠平衡鉆井技術方案，而且設計、制造了大量的欠平衡鉆井裝備，逐步實現了主要裝備的國產化，并逐步開始向海外輸出技術、工廠和裝備。

二：欠平衡鉆井技術的分類及應用

分類：2005年，國際鉆井承包商協會(IADC)發布了有關欠平衡作業和控制壓力鉆井的分類方法：按照風險級別分為O～5級_l ]；根據鉆井流體類型，分為氣體、霧化、泡沫、充氣和低密度鉆井液鉆井。按照應用分為控制壓力鉆井(MPD)、欠平衡作業(UBD)、鉆井液帽鉆井(MCD)L3 ]。Weatherford公司欠平衡部門現提供三類欠平衡服務，即：PD(提速增效鉆井)，用于提速、紡漏和防止頁巖水化等；儲層的UBD，實現保護儲層，獲得高產的目的；MPD用于精確控制井底壓力，在窄安全密度窗口實現安全鉆井。筆者綜合考慮地層孔隙壓力、流體類型及欠平衡應用情況，廣義上將欠平衡鉆井分為6類，即液相UBD、液相MPD、氣相UBD、氣相超UBD、氣相OBD過平衡鉆井)和氣相提速。應用：1.國外主要鉆井技術發展應用情況

欠平衡鉆井作業的關鍵技術包括產生和保持欠平衡條件(有自然和人工誘導兩種基本方法)、井控技術、產出流體的地面處理和電磁隨鉆測量技術等。到2006年，欠平衡鉆井技術的進展主要集中在井控、鉆井液、程序設計、特殊工具等方面。國外已經能成熟運用新一代欠平衡鉆井技術，即在鉆進、接單根、換鉆頭、起下鉆等全部作業過程中始終保持井下循環系統中流體的靜水壓力小于目標油氣層壓力，同時欠平衡鉆井技術也越來越多地與水平井多分支井及小井眼鉆井技術相結合，有效開發了一些新老油田，其應用范圍日益廣泛，美國已將其列為21世紀急需的鉆井技術。

國外已經實現了全過程的欠平衡鉆井、完井。欠平衡鉆井技術發展有如下幾個關鍵方向：鉆井模型分析；更有效的鉆井液；更有效的井底導向系統與馬達；有利于新的鉆井液的井控與地面分離系統；集成化趨勢。未來欠平衡鉆井技術將進一步朝安全、簡便和適用的方向發展。這項技術對于保護油層和提高鉆井速度具有重要意義，將廣泛用于低壓低滲油田和老油田。2.中國主要鉆井技術發展應用情況

中國欠平衡鉆井技術自進入21世紀以來發展較快。到2006年末，已采用該項技術完成60余口井，所用設備主要以引進為主。新疆、中原、大港、勝利等油田引進了一批設備，鉆成了一批欠平衡井，具有了一定的經驗。“九五”期間大港油田針對前第三系深層勘探進行了欠平衡鉆井完井技術綜合研究，在千米橋潛山和烏馬營潛山采用低密度無固相鉆井液體系實施了欠平衡鉆井工藝技術，完

井采用射孔完成，成功的發現了千米橋潛山億噸級的凝析油氣田，揭示了烏馬營潛山儲油氣藏特征。截止到2006年，大港油田已經先后引進了三套主要欠平衡裝置，成立了專業化技術服務隊伍，從設備和經驗上都具有了很好的基礎。在以液體為介質進行欠平衡鉆井施工上，從設計及施工人員的水平、欠平衡裝備、現場施工中井口回壓控制等技術上都取得了一定的成功經驗，在中國國內產生了良好的影響。

隨著中國欠平衡技術認識的不斷加深，該技術開始逐漸被應用于老油田的開發，今后欠平衡技術在中國的應用范圍將逐漸擴大，設備配套國產化的進程將逐漸加快，實現全過程欠平衡將成為今后中國各油田發展的目標。

由于使用欠平衡鉆井技術對于發現及保護油氣層等方面具有許多優點，其應用越來越廣泛。隨著旋轉控制頭、空氣鉆井馬達等設備的研制成功，相繼又研究出各種往井筒中注氮的方法，使欠平衡鉆井工藝達到了大規模投人工業使用的程度，并呈現穩步增長的勢頭。其原因主要是人們對減輕地層傷害越來越關注，而且欠平衡鉆井有可能提高鉆速和減少衰竭油藏中的井漏問題。在國外，該項技術已經成為一種成熟的鉆井工藝。一些油公司曾報道，與常規方法鉆水平井相比，運用欠平衡鉆井技術使水平井產量提高了10倍。

目前，世界上已有包括中國在內的20多個國家應用欠平衡技術鉆井，其中技術先進的國家有美國、加拿大、英國、阿根廷、墨西哥等。這些欠平衡技術先進的國家，技術主要集中在井控、鉆井液、程序設計、特殊工具等方面，常采用的技術有邊噴邊鉆、泥漿帽鉆井、充氣鉆井、連續油管鉆井等。在鉆井中可將地層水、海水、淀粉水、柴油、原油用做欠平衡鉆井的循環工作介質，將散裝或膜濾氮氣、工業廢氣、空氣、氮氣和空氣的混合氣、天然氣和空心玻璃球作為減輕劑或發泡劑。在美國，欠平衡鉆井技術被稱為上游石油工業急需的鉆探技術，已發展成為鉆井技術的熱點，并越來越多地與水平井、多分支井及小井眼鉆井技術相結合。

我國是鉆井技術應用大國，國內欠平衡鉆井數量在快速增加，據專家預測，我國的欠平衡鉆井可望在五年內從不足全國鉆井總數的0.5%增加到3%500。其欠平衡鉆井的技術進展也很快，目前各油田已經能夠成功應用泡沫鉆井、空氣鉆井、氮氣鉆井、尾氣鉆井、天然氣鉆井、充氣鉆井、霧化鉆井等主要技術。到目前為止，欠平衡鉆井與水平井、套管鉆井相結合的欠平衡鉆井技術也得到了廣泛

應用。在我國四川、新疆及鄂爾多斯等地的不壓井起下鉆技術、利用套管閥進行全過程欠平衡鉆井等技術得到較好的應用，控制壓力鉆井技術也得到發展。我國不但研究、開發、改進了大量欠平衡鉆井技術方案，而且還設計、制造了大量的欠平衡鉆井裝備，逐步實現了主要裝備的國產化，并逐步開始向海外輸出技術、工藝和裝備。

通過應用欠平衡鉆井技術，在油氣勘探中取得了巨大成果。例如，在“九五”期間，大港油田針對前古近系深層勘探，在板深

7、板深8井、板深4井、板深701井、板深702等井采用低密度無固相鉆井液體系實施欠平衡鉆井工藝技術，成功發現了千米橋潛山億噸級凝析，使大港油田南部古潛山勘探取得了歷史性的突破。

四川油氣田在鉆探鄧西3井時，采用全過程欠平衡鉆井新技術喜獲成功，測試日產氣量達45.6 X104 m3，從而發現了鄧西氣田，并證明了“川西前陸盆地大型含氣區”有較好的勘探開發前景。聞名中國石油的“磨溪速度”，欠平衡鉆井新技術發揮了重要作用，磨溪氣田的產能迅速翻番。四川油氣田用145天鉆成6 530 m的超深井、27天完成2000多米水平井段的鉆進，欠平衡鉆井技術功不可沒。

應用欠平衡鉆井技術，在松遼盆地深層火山巖領域，也取得了天然氣的重大突破。2006年中國石化在長嶺斷陷的腰英臺深層部署鉆探了腰深1井，在3 544--3 750 m的營城組火山巖段測試，獲日產30 x 104 m3的高產天然氣流，一次提交探明儲量大于400 X 108 m3 ,整個火山巖圈閉形成了一個千億方級的大型整裝天然氣田。

但是，欠平衡鉆井技術應用具有一定的局限性。適合欠平衡鉆井地層必須具備如下條件:①地層地質資料清楚;②井壁穩定性好，不易發生坍塌;③儲層HZS含量低于20 mg/cm3;④對鉆井完井作業傷害敏感，而且不能有效消除這種傷害的低壓、低孔、低滲儲層，特別是碎屑巖儲層。

在高壓油氣層、破碎或松軟地層不適合使用氣體鉆井、充氣及泡沫鉆井技術，在出水嚴重地層、含HZS地層不適合空氣鉆井。三：欠平衡鉆井技術中的問題

對于欠壓實的地層；鉆井“產出”的儲層流體有油、氣、水等，甚至含CO2或H2S；高壓高滲地層，特別是高壓氣井；膨脹地層鹽巖蠕動、泥巖膨脹縮徑易

導致卡鉆；油氣產出過量，造成速敏；由于設備、工藝的局限性使設計實施困難等的井都要考慮是否實施或使用欠平衡鉆井。

適應欠平衡鉆井的地層有四大類：低滲透砂巖油氣藏；低滲透微裂縫油氣藏；裂縫及溶洞油氣藏；過壓實硬地層。四：欠平衡鉆井技術的發展前景

目前全國難動用儲量已達到石油50億噸，天然氣20萬億立方米，煤層氣35萬億立方米；在中石油內部，欠平衡井在鉆井總量中所占比例還很低——欠平衡/氣體鉆井技術有著十分廣闊的市場需求和發展空間。

欠平衡鉆井技術的發展趨勢是:(1)隨著工具的進一步改進，全過程欠平衡鉆井技術將得到廣泛應用;(2)井底壓力自動控制技術(控制壓力鉆井)將得到快速發展;(3)欠平衡鉆井水力分析模型會更加完善，計算結果將更切合實際;(4)隨鉆井底壓力、地層壓力測量技術將迅速發展;(5)與套管鉆井相結合的欠平衡鉆井技術將日臻完善;(6)空氣鉆井、泡沫鉆井、霧化鉆井等技術將廣泛推廣和應用。

未來的欠平衡鉆井技術將進一步朝著安全、簡便和適用的方向發展。這項技術對于發現低孔低滲儲層油氣、保護油氣層、提高鉆井速度具有重要意義，將廣泛用于低壓低滲油田和老油田。

總結：

總的來說，我國欠平衡鉆井技術發展起來的時間并不長，技術也并不成熟，存在一些問題有待解決，但欠平衡鉆井技術在現代鉆井技術中占據了重要的地位，隨著時代的發展越來越能體現出它的作用來。

參考文獻：1.韓玉安等.欠平衡鉆井的發展狀況及專用設備的發展方向.西部探礦工程

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9.張景林，崔國璋 主編.《安全系統工程》，煤炭工業出版社，2002, 8.10.羅世英.欠平衡鉆井的應用前景.天然氣工業.1999;19(4):55~58 11.程小年.欠平衡鉆井工藝技術的研究及應用成果CNPC探井工程技術座談會.1997

第五篇：《共點力的平衡及其應用》教學設計

共點力的平衡及其應用

高新完全中學高一年級 郭忠孝

【課標分析】

知道什么是物體處于平衡狀態。知道在共點力作用下物體的平衡條件，即合力為零。會分析生活中的共點力平衡的實例。【教材分析】

初中階段學生對平衡問題有了初步的了解，但只限于二力平衡。高中階段要在此基礎上延伸，在平行四邊形定則的基礎上探討多個共點力平衡的問題，其中三個共點力的平衡是重點，動態平衡是難點。【教法分析】

師生共同歸納總結本節基礎知識點、解題方法和解題步驟，學生合作探究并分組展示，小組互評，教師點評。【學法分析】

學生要思考物體受共點力的作用處于平衡狀態時，這些共點力滿足什么條件。注意物體受三力平衡時的分析和研究，動態平衡題目的分析與研究，加深物體平衡與生活實例的結合。【教學目標】

一、知識與技能

1.能用共點力的平衡條件，解決有關力的平衡問題；

2.進一步學習受力分析，正交分解等方法。

二、過程與方法

1.通過案例分析，培養學生分析和解決問題能力以及應用數學方法解決物理問題的能力；

2.通過案例分析，培養學生處理平衡問題時一題多解的能力。

三、情感態度與價值觀

滲透“學以致用”的思想，有將物理知識應用于生產和生活實踐的意識。【教學重點】

共點力平衡條件的綜合應用。【教學難點】

受力分析、正交分解、動態平衡。【教學方法】

歸納法、分組探究展示法、小組互評加教師點評法 【教學用具】

PPT、小黑板、三角板

【教學過程】

一、導入新課

1.溫故知新：PPT展示本節基礎知識點、共點力平衡解題的常用方法、基本步驟。

2.學生回答問題后，教師進行評價和糾正。

3.引入：本節課我們來運用共點力的平衡條件解決一些實際問題，將理論應用于實踐。

二、新課展示

（一）各學習小組利用小黑板展示課前分組學習、小組討論成果。

1.展示完成后由其它小組的同學對講解過程進行提問。2.下一組為上一組的展示情況打分。

3.必要時教師對展示中存在的問題進行點撥和指正。

（二）學習目標完成情況。教師對整個展示過程作出評價，肯定亮點，指出不足。

（三）感悟高考。PPT展示高考真題，師生共同分析。讓學生體會本節內容在高考中的考察情況，知道一道復雜的題目其實都是由多個基本知識點構成的，所以只要我們掌握了基本解題方法，都可以從容應對，幫助學生樹立學好本節內容的信心。

三、課堂小結

本節課我們主要學習了以下幾點：

1.應用共點力平衡條件解題時常用的方法:力的合成法、力的分解法、正交分解法等。

2.解共點力作用下物體平衡問題的一般步驟：

（1）定研究對象；

（2）對所選研究對象進行受力分析，并畫出受力示意圖；

（3）分析研究對象是否處于平衡狀態；

（4）運用平衡條件，選用適當方法，列出平衡方程求解。

四、作業布置

練習一的1、2、3、4題

五、板書設計

??力的合成法????力的分解法???相似三角形法?常用的方法???0??Fx合??正交分解法????F?0?y合?????共點力平衡條件的應點??1.確定研究對象（物體或結點）????2.對研究對象進行受力分析，并????畫出受力示意圖?解題題的一般步?3.分析研究對析研究對象平衡狀態???4.運用平衡條件，選擇適當方法，??????列出平衡方程求解?

【教學反思】

各小組都能完成相應的題目，展示時也都能講清楚，但仍存在部分同學語言表達不夠準確，說明基礎知識仍不牢固，這一點要在今后的教學中格外注意。在解決共點力的平衡問題時，通過一題多解來提高解決問題的能力，熟練解題的方法，不失為一種高效的手段。