欠平衡钻井技术.

《油气井工程设计与应用》DesignandApplicationofOilandGasWellEngineering主讲：刘瑞文第十一章欠平衡压力钻井一、欠平衡压力钻井的概念在井底有效压力低于地层压力的条件下进行钻井作业。在井下，允许地层流体进入井内；在井口，利用专门的井控装置对循环出井的流体进行控制和处理。这样可及时发现和有效保护油气层，同时可显著提高钻进速度。技术关键：1）地层孔隙压力和坍塌压力的准确预测2）钻井液类型选择和密度等性能的控制3）井口压力的控制及循环出井的流体的处理4）起下钻过程的欠平衡5）井底有效压力的计算与监测6）井壁稳定7）完井常规钻井：液柱压力地层压力•在井底形成一个正压差•钻井液侵入地层对油层造成污染泵入钻井液油气层液柱压力地层压力井钻力压衡平欠油气层泵入钻井液在井底形成负压差，不仅可以有效地防止钻井液侵入地层，而且允许产层流体（石油和天然气）流入井眼，在井口有效控制下循环到地面。极大地减轻钻井过程中钻井液对油气层的污染，对于提高低渗透储层、潜山灰岩裂缝性油藏的产能以及探井的勘探成功率具有十分重要的意义。二、欠平衡钻井的优越性1、防止地层伤害、提高油井产能欠平衡钻井可防止常规钻井造成的地层损害，常规钻井造成地层损害的原因主要有以下几个方面：（1）钻井液滤失速度高，造成地层细颗粒和粘土颗粒的运移；（2）钻井液中加入的固相或钻井中产生的固相侵入地层；（3）存在可能发生钻井液严重侵入的高渗层；（4）地层对侵入的水相、油相敏感，导致钻井液滤液留在地层中，影响了近井眼地区的渗透率，产生永久性产能下降；（5）侵入液与产层或地层液发生不利反应（如粘土膨胀、化学吸附、润湿性改变、乳化沉淀、结垢等）。2、良好的产层显示欠平衡作业中由于钻井液循环压力低于地层压力，钻井过程中地层流体会进入井眼。在井口可以检测产出液，可以提供良好的产层显示；二、欠平衡钻井的优越性3、减轻工程复杂、提高机械钻速（1）提高了防喷能力，防止井喷失控;（2）降低了液柱压力，减轻井漏和压差卡钻；（3）消除压持效应，有利于提高机械钻速。二、欠平衡钻井的优越性三、适合欠平衡钻井的地层•压力衰竭储层•低机械钻速的硬地层•井漏地层•老井重入和修井•敏感性损害地层•高渗高孔地层•裂缝和溶洞适用于•高渗高压•未知储层或地层•高产•疏松地层•薄弱塑性地层，盐，膨胀页岩•有硫化氢•压力系数不同的多套储层三、适合欠平衡钻井的地层不适用于四、欠平衡钻井技术、负压差设计与控制目前采用欠平衡压力钻井技术2）低压欠平衡钻井：干空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、雾钻井泡沫钻井、充气钻井1）控流钻井技术：使用常规钻井液（水基钻井液）进行欠平衡钻井：Flowdrilling在地层压力系数小于1.05的地层采用充气(氮气）欠平衡钻井技术欠平衡钻井两种主要的技术在地层压力系数大于1.05的地层采用常规钻井液施工的控流欠平衡钻井技术Flowdrilling负压差的确定涉及多个因素，主要包括地面设备的分离能力、井口装置的承压能力、井壁稳定、气液两相流的不稳定性、速敏、应力敏感性以及地层压力的不确定性等；五、负压差设计从理论上说，井眼压力应大于地层坍塌压力，且小于地层孔隙压力，这界定了欠平衡压差的范围。根据经验：液体欠平衡钻井欠平衡压差一般取0.7MPa～1.4Mpa充气钻井欠平衡压差一般取1.7MPa～3.5MPa对于高渗高产地层，欠平衡压差要设计得小一些，而对于低渗低产地层，欠平衡压差可以设计得高一些。六、钻井液循环压力的计算这是一个复杂的课题，涉及到多相流的理论，国内外多采用多相流数值模拟的方法进行求解。•美国莫尔工程公司Mutelite水力设计软件，可进行欠平衡压力钻井环空多相流设计、计算。•研究动态的欠平衡钻井多相流水力设计软件，在该软件中，考虑了油气产量对环空循环压力的影响。•Flowdrilling欠平衡钻井：通过调节钻井液密度和节流回压控制井底压力；•充气(氮气）欠平衡钻井：依据多相流数值模拟或多相流水力计算结果,通过调节液体和气体流量控制井底压力。七、欠平衡钻井负压差和井口压力控制方法1）正常压力储层：V孔=1.05~1.202）高压储层：V孔1.20通过降低钻井液密度，使循环系统的压力低于正钻地层的孔隙压力，井底处于欠平衡状态。Flowdrilling欠平衡钻井七、欠平衡钻井负压差和井口压力控制方法3）低压储层V孔1.05国外普遍采用低压欠平衡钻井技术来开发低压油藏低压欠平衡钻井立管混气装置空压机膜氮系统增压机流量计控制阀泥浆泵舌型阀节流管汇液气分离器脱油装置火炬N2井底泥浆N2空气井口四通振动筛排气管线循环罐三通第三部分混气装置及两相流循环系统第一部分现场制氮充气系统第四部分井口装置及两相流循环系统第二部分钻井液地面循环系统气体注入方式气相和液相在立管内混合,MWD的使用受到限制立管注气法1、抗油气污染能力强，气侵后不稠化，可用机械方法除气，具有良好的流动性•对充氮气钻井液基浆的要求2、适当的粘度和切力，具有悬浮和携带岩屑的能力3、低失水，防塌能力强，具有抑制泥岩夹层水化膨胀或坍塌掉块的能力4、满足油气层保护的要求八、欠平衡钻井装备1、防喷器组典型的欠平衡钻井防喷器组是由单闸板＋双闸板＋环形防喷器组成的2、旋转控制头或旋转防喷器欠平衡压力钻井的井口控制设备旋转控制头旋转防喷器九、欠平衡钻井作业1、欠平衡作业前要考虑的问题•每一层的地层压力•地层产出的流体类型、产量及是否有酸性气体•防喷器是否按标准进行了试压•旋转控制头压力级别•地面处理设备的处理能力•井队人员是否进行了培训2、接单根（1）停钻井泵；（2）关闭环空,防止两相流分离；（3）泄立压，直到与大气压相等；（4）接单根；（5）打开环空，开泵恢复钻进。九、欠平衡钻井作业控流钻井：充气钻井（1）先停泥浆泵，继续注气，直到氮气将充气泥浆替出最上面一个回压凡尔；（2）关闭环空,防止两相流分离；（3）泄立压(圈闭压力)，直到与大气压相等；（4）正常接单根，打磨钳痕；（5）打开环空，泵入氮气，再泵入泥浆，恢复循环。3、起下钻方法•打泥浆帽部分压井•打重塞子在井底平衡地层压力•起钻时允许井溢流•用井下压力阀将地层压力隔离•强行起下钻九、欠平衡钻井作业推荐使用打泥浆帽部分压井方法：•洗井•将清洁或与地层配伍的完井液注入到油层部位•用旋转控制头将钻具起至技套•打重泥浆帽平衡地层压力•正常起下钻重泥浆帽法起下钻方式的操作要领：将清洁的与地层配伍的保护液泵入油层部位，使之充满裸眼井段；用旋转控制头将钻具起至技套内；泵入重泥浆，在上部井段形成重泥浆帽起出轴承总成，正常起下钻；下钻至重泥浆帽底部，接方钻杆，开泵循环，用欠平衡轻泥浆替出重泥浆；继续下钻。保护液技套保护液技套泥浆帽九、欠平衡钻井作业•火成岩储层使用硬胶泡沫钻井液，地层压力系数0.96,静欠压1.19MPa;完井投产日产油18t，是同地区同期完成常规井产量的两倍。该地区地层压力系数1.055，常规钻井严重井漏，充氮气欠平衡钻进，基浆密度1.03，充气量200Nm3/h，动欠压3.1MPa；投产后初产71t/d，已累产6500t，为邻井产量的3～5倍。罗151-11井商741-平1井十、欠平衡钻井现场应用埕北244井本井钻至奥陶系灰岩先发生井漏，又发生井涌，应用欠平衡钻井技术，解决了既漏又涌的难题，顺利地完成了高漏失地层的钻探任务，取准取全了地质资料，并取得φ10mm油嘴235.2t/d油、6940m3/d气的高产。•灰岩裂缝性油藏•低渗透油藏沙四段地层压力系数1.14－1.16，采用密度为1.06至1.07的钻井液，钻进中火炬自动点火，火焰高2~米，实现了边喷边钻，收到了解放油气层、提高钻速的明显效果，为应用欠平衡钻井技术开发低渗透砂岩油藏进行了成功的尝试。投产后日产16吨，为邻井的34倍。纯97-5井纯70-平1井该井水平段沙四段地层压力系数1.51，采用聚合醇钻井液欠平衡钻进，控制泥浆密度1.42g/cm3，静欠压2.33MPa，动欠压1.19MPa，钻进中火炬点火，投产后日油23吨，为邻井的3倍。云参1井是中石化集团公司重点探井，设计井深3500m，实测地层压力系数0.952～0.745,钻进中漏失严重;应用充气欠平衡钻井技术，钻井液密度1.01～1.03g/cm3,充气量1200Nm3/h,有效地解决或减轻了井漏，满足了钻井和地质录井的要求，成功钻达设计井深。云参1井•南方海相地层