冯永兵1，孙 凯2，唐一元3，邹 春4
(1.长庆油田分公司第三采气厂;2.西南石油大学;
3.四川石油管理局川东钻探公司;
4.中原油田分公司采油二厂)
摘 要：欠平衡钻井是国际上20世纪90年代初兴起的提高勘探开发效益的钻井新技术。在打开油气层后，如果钻井参数、钻井方式、钻井液性能等选择不当，会对生产层造成不必要的损害。通过研究欠平衡钻井的技术的优势，指出欠平衡钻井比常规钻井具有更显著的技术优势，表明欠平衡钻井对保护油气层是一种理想的钻井技术，对生产层的保护和开发具有重要现实意义。 关键词：欠平衡钻井；钻井参数；钻井方式；钻井液性能；储层损害；完井和测井
引言
欠平衡钻井指在钻井过程中钻井液柱压力低于地层压力、允许地层流体进入井筒，并可将其循环到地面的可控制的钻井技术，即: P mE<P p
一般要求:P P-P mE= P, P=0.7～7MP a。
欠平衡钻井的主要作用及意义在于: 欠平衡钻井中，地层流体进人井筒，可为及时发现和准确评价油气层提供最直接的地质信息; 显著降低因钻井液固相与液相侵人对储层造成的伤害，有效地保护油气层; 钻井过程中负压差的存在，可消除在常规钻井过程中正压差的存在对井底岩屑造成的压持作用，从而大大提高机械钻速和钻头进尺，缩短钻井周期，并减少储层的浸泡时间，也有利于保护油气层; 减少井漏、压差卡钻等复杂情况的发生。
欠平衡钻井可分为两种类型：边喷边钻和人工诱导的欠平衡钻井。所谓边喷边钻，一般是在地层压力系数大于1.10时，采用常规钻井液，用降低钻井液密度来实现欠平衡钻井；而人工诱导法欠平衡钻井，一般是在地层压力系数小于1.10、采用常规钻井液无法实现欠平衡钻井时而直接使用低密度流体(气雾、泡沫、空气、二氧化碳、天然气、氮气等)作循环介质，或往钻井液基液中注气等方法，实现欠平衡钻井。
1 国内外欠平衡钻井技术的发展方向
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。
图1 世界采用欠平衡钻井技术增长趋势
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-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
15
2008年第11期 内蒙古石油化工
收稿日期:2008-01-12
作者简介：冯永兵，男,1984年生，助理工程师，长庆油田分公司第三采气厂。
一欠平衡钻井技术初步发展形成了欠平衡钻井、欠平衡取心、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。
2 欠平衡钻井的技术关键
2.1 欠平衡钻井地质选井依据
(1)地层孔隙压力、漏失压力、坍塌压力剖面和其他地质资料较清楚，而且满足欠平衡钻井裸眼井段地层一井眼系统的平衡条件:
G l>G p>G e>G t
式中:G l—地层漏失压力梯度,M Pa/m;
G p—地层孔隙压力梯度,M Pa/m;
G e—钻井液当量循环压力梯度,M Pa/m;
G t—地层坍塌压力梯度,MP a/m。
(2)地层稳定性好，不易发生坍塌。
(3)储层H2S含量低于20m g/m3。
(4)对钻井完井作业伤害敏感，而且不能有效消除这种伤害的低压、低孔、低渗储层，特别是碎屑岩储层。
2.2 欠平衡合理欠压值确定
最大欠压值引起的地层出气量Q必须满足四个条件的最小值: 不能大于液气分离器的最大液气分离能力; 总出气量引起的井口压力不能大于旋转防喷器的额定动密封压力的80%; 总出气量引起钻井液当量循环密度不能低于裸眼段坍塌压力当量密度的最小值; 总出气量引起的钻井液当量循环密度不能大于套管鞋附近的漏失压力当量密度。
2.3 相对稳定的井口回压控制技术
当储层出气量增加，环空液柱压力降低，欠压值△p也增加。出气量再增加，环空液柱压力再次降低。因此，需要对井口施加回压，以保持相对稳定的欠压值。保持立压值、钻井液体积相对稳定，可实现相对稳定的欠压值。
在现场操作中由于地层产出的油气是一个变量，因此井口回压应根据立管压力、钻井液总的体积实时调整。若井口回压上升到接近旋转控制头的工作压力时应停止钻进，迅速关闭环形或半封闸板防喷器进行循环，待井口压力正常后，再恢复欠平衡钻进作业，否则适当提高欠平衡钻井液密度。
2.4 不压井起下井内管串(包括钻具、尾管和油管)工艺技术
欠平衡钻井一旦停泵关井，其井口压力将产生增量，初期增量是循环压耗与动态欠压值之和，同时井口压力还会由于起钻液面下降而增加；后期由于气体密度差产生的滑脱气上升至井口，井口密闭，其压力值将接近地层压力，作业风险较大。为了实现井口带压安全作业，采取以下工艺技术: 用不压井起下钻液动加压装置与国产旋转控制头配合使用可实现井口压力10.5M Pa条件下的带压起下钻作业; 起钻前，调节井筒钻井液密度，使得井口压力降至2～3M P a; 起钻过程中，利用水泥车向井简内及时补充与起出钻具相同体积的钻井液; 井口压力超过8MP a时，利用节流阀泄压至4～5M Pa，以消除密闭系统滑脱气产生过高的井口压力; 适当增加钻铤重量，尽量在钻铤段进行井口带压作业; 起钻时管柱悬重在30～50K
N时，安装不压井起下钻液动加压装置; 进行井口带压作业，井口要安装双闸板、环形防喷器; 带压下油管其筛管长度应小于1. 2m，同时井口须安装座挂式油管头。
2.5 带压测井技术
带压测井是在地层压力大于钻井液液柱压力状态下的一种测井方法。由于井内钻井液液柱压力不能平衡地层压力，在井口存在井口套压，所以要求测井时井口密封，同时测井仪器如何入井和出井也与常规测井有所不同。
成功研制的带压测井的特殊工具，包括大直径电缆动密封控、大通径高压防喷管、大直径电缆防喷器、加重杆等，为带压测井的顺利施工提供了硬件条件。
2.6 欠平衡完井技术
欠平衡钻井后若仍采用传统方法完井，压井、固井作业势必对产层造成巨大伤害，在有条件的情况下，采用欠平衡完井可以最大限度地保护油气层。
目前有两种可行的欠平衡完井方法: 不压井下油管先期裸眼完井。该方法是对于岩性坚固稳定、裸眼段短且产层物性基本一致的油气层，先下油层套管到油气层顶部固井后，采用欠平衡钻井方式打开产层，钻至完钻井深采用不压井带压起钻和不压井带压下油管串作业后试油投产; 特殊衬管完井。欠平衡钻井
钻至完钻井深，用不压井带压作业下入套管后不注水泥，再带压下入油管传输射孔管串，射孔完井后试油投产。该方法适合于井壁稳定性相对较低、不适于裸眼完成的井。
3 欠平衡钻井的技术挑战
欠平衡钻井作为一种新型的钻井技术，在开发特殊油气资源方面有其自身优势；但随着勘探开发难度的增加和欠平衡钻井应用范围的拓展，它所面临的技术问题也越来越多，有些技术问题已经严重地制约着欠平衡钻井技术的进一步发展，主要表现在以下几个方面:
3.1 钻井成本高
16内蒙古石油化工 2008年第11期
钻井设备多，井场面积大，占地费用高; 钻机日租金高; 控流钻井通常采用含油钻井液，成本高; 采用注氮方式进行欠平衡钻井时，特别是在边远地区采用现场制氮设备制氮时，制氮设备的租金较高; 完井时若采用强行起下钻起下钻柱，导致钻井成本上升。
3.2 储层损害及储层选择
储层伤害的方式是多种多样的，有外来流体(液相、固相)与地层不配伍而造成的储层伤害，也有因储层
本身因受力平衡发生破坏而造成的储层伤害。伤害的程度则随着储层特征的不同而有所不同。在欠平衡钻井过程中，地层压力高于循环钻井液井底压力，所以在岩石表面不能形成泥饼，一旦在钻井和完井作业期间不能保持连续的欠平衡状态，无泥饼的井壁无法阻止液相和固相对地层的侵入，有更大的污染几率。欠平衡钻井时，储层的损害形式主要表现为：气锁、水锁、裂缝闭合及因储层固相颗粒的移动而造成油气运移喉道的堵塞，有些损害可能是非常严重的和不可逆转的，特别是储层的裂缝闭合和固相颗粒的移动而造成的油气运移喉道的堵塞。因此如何避免和减少欠平衡钻井对储层的损害，是欠平衡钻井所面临的主要问题之一。
另外，不是所有的储层都适合欠平衡钻井。如高压和高渗透率相结合的地层、受压力束缚的地层、地层孔隙压力不确定或井壁稳定性差的地层、含有H2S或CO2的地层均不适合欠平衡钻井。只有针对目标地层的油藏特性，精心制定欠平衡钻井计划，才能获得显著的经济效益。
3.3 钻井液的选择
在进行欠平衡钻井作业时，选择适宜的钻井液是十分重要，为了达到欠平衡钻井的目的，其循环介质可以是气基流体、液基流体和气液多相混合流体。选择钻井液时，应综合考虑储层、流体作业等方面的因素，主要包括储层压力、循环流体与地层流体的相容性、钻井基液与储层岩石之间的配伍性以及储层岩石湿润性等因素。另外，还应考虑钻井基液本身的一些物理性能，比如粘度应较低、毒性低、无腐蚀性等等。
3.4 完井及测井
常规的完井技术无法满足低压地层条件下的欠平衡完井以及现有的测井设备和仪器都无法在气基流体中完成全套测井任务，造成了欠平衡测井技术基本上的空白和欠平衡条件下的测井、下套管或下尾管、注水泥等完井工艺难以实现。大部分井在欠平衡钻井后都直接进行完井作业，就是有些要求有准确地质资料的井也是在欠平衡钻井后灌入泥浆再进行测井。而泥浆的灌入必将对储层产生不可避免的伤害，从而也失去欠平衡钻井的意义。欠平衡钻井后的完井和测井配套技术是整个欠平衡钻井技术中最薄弱的一个环节，需要提高。3.5 存在不安全的隐患
欠平衡钻井不同于常规过平衡钻井，其主要区别在于欠平衡钻井时，地层流体将会进入井筒参与循环。这些流体可能是油、水、天然气及对人体有害的气体，如H2S等。在使用气基流体进行欠平衡钻井时，可燃流体的进入可能造成井下着火或在地面引起事故，造成财产损失，甚至是人员伤害。
4 结论及建议
4.1 欠平衡钻井在特殊油气藏的开发过程中能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、提高机械钻速、延长钻头使用寿命、缩短钻井周期、降低钻井成本等优点。
4.2 配备性能可靠的欠平衡钻井和完井作业的专用成套装备，是开展欠平衡钻井、完井的最基本条件。改进了欠平衡钻井地面工艺流程、欠平衡取心工具与工艺、欠平衡射孔与后制孔衬管完井工艺等，使欠平衡钻井完井处于国内领先地位。
4.3 进行气体钻井取心工具改进和工艺技术的完善，提高气体钻井取心的收获率，配套运用气体钻井技术；对欠平衡完井工艺和装备进一步研究完善，丰富欠平衡完井方法；研制不压井作业自动灌浆系统和恒压节流控制系统；开展密闭循环欠平衡钻井技术研究。
〔参考文献〕
[1] 杨振平.欠平衡钻井技术的优势和挑战.内蒙
古石油化工,2006,(8):74-76.
[2] 杨玻等.四川欠平衡钻井完井配套技术完善与
推广应用.钻采工艺,2007,30(2):22-24. [3] 杨令瑞等.天然气欠平衡钻井完井技术.钻采
工艺,2005,28(1):4-7.
[4] 郑有成.欠平衡钻井完井技术在四川天然气勘
探新领域的突破.中国石油勘探,2003,8(1):
52-57.
[5] 刘维钦等.浅谈欠平衡钻井过程中的油气层损
害与保护.西部探矿工程,2006,(7):95.
[6] 郑有成.四川碎屑岩地层欠平衡钻井完井技术
攻关.天然气工业,2003,23(5):69-72.
[7] 韩玉安等.欠平衡钻井的发展状况及专用设备
的发展方向.西部探矿工程,2005,1:78-79. [8] 魏武等.利用空气钻井技术提高钻井速度研
究.天然气工业,2006,26(7):57-58.
[9] 李静，赵小祥.欠平衡钻井技术及其应用与发
展.石油钻探技术,2002,30(6):24-25.
[10] 谯抗逆等.欠平衡长水平段水平井钻井技术.
天然气工业,2007,27(8):57-59.
[11] 赵炜，李静译.钻井新技术的应用(一).美国
《JP T》,2002-07.
17
2008年第11期 冯永兵等 欠平衡钻井技术的发展研究
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议