欠平衡钻井技术及技术规范.ppt

欠平衡钻井配套技术及技术规范,集团公司技术培训课件西部钻探克拉玛依钻井院 宋朝晖 伊明,主要内容,第一部分 欠平衡钻井技术简介第二部分 全过程欠平衡钻井技术第三部分 井下套管阀技术第四部分 欠平衡钻井技术规范第五部分 总结,第一部分 欠平衡钻井技术简介,1、欠平衡钻井定义及特点2、欠平衡钻井技术分类及特点3、欠平衡钻井配套技术装备4、欠平衡钻井技术发展趋势,欠平衡钻井定义,使钻井流体施加在井底的压力小于地层孔隙压力，有效控制地层流体流入井筒，并对其进行处理的钻井方式。,1、欠平衡钻井定义及特点,欠平衡钻井发展历程,1284 在中国第一次顿钻钻井1880s 第一次用空压机钻矿井1895 用水进行旋转钻井1920s 第一次用空压机钻油气井1920 第一次用泥浆钻井1928 第一次使用防喷器1932 第一次应用充气泥浆钻井1955 空气钻井开始被广泛应用1960s 四川油田、新疆油田尝试了欠平衡钻井技术1970s 第一次应用稳定泡沫钻井1988 第一次应用欠平衡技术在Austin Chalk钻高压气井1993 第一次应用连续管钻欠平衡井,1995年开始用于欠平衡水平井1997 第一次在海上应用欠平衡钻井1980s 中石油欠平衡钻井技术开始深入研究与试验1990s 中石油欠平衡钻井技术迅速发展,欠平衡钻井在美国的应用,美国专家调查预测，未来几年欠平衡钻井仍然有较高的潜力。陆上使用欠平衡钻井的比例将达到37%，海上将达到12%。,2006年世界欠平衡钻井领域排行榜,欠平衡和气体钻井技术是九十年代在国际上被广泛应用起来的一项钻井新技术，在北美地区尤为突出。欠平衡及气体钻井技术已成为继水平井技术之后的第二个钻井技术发展热点。,不同岩石类型中进行的欠平衡钻井产量增加的幅度,BP公司,21世纪里程碑石油技术,上世纪九十年代最受欢迎的钻井技术在世界范围内的应用增长迅速已成为开发一些压力衰竭油气藏的重要或唯一手段,欠平衡钻井的主要应用目的,欠平衡钻井在勘探开发中的作用主要体现在,勘探上：提高低压、复杂岩性、水敏性、裂缝性等类储层油气的发现和保护开发上：通过有效地保护储层，提高单井产量，降低开发综合成本钻井工程上：提高了钻速，减少了井漏,用UBD 要有针对性,UBD推荐的地层及油藏,坚硬低钻速地层低压易漏地层污染敏感性地层水敏及易湿相乳化的地层裂缝及溶洞性灰岩地层,渗透率小于 1mD 的致密性油藏压力衰竭的油藏渗透率大于 1000mD 的高渗油藏容易湿相乳化的油藏裂缝性发育油藏,不适宜进行欠平衡钻井的地层,1.松散地层(Highly Unconsolidated Formations)2.具有塑性流动特性的岩盐层3.受强应力作用非稳定泥岩地层4.含高浓度H2S地层,因此，欠平衡钻井作业总体具有以下优势,.提高机械钻速,但！欠平衡钻井作业的局限性,.空气钻井钻遇储层存在井下燃爆风险,.连续欠平衡钻井对地层条件要求高,.钻井作业井控风险相应增加,.钻井成本相应增加,2、欠平衡钻井技术分类及特点,欠平衡钻井分类,根据所使用的循环介质，将欠平衡井分为：,地层压力系数与钻井介质平衡关系,高压区；UBD钻井液为单相液体,工艺的选择取决于储层压力系数,UBD 常用作业区,是指人为控制钻井液有效液柱压力低于产层地层压力，使产层流体进入井筒，循环到地面，并可以得到有效控制的一种钻井工艺技术。它是在防喷系统的作用下，使地层流体有控制地进入井眼，通过旋转防喷器的导流，使含有地层流体的钻井液经过气液分离器、撇油罐等地面设备处理后，重新泵入循环罐参与正常循环的一种钻井工艺技术。,避免常规过平衡钻井，因压差问题导致的储层伤害；可及时发现油气层,利于探井评价.欠平衡钻井工艺可提高机械钻速，降低综合作业成本，具有 良好的经济效益和社会效益。,特点：,液相欠平衡钻井技术,液相欠平衡钻井,作用于井底的环空压力包括:1.液柱压力(取决于钻井液密度);2.循环压耗(取决于井身结构,钻具结构);3.施加于井口的回压。,基本条件,泥浆液柱压力+循环压耗+欠压差值地层孔隙压力,目标,在钻井过程中,通过联合控制钻井液液柱压力与井口回压值,实现:地层孔隙压力-钻井液液柱压力+循环压耗+井口回压值 欠压差值,欠平衡钻井的压力区间,欠压差值根据地层的坍塌压力来决定，通常取值大于坍塌压力，经验数值取200-300PSI(具体根据油藏特点确定)。,钻井液技术要求,正常循环状况下，应保持所希望欠平衡压差值 具有良好的井壁稳定及井眼净化能力 与地层流体及气体有良好的兼容性 具有良好的防护套管、钻具及井下工具等的性能 近平衡(起钻及完井)状况下，尽可能不伤害储层,井口控制系统旋转头、阻流管汇及控制盘等,液相欠平衡钻井主要系统构成,油气分离系统四相分离器、储油罐等,井下工具系统EMWD、单流阀及套管阀,钻屑处理系统,旋转防喷器、远程高压（70MPa）节流管汇、液气分离器、撇油罐、燃烧管线 自动点火装置等。,实施液相欠平衡钻井所需的设备,Williams Rotating Control Heads,Rotating Control Head,Rotating working pressure:2,500 PSIStatic pressure:5,000 PSIShell(housing)capable:10,000 PSIMaximum operating RPM:150 RPMOperating temperature:-28 C to+121 C Fluid rating:H2S serviceUniversal,quick-change bearing assemblyPositive oil lubricationCooled bearing sealsHydraulically operated clamp,欠平衡钻井地面设备,立式分离器,节流管汇,1.大通径2.防硫,要求,套管隔离阀（DDV),DDV:Downhole Deployment Valve,DDV的作用与特点起下钻过程中封隔油气藏，不必压井，减少起下钻时间完井作业时也不用压井，避免完井液对地层的伤害钻完井全过程使井保持欠平衡状态减少整个钻完井过程的费用，使欠平衡作业更容易，更安全通过地面液压管线控制阀门的开关DDV可永久安装，也有可回收式以供选择,启动器工作筒向下运动，将活瓣阀推开。当启动器工作筒返回上部位置时，活瓣弹簧将活瓣阀关闭。,液相欠平衡钻井井口装置,井口特点,井 场 布 局,该井采用液相全过程欠平衡钻井技术。在井段2998.40-3060.00m中途裸眼测试产气9.7104m3/d和少量凝析油。而且实钻表明，利用欠平衡钻井技术有利于机械钻速的提高。,液相欠平衡钻井技术应用实例,新疆油田彩54井液相欠平衡钻井技术,欠平衡钻井中良好油气显示、边喷边钻,2008年度新疆油田液相欠平衡钻井应用情况,空气钻井技术简介,空气雾化钻井是以空气或雾化作为循环介质的钻井技术，其密度可在0.10.4g/cm3之间任意调整，它适用于岩性稳定的超低压裂缝性油气藏的勘探开发。有效地解决了钻井液对油气藏的污染，获得对产层的真实评价，有利于发现油气藏，可提高机械钻速34倍，最高达到1012倍，生产成本可大幅度降低。特别是空气雾化流体的密度低，在钻井过程中可及时发现油气显示。,空气钻井,Angle理论:,实施空气钻井的重要条件是:,实际气体流量应达到满足携岩所需的最小排量,不同尺寸井眼、不同井深条件下的气体钻井气量选配表,空气密度低，易形成欠平衡状态，能有效解决井漏，适用于低压、衰竭油气层的钻井；对储层的伤害小，有利于发现和保护油气层，增加油气产量；能最大限度地提高机械钻速和单只钻头进尺，降低钻机作业时间，低开发成本；在缺水、钻井液费用昂贵的情况，可以减少钻井液和水的费用；,优点,缺点：,空气钻井工艺对井壁的支撑能力是最低的，从井壁力学方面促使井眼不稳，尤其是有水层、水敏性地层、泥页岩地层容易发生井下复杂，不适用于软地层。,Air Drilling Waited Upon Large Portable Compression,Simple and convenient to drill with air inexpensively and anywhere.,Harold Vance Department of Petroleum Engineering,.设计井深：4500m,.钻井层位：石炭系,石炭系地层岩石可钻性差，钻井段长。,钻井难点,目标,提速。,空气钻井应用情况,该井空气钻井过程中，通过使用空气锤钻具组合，实现了在准噶尔盆地腹部石炭系深部地层快速钻进的目标。三开空气钻井钻速统计表明，空气钻井相比较常规钻井液钻井方式，在提高可钻性极差石炭系地层机械钻速方面具有明显的优势。,滴北1井二开石炭系层段钻时曲线,平均机械钻速0.83m/h,三开空气钻井空气锤钻进井段机械钻速曲线,平均机械钻速6.70m/h,滴北1井实施空气钻井段长559.56m，作业周期14天。牙轮钻头平均机械钻速4.35m/h，为常规钻井液钻井条件下的4.72倍。空气锤钻进平均机械钻速6.7m/hr，为常规钻井液条件下7.28倍。,泡沫钻井技术,泡沫钻井是利用致密、连续、均匀的泡沫流体作为循环介质的钻井技术，其密度可在0.250.6 g/cm3之间任意调整。它一般适用于地层压力系数小于1.0的油气藏。与常规钻井技术相比它的优点是：大幅度地减小钻井液的漏失造成的对油气层的污染，提高机械钻速，降低钻井成本。缺点是：泡沫是一次性流体，目前的技术可循环利用量小，成本高。其次还有可能造成环境污染。,泡沫(0-97%气体),空气/天然气/氮气/或其他惰性气体,H2O或者水基/油基,BJ7168井泡沫钻井井段1600m-2020m，多数井段全烃对比升至10万ppm以上，随钻始终有油/气进入井筒，实现了发现与保护油气层的目标。同时，泡沫钻井创造了在该区可钻性较差石炭系地层钻进，平均机械钻速4.5m/hr的指标。,BJ7168井井身结构图,泡沫钻井应用情况,白22井位于克白断裂带-检乌26井西夏子街组扇体。该井在3265m-3755m井段应用泡沫欠平衡钻井技术。,白22井井身结构图,第一：实现了对该区储层的重新认识与评价,该井钻进至井深3755m，泡沫钻井出口返出异常，流速加快。关井后节流放喷，日产水6000m3/d。改变了前期评价该区储层为低压、低渗的认识。,第二：获得了在可钻性较差二叠系夏子街组和风城组地层机械钻速的突破。,白22井泡沫钻井段机械钻速图,白22井转换为钻井液井段机械钻速图,钻后统计，泡沫钻井相对于常规泥浆钻井，机械钻速提高幅度610%。,滴16井,地层特点及泡沫钻井目标,据此，对准噶尔盆地气基流体欠平衡钻井井身结构方案进行了适当调整：要求二开技术套管下深以进入石炭系地层不小于40m为原则。,自井深1180m开始实施泡沫钻井,相对滴15井提高4.9倍,充气泥浆钻井技术,充气泥浆钻井是将一定量的气体（空气、氮气、天然气等）连续不断注入泥浆内，使其呈均匀气泡分散于泥浆中，形成充气泥浆。从井内返出的泥浆经过地面除屑除气后再次注入井内循环。充气泥浆的密度可根据用用户要求在0.45g/cm3以上进行调整，从而达到防止漏失和防止油气层污染的目的。其主要优点为：减少钻井液漏失造成对目的层的污染，提高机械钻速，降低钻井成本。,充气钻井液的分散相气体可以是空气、天然气、氮气等气体；连续相可以是各种类型的常规钻井液，也可以是淡水、清洁盐水、地层水、柴油等液体，但作为连续相的钻井液必须是易充气、易脱气且很稳定。充气钻井液入井前通过调整气、液量来调整钻井液的密度；返出井口后经过地面除气器，气体从充气钻井液中脱离出来，以保证泵的正常上水。,在0.551.03g/cm3密度范围内能够通过充气进行有效地调整，从而降低静液柱压力，实现近平衡或欠平衡钻井，保护油气层；需要较高静液柱压力（而其它气体系不能产生）的油气藏，可以采用充气钻井液来钻，从而最大程度地降低地层损害；将充气钻井液应用到其它气体体系不能奏效的情况下，例如，在欠平衡钻井过程中，能够产出大量水的严重漏失地层，通过调整注气量和液量，可以在环空中获得平衡状态，从而既不漏失，也不井涌；对井塌等钻井复杂问题亦较泡沫有较强适应能力；,充气钻井技术优点,基液可以是钻井液而不是水，因此可以在钻穿水敏性地层时，维持井眼的稳定性；减少钻具磨损和井下钻具着火的危险；钻井时效高，能大幅提高钻机作业效率；保持较高的PH值用于克服内在的腐蚀损害和对充气钻井液的破坏；消除了着火和灰尘危害，有利于保护环境；,可用于任何类型的地层，包括硬地层、软地层、干地层或湿地层，而空气钻井需要干燥的条件；根据压力变化随时调整注液量和基液密度控制井口和井底压力的变化，阻止盐水流入或井喷事故的发生；可采用常规测井和常规固井；易于施工，是费用最低的低压欠平衡钻井技术。可以利用常规钻井液，成本低，比泡沫类钻井流体节省成本。因此该技术应用比较广泛。,充气钻井技术缺点,需要增加气体的注入压力；如果充空气需要进行更广泛的腐蚀控制；不适于高压高产储层；也存在井壁不稳定问题；遇到高压水层会产生技术上的困难。,环空气液混合流体特征分析,1994年Williams发表了气液混合物两相流流态结构。液、气经过泡沫发生器的混合基本形成了比较均匀稳定的混合物进入钻具内，其结构为泡状流，是泡而不是泡沫。充气钻井液属于塑性流体，随着气液比的增加，塑性粘度与动切力增加；随着温度的升高，相同的气液比下的充气钻井液粘度下降，动切力下降。,从井底环空到井口的上返过程中，混合物结构处于动态中变化中，流态为非线性两相流。随着液柱压力降低、温度的下降，小气泡结为大泡，混合物中气体体积增加，由泡状流变为段塞流，再进一步变为过度流。井筒中上部为段塞流和过度流段，该井段为流态不稳定区。混合物到达井筒上部井段，气泡体积更大，形成环状流，流速增加。,过渡流,环状流,段塞流,泡状流,环空维持气液混合的极限返速分区,环空气液两相流分布情况,井筒中上部弹状流、涡状流,井筒下部泡状流,井筒上部环状流,环空内气液比、气体百分比随井深的变化,在井深2400米处的混合物中气体体积占3%，到井深600米处气体体积占18%；而井深300米处气体体积急剧变大，气体占58%，由600米到300米气体体积增加了2.22倍；到井口处气体体积占91%，比井底的泡沫体积增加30倍。,3000米的井深1.0的“基浆”在地面的气液比：25:1，泡沫质量为96.15%，此时的泥浆几乎全是气体，密度0.0385;在井底气液比：1:99，泥浆密度为0.99，与基液几乎相同。而气体密度大约为0.37。,基本计算公式:,式中：P1井筒某点压力，Mpa；P2井筒另一点压力，Mpa；V1井筒某点气体体积，m3；V2井筒另一点气体体积，m3；T1井筒某点热力学温度，K;T1=273+t1，t1-井筒某点温度，；T2井筒另一点热力学温度，K。T2=273+t2，t2-井筒另一点温度，；Z1、Z2修正系数。,充气钻井液井筒压力计算,充气钻井的注气量、注液量、井筒流体柱压力、循环压耗、注入压力（泵压）、当量密度计算与模拟均需要专门软件。环空井底压力能够通过调整液相密度、注液量和注气量来实现控制。特别需要指出的是，当注液量一定时，随着注气量的增加，环空压耗增加，因此存在着最佳注气量范围，现场应根据具体情况进行选择。最好在钻具组合中安装随钻压力检测仪（PWD），实时检测井底压力，判断欠平衡状态，指导施工。,注气量与压力关系(Saponja,1995),1614121086420,环空井底压力 2100m(MPa),氮气注入量(st m3/min),20,10,40,50,30,0,最佳点在一定的液体注入量条件下，降低流体密度所需的最小注气量。,摩阻控制区浪费气量比较稳定气体注入量使井底压力增加,静液柱压力控制区不稳定压力变化大气体注入减小井底压力,注油量 200 L/min139.7 mm(5-1/2”)套管120.7 mm(4-3/4”)水平井眼,当液柱压力所减少的量与环空摩阻增加的量相互平衡抵消时，此时的气体注入量既为最佳注入量（最佳循环点）。临界值决定于环空几何形状、井深和液体密度。在设计和钻井过程中，必须确定井眼内是静液柱压力控制状态还是摩阻压力控制状态。因为增加气体的注入量并不总是使井底压力减少，反而造成因过多的增加气体泵入量，而增加成本。,最佳注入量,为了正确地设计、预测对作业的各种限制和控制井底环空压力等，必须考虑地层流体的流入对循环系统的影响。对各种地层流体的流入进行评价，以确定其对循环系统的影响和对循环系统的各种限制是很重要的，实现必须充分考虑。,较小的气体注入量或者地层流体流入量的变化将导致较大的井底压力变化；地层气体的流入可能导致井底温度的降低，降低（原文为增加）井内的压力梯度，导致更多的地层气体的产生等等。井内气体（注入的/或地层流入井内的）少量的变化可能引起井底压力的急剧变化，井内压力的波动对所有已钻开的地层产生影响，可能导致过平衡或井眼不稳定。在静液柱压力控制状态，液体更容易在环空聚集和滞留，形成段塞流。,在静液柱压力控制状态，气体、液体注入量与井底压力之间的互动关系,循环系统更稳定；气体注入量的变化引起井底压力波动小；在地层气体进入井内时，井内气体量的增加将使井底压力适度的增加，同时也阻止了地层气体向井内的流入。在摩阻压力控制状态，地层流体向井内的流入得到控制而且进入井内的量最少；在摩阻压力控制状态，如果液体注入量较大，则循环系统的稳定性好，可以不必考虑其影响。,在摩阻压力控制状态下,液、气注入量对井底压力的影响,16 14 1210 8 6 4 2 0,环空井底压力 2100m(MPa),氮气注入量(m3/min),20,10,40,50,30,0,注入柴油139.7 mm 套管120.7 mm 水平井眼,注入油量 100 L/min200 L/min300 L/min,最佳注入量,需要的气体标准量计算图表(After Phillips Pet.Co.),每方泥浆需要的气体量（m3）,钻井深度（米）,注气方式,钻杆注气法,工艺流程：来自气体注入设备的压缩气体与来自液体注入设备的液体经过混合装置的混合，形成均匀的气液两相流体，通过立管、钻具内、钻头到井筒环空，再经过井口、节流管汇（或直接通过旋转头侧口、排放管线）进入分离系统（或经过密闭循环系统）进行气、液、固分离。,立管注气 选择喷嘴大小确定旁通气量 喷嘴与钻头喷嘴类似,旁通喷射短节,工艺特点,工艺简单、应用广泛。缺点是在钻井过程中注气、注液的不连续性（接单根，起下钻等），井底压力会因为摩擦压降消失而降低，其结果导致已钻开的储层的出油量、出气量增加，在钻开的长水平井段后效更加明显，即接一个单根出现一个井口高压单根峰，给井口压力控制和油、气、钻井液的分离带来困难；由于停止循环，钻具内外的钻井液发生液气分离，静液压力剖面发生变化，井筒上部是气，下部是液体。,因为井筒内处于“活”的状态，当地层只出油、水时，环空静液柱压力增加。当重新建立循环后，主要摩擦压降作用在井的下部，而且钻具内下部的液体段塞先被泵入环空，这样就增加了环空液柱压力和流动阻力（ECD增大），井底出现压力激动，有可能导致出现过平衡。所以应尽量减少接单根时间，使用顶驱能够部分避免这种情况。,工艺特点,钻柱注气优点总结,它不需要任何井下辅助工具，因此其基本成本比其它注气方式要低。由于充气流体充满了整个环空，因此获得的井底压力比气体从旁路注入的要低。同一原因，任何特定的井底压力需要的气体注入速度比环空注气的要低。在钻头处有较好的水力学。,钻柱注气缺点总结,在接单根或起下钻停止循环时，不能实现连续注气，很难维持欠平衡状态。循环停止时，可以维持欠平衡状态，但不能有效地控制井底压力。由于各种钻柱单流阀使钻柱中的气体有一定压力，因此在接单根或起钻卸压时要花一定的时间，这一操作比钻柱中只有液体时要慢。流过钻柱的是两相流，产生比单相的液流更高的摩擦压力损耗，因此，立压将比环空注气时的高。,接单根时的井底压力变化,时间 分钟,环空压力（psi）,地面压力,井底压力,起钻压力峰值,井眼清洗不足井眼发生堵塞地面压力没有增加,井底压力（psi）,时间 分钟,充气钻井过程中井底压力的变化,钻柱注气缺点总结,在环空注入和钻柱注入中，可压缩相（气泡）会迅速减弱任何MWD的压力脉冲信号，因此不能使用常规的脉冲MWD。钻柱注入时，气体和液体都要流过井下马达，会降低马达的效率，而且还会引起井下震动，缩短了泥浆马达和其它井下设备的使用寿命。还会出现在钻头或渗透性地层重新获得汽化时，如果井眼压力超过了地层压力且流体漏失控制不好，注入的气体就有可能进入到揭开的渗透性地层而不会上升到环空。钻柱注入使钻柱腐蚀更快。,环空注气法,包括寄生管柱法和微环空注气法两种环空注气工艺,典型寄生侧管,寄生管注入装置,寄生管注入接头(Westermark,1986),平行管柱注入接头(Teichrob),寄生管充气实例,工艺流程,寄生管柱注气井下流程如图所示，通过固定在套管外部的油管和注入接头进行注气。注入接头连接在套管上是管柱的一部分，油管用专门的卡箍固定在套管的外壁，同套管一起下入井内并固结在水泥环中。注入的气体在环空与返回的钻井液相混合，从而通过降低注气点以上的静液柱压力来降低环空井底压力。当水平井使用寄生管柱时，注气点通常位于水平井造斜段的中点附近。,同心管注入技术,与寄生管注入技术相似，同心管临时下入井内，气体通过两层套管环空注入井内；单相钻井液通过钻柱注入井内，可以使用常规定向井工具和测量仪器；与寄生管注气方法不同之处是同心管可以重复利用。微环空注气技术将两层套管之间的空隙作为注气通道在钻进过程中，注入的气体在环空与返回的钻井液相混合，从而通过降低注气点以上的静液柱压力来降低环空井底压力。注气点位于水平井的“脚跟”附近。能安全地下入斜井或水平井中，并且能提供一个比寄生管柱注入更深的注入点。,同心套管注气技术(Teichrob),同心套管注气井口装置,双层钻柱注气技术,泥浆入口,空气,旋转头,气液混合物返出,双,层旋转,5“同心管,注入接头,4 1/2“常规钻杆,钻铤,双层钻柱注气技术,与同心套管注气技术相同；接单根期间停止注气；需要特殊的方钻杆，增加接单根时间；不常用。,两种注气方法都不能降低注气点以下流体的密度。环空注气方法只是降低注气点以上井段的液柱压力，为了获得与钻柱注气方法相近的井底压力降低效果，需要更高的注气排量。环空注气的工艺优点是在接单根和起下钻过程中可以继续循环气体，从而比使用钻杆注气具有更低的压力波动；可以采用常规的动力钻具、MWD和钻头水利参数；气体不接触裸眼，如果有腐蚀仅是注气点以上井眼温度较低的部分。,环空注气法在接单根，起下钻时如果控制不好也可能同样不能达到稳定状态，也会导致井底压力的某些变化。根据具体情况可以在注气的同时通过调整井口的开启程度，调整井底压力。环空注气法要求容纳注气管柱，井眼尺寸的扩大和增大注气排量使成本增加。而对于已经钻成的井眼，由于没有足够的空间来容纳注气管柱，而无法采用环空注气工艺方法。,只有利用连续软管进行欠平衡钻井作业时，才能获得和维持稳定的井底压力条件。利用连续软管钻井不需要接单根并且起下钻时可以连续注气。虽然利用连续软管进行欠平衡钻井在井底压力控制方面具有明显的优点，但是仍然处于开发的早期并且与钻杆相比具有很大的机械限制因素。虽然国外公司已经利用连续软管和环空注气技术进行了欠平衡钻井作业，但是由于成本和现场作业因素，到目前为止，钻杆注气技术仍是应用比较广泛的充气欠平衡钻井技术。,环空注气与寄生管注气对比优点总结,接单根或起下钻时可实现连续注气。而液体循环可能要停止，并且井底压力控制不完善。钻柱中是单相流（液体），MWD系统可以使用，井下马达工作效率高，井下震动可能较低。气体注入点通常是在套管内，注入的气体不会流进揭开的渗透地层。尽管开始注气的压力比钻柱注入时要高（相同井深），但它通常在达到设计的井底压力降时比立压低，因此，环空注入需要的气体压缩功率可能比钻柱注入还要小。如果注入的是压缩空气，不是所有的钻柱都会暴露在有腐蚀性的气化液体中。,环空注入技术与寄生管注入技术对比的缺点,环空注入技术都需要较高的气体流速，因此气体成本较高。寄生油管注入或是暂时套管注入，都会产生额外的成本。在侧钻钻井作业中，使用这些方法的可能性非常小，除非能起出已有套管或大直径的油管。在绑寄生油管柱的套管与外层套管及裸眼段间必须要足够空间，以容纳寄生管及其注入短节。,工艺流程,欠平衡完井技术,欠平衡完井是欠平衡钻井过程的一个重要环节，如果欠平衡钻进结束后仍采用传统方法完井，势必对产层造成一定程度的伤害，导致产能下降，从而降低欠平衡钻井的综合经济效益。据介绍，国外欠平衡钻井比较多的采用的完井方法是简单的裸眼完井方法，即产层不下套管。但是这种方法在采油过程中由于流体过度滤失，降低了相对渗透率,从而使油藏易受损害。,欠平衡完井可以满足钻井技术发展的需要，因为简单的裸眼完井不能满足地质和采油工程的需要，而采用封隔衬管和砂控完井的方法，可确保井壁的长期稳定性并具有一定的井控能力。欠平衡完井是欠平衡钻井的自然延续，它有许多益处。欠平衡完井作业的基本目的是使生产层不受完井时包括压井、固井时滤失的流体对其造成的伤害。,欠平衡完井技术的优点,将地层损害降到最低程度，正确评价真实的储层产能；提高产能和采收率。,欠平衡完井方法有：1.欠平衡流动完井 2.欠平衡裸眼完井 3.欠平衡下衬管完井方法 4.欠平衡套管完井,流动完井，就是在井眼处于控制流动（自喷）状态下，下尾管进入裸眼井段的完井方法。该方法的主要优点是可以避免外来流体与地层接触，使井在自然状态下完成。其具体做法是使用连续油管将尾管在自然状态下送入到井下裸眼井段。这种技术在美国得克萨斯东南的奥斯汀白垩系被大量应用。当井正在自喷时，由于使用钻杆不能满足继续钻进的需要，挠性管是最理想的工具。但是，这种流动状态的完井方法存在着安全隐患，钻井人员必须谨慎操作。这种完井不适合高气油比的井和含硫化氢的井。,欠平衡流动完井,该完井方法是井下防喷管完井法的一种。其具体做法是在接近技术套管鞋处放置一个过油管桥塞（膨胀式桥塞），当桥塞膨胀密封后，中间套管就相当于一个井下防喷管。坐封可用钢丝绳、钻杆或连续油管，当油管就位后，过油管桥塞可被取出，使用标准打捞筒就可将桥塞取出和安放。如果由于井下原因需要起出油管，这种桥塞又可重新下入。这种完井方法，如使用钻杆时，需要进行不压井起下管柱作业。,欠平衡裸眼完井,是另外一种井下防喷管完井法，是在裸眼完井方法基础上进行的。先将膨胀式桥塞（过油管桥塞）坐封在技术套管鞋处并试压检验其密封情况。下入生产管柱时，标准的打捞筒附于衬管底部一起下入井内，一旦打捞筒与桥塞接触，打捞筒就会抓住桥塞使桥塞解封，接着将衬管下到完井深度完成下衬管作业，如图所示。,欠平衡下衬管完井方法,（图中A、释放膨胀式封隔器；B、桥塞在井内的工作状态；C、打开桥塞下入生产管柱后进行正常完井），桥塞和打捞筒可留在井下。如使用过油管桥塞，桥塞就可从衬管内取出。这种方法还可在欠平衡条件下下入其它较长的井下完井组合工具，如油管传送射孔枪和防砂筛管。由于连续油管可以将组合强行下入井内，而且可持续进行，所以它是较理想的传送工具。,该方法亦称两级钻井完井法。,欠平衡套管完井,具体做法是先用传统旋转钻机钻至预定产层顶部，下入中间套管固井，然后用连续油管钻机采用欠平衡钻井技术钻至完钻井深，接着用连续油管在欠平衡压力下将尾管（衬管）下入到生产层段，如图所示（A、常规钻井钻至产层顶部并进行下套管固井；B、用连续油管钻生产层段；C、将尾管（衬管）下至完钻井深并悬挂好）。这种完井方法是较理想的欠平衡完井方法。,为确保欠平衡钻井始终处于安全的欠平衡状态，可对欠平衡钻井的全过程进行实时监测，对立管压力、套管压力、泥浆出口排量、出口密度、出口气量和泥浆泵冲等数据进行连续监测；同时对泥浆出口和燃烧管线进行视频监视与记录。,数据采集系统：,3、欠平衡钻井配套技术装备,可有效解决欠平衡钻井施工过程中的测井作业必须压井的问题。带压测井接头与井口的旋转防喷器结合使用，可以在测井过程中实现对井口压力的密封和控制，节约了测井时间，实现了欠平衡测井作业。,欠平衡测井装置,在以往欠平衡钻井过程中，录井技术人员在测量全烃及各组份、H2S、CO2含量，以及泥浆电导率、温度、比重等数据时，是在已进行过气液分离处理的泥浆中进行的，这样就不能及时反映所测数据的真实值，不可避免地存在着测量误差。欠平衡气测装置是利用液气分离器泥浆入口缓冲管和分离器顶部的高度差,在分离器缓冲管下部法兰安装一引流管，用于引出未被除气的泥浆，以满足地质录井原始泥浆录井的需要。录井气测分离器需要的泥浆流量1.5m3/h,法兰引出的泥浆量应大于3m3/h,完全满足仪器对泥浆流量的需求。,欠平衡录井引流装置：,详细的地质资料：对合理的选择欠平衡钻井方式，设计钻井参数，制定工艺流程等至关重要。因此，在开发井上采用欠平衡钻井技术往往成功率较高。由于地质资料不全，探井应用欠平衡钻井技术的风险和难度较大。而对于探井要制定多种欠平衡钻井施工预案。,经过多年的欠平衡钻井技术研究和应用，实现了全过程欠平衡钻井，但欠平衡完井技术还有待进一步研究，真正实现整个开发过程在欠平衡状态下实施。,近年来，欠平衡钻井井数年增长率较大；采用欠平衡钻井技术的探井占比率较大；开发井成功完钻率达95%，探井达60%；,观念有待更新：由于欠平衡技术是一种特殊钻井技术，施工时需要特种设备的使用增加了钻井作业的成本。有一些油田在采用常规的方法进行开发没有效果时，才寄希望于欠平衡钻井技术，而一旦获得发现，也不会大面积采用该技术。忽视了欠平衡作业潜在的油层保护和增加了储层的开采时间等长远利益。,欠平衡钻井统计与分析：,4、欠平衡钻井技术发展趋势,工艺技术及工具软件：井下套管封井器的完善，下部压力监测欠平衡井底数据采集与传输系统的研制循环泡沫钻井的研究欠平衡钻井与水平井、分支井的工艺结合欠平衡气体钻井技术开发煤层气的应用欠平衡完井技术的研究气体钻井的钻头和钻具腐蚀问题,技术展望：,MRC井（Maximum Reservoir Contact Wells）：,最大储层接触井是采用诸如长水平段、多分支井、鱼骨状井等特殊轨道井的建井技术，最大限度地暴露储层内的油气泄流面积，从而获得单井高产的技术。它是国际上21世纪初发展起来的新技术。该技术对于不适合压裂改造的低渗透、强水敏、薄层尤为适用，是低渗透难动用油气资源勘探开发的有效技术,最大储层暴露等于最大储层贡献吗？暴露面积上的储层保护：目的是最大产能，所以不但要暴露、而且要使暴露的面积具有尽可能高的供应能力。MRC井的暴露面积，原则上无法再压裂改造。保护重于改造！如何保护？优质工作液、屏蔽暂堵技术等传统技术的有效性？,第二部分 全过程欠平衡钻井技术,1、关于欠平衡钻井2、“全过程欠平衡”概念的引出3、全过程欠平衡钻井工艺流程4、实例分析与总结,1、关于欠平衡钻井,Source:US DOE,Oil&Gas Journal Sept.23,1996,0.0%,5.0%,10.0%,15.0%,20.0%,25.0%,30.0%,35.0%,1994,1995,1996,1997,1998,1999,2000,2001,2002,2003,2004,2005,Percentage of All Wells,0,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,Number of Wells,统计显示，世界范围内欠平衡钻井的比例是逐年增加的。国内也呈现了同样的增长趋势。,美 国,欠平衡钻井的发展趋势,UBD推荐的地层及油藏,坚硬低钻速地层低压易漏地层污染敏感性地层水敏及易湿相乳化地层裂缝及溶洞性灰岩地层,渗透率小于 1mD 的致密油藏压力衰竭的油藏渗透率大于 1000mD 的高渗油藏容易湿相乳化的油藏裂缝性发育油/气藏,UBD推荐的地层及油藏,井眼内静液压力始终大于地层压力钻井液的固液相侵入储层，造成储 层伤害泥浆漏失，进入产层,过平衡钻井与欠平衡钻井生产指数的对比,地层伤害计算:S=Ko/Kd-1ln(Rd/Rw)S-表皮系数,无因次 Ko、Kd-储层及污染区的渗透率 Rd、Rw-井眼及污染区半径,过平衡钻井（OBD）条件,欠平衡钻井（UBD）条件,表皮系数S影响产量：,过平衡钻井与欠平衡钻井生产指数的对比,OBD S=15-30 UBD S=2-5,UBD,OBD,常规钻、完井作业对储层伤害是明显的。表皮系数的存在，将会降低油气井产能。酸化压裂等增产措施可以去除部分表皮系数，但代价昂贵。,过平衡钻井与欠平衡钻井生产指数的对比,常规欠平衡，通过降低钻井液密度、控制环空套压的方式，仅在钻进阶段实现对储层的欠平衡保护。而在起下钻、测试过程,为降低井控风险,实施压井作业。,压井作业，不可避免出现井筒压力大于地层孔隙压力的现象，是否这种工况会造成储层污染，抵消前期欠平衡保护的成果?,2、“全过程欠平衡”概念的引出,关于欠平衡过程中的地层伤害,根据SPE-86558 Near-Wellbore Formation Damage Effects On Well Performance A Comparison Between Underbalanced And Overbalanced Drilling等多篇论文的结果 从理论上讲，欠平衡钻井可以减少甚至消除常规过平衡钻井过程中泥浆与泥浆滤液侵入地层造成的伤害问题。但是欠平衡钻井仍然存在导致储层伤害的可能：1）更换钻头而进行起下钻作业，或者其它干扰井筒的操作，均会导致暂时的过平衡状态。由于井壁失去泥饼的保护，这会导致泥浆滤液侵入地层而造成损害。2）与压差作用无关,无论井筒压力平衡与否,在毛管压力的作用下，泥浆滤液中的水可以通过逆流自吸作用进入储层，引起的水锁效应，造成产能下降。,关于欠平衡过程中的地层伤害,井筒流体侵入地层，会对侵入带地层造成一定程度的地层伤害：,1、钻井滤液与地层岩石不配伍引起地层伤害,1）.水敏效应 低抑制性钻井液进入水敏储层，引起粘土矿物水化、膨胀、分散，产生微粒运移的损害源。2）.盐敏效应 滤液矿化度高于盐敏高限矿化度时，可能引起粘土矿物水化收缩破裂，造成微粒堵塞。,3）.润湿反转 滤液中表面活性剂被亲水岩石表面吸附，引起孔隙表面润湿反转，造成储层相对渗透率降低。4）.表面吸附 滤液中部分处理剂被储层孔隙或裂缝表面吸附，缩小孔喉或孔道尺寸。,a).流体侵入前 b).流体侵入后,水相圈闭对相对渗透率的影响,2、钻井滤液与地层流体不配伍引起地层伤害,1）.无机盐沉淀 滤液中无机离子与地层水无机离子作用形成不溶于水的盐类。2）.形成处理剂不溶物 地层水矿化度和钙、镁离子浓度超过处理剂的抗钙、镁能力，处理剂盐析产生沉淀。3）.水锁效应 外来水相侵入储层孔道后,就会在井壁周围孔道中形成水相堵塞,其水_气或水_油弯曲界面上存在毛细管压力。要想让油气流向井筒,就必须克服这一附加的毛管压力。若储层能量不足以克服这一压力,就不能把水的堵塞消除,最终会影响储层的采收率,这种损害称为水锁损害。,关于欠平衡过程中的地层伤害,过平衡钻井，钻井滤液以及泥浆中的固相颗粒在正压差作用下进去地层，泥浆滤液自吸进入地层，两者作用相互增强，其侵入深度大，地层伤害严重。,欠平衡钻井，钻井滤液自吸进入地层，但地层流体在负压差作用下进入井筒，具有一定的返排能力，相互抵消一定程度的地层伤害，侵入深度浅，地层保护效果好。,关于欠平衡过程中的地层伤害,模拟与欠平衡钻井相关的近井地带地层损害的数值方法：,S：指饱和度Pc：毛管压力（为饱和度的函数）Kr：相对渗透率 Pw：井底流动压力(下标f表示滤液，h表示碳氢化合物),关于欠平衡过程中的地层伤害,模拟条件：油井，地层渗透率8mD，地层压力32MPa，欠压值2MPa，井筒半径0.108m。,CASE0：原始地层CASE1：OBD（1.5MPa）CASE2：UBD（-2MPa），短暂过平衡压力 1.5