浅析欠平衡钻井技术
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摘要：本文从欠平衡钻井技术的定义及作用出发，重点介绍了欠平衡钻井的设备以及欠平衡钻井的设计，最后为国内欠平衡钻井技术提出了建议。
关键词：欠平衡钻井；设备；压力控制；连续油管；防喷器
一、欠平衡钻井技术的定义及作用
目前，国内外关于欠平衡钻井的定义有以下几种：
API定义：钻井过程中主体产层流体可流入井眼，并可将其循环到地面，地面可有效控制。
ERCB的定义：设计钻井液柱压力低于产层压力，若液柱压力不够低时，在钻井液中加入空气或氮气，较低液柱压力必然引起地层流体流进井眼，并且这种地层流体必须循环出地面，并在地面进行控制。
CNPC的定义：地层流体受负压差的作用，向井筒内连续流动的条件下，所进行的有控制的钻井过程。
欠平衡钻井的基本概念有多种表述，无论哪种表述都包含以下两个主要方面，即：第一，井筒环空中循环介质的当量循环密度一定要低于所钻地（储）层的孔隙压力当量密度，这个差值即为欠压值。第二，地层流体一定要有控制地流入井筒，并把它循环到地面再分离出来。通俗称欠平衡钻井技术为“边喷边钻”，关键是在钻井过程中使地层流体连续进入井筒，因此欠平衡钻井技术的实质就是二次井控技术。因此它是不同于常规钻井的存在一定技术风险的新型技术。
欠平衡钻井在勘探开发中的作用主要体现在：
（1）在油气勘探上，欠平衡钻井技术可以提高低压、复杂岩性、水敏性、裂缝性等类储层油气的发现和保护，因此，对于油气勘探来说它是一种油气层识别技术；
（2）在油气开发上，欠平衡钻井技术可以通过有效地保护储层，提高单井产量，降低开发综合成本。因此，对于油气开发来说它是一种油气层保护技术；
（3）在工程上，欠平衡钻井技术可以解决低压地层漏失问题，提高机械钻速、减少压差卡钻。因此，对于钻井工程来讲，它是二次井控技术、保护油气层钻井技术、防漏技术和提高机械钻速的方法。
二、欠平衡钻井装备
欠平衡钻井所用的地面常规装备有：氮或压缩气供应装置、容 积小且压力大的注液泵、液-气混合管汇、节流管汇、钻屑或钻井液取样器、化学剂注射泵、采油分离系统和自动燃烧气体系统，以下是国外目前比较先进的专用装备。
1、高压旋转分流器-防喷器系统
又称旋转防喷器(BOP)。国外有好几个厂家都有专利产品，其中美国Williums工具公司生产的旋转防喷头使用最多，压力级别最为齐全。该公司供应的高压系统有7000型和7100型两种：7000型的静试验压力为21MPa，工作压力为10.5MPa；7100型包括旋转控制头总成、热传递-润滑装置、遥控监控台和遥控防爆电源设备。旋转控制头总成壳体试验动压力可达70MPa，静压力为35MPa，工作压力为17.5MPa。
2、液流导向系统
国外研制了一种电磁阀导向系统，可增加钻深。马达被设计成一种金属对金属的叶片，采用非弹性体制成的正容积马达，不会由于失速而使转速过快。
3、地面分离系统
2006年前后，国外加强了地面分离系统研制，包括压力额定值为35MPa的地面分离装置、自动节流系统及各种分离器，这些设备可处理大量液体、岩屑和钻井液。此外，有一种密封循环分离器，每天可处理566336立方米容量的液流；还有一种高效小型分离器，适用于近海地区。委内瑞拉Mamdbo湖有一口近岸井，为了降低化学剂成本，首次使用密封循环地面分离系统，还使用配有全套连续油管的驳船和2000bbl（原油标准桶）容量的泡沫装置。泡沫循环液密度降低到179.74～359.4千克/立方米，在分离后，泡沫可再循环使用，以降低配制化学剂和水的成本。
4、隔水管帽(Riser Cap)旋转防喷器系统
一种回流装置，所用主要设备是旋转控制头，装在水上隔水管顶部，可代替隔水管系统的滑动接头、球形接头和分流器。将高压软管接到旋转控制头双流管出口端，可提高井控能力，防止钻井液流失。高压机械密封置装于钻台下面的钻杆与隔水管之间，钻井液通过软管回流井下。
5、实用隔水管(Virtual Riser)装置
该装置包括旋转控制头、封隔器―锁定总成和环形压力控制―排放系统三大部件，其中封隔器―锁定总成是一个经改进的直径508mm可膨胀套管封隔器，起到控制头及井口下面套管间的压力密封作用。其元件是一个3m长的密封，置于660.40～914.40mm套管里面，用遥控船可遥控该封隔器。
6、地面数据采集系统
欠平衡钻井时，要测量并记录压力、速度、气含量、液含量和温度，并实时显示这些数据，避免出现过平衡和井喷现象。该系统可在钻井作业时，通过与现有钻井控制与监测系统接口，提供实时信息，还可与动态多相流量模型接口，允许将实际参数与计算参数加以比较。
三、欠平衡钻井设计
1、欠平衡钻井取得成功的关键
欠平衡钻井要想取得成功必须做到以下几点：完全搞清楚油藏和地质情况；选择合适的欠平衡钻井技术；合理的设计与多相流计算机模拟和制定应急计划。
2、欠平衡钻井参数设计
参数设计主要体现在以下几点：气体钻井主要是设计携带岩屑所需要的最小气体流量；雾化钻井主要是设计携带岩屑和液体所需要的气体流量；泡沫、充气钻井设计气体流量和液体流量；溢流钻井主要是设计钻井液密度和气体、雾化、泡沫和充气要用多相流软件设计。
多相流流动模型：常用的模型有均相流模型、分相流模型和漂移流动模型等；气体、雾化、泡沫钻井采用均相流模型，即气、液两相的运行速度相同；而充气、溢流钻井采用漂移模型，漂移模型考虑了各相之间的相互作用和相对运动，即气相滑脱速度和油相的漂移速度。
四、对国内欠平衡钻井技术的建议
1、进一步研究欠平衡钻井工艺技术
虽然国内对欠平衡钻井技术已进行了一些理论上的研究，并已取得一些研究成果，但是，研究的范围较窄，过去的研究工作，主要放在自然形成欠平衡条件下的边喷边钻技术上，其它方式的欠平衡钻井技术，如使用空气、氮气、泡沫、充气钻井液进行欠平衡钻井，还很少涉及到，或者还没有深入地涉及到，所以需扩大研究内容。
2、加强国内欠平衡钻井设备系列配套的研制
随着欠平衡钻井技术的发展，开发出了一些较先进的欠平衡钻井地面设备，如旋转防喷器（额定的动密封压力已达17.5MPa）、闭式四相分离处理系统等，这为安全、有效地欠平衡钻井提供了必要条件，有些设备国内有些油田已引进。而国内也早在1980年代就开始进行研制旋转防喷器和钻井液/气体分离器，但这些设备在某些设计结构上及技术指标上，与国外相比，还有一些差距，因此，还需在吸收国外设备先进技术的基础上，加强国内的研制工作，使其系列配套，满足欠平衡钻井的需要。
3、进行欠平衡连续油管钻井技术的研究
欠平衡连续油管钻井技术与常规钻井技术相比，具有钻井效率高，在整个作业过程中因不连接钻杆，可始终保持负压条件，能有效地减少地层损害，钻井安全可靠等优点，由于这些优点，适合其它欠平衡钻井方法不适合的高压和含H2S地层的钻井。国外已大力发展，而我们国内还未涉及，对此，国内应对该项技术进行一些理论上的探索和研究，大力发展利用欠平衡连续油管钻井技术进行老井加深、老井侧钻、小井眼钻井、浅气层及低压油气藏的钻井技术，以提高这些井的钻井效率、降低钻井成本、提高油气采收率。
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