欠平衡钻井过程中的风险分析及对策研(2)

充气钻井流体应用于钻井，开始于20世纪30年代。稳定泡沫技术应用于油井修井作业开始于20世纪70年代早期。21世纪末期，虽然越来越多的油气田进入衰竭期，但是越来越多的油气井采用了泡沫和充气钻井液技术。据专家统计：美国大约有三分之一的陆上钻井采用了欠平衡钻井技术，加拿大大约有40%。其它统计显示：在美国大约30%的石油天然气的钻井和完井采用了欠平衡钻井技术。

欠平衡钻井过程中的风险分析及对策研

1.2.3 欠平衡钻井分类

欠平衡钻井技术经过几十年的发展，至目前，国外已经发展了空气钻井、氮气钻井、天然气钻 井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井液钻井、边喷边钻等多种欠平衡钻井技术。

（1）空气欠平衡钻井技术，是指空气作为循环介质进行欠平衡钻井，是最早发展的一种欠平衡钻井技术。由于该技术是直接使用大气中的空气，所以可较大地节约钻井材料费用。

（2）氮气钻井技术，在欠平衡钻井中，氮气能用作钻井液，或作为钻井液的一种组成成分。主要的优点胜过空气钻井，因氮气和烃气的混合物不易燃烧，这样，可消除井下着火的可能性。

（3）天然气钻井技术，在天然气钻井中，使用天然气如同使用氮气或使用空气一样，可用作欠平衡钻井的循环介质。在钻含油气地层时，使用天气然钻井或防止井下气体混合物着火。然而，不同于氮气或空气，天然气当它排放到大气中时，一定会形成一种易燃的混合物。这种固有的较高的地面着火的潜在危险。使用天然气的钻井方法与使用空气或氮气钻井有一些不同。

（4）雾化钻井技术，在空气钻井过程中，如出现少量的地层水流，通常作法是将空气钻井转变成雾化钻井。雾化钻井的具体作法是，在压缩的空气流未注入钻柱之前，向其注入少量的含有起泡剂的水。注入的这种液体与地层产出的水就会分散成不连续的（独立的）液滴的雾，这种雾流速度与气流速度相同。

（5）泡沫钻井技术，泡沫可用作钻井的循环流体，泡沫流体为气液两相构成的乳化液，它具有静液柱压力低、漏失量小、携屑能力强、对油气层损害小等特点。适用于低压、易漏、水敏性地层、欠平衡泡沫钻井技术是目前国外应用较为广泛的一项钻井技术。

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（6）充气钻井液钻井技术，虽然充气钻井液很早就用于油气工业，但是，在50年代早期在美国犹他州的Emery县才第一次使用充气钻井液钻井。当时，是使用充气泥浆作为钻井液，主要用途是避免因使用泥浆钻井时的井漏，而不是特定用于欠平衡钻井，近年来，由于水平井钻井的迅速发展，为了避免水平钻井中的地层损害，在加拿大、美国及世界上其他地区，使用充气液体作为钻井液已被用于欠平衡钻井。充气钻井液的连续相通常为未稠化的液化，如水、盐水、柴油、或原油等，气相为氮气、空气或其它气体。充气钻井液一般不含有表面活性剂，在井下具有较高的液体体积分数。使用充气钻井流的井底压力通常高于用雾、泡沫等其它轻质钻井液的井底压力。充气钻井液的有效密度通常为4ppg-7ppg (0.48g/cm3-0.48g/cm3)。

（7）边喷边钻技术，随着欠平衡钻井技术的进一步发展成熟及能承受高压的旋转也喷器引入油田后，发展了使用液体钻井液对高压地层进行欠平衡钻井技术，这种技术国外称为Flow Drilling（国内译为边喷边钻）。严格地讲，欠平衡钻井都是边喷边钻，本部分所介绍的边喷边钻系指涉及到用液体钻井液进行的欠平衡钻井作业，另外的含意是利用自然欠平衡状态进行的钻井作业。

1.2.4欠平衡钻井技术的优缺点

（1）欠平衡钻井的优点

由于欠平衡钻井具有很多优势，越来越多的井采用了该项技术。这些优点包括：提高机械转速；减少漏失；延长钻头寿命；提高地层评价效果；减少地层损害；更早的油气产出；海上钻井可以得到更大的油层井眼和环境保护。

① 提高机械转速

欠平衡钻井避免了钻头底部对岩石的压持效应。没有压持效应，钻

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头牙齿可以更好的切削井底，并把岩屑带离井底，这样对清洁井底和提高机械转速都有好处。一个对气体钻井技术的评价显示：在同样的地层钻进，欠平衡钻井的钻速达到普通泥浆钻井的10倍以上。气体和空气钻井中，120ft/h的机械转速是很容易达到的。

② 减少漏失

当钻井液钻遇天然裂缝地层或渗透性强的岩石体时，由于井眼压力过高，钻井液就会进入地层，引起漏失，并且这种过高的压力会在压力衰竭储层产生裂缝而引起漏失。用传统的方法钻井，因为漏失引起的经济损失是十分严重的。欠平衡钻井是减少天然裂缝储层和压力衰竭储层钻井液漏失的一种有效手段。在深井钻井中采用欠平衡钻井技术的其他优点还有很多，例如：地层空隙压力梯度和地层破裂压力梯度非常接近时可采用欠平衡钻井技术；采用欠平衡钻井在钻进时可以方便的调节钻井液当量循环密度。

③ 延长钻头寿命

欠平衡钻井的钻头使用寿命通常大于过平衡钻井时的钻头使用寿命，原理就是：钻井液引起的过平衡压力会增强岩石的抗压强度。欠平衡钻井不存在过平衡钻井中钻井液施加在岩石上的压持效应，因此，在欠平衡钻井中岩石更容易被钻头牙齿破碎。另外，没有压持效应，钻屑更容易被钻井液带离井底，减少了钻头牙齿对岩屑的重复研磨。

④ 减少粘卡

粘卡的发生跟过平衡钻井中在渗透性地层泥饼的形成有关。当设备的载荷不能将井眼内的钻具或设备引出时我们就认为发生粘卡了。欠平衡钻井中没有泥饼的形成，所以也不会存在粘卡的问题。

⑤ 提高地层评价效果

通过直接观察、检测返出的钻井液，欠平衡钻井提供了一种及时监测发现油气储层的方法，如果采用过平衡钻井这些储层就有可能被错过。

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因为快速返出的钻井液流体中含有岩屑和储层流体，所以欠平衡钻井过程中更容易精确辨别一定井深处的油气储层。另外，由于采用了欠平衡钻井技术，减少了钻井流体进入地层，提高了裸眼井段的测井解释效果和不稳定试井测试的效果。

⑥ 减少地层损害

过平衡钻井过程中，钻井流体（液体和固体颗粒）容易进入渗透性地层对地层造成损害。钻井液的侵入会改变岩石的润湿特性，降低岩石的渗透性，堵塞地层孔隙。地层孔隙堵塞的来源可能来自钻井流体等外来流体的侵入或者本身矿物岩石的膨胀。这些变化降低了油气储层的有效渗透率。油公司要求采用欠平衡钻井的原因是在钻进过程中欠平衡钻井可以减少钻井流体对地层的损害。尽管这种钻井技术在某些区域比过平衡钻井要昂贵的多，但是它减少了对储层增产的要求，节省了增产施工的费用。

⑦ 更早的油气产出

通过使用合适的地面设备，在欠平衡钻井过程中，一打开储层就能采收油气。当继续钻进打开更多的油层时，油气就可以收集起来，有可能足够支付欠平衡钻井阶段的费用。

⑧ 环境保护

空气和气体钻井消除了钻井过程中和完井后钻井液对环境的潜在污染。雾化和泡沫钻井中用到的化学处理剂通常是可生物降解、对环境友好的，他们不会带来太大的环境问题。当然，欠平衡钻井中产生的地层流体需要用闭合的地面系统进行处理，从而减少对环境的潜在污染。

（2）欠平衡钻井的局限性

欠平衡钻井具有一些技术上和经济上的局限性。这种局限性包括：井眼稳定问题，液体侵入问题，定向钻井问题，安全因素，经济上的考虑。

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