连接管柱欠平衡钻井作业的研究

摘 要：欠平衡钻井技术（Underbalanced Drilling Technology）是指在钻井过程中，利用自然条件或者人工方法在可控条件下使井筒内压力始终低于所钻地层孔隙流体压力一种钻井工艺和技术。欠平衡通常可分为两种典型的方式或类型：一类是采用常规钻井液就能达到欠平衡钻井条件，并进行形成所谓的“边喷边钻”钻进方式，对此国外通常称之为流钻（Flow Drilling）；另一类是需通过采用非常规钻井液来降低井内压力，从而形成欠平衡钻井条件。欠平衡钻井技术的应用和发展是基于石油工业在新形势下油气勘探和开发对新钻井技术的要求。这主要体现在两个方面：（1）提高油气勘探与开发的成功率。（2）提高钻探经济效益、克服具体钻井困难，降低油气开发成本。同时采用欠平衡钻井在很多情况下可以克服诸如井漏和卡钻等采用常规钻井技术难以克服的具体钻井问题。

关键词：欠平衡 连接管住 井底压差

中图分类号：TE242 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-063-03

1影响欠平衡钻井因素的分析

1.1多相流体的分析及循环系统的设计

循环系统是欠平衡钻井的一个最重要的因素。欠平衡钻井包括了正常钻进和打开油气层两部分。在欠平衡钻井过程中，油井是通过流体进行控制的。合适的循环系统设计不允许井底高的流动速度，井口高的流动压力。

欠平衡循环系统是非常复杂的。当在一个井筒里，非线性关系的多相流动系统可能存在多种不同的流动方式。

欠平衡循环系统是建立在有效的井眼清洗，合理的钻具底部能量分配和油井控制基础之上的。井底压力控制和适当的循环系统的设计是欠平衡钻井的关键。井底压力受一些相互联系的因素所影响，例如注入液体和气体的速度和类型、油藏流体流动性能、油藏构造以及钻柱的运动等因素。

钻井初期设计中，我们应当确定循环系统的各个参数和制定施工操作过程。为了确定地层压力对施工的影响，必须在不同条件下对注入流体和返回循环液进行配伍性研究。首先确定一个临时的循环系统方案，然后根据实际的油井条件，油层压力梯度和油层流体流动性能对这个方案进行调整。

1.2井底压力

欠平衡钻井的多相流动循环系统的设计取决于注入流体在井内流动的动态性能。井底压力是静态的流体静水压力和动态的摩擦阻力以及动态的流体加速度惯性力压力之和，其表达式如下：

井底压力=静水压力（静态）+摩擦阻力（动态）+惯性压力（动态）

普通钻井应用线性分析对循环液进行等效计算，但对多相流是不合适的。多相流动摩擦力严重地影响了井底压力，而且它是流动状态的复杂函数。因此，对于这种多种流动方式共存的多相流动，我们必须建立一个计算机模拟程序来解决这一问题。

如图1所示，增加液体注入速度就会减少气液比例，增加流体密度，减少气体体积的影响。如图2所示，当氮气注入速度从零增加，井底压力快速降低直到静水压力。摩擦力对井底压力的影响不是线性的，当氮气注入速度很低时，摩擦力对井底压力的影响很小，当氮气的注入速度继续增大，摩擦力的影响就会变的非常显著，但井底压力的改变速度会降低。这一部分曲线水静力影响大。降低的水静力被增加的摩擦力平衡的点称为最优循环点，这一点表示在一特定的流速下的最低井底压力。这点以后，氮气的注入速度继续增加，井底压力也随之增大，在这段曲线摩擦力影响大。在欠平衡钻井过程中，应确定循环系统是处在水静力影响大的阶段还是摩擦力影响大的阶段。如果井底压力降低，不一定是注入气体速度增加，因为注入气体速度增加也可能使井底压力升高。

最优循环点的循环系统是高效率的。这点以后，氮气的注入速度继续增加，它不仅增加了井底流压，而且增加了氮气的使用量，造成了能源的浪费。

在欠平衡钻井过程中，地层流体也参与了循环系统的流动，这样我们就必须对循环系统流体的流动进行多种因素的考虑，进行正确的设计和制定严格的操作规程，以准确地控制井底压力。图2中水静力影响大的曲线段有一个急剧的负斜度下降，其状态是很不稳定的，当气体注入速度或地层流体流动速度变化很小时，井底流动压力的变化非常大。气体流动不仅仅直接降低井底压力，而且还可以激发地层流体流动，会更大地降低井底压力。井底压力的不稳定性是产生超平衡压力和油井不稳定性的潜在原因。如果循环系统处在水静力影响大的阶段，液相漏失将导致泥浆滞流，形成泥饼。如果循环系统处在摩擦力为主要影响阶段，则它是稳定的。地层气体的流动将会增大井底压力，反之，井底压力的增加又会限制地层气体的流动，所以在摩擦力占优势阶段，地层气体的流动会实现“自我控制”。在这一阶段，地层流体的流动可以被限制到最低限度。

1.3欠平衡压差的考虑

当井底压力人为的比地层孔隙压力小时，就可以实现欠平衡钻井。井底压力和地层压力差别的大小取决于对井筒的不稳定性、钻柱运动和连接的状态、不稳定状态流体流动或压力波动以及油藏流体流入动态的考虑。

1.4井眼的稳定性

目前，欠平衡钻井井眼稳定性问题还没有完全解决。井眼的不稳定性可能是因为井筒压差和高的环空流速造成的。为了降低井眼的不稳定性，井下压力降必须控制到最低限度。根据目前的分析研究，欠平衡钻井井眼的不稳定性可能受下列因素的影响：不稳定状态的井底压力循环；地层气流动；钻柱的运动和连接；循环系统的调节等。由图2可以看出，在摩擦力占优势阶段，循环系统会保持相对稳定的井底压力，这样就会降低井眼失稳的可能性。

对于泥质层段更容易产生井眼不稳定的问题。当泥质层段被钻开时，井底流动压力是非常高的，在欠平衡钻井过程中就可能引起不同程度的井眼坍塌，井眼的不稳定性还可能受钻井控制和井筒压差不稳定的程度所影响。井眼不稳定性的实质是一个井壁坍塌时间的问题。

1.5钻柱的连接和运动

钻柱的连接和运动会影响循环系统的正常运行，在钻柱连接和运动过程中，井底压力是不断波动的。在钻柱的连接过程中，注入停止，在井筒环形表面和钻柱表面就会发生气液分离，形成段塞，当注入系统从新开始时，井底压力会增加。总之，当钻柱连接时，就会使井内流动状态变成段塞流动状态，而且产生大的惯性加速度。

在钻柱连接过程中，我们必须控制井下压力波动程度到最小，以得到良好的欠平衡钻井条件。因为液体的分离量直接取决于时间的大小，所以钻柱连接的时间和停工时间也应该限制到最小。总之，欠平衡钻井压力的设计必须考虑由于钻柱连接而引起的井底压力的增加。

1.6地层液体的流入

在欠平衡钻井系统中井底压力的设计必须考虑地层流体的流入。地层能量可减少循环系统所需要的能量，例如可降低氮气的注入速度。但在钻柱连接过程中，地层液体的流入可产生大的液体段塞，大的压力波动以及漏失问题。在高渗地层中，地层流体流入会使循环系统不能正常运行，从而不能实现欠平衡钻井。为了减少地层液体的流入，钻柱连接的时间应当限制到最小。

1.7注入流体类型的选择

欠平衡钻井循环系统所选择的液体基本上是和地层相配伍的水和油质牛顿流体。欠平衡钻井注入的流体通常不选用常规昂贵的钻井液循环，不需要大比重的增粘剂、加重剂等。增粘剂的使用会降低欠平衡循环系统的效率。注入流体粘度增大，提高了摩擦力，因此，为了保持足够的井底循环压力必须增加气体的注入。增粘剂的使用会降低地面油水分离的效率，溶解在液体中的气体形成稳定的泡沫状态，可能使泵产生“气锁”现象，导致事故发生。

当循环系统处于摩擦力占优势阶段，且井筒内气体流速较高时，液相粘度有利于控制油井，因此，对于高产能气井的欠平衡钻井，可采取液体增粘的方法。

1.8井眼的清洗

欠平衡钻井设计不仅要考虑井底压力，还要考虑井眼清洗的问题。循环系统处于井底压力最优效率点时，有可能不能满足井眼清洗的需要。

多相流动可以产生大的摩擦力梯度和大的表观粘度，可以实现有利于井眼清洗的紊流条件。因此，可以提高井内流体流速和多相流体表观粘度代替常规的钻井液循环进行井眼清洗，如果循环系统处于摩擦力占优势阶段，流体流动处于紊流状态有利于井眼的清洗。尽管高速流体会冲刷井壁，降低井眼稳定性，但过低的流体流速会产生相当大的液体段塞，堵塞井眼或间隙性出液，使井眼清洗的效果很差。因此，当流体质量增加或液体有效体积增加时，为提高井眼清洗效果，需要提高流体流速。

2常规钻柱欠平衡钻井复杂问题简析

成功的欠平衡钻井依赖于对油藏地质条件的确切掌握和合理的设计计算，以及多相流体循环系统的计算机模型的建立。钻井参数受油藏实际的井底流态及油井条件的限制，而监测能力和设备性能则在优化这些钻井参数中起着十分重要的作用。

连接管柱欠平衡钻井受钻井方案设计、多相流体循环系统、设备以及人员操作等因素的影响。由于处于不稳定状态，为了限制费用，获得最大的经济效益，连接管柱欠平衡钻井必须进行合理的控制。

在传统的超平衡钻井过程中，侵入油层的固体和有害液体会对油层造成伤害，从而降低了油井产能。为了最大限度地恢复油层产能，需要昂贵的增产措施，即使这样，油层要恢复到原来的产能也是不可能的。对于大斜度井和水平井，由于油层大面积受着钻井液的侵害，所以油层被伤害的程度更加严重。采用欠平衡钻井方式，对于保持油井的最大产能是有效的。在欠平衡钻井过程中，外来流体和固体侵入地层可以降低到最低限度或完全避免，这就可以降低其对油层的伤害。

欠平衡钻井不仅仅保证了油井的最大产能，而且它提供了一种实现油井控制和解决常规钻井带来的一系列问题的方法。如果一个低压低渗油层位于一个高压低渗油层的下边而被钻开，就会减少套管的需要量。欠平衡钻井可以防止压差粘附，减少循环漏失，改善钻井状况，获得高的钻井速度，提高钻头的使用寿命。

因为外界系统的不稳定性，就需要对连接管柱欠平衡钻井进行更多的分析研究。多相流体循环的水静力和摩擦力影响必须控制，以得到适当的欠平衡条件和高的井筒清洗效率。满足钻具底部的能量要求和实现系统的稳定。钻柱连接和起下对井底压力的影响必须被定量或减小到最低限度。

3小结

（1）欠平衡钻井需要对欠平衡的完全理解，必须明确一个循环系统是处于摩擦力占优势阶段还是水静力占优势阶段，并正确地应用。

（2）为了得到理想的欠平衡状态，良好的井眼清洗，对底部钻具提供足够的能量，实现油井的控制，应当设计一套完整的、正确的循环系统。

（3）欠平衡井底压差的分析必须考虑钻柱的连接、井眼的稳定性、油藏流体流入动态性能的影响。

（4）油藏气体的流入可降低对气体注入的需要，并有助于井眼的清洗。

（5）为了减少气体注入量，避免不配伍性，限制乳化，降低摩擦力梯度，简单的混相流体流动是最优的。

（6）必须尽量缩短钻柱连接的时间，以降低井底压力的波动。

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