欠平衡钻井技术的发展与展望

【摘要】常规的钻井属于过平衡钻井，钻井液压力大于地层流体压力，小于地层破裂压力。这样做主要是防止井喷。欠平衡钻井时，钻井液压力略小于底层流体压力，仍小于地层破裂压力。这样能及早...

摘 要：欠平衡钻井是国际上 90 年代初再次兴起的提高勘探开发效益的钻井新技术。近几年我 国来在油、气田勘探开发方面已进行了大量技术研究和现场试验，并取得了显著的成果。欠平衡钻井的相关理论和技术研究已经成为钻井工作者的一个研究热点。

一、欠平衡钻井的概况

欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液液柱压力低于地层孔隙压力，允许地层流体流入井眼、循环出并在地面得到有效控制的一种钻井方式。欠平衡钻井具有能提高硬地层的机械钻速，减少循环漏失和压差卡钻等优点，从而获得发展。推动欠平衡钻井技术的发展，其主要原因是减少和防止水平井钻井中钻井液对地层的损害。

早期的欠平衡钻井所采用的循环介质为空气，后来相继发展了用氮气、天然气、雾、泡沫或空气的轻质低密度钻井液的欠平衡钻井技术，主要用于钻低压地层。随着欠平衡钻井技术进一步成熟及井控设备的发展，又发展了用液体钻井液对高压地层进行欠平衡钻井的技术等。

二、欠平衡钻井的基本分类

常规的钻井属于过平衡钻井，钻井液压力大于地层流体压力，小于地层破裂压力。这样做主要是防止井喷。欠平衡钻井时，钻井液压力略小于底层流体压力，仍小于地层破裂压力。这样能及早发现油气藏。

1.欠平衡钻井系列分为

①气体钻井，包括空气、天然气和氮气钻井，密度适用范围0～0.02克/立方厘米；②雾化钻井，密度适用范围0.02～0.07克/立方厘米；③泡沫钻井液钻井，包括稳定和不稳定泡沫钻井，密度适用范围O.07～0.60克/立方厘米；④充气钻井液钻井，包括通过立管注气和井下注气两种方式。井下注气技术是通过寄生管、同心管、钻柱和连续油管等在钻进的同时往井下的钻井液中注空气、天然气、氮气。其密度适用范围为0.7～O.9克/立方厘米，是应用广泛的一种欠平衡钻井方法；⑤水或卤水钻井液钻井，密度适用范围1～1.30克/立方厘米；⑥油包水或水包油钻井液钻井，密度适用范围为0.8～1.02克/立方厘米。

2.欠平衡钻井技术按工艺分类可分为两种

流钻（flow drilling）是指使用普通钻井液的欠平衡钻井；人工诱导欠平衡钻井是指由于地层压力太低，必须采用特殊的钻井液和工艺才能建立欠平衡。目前，已经发展了空气钻井、氮气钻井、天然气钻 井、雾化钻井等多种欠平衡钻井技术。

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。

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。

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。

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。

四、欠平衡钻井的主要装备

（1）高压旋转分流器-防喷器系统。又称旋转防喷器（BOP）。包括旋转控制头总成、热传递-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。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，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。

（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。

五、实施欠平衡钻井的条件

有很多不同技术能确保达到预期的欠平衡条件，目前，主要的方法是控制用于循环的钻井液的密度，使钻井液在井筒内形成的静液液柱压力低于地层孔隙压力，而钻井液可以是单独的气相或液相，也可以是气液两相混合。气相和气液两相钻井液可人工诱导产生欠平衡条件，而液相钻井液可利用地层较大的压力而自然形成欠平衡条件。当地层孔隙压力通常超过同一深度的淡水或盐水静液压力时，使用常规液钻井液，控制钻井液的密度就可利用地层压力自然形成欠平衡条件。

六、结论与展望

随着中国欠平衡技术认识的不断加深，该技术开始逐渐被应用于老油田的开发，今后欠平衡技术在中国的应用范围将逐渐扩大，设备配套国产化的进程将逐渐加快，实现全过程欠平衡将成为今后中国各油田发展的目标。同时，我国大批钻探队伍开赴海外并广泛使用新技术，工艺和装备 ，相信我国的欠平衡井技术，一定能够成为全球钻井技术中的重要力量。