1、Keywords: underbalanced drilling fluid; information collection;目 录摘 要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 研究欠平衡钻井技术的意义 11.2 欠平衡钻井技术国内外进展历史及现状 11.3 欠平衡钻井优点和缺点 21.4 本文研究思路 3第2章 欠平衡钻井相关理论 32.1 油气藏筛选理论 32.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏 32.1.2 不适合欠平衡钻井的地层 32.1.3 油气藏筛选程序 42.2 欠平衡钻井地层稳定性理论 42.2.1 井壁失稳机理 42.2.2 非泥页岩地层的稳定性 52.3 欠平衡钻井两
2、相流理论 62.3.1 环空两相流流态分类及其判别方法 62.3.2 欠平衡钻井气液两相流数学模型建立 82.3.3 三相携屑研究 82.4 欠平衡钻井井下爆燃基础理论 82.5 裂缝性储层欠平衡钻井流动规律 92.5.1 严重裂缝性储层的最大问题是井漏 92.5.2 漏层漏失的原因分析 92.5.3 漏层的漏失规律与地质特征 9第3章欠平衡钻井关键技术 103.1 欠平衡负压值的确定及控制 103.1.1 确定井底负压值应考虑的因素及分析 103.1.2 负压差设计流程 103.1.3 井底负压差的控制 103.2 欠平衡钻井液技术 103.2.1 选择欠平衡钻井液体系应考虑的问题 113.
3、2.2 欠平衡钻井液密度的确定 113.2.3 目前应用的欠平衡钻井液体系 13第4章 欠平衡钻井信息采集处理系统以及应用 144.1 研究欠平衡钻井参数采集与分析处理系统的意义 144.2 方案设计 154.3 系统软件的主要功能 164.4 系统软件的应用 164.5 欠平衡钻井技术应用事例 174.5.1 工程设计 174.5.2 现场施工 18结论 23致 谢 24参考文献 25第1章 绪论1.1 研究欠平衡钻井技术的意义进入20世纪90年代，由于世界范围内油气勘探开发从整装大油田、高压和常规压力、中高渗均质砂岩等良好勘探开发条件转移到了复杂中小油田、断块油田、薄油层、低压低渗低产能、
4、老油田改造、复杂储层条件、非常规油气等恶劣的开发勘探条件，这种形势迫使勘探开发必须要有新的思路和方法，同时由于非封固完井的水平井数量增多，强化了对防止储层损害的关注。另外国际油价的持续走高，对世界经济造成了很大的影响。高油价促使世界各国进一步增强了对石油资源重要性的认识，加强了对自己国内石油资源的勘探开发和利用，增加国内石油供应，减少对国际石油的依赖程度，其关键因素就是石油的勘探开发成本，因而降低石油的勘探开发成本则是目前石油工业上游领域的重要任务之一。欠平衡钻井技术不但能有效地降低油气田的勘探开发成本，最大限度得保护油气层，而且能很好地克服钻井作业过程中的难题和避免一些复杂情况的发生；有利于
5、中小型油气田、非常规油气藏，低压低渗油气藏得勘探开发；有利于油田中后期改造挖潜。因此，欠平衡钻井由于其先进性为勘探、开发带来了广阔的前景，在油气田开发中发挥着越来越重的作用。欠平衡钻井技术是21世纪油气资源开发中必不可少的主干技术之一，又是一项涉及面宽、投资大、风险大的系统工程，也是继水平井技术之后在钻井技术上的另一大发展方向和热点，应尽快掌握和发展欠平衡钻井技术，使其更好地作为发现和保护油气藏的重要战略措施。1.2 欠平衡钻井技术国内外进展历史及现状欠平衡钻井技术是20世纪90年代在国际上成熟并迅速发展的一项钻井新技术（图1）。欠平衡钻井分为：气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井、淡水或卤
6、水钻井液钻井、常规钻井液钻井和泥浆帽钻井。在美国，欠平衡钻井技术被称为上游石油工业新技术，已经成为钻井技术发展热点，并越来越多地与水平井、多分支井及小井眼钻井技术相结合。国外欠平衡钻井技术主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。现在已有20多个国家应用欠平衡技术钻井，技术先进的国家包括美国、加拿大、英国、阿根廷、墨西哥等国。这些欠平衡技术先进的国家，创造欠平衡条件采用的常用技术有：边喷边钻、泥浆帽钻井、立管气体注入、环空气体注人、连续油管钻井。水、地层水、海水、淀粉水、柴油、原油都曾用做欠平衡钻井的循环工作介质。散装或膜滤氮气、工业废气、空气、氮气和空气的混合气、天然气和空心玻璃球都
7、作为减轻剂或发泡剂。早在20世纪50年代，国内的四川油田就开始运用欠平衡钻井技术，但由于设备能力不足、地层出水等问题而放弃。进入80年代以来，新疆石油管理局首先开展了泡沫钻井技术的研究与应用，于1984年在克拉玛依油田红一29井成功地进行了我国第一口泡沫钻井。为了满足不同地层对欠平衡钻井的需要，随后又相继开发了空气钻井、雾化钻井、充气钻井和低密度泥浆钻井等欠平衡钻井技术。目前全国各大石油院校及油田都在不同程度上开展了欠平衡钻井技术的研究和推广应用，并取得了显著的经济效益。如大港油田于1998年采用欠平衡钻井技术在板桥地区的勘探上取得了重大突破，发现了亿吨级整装油气田。四川油田从1999年200
8、2年间，从单一欠平衡钻井技术初步发展形成了欠平衡钻井、欠平衡取心、不压井起下钻、不压井测井、欠平衡完井等全过程欠平衡钻井完井配套技术，推动了国内欠平衡钻井技术的发展，实现了欠平衡钻井技术的重大突破。就我国来说，特殊油气资源分布于全国各大油田，其储量占总探明储量的三分之一以上。同时，还有相当一部分开发中、后期油田由于压力递减而进入低压油田范畴。欠平衡钻井的主要技术特点适合开发这类油田。因此，欠平衡钻井自身具有的技术优势与世界石油工业勘探开发形式的需求决定了欠平衡钻井技术必定具有广阔的应用前景。1.3 欠平衡钻井优点和缺点欠平衡钻井技术能够迅速发展是因为它能很好的克服钻井作业过程中的难题并避免一些
9、复杂情况的发生、能有效地降低油气田的勘探开发成本。从目前国内外研究及应用情况来看，其具有以下几方面的优缺点：优点：减少对油气层的伤害，有效保护油气层，提高油气井的产量实时发现地质异常情况，及时评价低压低渗油气层有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生，减少作业和相关的费用6提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，降低钻井成本可以在钻井过程中生产油气。缺点：循环系统的稳定性（压力波动）油层伤害（过平衡状态，逆流自吸，地层液体配伍，出砂等）井壁稳定性（力学，物理，化学作用）安全问题（井下爆炸或燃烧，井控问题，H2S腐蚀）经济因素（设备，材料，环境问题）。1.4 本文研究思路本文主
10、要建立在文献调研的基础上，通过翻阅大量的关于欠平衡钻井技术和各油气田开发建设方面的文献资料，结合自己所学的专业知识，研究以下内容：1、欠平衡钻井技国内外技术、设备发展现状，实施欠平衡钻井的优缺点；2、欠平衡钻井相关理论；3、欠平衡钻井过程中关键技术的应用，主要是欠压值的如何确定，欠平衡钻井液技术和井底压力控制技术；4、欠平衡钻井信息实时采集分析处理系统研究与应用。第2章 欠平衡钻井相关理论2.1 油气藏筛选理论2.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏1、具有潜在井漏或钻井液侵害的油气藏2、具有岩石-流体敏感性的地层3、具有液-液敏感性的地层4、具有潜在自吸能力的地层5、油藏性质高度易变的地层6、具有
11、活跃的地下水并且对水锥进敏感的地层7、低钻速地层2.1.2 不适合欠平衡钻井的地层1、高压和高渗透率相结合地层；2、受压力约束的地层；3、常规地层。2.1.3 油气藏筛选程序对于直井或水平井的欠平衡钻井来说，筛选合理的油气藏是非常必要的。通过研究油气藏的构造图以及收集和分析相关的数据，可以描述出油气藏为均质油气藏还是非均质油气藏。需要提供和研究的油气藏数据参数包括油气比原油的API密度、平均孔隙度、平均渗透率、地层体积指数、压力、温度和含水量。另外，油气藏的构造资料、注水、注气以及原油粘度都在“区分油气藏特征”方面起着一定的作用。在油气藏筛选问题上，应该由一个有钻井工程师、油藏工程师、地质学家
12、、地球物理学家、岩石物理学家、采油工程师、欠平衡钻井专家、安全专家、经济师等组成的多学科工作组来完成。多学科工作组在进行这项工作时，必须仔细考虑一个用于单个油气藏筛选的详细筛选程序。这个筛选程序为：1、用简单的欠平衡钻井技术能否完成这口井；2、以我们现有的数据能否证明欠平衡钻井技术在此油气层中优于过平衡钻井技术；3、用欠平衡钻井技术潜在的风险和事故；4、该地层能否承受住压力降低而不坍塌；5、欠平衡钻井技术与长期的油气层优选相比较费用是否划算；6、多学科工作组是否对油气藏已经做了足够的研究工作；7、初始油井设计是否能满足油气藏开发标准；8、现有的井控设备能否满足预期的油气层条件。2.2 欠平衡钻
13、井地层稳定性理论2.2.1 井壁失稳机理采用欠平衡钻井，首先要使钻井液液柱压力低于储层压力，此时钻井液密度降低后，井壁的稳定性是否可以保证。如果试验和计算结果表明，欠平衡钻井的钻井液密度不能保证井壁稳定，通过调整钻井液体系和性能，增强井壁的稳定性。对井壁失稳机理进行分析，井壁失稳的本质是：井壁上某部分的应力状态超过了井壁岩体的抗破坏强度。这其中有两个制约因素：材料（岩体）和应力。1、岩体：破碎岩体和含弱面的岩体；塑性岩体，如盐膏层、软泥岩等；泥页岩（以硬脆性为主）。2、应力：深部地层的上覆岩层压力引起的地应力；强烈地质构造作用引起的地质构造力；异常热应力、循环温度应力、流固耦合应力。破碎岩体和
14、含弱面的岩体由于本身强度低而导致井壁失稳；塑性岩体由于液柱压力不够时而出现蠕动变形；埋藏很深的地层由于巨大的上覆岩层压力使水平应力增大；强烈的地质构造作用造成很大的残余构造力使井壁失稳。2.2.2 非泥页岩地层的稳定性对于给定段地层，在给定欠平衡钻井的条件下，井壁是否可以保持稳定，可按图（2-1）所示的动作程序进行一系列的试验和分析，最终得到结论。由上述综合分析所得到的结论，如果井壁能保持稳定，则可以采用给定参数的欠平衡钻井；如果井壁不能保持稳定，则应加大钻井液密度直至井壁稳定，必要时放弃欠平衡钻井的方法。图2-1 非泥页岩地层稳定性预测图可得出，泥页岩是在原有地应力再加水化应力条件下，以水化
15、后降低的泥页岩强度来决定水化后是否井壁失稳；如果井壁稳定性不够，则靠提高钻井液密度予以克服。泥页岩的水化应力大小及水化后强度降低多少，是由钻井液的体系和性质来决定的；而井壁的最终稳定性很大程度上还取决于钻井液密度的提高。在常规的过平衡钻井中，人们常常是在给定钻井液密度的前提下，调整钻井液体系和性质达到一个合适的状态，使该状态下泥页岩水化应力、水化下降程度在给定钻井液密度条件下能保持井壁稳定。显然此时钻井液体系和性能并没有使泥页岩水化影响降低到最小。因此我们完全可以通过调整钻井液体系和性能，使泥页岩水化影响大幅度降低（即减少水化应力、使强度降低减少），到达使泥页岩井壁稳定强化的目的，在此条件下可
16、以大幅度降低钻井液密度，实现欠平衡钻井。2.3 欠平衡钻井两相流理论多相流动是几个相处于一个系统内流动的体系。这几个相可以是同一种物质的不同相态，也可以是不同物质的不同相态。仅有两种相态同处于一个体系内的流动便称为两相流动，它是多相流动中最常见的一种流动组合。可以是一种物质的两个相态，也可以是两种物质的两种相态。因此，可以分为单组分两相流动和双组分两相流动。单组分两相流动是由同一种化学成分但不同的相态混合在一起的流动体系。双组分两相流动是指化学成分不同的两种物质同处于一个系统内的两相流体流动。但是，广义来说，某些双组分流动（主要指液体、液体流动），由彼此互不混合的一种相态构成，也常被称为两相流
17、动，例如油、水两相流动。双组分两相流动和单组分两相流动定义虽有一些差异，但从流动相态的数学抽象，亦既从基本守衡方程的数学模型来看是相同的。在不涉及相变的条件下，常可将它们视为同一种物理现象处理。2.3.1 环空两相流流态分类及其判别方法在欠平衡钻井过程中，井筒中的多相流在流动时其流态是变化的。通过大量实验观察研究，对气液多相流的流态，不同的人有不同的划分方法。根据Taitel等人的研究成果，典型的直井流态通常可分为泡状流，段塞流，过渡流和环状流。气液两相的相态主要受各项速度、密度等参数的影响外，气液两相的流动的形成过程、少量杂质的存在等可能对流态有一定的影响。然而，由于不同的流态受不同的水动力
18、学条件的控制，所以可以利用水动力学原理通过机理分析，得到流态的判别准则。1、泡状流判别准则1（小气泡）： （2-1）判别准则2（大气泡）： （2-2） （2-3） （2-4）式中：管径，mm 气体界面张力，Pa单个气体上升的极限速度，m/s 泰勒气体气泡上升速度，m/s气相真实密度，g/cm3 液相真实密度，g/cm3混合物真实密度，g/cm3 液相真实粘度，mPa /s 含气率，无因次 气体表观相速度，m/s液体表观相速度，m/s 混合物速度，m/s2、段塞流判别准则： （2-5） 如果，则： （2-6） （2-7）3、过渡流 （2-8） （2-9） （2-10）4、环雾流 （2-11）2.
19、3.2 欠平衡钻井气液两相流数学模型建立在整个欠平衡钻井过程中，我们关注的井内各是井底、井口及套管鞋处的压力主要受气体、液体的流量、分布状态和运动规律的影响，理论研究时排除了一些次要因素，突出主要影响因素的影响，因此先将研究对象模型化。在本模型的建立中，应用了以下假设：1、在本文的研究中，假设井眼截面为圆形且与井内钻柱同心。2、忽略气体在泥浆中的溶解，且两相间无化学反应。3、本文只讨论沿流动方向的一维非定常流动问题，用截面的平均特性和分布系数修正方法来表征过流断面的流动参数分布。4、环空内两相段在同一位置处气液两相温度相同，无热量交换。两相流体动力学研究提供了描述一元两相流动基本方程，既保证能
20、够计算求解，又保证了两相流的重要特点。2.3.3 三相携屑研究井眼净化能力是否满足正常钻井需要，取决于钻井环空流体的有效上返速度，只要有效上返速度大于岩屑的沉降速度和岩屑的最低上返速度，岩屑就可以被携带到地面上来。2.4 欠平衡钻井井下爆燃基础理论根据燃烧学理论，气体燃烧的可以分为扩散性燃烧预混气体燃烧两大类。扩散性燃烧是指燃料与空气在着火前不互相混合，燃烧速度主要受扩散速度控制，相对预混气体燃烧，其燃烧速度较低。而预混气体燃烧则是在着火前燃料与空气已经混合，一旦着火，其燃烧速度很快，通常表现为失火爆炸形式。在井下条件下，多数情况都表现为空气与可燃气体混合后失火爆炸的形式，其危害性较大，主要介
21、绍预混气体的失火爆炸问题。任何可燃混合物（燃料与空气或其他氧化剂的混合物）的燃烧都必须着火后才能产生快速的燃烧爆炸。着火前可燃气处于缓慢的氧化过程，化学反应速度很低，而一旦着火后，初期对着火点的燃烧使可燃混合物的温度升高，化学反应加速。反应的加速又近一步使反应热增大，使可燃混合物的温度进一步增高，如此反应，在很短的时间内致使反应速度急剧升高，从而由缓慢的氧化过程转化为燃烧过程直至爆炸。使可燃混合物着火的方法一般有两种：自燃与点燃。前者是自发的，后者是人为的，可燃混合物由于化学反应使自身温度升高而引起反应速度急剧升高形成的燃爆称为热自燃，反之由外界加入能量。点燃时，由于点火物体的形状与能量传递途
22、径的不同，也可以分为不同的种类。以下将介绍引起井下失火的可能方式，即热自燃、平板点火、热球点火、火花点火的燃烧分析。2.5 裂缝性储层欠平衡钻井流动规律2.5.1 严重裂缝性储层的最大问题是井漏所有碳酸盐岩储层探区均存在不同程度的井漏问题。井漏严重制约着勘探开发速度和钻井成功率。对于严重井漏、恶性井漏和漏喷同层，不但堵漏成本与时效很高，有时无法堵漏。尤其是探井打开产层，产层同时又是漏层。产层漏失除了造成时效成本损失外，漏入产层的工作液还造成了严重的储层伤害。井漏是钻井工程中最复杂的问题之一，它不仅大大增加了钻井液的费用，而且还会导致循环丧失，施工中断，无法进行岩屑录井，甚至引起井塌、井喷和卡钻
23、等恶性事故。2.5.2 漏层漏失的原因分析 漏失性地层中钻井液漏失一般具备以下条件：地层中有孔隙、裂缝或溶洞；地层孔隙中的流体压力（通常称之为地层压力）小于钻井液的液柱压力；地层破裂压力小于井底压力（包括液柱压力、循环回压和激动压力），因地层破裂而发生钻井液漏失。地层中的孔隙、裂缝或溶洞以及地层压力和破裂压力，是在地层沉积、构造运动或地下水溶蚀过程中天然形成的，因其成因不同又分为渗透性漏失和裂缝（溶洞）性漏失。渗透性漏失多发生在胶结不好的孔隙性地层，其岩性以砂、砾岩为主。在钻进渗透率大于14m2或砂、砾岩的平均粒径大于钻井液固相颗粒直径三倍的孔隙性地层时，若井底压力超过地层压力就会发生渗透性漏
24、失。在钻进石灰岩、白云岩的裂缝、溶洞及不整和侵蚀面、断层、地应力破碎带，火成岩侵入体的裂缝和孔洞时，若井底压力大于地层压力就会发生裂缝（溶洞）性漏失。而且漏失量大，漏失速度快。钻井过程中发生井漏，除了地层本身存在孔隙、裂缝或溶洞，具有钻井液通行的条件外。井底压力大于地层压力是导致钻井液漏失的重要原因。2.5.3 漏层的漏失规律与地质特征对川东地区的井漏进行统计，结果表明：川东地区所有构造上均发生井漏。漏失的层位则从沙溪苗到志留系，从地表到5000米以下，几乎每个层位都发生过井漏，但不同层位其漏失的严重程度和普遍程度有很大差异。嘉陵江、飞仙关、茅口组三个漏层，地层裂缝非常发育，尤其是高角度大裂缝发育（常发现裂缝宽度大于10mm、倾角大于30、延伸很远的非填充裂缝），同时地下溶洞发育，故经常出现严重漏失和恶性漏失。而恶性漏失有时与钻井中的放空现象相关联，个别情况下的某些漏失通道甚至同地表连通。雷口坡、二叠系、石炭系三个漏层，裂缝网络发育，也有高角度裂缝发育，但裂缝规模比嘉陵江、飞仙关、茅口组要小，溶洞不太发育。这些层位经常发生严重井漏，但恶性井漏较为少见。须家河、自流井、沙溪苗三个层位，属于孔隙性气层，孔隙压力偏低，常发生渗透性漏失。有时在强构造作
