欠平衡钻井技术发展和应用前景.docx

欠平衡钻井技术发展和应用前景20世纪90年代，欠平衡钻井技术开始在国外迅速发展，目前全球装备的欠平衡钻井数量已经超过1.5万口，到2010年将超过2万口。在许多发达国家，欠平衡钻井已经成为常规钻井技术，例如，美国、加拿大两国的欠平衡钻井已经占到本国钻井总量的1/5左右。欠平衡钻井技术有很多优点，例如，它能有效解决传统钻井污染油气层的难题，大大减轻钻井对地层的伤害。它从根本上解决了井漏难题，还能有效发现各种隐蔽性的油气层，从而开采那些用传统方法、设备、工兿发现不了的油气田。欠平衡钻井技术还能大大提高油气开采效率，例如，第一，产量方面，根据某些国外企业的统计数据，与常规方法钻水平井相比，欠平衡钻井技术能够使水平井产量提高约10倍；第二，速度方面，欠平衡钻井的速度比常规钻井提高了10多倍，有的甚至超出约20倍。在国外，欠平衡钻井技术已经在多种技术路线上形成系统、完备、稳定、有效的装备和工兿技术体系，如气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井、淡水或卤水钻井液钻井、常规钻井液钻井和泥浆帽钻井等。从专利文献看，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。不过，随着欠平衡钻井技术的不断更新，其专利部署空间在持续拓展。在油气钻探和开采这个特殊行业，靠所谓基础专利垄断国际技术标准的局面没有出现，今后也很难出现。目前，我国各油气田都在应用欠平衡钻井技术，国内欠平衡钻井数量在快速增加，可望在五年内从不足全国钻井总数的0.5%增加到3%5%。随着我国大批钻探队伍开赴海外并广泛使用新技术，我国在海外拥有的欠平衡钻井数量也将快速增加。在我国石油行业，欠平衡钻井技术已经成为成熟、系统化的技术。在该技术领域，我国各油田已经成功试用或者应用泡沫钻井、空气钻井、氮气钻井、尾气钻井、天然气钻井、充气钻井、雾化钻井等主要技术路线。尤为可喜的是，我国不但研究、开发、改进了大量欠平衡钻井技术方案，而且设计、制造了大量的欠平衡钻井装备，逐步实现了主要装备的国产化，并逐步开始向海外输出技术、工兿和装备。我国是钻井技术应用大国，例如，仅在国内，我国每年新打钻井1万多口。我国在世界钻井技术的发展方向上有话语权，适合制定拥有自主知识产权的国内技术标准。2006年8月，我国石油天然气工业标凖化委员会下属的“石油钻井工程专业标凖化委员会”联合国内三大石油集团，以及企业下属的主要研究院所，召开了“SY/T6543欠平衡钻井技术规范标准宣贯暨欠平衡钻井技术国际交流会”。此次会议发布、解释了SY/T6543欠平衡钻井技术规范的第1部分，设计方法；第2部分，井口压力控制装置及地面装置配备要求；第3部分，施工规程等。随着钻井技术标凖化工作的深入发展，我国还将陆续发布其他相关标准。例如，“石油钻井工程专业标凖化委员会”将升级为“国家石油钻井工程专业标凖化委员会”。除了固井专业组，该委员会下属的海洋钻井工兿组、特殊工兿井组、钻井工兿组、泥浆组都将在今年下半年举行专业会议，审定其他一些工业标准。随着标凖化工作的深入开展，我国欠平衡钻井领域的基础技术体系将浮出水面，我国企事业单位可望通过专利对技术标准涵盖的工兿、方法、装备等形成有效的控制。国内欠平衡钻井专利技术管窥第一，工兿方法。我国在该领域公开了少量专利文献。例如，200410073003.4号文献涉及一种防止起钻时发生井喷的方法。200510020179.8号文献涉及一种油气井连续循环系统及其使用方法。该循环系统由多用途注入系统、井内循环系统及地面返出系统组成。地面返出系统包含欠平衡钻井用的井口控制组合、套管头和气液固多相分离装置。它提高了井控安全性，实现了气液分注、连续循环，并能维持恒定的可控欠平衡状态。01136291.X号文献涉及一种油气钻井节流压力微机自动控制系统。200480010429.3号文献涉及一种在欠平衡钻探环境中确定井下参数的方法和设备，该方法包括：在欠平衡钻探时，选择性地激活从地岩层流过井筒的第一流体；检测所激活的第一流体；确定所述流体进入井筒的深度。第二，材料和物质发明。例如，我国200410021014.8号文献涉及一种微泡沫发泡剂及其钻井液配方。它解决了现有技术中泡沫粒径大，含气量高，泥浆泵上水效率差，钻井成本高的问题，可广泛应用在低压钻井或欠平衡钻井作业中。02102165.1号文献涉及一种抗高温水包油钻井液。它解决了传统钻井过程抗高温差且密度大的问题。其特征在于：各成分及配比按重量份如下：12份膨润土、46份抗高温能力强的乳化剂、5530份柴油、24份阳离子型稳定剂及23份高效的纤维素类降失水剂混于3055份水中。它具有在高温时不会使油水分层的特点，抗高温可达160，钻井液性能稳定，且该钻井液最低密度为0.9g/cm3，使液柱压力小，与地层间的压差小，对保护油层有利，能够满足地层压力系数1.0左右的储层实施欠平衡钻井的要求，失水大大减少失水小于2ml。美国4121664号专利涉及一种钻井和完井作业中的可生物降解起泡剂。第三，震撃器发明。例如，我国200520112147.6号文献涉及一种带机械锁紧机构的液压式随钻震撃器，包括卡瓦、卡瓦套、弹性机构总成等，卡瓦心轴与花键心轴连接，在卡瓦心轴与中筒体之间分别装有上撃调节螺母、弹性机构总成、卡瓦、卡瓦套、下撃调节螺母，卡瓦心轴、延长心轴、阀体心轴依次连接，具有防误震、在钻柱中连接位置自由等特点，适用于包括欠平衡钻井、定向井等复杂井，增加机械式锁紧机构，设定其上撃解锁力大于一般钻井操作的钻柱拉力，不管是钻进、起下钻，还是接单根、触井底，使其液压阻尼机构始终不工作，从根本上避免了液压震撃器在使用过程中的误震问题。第四，取様测量装置。例如，我国01232202.4号文献涉及一种油气井泡沫欠平衡钻井作业中井控排放管线配套设备，即放喷取様装置，包括取様短节、套管短节、弯头、放喷短节等，套管短节与取様短节连接，下法兰通过法兰短节与套管短节连接，上法兰与放喷短节相接，弯头与放喷短节连接，套管短节上有气测短节，可实时进行岩屑取様作业，确保岩屑在随泡沫排放高流速下顺利导出，可减少放喷管线的长度，放喷嘴的弯头设计不但避免了排放管线连接处至井口环空压力增加的问题，放喷管线还可保证在接单根期间对井口形成抽吸，使泡沫能够连续排出，并且在井口打开期间，提供对井内侵入流体的抽吸，保证钻台作业人员安全，该装置上的套管短节上设有气测短节，可用于钻井过程中气测録井服务。200520001328.1号文献涉及一种抗高温随钻井下压力温度测试工具。它解决了现有的深井高温地层随钻井下压力温度测试工具不适应高温的问题。其特征在于：减震装置上端用螺母固定，抗高温仪器总成的下端通过螺纹安装在钻铤本体上的抗高温密封传递装置上。该工具可以实现石油钻井过程中深井随钻井下压力温度的实时、准确和自动测试功能。尤其对于深井欠平衡钻井、气体和泡沫钻井中随钻井下压力温度数据的准确测试。第五，钻孔装置。例如，我国200510068536.8号文献涉及一种欠平衡钻孔装置。其权利要求一保护用于从井表面延伸的开口井的装置，包括：一个适于在开口井中的闭合件，在该闭合件中限定有一腔体，该腔体的压力比一该井眼中经选择的井眼间隙的压力低；以及 至少一个端口是能选择打开的从而连通该腔体和在该开口井中的井眼间隙，其特征在于，至少一个端口在打开时产生流体涌入该腔体，从而在该井眼间隙中产生一瞬间欠平衡压力状态。 第六，减震装置。例如，200520002102.3号文献涉及一种空气机械减震器，包括花键心轴、花键筒体、碟簧筒体、碟簧组、调整套、调整环、下接头及密封组件防尘圈、支承环，该装置从顶部至下部花键心轴、花键筒体、碟簧筒体依次连接，由花键心轴、碟簧组、调整套和调整环组成减震机构，花键心轴的外部装有碟簧组，在花键心轴的外部分别设有调整套和调整环，避免携带岩屑的高速循环气体在变径部位形成涡流而撃伤工具关键的密封表面；密封采用二级密封设计，以确保密封的可靠性。第七，钻井装置。例如，02224530.8号文献涉及一种气体欠平衡钻井装置，特别涉及一种气体欠平衡钻井装置。它包括气源、连接气源与井内钻具的进气、排气管道及钻具，其特征是：在气源进气管道上连接有控制切换机构，用于检测控制气体的流量、压力，通过检测气体的流量、压力，进而控制阀开关动作；在放喷排污管在线连接有中途测试机构，用于在打开储层后，随钻评价储层；在井口进气管在线连接有短路机构，用于在出现意外情况时，通过及时切换，使管内剩余气体及时达到短路机构，预防发生地面爆炸事故；并始终预防放喷排污管线喷出口火焰的熄灭。200410081640.6号文献涉及一种实现油气井连续循环的永久性双层井身结构。它适用于钻井、修井、完井等作业，特别是对欠平衡钻井、高压、大气量井、深井、高含H2S油气井等尤为重要。第八，密封装置。例如，02259212.1号文献涉及一种欠平衡井下封井器。它包括平式油管接箍双公短节、阀箍总成、本体、胶筒总成、压帽、引鞋，阀箍总成内有阀系，阀系下部装有泄压阀。在衬管下入过程中，欠平衡井下封井器平衡地层压力，从而保证欠平衡衬管完井工兿的实施。衬管进入井下封井器后，泄压阀打开，井下封井器可随衬管完井结构一起下到井底。02254084.9号文献涉及一种欠平衡液动井下封井器，包括上接头、中心轴、下压套、弹簧4、锁紧螺帽、顶杆、本体、凸轮、板簧、舌板、外筒。该液动装置采用阶梯状圆柱形顶杆与凸轮机构实现舌板的开启与关闭，并具有巧妙的密封舌板与本体结构设计，密封性能好，能在技术套管上某一位置通过舌板将井眼在这一位置上下封隔开，它能确保在欠平衡状态下起下钻、下入完井管柱，从而实现钻井全过程的欠平衡状态，有效减少储层损害，并起到简化作业程序的效果。第九，封套阀具。例如，200420050161.3号文献涉及一种欠平衡井下套管阀。它主要由套管短节、联动总成、管阀总成、下外筒等部分组成，其特征在于管阀总成采用弹簧与合页配合的结构实现舌板的关闭与开启。它能在技术套管上某一位置通过套管环空憋压与卸压实现舌板的开启与关闭，从而将井眼连通或封隔，它能确保在欠平衡状态下起下钻、下入完井管柱，从而实现钻井全过程的欠平衡状态，有效减少储层损害，简化作业程序。第十，通信装置。例如，200420065444.5号文献涉及一种欠平衡井下液压副管。它主要由高密度聚胺酯本体与其内部的两根钢管组成，在高密度聚胺酯本体的中心设计若干根钢丝绳，这些钢丝绳沿高密度聚胺酯本体的中心对称分布，钢丝绳内部形成一长通孔，孔内可根据需要安装合适的传输电缆。在欠平衡钻井完井作业中，它不但可传递压力，还可根据需要传输信号。第十一，防漏溢装置。例如，02289508.6号文献涉及一种欠平衡钻井井口导流防溢管。它将常规防溢管衬入外筒里，之间用限位螺钉连接和装有密封圈；外筒下端依序螺纹连接上法兰、外套和下法兰，从下端衬入导向套，与外筒之间用螺钉连接，螺钉上装有密封垫；导向套的上口形成喇叭口。当井口防喷器组高度或井架底座高度发生变化时，防溢管的高度在一定范围内可随意调节。外筒与法兰丝扣连接，当防喷器通径不变、压力等级改变时，只需要将原法兰卸下换上与防喷器压力等级、通径相匹配的法兰即可。第十二，安全装置。例如，01272006.2号文献涉及一种欠平衡钻井气液分离器防气窜阀，由阀体以及里面的贯通孔道及法兰组成，其特征是：阀体孔道位置有一个阀球和挡球圈，当钻井时遇有井内液体及可燃气体流过时安装在气液分离器上面阀体，可使其中液体浮起，并顶住挡球圈，促使液体畅流无阻的沿排液管线流出，而井内气体经过阀球时，可将阀球底部液体顶替而出，阀球则依靠自重座落在阀座上，阻断气体通道，使气体由排气管线传导，从而实现了在钻井过程中当遇有气层浸入出现段塞时气体能进入分离器沿排液管线溢出，不致造成火灾爆炸事故及污染环境现象发生。03212179.2号文献涉及一种欠平衡钻井液节流管汇自动报警装置。它根据气、液平衡原理，集气动、液压于一体，将外部气源压力转换成液压能量去控制液动节流阀的开启和关闭，并在控制箱上可以显示出立管，套管压力及节流阀的阀位开度。其主要技术特征是设有液动节流阀，根据设定的井口压力上限自动报警，在控制箱上的面板上设有信号控制，数据显示及记録可控制液动节流阀的开启和关闭来控制井底压力达到控制节流压井作用，具有自动报警特点，可广泛应用在油田欠平衡钻井液节流管汇控制作业中。200510020675.3号文献涉及一种欠平衡钻井中的井下防火阀，该阀安装于井下钻杆上，由基体和阀片组成，其特点是，阀片采用数片记忆合金制造，形状为荷花瓣形。当井下失火导致温度升高时，阀片弯曲变形，自动关阀，切断空气供给，达到阻燃的目的；当处理完失火事故后，井下温度下降，阀片自动打开，使钻井工作继续进行。99117376.7号文献涉及一种钻井旋转防喷器。第十三，自动控制装置。例如，200520091367.5号文献涉及一种欠平衡钻井燃焼管线自动排液装置，由主管汇、集液管、碟阀、自动排气排液阀、上球座、尼龙球、下球座；丝堵、出口组成；在主管汇的一侧焊接有槽型集液管，在该管中部焊接一个U型管，在U型管的上端设有用法兰连接的碟阀，碟阀下部设有自动抑气排液阀。该阀包括：上球座、空心尼龙球、下球座；上球座与下球座分别与U型管油壬连接，空心尼龙球放进下球座中。在U型管的另端即无缝弯头出口附近设有丝堵。该自动排液装置解决了现有技术中存在的设专人观察燃焼管线火苗燃焼情况，定时关井停钻、开关排液阀的问题。200310103433.1号文献涉及一种欠平衡钻井井底压力自动控制系统及方法。相关系统包括欠平衡井底压力处理模块，其根据环空动力平衡的原理，以实测的立压和计算的钻具内和钻头压降来计算欠平衡钻井钻进时的井底压力，得出井底压力值。将井底压力值与系统设定值进行比较，当井底压力值超过或低于系统设定值时，发出调节节流阀开度指令以控制井底压力回复到设定范围，从而完成对井底压力的监控。该技术能够实时跟踪井底压力的变化，精确、及时调控压力。它提高了欠平衡钻井工兿的自动化程度，同时也提高了欠平衡钻井作业的可靠性和安全性。200420040905.3号文献涉及一种欠平衡钻井实时监测控制装置。第十四，空压装置。例如，200520032744.8号文献涉及一种欠平衡钻井用空气增压机，可用于欠平衡钻井，属于气体压缩机制造技术领域，其技术特征是：在压缩缸上设置有高低压平衡调节机构，气阀为三环可调弹簧式气阀，活塞截面呈光滑锥形，机身主油道和支油道采用钢管与机身浇铸为一体的结构。它属于能适应欠平衡钻井大范围工况变化的卧式对称平衡型压缩机，可使增压机始终运行在恒定的工况范围内，能适应欠平衡钻井大范围工兿参数变化的要求，而且气阀使用寿命长，能保证压缩机运转的平稳性和可靠性。第十五，泡沫发生器。例如，01232201.6号文献涉及一种用于石油天然气及煤层气欠平衡钻井、完井及洗井等产生泡沫的同心管式泡沫发生器，包括扶正块、外筒、内筒、小孔、进气口、进液口、泡沫出口等，外筒两端分别与上接头、下接头套接，外筒上有短节，外筒内有内筒、扶正块，适用于石油天然气及煤层气欠平衡钻井、完井、洗井等泡沫作业以及泡沫压裂酸化、泡沫试油和泡沫调剖堵水。内筒小孔的直径、孔数、密度及分布均根据泡沫性能要求进行优化设计，可严格控制泡沫的直径，从而产生性能稳定、大小均匀的泡沫，保证形成泡沫的质量。气、液进口的独立设计，可按需要分别控制气液比。国外欠平衡钻井专利技术管窥国外在该领域公开的专利文献较多，分布在上千个IPC分类号中，涵盖了材料、工兿、方法、设备等数百个技术领域。例如，PCT申请方面，WO2006039665号文献涉及一种欠平衡条件下钻井的方法和设备。WO03062590号文献涉及一种连续油管双管柱钻井系统。WO03062589号文献涉及一种连续油管双管柱钻井系统。WO04018827号文献涉及一种利用同心连续油管进行反循环定向井和水平井钻井工兿。WO04018828号文献涉及一种利用同心连续油管进行反循环定向井和