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欠平衡钻井技术介绍 大港欠平衡 内容 一 欠平衡钻井的基本概念二 欠平衡钻井技术的优点三 欠平衡钻井方法分类与特点四 欠平衡钻井与常规井控技术的对比五 欠压值及其控制六 欠平衡钻井条件七 欠平衡钻井的局限性八 钻具组合九 钻井液与完井液十 欠平衡钻进中的几个关键环节十一 欠平衡钻井过程中的几个关键技术十二 欠平衡钻井的几个必须十三 安全与环保规定 一 欠平衡钻井概念 大港欠平衡 欠平衡钻井技术是什么 对于油气勘探来说它是一种油气层识别技术 对于油气开发来说它是一种油气层保护技术 对于钻井工程来说它是二次井控技术 保护油气层钻井技术 防漏技术和提高机械钻速的方法 大港欠平衡 欠平衡钻完井技术的应用拓宽了勘探领域 提高了勘探开发效果 勘探上 提高低压 复杂岩性 水敏性 裂缝性等类储层油气发现和保护 开发上 通过有效地保护储层 提高单井产量 降低开发综合成本 工程上 解决低压地层漏失问题 提高机械钻速 减少压差卡钻 大港欠平衡 欠平衡钻井大发展 90年年代 比例 克服钻井困难 提高经济效益 勘探开发 提高勘探精度和终采率等 15 85 70 30 大港欠平衡 定义地层流体受负压差的作用 向井筒内连续流动的条件下 所进行的有控制的钻井过程 就叫做欠平衡钻井 一 欠平衡钻井概念 大港欠平衡 欠平衡钻井定义内容包含以下两个主要方面 即 第一 井筒环空中循环介质的当量循环密度一定要低于所钻地 储 层的孔隙压力当量密度 这个差值即为欠压值 第二 地层流体一定要有控制地流入井筒 并把它循环到地面再分离出来 大港欠平衡 1 及时发现和有效保护油气层 是环保技术 节省储层改造费用 2 提高钻速 提高钻头寿命 3 杜绝或减少井漏 压差卡钻等井下复杂 4 对产层进行随钻测试 6 能够避免井喷 7 缩短勘探周期 提高勘探效率 二 欠平衡钻井的优点 大港欠平衡 IADC SPE论文 39354 1960 1996年GulfCoast800口井井喷排列的顺序 德克萨斯铁路委员会统计的德克萨斯境内发生的井控问题数据 艾伯塔能源和利用委员会数据 WilliamsTool公司对使用旋转头所钻的井与常规钻井对比数据 得出下述结论 欠平衡所钻的井比常规钻井井喷发生的比率少24 到30 原因如下 欠平衡钻井安全记录 大港欠平衡 对欠平衡钻井的地面设备进行认真检测 设备的能力比常规钻井强 欠平衡井是经过更仔细的设计 风险评价更全面 地层流体进入井筒是预先设计好的 排除了突然因素 由于欠平衡钻井的井口设备需要经常使用 所以对井口设备的试压 试运转更全面 认真 排除了设备安装的缺陷 旋转头增加了一个安全屏障 防止井喷的第一个屏障不再是井筒液柱压力 我国自从真正采用该技术后没有发生井喷 欠平衡钻井提供了比较好的井控条件 大港欠平衡 液体欠平衡钻井 flowdrilling 是指以液体钻井液为循环介质的欠平衡钻井 根据油气藏类型 地层压力以及采用的钻井液密度的不同 人工诱导的欠平衡钻井是指由于地层压力太低 必须采用特殊的钻井循环介质和工艺才能建立欠平衡 如 气体 雾化 泡沫 充气液等 三 欠平衡钻井分类与特点 一 按工艺分类 大港欠平衡 1 气体钻井 包括空气 天然气 废气和氮气钻井 密度适用范围0 0 02g cm3 2 雾化钻井 密度适用范围0 02 0 07g cm3 气体体积为混合物的96 99 9 常规的雾化钻井液含液量少于2 5 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0 07 0 60g cm3 井口加回压时可达到0 8g cm3以上 气体体积为混合物体积的55 97 5 欠平衡钻井系列 大港欠平衡 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 同心管等在钻进的同时往井下的钻井液中注空气 氮气 其密度适用范围为0 7 1 0g cm3 是应用广泛的一种欠平衡钻井方法 气体体积低于混合物体积的55 欠平衡钻井系列 大港欠平衡 5 液体欠平衡钻井 油包水或水包油钻井液钻井 密度适用范围为0 8 1 02g cm3 水或卤水钻井液钻井 密度适用范围1 1 30g cm3 常规钻井液钻井 密度适用范围大于1 10g cm3 采用密度减轻剂钻井液钻井技术 密度适用范围大于0 9g cm3 6 泥浆帽钻井 MudcapDrilling 国外称之为浮动泥浆钻井 用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气层 是另类欠平衡钻井技术 欠平衡钻井系列 大港欠平衡 液体欠平衡钻井工艺特点 压力较高 产能较高的地层 液体作为钻井液 专用设备最少 工艺简单 作业成本比其它UBD工艺低 可使用传统MWD 特点 大港欠平衡 液体欠平衡钻井现场 大港欠平衡 气基循环介质欠平衡钻井工艺特点 适用于低压或枯竭地层 气体 雾化 泡沫 充气液作为循环介质 专用设备多 需要专门的软件 需要使用EMWD 空气马达 作业成本比液体欠平衡钻井工艺贵 大港欠平衡 空气 雾化 泡沫钻井现场 陕242天然气钻井现场 大港欠平衡 四 欠平衡钻井技术与常规井控技术对比 大港欠平衡 常规井控技术分级 大港欠平衡 常规钻井井控作法 8 通过调高钻井液密度 防止 地层流体流入井内 从而 避免井涌 的发生 8 有地层流体流入井内时 停止钻进 8 有钻井液漏失时 停止钻进 8 有地层流体流入井内时 钻具不可以离开井底 8 保持井底压力稳定并稍 高于 地层孔隙压力 8 井口防喷器组和节流压井系统是必备的安全设备 欠平衡钻井井控作法 8 通过降低有效钻井液密度 有意识地使地层流体 流入井内 8 有地层流体流入井内时 继续钻进 8 有钻井液漏失时 继续钻进 8 有地层流体流入井内时 钻具 可以离开井底 8 保持井底压力 低于 地层孔隙压力 井口防喷器组和节流压井系统是常用的控制设备 8 大港欠平衡 欠平衡钻井技术的本质通俗称欠平衡钻井技术为 边喷边钻 关键是在钻井过程使地层流体连续进入井筒 因此 欠平衡钻井技术的实质就是二次井控技术这就是欠平衡钻井技术风险所在 大港欠平衡 五 欠压值及其控制 大港欠平衡 1 影响欠平衡钻井的压力分析 大港欠平衡 钻井液静液柱压力 Pm 环空压耗 Par 欠压值 Pu 井口回压 Pbp 地层压力 Pp 大港欠平衡 2 欠平衡钻井过程井内压力关系分析 大港欠平衡 欠平衡钻进开始时井筒内环空压力关系 Pu Pp Pm Par 式中 Pu 设计欠压值 MPa Pp 地层压力 MPa Pm 环空流体重力产生的压力 MPa Par 环空流动阻力 Mpa 此时地层流体尚未进入井筒 大港欠平衡 欠平衡钻井过程中停止循环时井筒内环空压力关系 Pu Pp Pmp Pbp 式中 Pu 欠压值 MPa Pmp 环空多相流重力产生的压力 MPa Pbp 井口环空回压值 MPa 大港欠平衡 Pu Pp Pmp Pam Pbp Pmp 环空多相流体重力产生的压力 Mpa Pam 环空多相流动阻力 Mpa 欠平衡钻进过程中井筒环空压力关系式 大港欠平衡 3 欠压值的设计与控制 大港欠平衡 确定合理的欠压值 确定合理的欠压值十分关键 直接影响欠平衡钻井的成败 欠平衡钻井过程中 只要能保证地层流体总是流入环空即可 一般不必追求过高的欠压值 国内外均推荐欠压值范围 0 5 1 5MPa 大港欠平衡 当欠压值确定后 可由公式Pu Pp Pm Par Pbp 反推出欠平衡钻井液密度 式中 mu 欠平衡钻井液密度 g cm3 确定欠平衡钻井液密度 103 大港欠平衡 欠压值的控制 通过控制井口回压的方法实现对欠压值的控制 通过调整钻井液密度的方法实现对欠压值的控制 通过调整注气量和注液量的方法实现对欠压值控制 大港欠平衡 六 欠平衡钻井的装备条件 大港欠平衡 欠平衡钻井设备配套 气相欠平衡钻井需要专门的气体注入设备液体 充气钻井应具有一套独立的分离和撇油系统对井口装置及钻具类型和组合的要求与常规钻井不同需要一些特殊的工具 大港欠平衡 旋转头液动阀节流监控系统 液体 充气 分离系统 液体 充气 空压机 增压器 气相钻井 制氮装置 气相钻井 点火装置防回火装置 液体 充气 撇油系统 液体 充气 硫化氢检测系统防爆系统流量检测系统强行起下钻装置 欠平衡钻井装备 大港欠平衡 欠平衡钻井井口装置分级 大港欠平衡 一级欠平衡钻井井口装置示意图 大港欠平衡 二级欠平衡钻井井口装置示意图 大港欠平衡 三级欠平衡钻井井口装置示意图 大港欠平衡 欠平衡钻井旋转控制装置的选择 气体钻井和雾化钻井可以采用低压旋转头 但此时的旋转头只能作为导流器使用 不能控制回压 泡沫和充气钻井应采用中压或高压旋转头 液体或泥浆帽钻井应采用高压而且是双胶芯旋转头 大港欠平衡 七 欠平衡钻井局限性 大港欠平衡 井壁坍蹋 对于欠压实的地层 不宜采用欠平衡钻井技术 环境保护 欠平衡钻井 产出 的储层流体有油 气 水等 甚至含CO2或H2S 必须根据地面循环及分离系统的功能 压力级别 控制能力等确定能否用欠平衡钻井 考虑井眼失控的危险性 对高压高渗地层 特别是高压气井 如果防喷系统损坏或人员操作错误有可能导致井喷失控 4 膨胀地层盐岩蠕动 泥岩膨胀缩径导致卡钻 不宜应用欠平衡钻井 5 油气产出过量 造成速敏 6 设计实施困难 设备 工艺局限性 大港欠平衡 八 钻具组合 大港欠平衡 钻具要求 使用18 钻杆 钻具外表面无毛刺 大港欠平衡 常用钻具组合 钻头 回压凡尔 钻铤 旁通阀 加重钻杆 投入式止回阀 18 斜坡接头钻杆 下旋塞 六方钻杆 上旋塞 大港欠平衡 采用气相欠平衡钻井技术时 为防止在接单根时气液倒返 还要在钻进中每几个单根中加接一只回压凡尔 常闭式 例如 钻头 回压凡尔 钻铤 投入式止回阀 18 斜坡接头钻杆若干 回压凡尔 18 斜坡接头钻杆若干 回压凡尔 下旋塞 六方钻杆 上旋塞 大港欠平衡 常规钻井流体体系 气体类 雾化液 泡沫 充气钻井液 无固相钻井液 含轻质固相添加剂的钻井液 九 钻井液与完井液 大港欠平衡 1 合理的井口回压设计2 井口装置的试压3 两套钻井液体系的准备 十 欠平衡钻井实施前的几个关键环节 大港欠平衡 十一 欠平衡钻进中的几个关键技术 大港欠平衡 井口回压控制是实施欠平衡钻井的核心 在欠平衡钻进过程中 保持立压等于立压参考值 随着井深的增加 立压参考值应相应改变 一 井口回压控制技术 大港欠平衡 二 欠平衡钻井措施 1 开钻前和钻进过程中认真进行 欠平衡钻井应急程序 的演练 达到实战水平 2 加强地层对比 及时提出地质预报并做好地层压力的监测工作 3 欠平衡钻进过程中 严密观察套压的变化 压力超出设计范围应立即停钻排气或实施压井作业 大港欠平衡 十二 欠平衡钻井过程中的几个必须 大港欠平衡 1 性能可靠的井口装置及地面控制设备 这是实施欠平衡钻井的先决条件 2 健全的应急程序 这是欠平衡钻井安全实施的后盾 大港欠平衡 3 训练有素的 具有丰富经验的欠平衡钻井专业化队伍 这是欠平衡钻井施工的支柱 4 开钻前严格试压和试运转 钻进中途严格检查 这是实施欠平衡钻井的重要环节 5 建立现场监督机制 这是实施欠平衡钻井的重要保证 大港欠平衡 十三 安全与环保规定 大港欠平衡 重要性 欠衡钻井不同于常规钻井 在负压差的作用下储层流体 盐水 原油 气体 进入井筒 为此应采用适当的地面设备来安全地处理返出的流体 将烃类化合物从盐水 钻井液和岩屑中分离出来 与常规钻井相比 欠平衡钻井产出原油和天然气 而这些都具有强的可燃性 为此应格外地关注安全工作程序 大港欠平衡 燃烧气体 欠平衡钻井场所 可能产生大量气体 为此用燃烧管线 将气体引到一个适当地方并树立火把 并配有自动点火装置 在布置点火系统时应考虑季节风的方向 根据场地的需要 火把的高度调节到最佳的高度 并进行固定 大港欠平衡 分离和储存 为避免着火和爆炸 液态的碳氢化合物的分离储存设备应放置在距井口较远的地方 并考虑风向 储存罐的容积 运输及装载的管汇必须符合安全要求 同时不能影响欠平衡作业 大港欠平衡 欠平衡钻井的安全作业要求有员工的培训和详细的书面的欠平衡钻井程序 在关键的岗位和节流管汇处应有助手 使其可以协助处理意想不到的突发事件 这些事件将迅速扩大 在欠平衡作业期间井场进出口也是非常重要的 在紧急情况下 风的方向发生变化或主通道堵塞 备用通道是非常有用的 在井场应配备天然气探测仪 灭火器及其它的安全设施 培训 大港欠平衡 采用空气减轻欠平衡钻井液密度时 空气与水混合可能导致设备腐蚀 与碳氢化合物混合可能发生着火或爆炸 特别是采用空气钻井更应小心 为此应进行广泛的实验 确定与常规空气结