充气钻井培训教材

1、充气欠平衡钻井培训教材大庆石油管理局钻探集团2005年6月目 录第一部分 欠平衡钻井综述1第二部分 充气欠平衡地面设备3第三部分 充气欠平衡钻井工艺10第四部分 欠平衡钻井HSE管理22第一部分 欠平衡钻井综述1 充气钻井和欠平衡钻井的定义所谓的欠平衡钻井是在有意使钻井液循环体系井底压力低于所钻地层孔隙压力的状态下钻井。充气钻井（Gasified Liquid Drilling）：充气钻井是指钻井时将一定量的可压缩气体通过充气设备注入到液相钻井液中作为循环介质的工艺。常用注入气体主要是空气和氮气，此外还有二氧化碳、天然气、柴油机尾气等，但使用的较少。充气钻井和液体流体钻井的不同在于气液两相流，

2、它的混合流体实际密度在不同井深不同。2 欠平衡钻井的优点及不足2.1 欠平衡钻井优点欠平衡钻井技术之所以受到各国的重视，关键在于：1） 明显减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的产量。2） 有利于及时发现低压低渗油气层，为勘探开发整体方案设计提供准确依据。3） 大幅度提高机械钻速，延长钻头使用寿命，从而缩短钻井周期，减少作业及相关费用。4） 有效地控制漏失，并减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生。5） 减少或免去油层改造等作业措施及昂贵的费用。2.2 欠平衡钻井存在的不足欠平衡钻井有优点，但也存在不足，一是钻井成本高（钻井设备多，钻井液费用高）；二是不安全因素多（井喷、井塌）；三

3、是有污染更大的机遇（因储层无泥饼，压井难于掌握）。3 欠平衡钻井必备条件3.1 有准确的地层压力欠平衡钻井必须首先准确掌握所钻地层的三个（破裂、孔隙、坍塌）地层压力系数，只有准确地掌握地层压力系数，特别是地层孔隙压力，才能有效确定井身结构、钻井液密度、欠压值及所采用的井口装置及钻井施工措施。否则，就很容易造成欠平衡钻井达不到预期目的。3.2 有井壁稳定的井或井段、有合适的储层根据世界上钻欠平衡井所取得的经验认为:实施欠平衡井段以上地层是稳定的，或对不稳定井段下入技术套管加以封隔。同时要掌握欠平衡钻井的层位的物化性能，判定是否可进行欠平衡钻井。一般认为，欠平衡钻井所选的岩层有火成岩地层，不易破碎

4、的灰岩地层，固结良好的结晶砂岩和碳酸岩，高渗、胶结较好的砂岩，微裂缝地层（裂缝开度大于100m），对水基钻井液敏感的材料含量过高的地层（气钻）等。3.3 相应的装备，如钻机、井口装置、钻井液控制与处理系统、点火装置等。3.4 有相应的监测仪器、仪表配备了地质录井仪、套压表、立管压力表、RST环空压力测试仪等仪器仪表。3.5 有一套安全操作规程和因地制宜的施工措施制定了行之有效的工艺技术措施、应急措施、井控操作规程等。3.6 有训练有素的技术人员、熟练的操作人员。4 欠平衡钻井方式欠平衡钻井的分类也是根据所用钻井液的不同将其分为两类，即：流钻欠平衡钻井和人工诱导欠平衡钻井。流钻是指在普通密度钻井

5、液的条件下，由于地层压力较高而达到欠平衡条件。人工诱导是由于地层压力太低，只有在钻井液中人为地加入某种降密度剂（如注入氮气、空气、泡沫等）或直接用氮气，空气作为钻井液方能达到欠平衡条件，升深2-17井采用水基钻井液充氮气。目前欠平衡钻井所用的钻井液有：泥浆、盐水（或清水）、油基泥浆、充气泥浆、泡沫、雾化泥浆、空气或其它气体（天然气、氮气）等几种体系，升深2-17采用充气泥浆。下面表为Signa工程公司提供的地层压力系数与优化钻井液类型关系表。地层压力系数优化钻井液类型00.02gas/air 0.020.07mist0.070.6foam0.600.9充气泥浆0.91.02油或油基泥浆1.01

6、.3水1.3以上泥浆5 欠平衡钻井发展方向（1） 90年代欠平衡钻井还不能说成是完全欠平衡钻井，因为在起下钻和完井等作业中都需要有短时间的压井过程，未来的发展方向必须是不压井起下钻和完井施工，美国和加拿大已用挠曲管钻机实现了不压井起下钻和裸眼完井。升深2-17井采用的是钻进过程中欠平衡，起下钻和完井还要压井。（2） 随钻监测技术将得到重视。当前井底负压值由地面计算得出，这是不十分准确的，未来井底负压值是由井下传感器或井底压力计组成的随钻监测系统给出，以得到井下准确的井底负压值，升深2-17井采用压力测试接头测量后存储，起钻后回放来获取井下压力数据。第二部分 充气欠平衡地面设备1 充气欠平衡钻井

7、特殊专用设备 根据欠平衡钻井工艺的要求，为了满足大庆油田欠平衡钻井的需要，整套欠平衡钻井采用的配套设备包括十大部分：l 旋转防喷器系统A、控制系统B、旋转防喷器C、操作台l 节流控制系统A、节流管汇B、液动节流阀控制台C、立压、套压和泵冲传感器及连接控制线等附件l 液气分离器l 油水分离系统A、撇油罐B、过渡罐（锥型罐）C、储油罐D、三台立式砂泵E、振动筛l 安全报警系统A、可燃气体报警仪2台B、二氧化碳、硫化氢报警仪各一台C、各报警仪的探头、支架和护罩D、各报警仪的信号线l 点火燃烧装置A、点火器B、点火器的电缆、信号线、配电箱和控制箱C、防回火阀l 配电、照明系统A、配电柜B、连接各设备的

8、配套电缆C、与欠平衡设备配套的防爆灯l 地面连接管汇A、节流管汇到液气分离器的连接管线B、液气分离器到振动筛的连接管线C、液气分离器到燃烧管线的连接管线D、液气分离器的排砂三通及管线E、立式砂泵到井队振动筛的连接管线F、燃烧管线l 井下工具A、箭型止回阀3只l 其它辅助设备A、2台轴流风机B、1台离心风机C、各风机的支架及底座D、液气分离器底座E、空压机一台F、供气管线及附件G、防毒面具和对讲机等H、中心控制室l 气体注入设备A、空气压缩机B、氮气分离装置C、氮气增压机D、注入管线2 欠平衡钻井专用设备工作原理 在欠平衡钻井中，人为地控制钻井液密度使井内静液柱压力小于地层压力，导致地层流体不断

9、流入井内,从而使井眼环空始终保持一定的压力。旋转防喷器能够在欠平衡钻进过程中密封住钻杆与井口装置的环空。流出的流体是气、液、固、油四相混合物，这种混合物通过节流管汇的压力控制，进入液气分离器，把气体分离出来通过燃烧管线送到点火装置烧掉，液体送到油水分离系统经过简单的固控处理分离出固相，然后进入撇油罐将原油分离出来再进入过渡罐进一步进行油水分离，最后将分离后的钻井液通过立式砂泵输送回井队的固控系统重新利用，分离出的原油进入储油罐储存起来。其中通过节流管汇的控制作用不但使流体有控制地流出，关键时刻实现软关井，更主要的是将套压控制在一定的预定压力范围内，使井底始终保持一定的负压值，从而实现安全可靠地

10、钻井。 另外通过集中安装到中心控制室的地质录井仪终端、控制各设备的仪器仪表和控制按钮以及天然气报警仪、二氧化碳报警仪或硫化氢报警仪等安全报警设备等反馈回来的信息可及时分析，及时预测，以便作出正确的判断，采取相应的措施。通过这些仪器仪表可随时监测到钻速、钻压、扭矩、立压、套压、泥浆进出口密度、泥浆罐液面变化和全烃含量等重要的欠平衡钻井参数，如当钻速突然增加，套压升高，泥浆出口密度降低，全烃含量升高可判断井底欠压值的变化。当欠平衡钻井设备附近天然气、二氧化碳或硫化氢达到一定浓度，报警仪会自动报警，可立即启动风机将聚集的气体吹散或发出逃生警报，确保井场的安全。欠平衡钻井主要设备的具体工作原理如下：（

11、1） 旋转防喷器旋转防喷器的主要作用是在整个钻井过程中始终密封钻具与井口装置的环隙，通过控制系统使旋转防喷器处于关闭状态，球型胶芯收缩，封住了钻柱与井口装置的环隙，使钻井液不能从井口环隙喷出，能按预定的出口有序流出。（2）节流管汇 欠平衡钻井用节流管汇在结构上与常规节流管汇相似，但在功用上却存在较大差别。其主要用途是通过调节液动节流阀和手动节流阀的开关度的大小来保证立压不变、防止套压过大，同时排放钻井液，以满足欠平衡钻井工艺的要求。（3）液气分离器液气分离器在欠平衡钻井中起到了把气液混合物分离开的作用。当液气混合物通过节流管汇的压力调节后，进入液气分离器，利用重力沉降法，经内部隔板的分离作用，

12、实现液气分离，气体被送到点火燃烧装置烧掉，而液体被送到油水分离系统进一步地分离。（4）油水分离系统 从液气分离器出来的钻井液经振动筛进入撇油罐，当液面达到一定高度，较纯净的泥浆自动进入过渡罐，上部的浮油流入储油罐，进入过渡罐的钻井液再经一次分离，纯净泥浆用立式砂泵送回井队原固控系统重新利用。（5）点火系统 点火系统通过配备的电子点火器，220V电压经过变压转换成110V电压，输送到点火器上，点火器输出2500V瞬间高压电到燃烧装置，每12秒钟打一次火，把液气分离器分离出来的可燃气体烧掉，保证井场的安全。（6）安全报警控制系统 当从钻井液中散发出来的天然气、硫化氢、二氧化碳气体达到一定值，报警仪

13、会立即报警，工作人员立即启动通风机驱散聚集的气体，或发出警报使人员撤离，确保安全。（7）制氮注氮设备中空纤维膜分离制氮的膜组是一个圆筒状的高分子材料制成的中空纤维膜束，每束象列管式换热器包含上百万根中空纤维，以提供最大限度的分离面积，每根纤维直径约几十微米，就象人的头发丝一样细，压缩空气由纤维束的一端进入，气体分子在压力作用下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶解、扩散、脱溶、逸出。每种气体都含有不同的渗透速率。氧、二氧化碳、水蒸汽等渗透速率“快”，由高压内侧纤维壁向低压外侧渗出，由膜组件一侧的开口排出；渗透速率小的“慢气”氮气被富集在高压内侧，由膜组件的另一端排出，从而实现了氧氮的分离。3

14、 充气欠平衡设备的安装 （1）旋转防喷器:使用135/8²法兰栽丝螺栓与下端环形防喷器连接，法兰密封钢圈为BX160，其旁侧有两个接口,一个接缓冲瓶,一个接井筒压力传感器。井筒压力传感器与旋转防喷器以法兰连接，密封钢圈型号为BX151。(2)节流管汇:有一个进口两个出口，一个出口为放喷管线，一个出口为循环管线，进出口管线为5²钻杆，接口采用法兰连接。节流管汇五通上部有两个压力输出端，一个是压力表，一个是压力传感器，通过信号线接到节流阀控制台上。节流管汇的一个旁通主控阀是从美国引进的液动节流阀，动作灵敏、可靠性高、并抗冲蚀，液动节流阀与控制台通过打开、关闭各一条液压管线相连接

15、。（3） 液动节流阀控制台:在该处共外接7条线。1)能源输入端，为一气泵管线，连接在1MPa、1.6L/min的空气压缩机上（或外接在井队气压管线上）；2)液动节流阀的打开和关闭液压管线；3)套压传感器信号线；4)立管压力传感器信号线，传感器接在立管供泥浆管线的出口端；5)泥浆泵冲程数传感器信号线两条，分别接在两个泵上。(4)液气分离器:一个进口两个出口，一个是气体出口、一个是泥浆出口，全部为法兰连接。进口尺寸为5²，出口尺寸为8²。泥浆出口为U型管，在U型管的底部分出一个三通，可以放砂、放压、放泥浆。(5) 油水分离系统:安装两台直线振动筛，在振动筛的尾部焊了一个小的泥浆

16、槽，接收从U型管出来的泥浆。出口端是从三个砂泵的出口焊接出一个6²管，汇总到一个6²管上，该管线的另一端通向井队的振动筛。（6)安全报警系统:有一个可燃气体报警仪和一个硫化氢、二氧化碳报警仪探头安放在欠平衡钻井专用振动筛附近；另一个可燃气体报警仪安放在井队振动筛附近，报警仪主机安放到中心控制室。（7）风机:三台，其中两个对准油水分离系统吹风，第三台对准井队振动筛吹风。（8）点火燃烧系统:从中心控制室将220V电压经变压器转换成110V的电压，通过电线输送到点火器，点火器输出三条线，一条火线、一条地线和一条热电耦线，这三条线都接到燃烧装置上。（9）中心控制室:室内安装有配电柜

17、、司钻控制盘、液动节流阀控制台、可燃气体报警仪主机、硫化氢-二氧化碳报警仪主机、点火器变压器和控制开关、报警电笛、录井终端和录取数据计算机等设备，与外部连接的电缆线大小二十余条。（10）氮气设备氮气设备提供27/8²油管接口扣，通过注入管线连接到立管。4 充气欠平衡钻井设备的操作（1） 旋转防喷器 不同型号的旋转防喷器有所不同，升深2-17井租用大港油田威廉姆斯旋转控制头，正常钻进和接单根时，不需要额外的操作。（2）氮气设备 氮气设备租用辽河油田，由所有方负责操作和维护。升深2-17井制氮注氮设备2台，型号分别为NPU 800/25 DF和NPU 900/25 DF。（3）远程控制节

18、流阀系统操作控制台遥控每一个节流阀和监测以下数据l 钻杆压力l 节流管汇压力l 泵冲数l 蓄能器压力l 钻机气动压力l 节流阀操作速度 节流阀电子位置显示器系统包括一个电子电位计被罩在一个不锈钢中，不锈钢管安放在一个不锈钢罩内。该装置能在罩内调整位置，使传感器处于适当位置。整个装置连同不锈钢罩安装在控制台上。电子图表的变化可表示节流阀从开到关（0100%）的具体位置。 控制台安放在钻台上，遥控一个或两个液动节流阀。控制台有一个基础的动力源（气源）和一个交流电源（预充蓄能器瓶）。气源最低压力用来操纵气/油泵，而气/油泵可提供液力源来驱动节流阀。在控制台上的钻机气压表使操作者监督供气情况。 从油泵

19、出来的油储存到控制台里面的一个蓄能器钢瓶内备用。蓄能器钢瓶还具有缓冲作用，防止活塞由于泵脉冲产生冲击波动。蓄能器容纳充足的液体来操作阀，以防备钻机气源的短暂故障。 控制台给气/油泵配备了手动泵，当钻机气源出故障，压力降到低于1200psi（8MPa）时，用手动泵向蓄能器钢瓶内供应液体，保持蓄能器压力，直到钻机气源正常工作。 控制盘安装了两个电子图表显示器，该装置的动力由7v蓄电池组供给。电池组被封在一个顶部露在外面的接线盒内。泥浆泵每分钟泵冲数及总的泵冲数的显示表由一块5年锂电池驱动。锂电池也装在一个盒子内。泵冲数由安装在泥浆泵上的传感器负责传递。控制台内的零部件很容易维修，所有的管件都是不锈

20、钢的。控制台上的液压管线两端都为快速接头，公头和母头也已选好，不能互换，避免错接的发生。(4)液气分离器的操作钻井液从进口进入分离器，经过内部搁板的撞击，使气体从顶部排除去。考虑到气体的膨胀性，所以进口为6²，出口为8²。钻井液和原油的混合物从下部排出，经U型管进入到油水分离器。如果只有气没有油，则U型管可直接通入井队的振动筛。在液气分离器正常工作时，要时刻注意其上面的压力表，压力不许超过125psi(0.84MPa)，如果达到125psi(0.84MPa)，应立即关小节流阀，限制排量。当进口排量不变，出液量减小，压力升高时，要停止钻进，关闭节流阀出口处的闸板阀，从分离器下

21、面的三通处清理沉砂和岩屑。(5)油水分离器的操作从U型管出来的钻井液和原油的混合物经振动筛进行初步过滤，流经撇油罐，将原油撇出去，进入撇油罐。如果油量过大，撇油罐盛不下，或用车拉走，或在撇油罐旁挖一个储油池，将油放进储油池内。从撇油罐出来的液体进入到过渡罐继续撇油，剩下的钻井液由砂泵供回到井队固控系统。在钻进过程中，要定期测量撇油罐内的沉砂高度，如果沉砂过多影响正常工作，要停钻，关闭节流管汇进口处的闸板阀，放掉撇油罐内的液体，打开罐体的排砂口排砂。当沉砂不多时，不停钻，直接用砂泵将钻井液和原油的混合物打到过渡罐。在该环节中，如果从井内排出的液体量较大，振动筛的接受能力不够时，要换目数较小的筛网

22、。选择范围为2080目。(6)可燃气体、有害气体的处理系统该系统包括天然气报警仪、二氧化碳报警仪、硫化氢报警仪和吹风机。三种仪器预先调定好气体含量的测定指标，当可燃气体、有害气体进入井场并达到含量指标时，报警仪进行报警，现场管理人员马上启动吹风机，将这些气体吹走，保证井场安全。(7)箭形止回阀适用于欠平衡钻井，防止钻井液从钻柱内倒返。当井下泥浆柱压力小于地层压力，箭型止回阀在压差作用下及时关闭，阻止泥浆倒返。保持钻井液单向循环，并能防止钻具内溢流喷出。结构如图2-1所示，箭型止回阀两端有与钻杆连接的螺纹，它由阀体、阀芯、阀座、O型圈等组成图2-1箭型止回阀结构示意图工作原理:正常钻进时钻井液自

23、上而下通过钻杆，这时箭型阀处于下位即紧靠下顶座。井涌时，钻井液压差将作用于箭型阀的底部，使箭型阀上行紧靠在密封垫上，封闭钻杆内空间。使用这种止回阀，在不影响正常钻进的情况下，可随时应付井下异常情况，是欠平衡钻井必备的防喷装置。 按钻具设计组合的要求，把箭型止回阀连接到钻柱上即可。使用时，抬上钻台，应轻抬轻放，严禁磕碰。清理上下连接螺纹并涂丝扣油。连接时先用人工上扣，拧不动时再改用液压大钳上紧。第三部分 充气欠平衡钻井工艺1 基本概念1.1 地层压力：地层压力是地下岩石孔隙内流体的压力，也称孔隙压力。正常情况下，地下某一深度的地层压力等于地层流体作用于该处的静液柱压力。这个压力就是由某深度以上地

24、层流体静液柱压力所形成的。1.2 井底压力：所有作用在环形空间的压力总合，就是井底压力，这个压力随作业不同而变化。(1) 静止状态，井底压力=环形空间静液柱压力；(2) 正常循环时，井底压力=环形空间静液柱压力+环形空间压力损失；(3) 用旋转防喷器循环钻井液时，井底压力=环形空间静液柱压力+环形空间压力损失+井口回压；(4) 循环出气涌时，井底压力=环形空间静液柱压力+环形空间压力损失+井口回压；(5) 起钻时，井底压力=环形空间静液柱压力+抽吸压力；(6) 下钻时，井底压力=环形空间静液柱压力+激动压力；(7) 空井时，井底压力=环形空间静液柱压力；(8) 关井时，井底压力=环形空间静液柱

25、压力+井口回压+气侵附加压力。1.3 压差：压差是井底压力和地层压力之间的差值。如果井底压力大于地层压力，其压差为正；如果井底压力小于地层压力，其值为负。正压差通常称为过平衡，负压差称为欠平衡。1.4 循环压力损失：在压力的推动下钻井液从钻井泵进入循环系统。经地面管汇，沿钻柱向下，通过钻头喷嘴而后沿环形空间上返，此间十几兆帕的压力损失到循环系统中。这个压力损失是由钻井液循环及其与所碰到的物体发生摩擦所引起的,其大小取决于钻井液密度、粘度、排量和过流面积等。1.5 激动压力和抽吸压力： 抽吸压力：抽吸压力发生在井内起钻时，钻柱下端因上升而空出来的井眼空间，以及钻井液因粘滞性附于钻柱上，随钻柱上行

26、而空出来的空间将由其上面的钻井液充填，引起钻井液向下流动。这部分钻井液在流动时受有流动阻力，其结果是降低有效的井底压力。钻头泥包时，会产生很大的抽吸压力。 激动压力：激动压力产生于下钻和下套管时，因为钻头下行，挤出该处的钻井液，钻井液流动受到的阻力，便是激动压力，其结果是增大有效井底压力。 激动压力和抽吸压力数值相等，激动压力是正值，抽吸压力是负值，这两个压力受下列因素的影响：（1） 管柱的起下速度；（2） 钻井液粘度；（3） 钻井液静切力；（4） 井眼和管柱之间的环形空隙；（5） 钻井液密度；（6） 环形节流（钻头泥包）。1.6 立管压力：立管压力=地面管汇压耗+钻柱内压耗+钻头喷嘴压耗+环

27、空压耗1.7 静液压力的不平衡值：是钻柱内与环空静压力的差值。井下循环系统被想象成“U”型管，钻柱与环空是它的两条腿。无井涌正常循环时，不平衡值为零，因为这两个压力大致相等。然而，在整个二级控制中钻杆压力可以和环空压力相差很大而且对立管压力有很大的影响。如果有压力不平衡值，根据“U”型管原理，钻井液将流向静液压力低的部分，直到平衡为止。钻柱内的静液压力超过环空静液压力时，泵送钻井液较省力，相反，泵压就要高。1.8 回压：回压是用来控制井涌的压力，其由节流阀产生，有助于控制地层压力。停止循环关井时，仍可能有一定的回压作用在环空或套管内，这个压力叫做关井套管压力。1.9 关井立管压力：停泵关井后，

28、钻具内钻井液不能平衡地层压力，需要施加的井口回压。1.10 关井套管压力：停泵关井后，环空内钻井液不能平衡地层压力，需要施加的井口回压。2 充气欠平衡工艺流程欠平衡充气钻井液从钻具泵入井内，由井眼环空返到井口，经四通-节流管汇节流-液气分离器进行液气分离-分离出的气体经燃烧管线点火烧掉-分离出的液相经油水分离器进行钻井液、油及固液分离-液相(欠平衡钻井液)经撇油罐进一步分离-分离出的油进入储油罐-钻井液经砂泵抽到常规固控系统进一步固控后再重新被泵入井内。3 欠平衡钻井工艺3.1 井身结构欠平衡钻井根据地质情况多采用三层或四层套管井身结构，即：3.1.1 四层F660.4mm钻头´F5

29、08mm表层套管+F444.5mm钻头´F339.7mm技术套管+F331mm钻头´F244.5mm技术套管+F215.9mm钻头´F139.7mm油层套管（或尾管），如：杏深1井。3.1.2 三层F444.5mm钻头´F339.7mm表层套管+F331mm钻头´F244.5mm技术套管+F215.9mm钻头´F139.7mm油层套管（或尾管），如：宋深101井、卫深5井、卫深501井和肇深11井，升深2-17井采用三层套管结构。3.2 钻井参数充气钻井所用钻头和钻进参数与常规钻井没有区别，可使用常规的钻头和钻进参数。3.3 充气钻井

30、水力参数设计充气钻井的需要设计液体参数和气体参数，他们还相互影响，液体排量和密度的设计原则是尽量小。因为如果液体密度太大，再用充气降低密度没有意义，液体排量在能够携屑的前提下，也是尽量小，因为液体排量大，为降低密度需要更多的充气量。考虑到本井是第一口试验井，没有经验，需要在实践中摸索，液体参数尽量选择和常规钻井接近的参数，排量选择2530L/s，密度1.061.15g/cm3。气体参数的选择主要是为了实现欠平衡，因为所钻为高产气层，欠压值过高会导致地层出气太多，难以控制，因此欠压值选择1MPa左右，在登娄库组（2517m-2800m）压力系数为1，气体排量选择1200m3/h,液体排量选择25

31、 L/s，泥浆密度1.08，计算结果如下（表3-1）：表3-1 登娄库组水力参数设计井深(m)管内压力(MPa)管内流速(m/s)累计内压耗(MPa)环空压力(MPa)环空当量密度(g/cm3)环空实际密度(g/cm3)返速(m/s)岩屑升速(m/s)累计外压耗(MPa)流态欠压值(MPa)250034.122.835.7223.480.951.021.010.701.29泡状流1.00260034.892.835.9424.510.961.021.010.701.33泡状流0.95270035.672.836.1625.550.961.021.010.701.37泡状流0.89280036.

32、452.836.3826.590.961.021.010.701.41泡状流0.84表中计算仅供参考，具体根据现场情况调整。在营城组(2800m3300m)，压力系数在1.15之间，选用液体排量30L/s,密度1.15，气体排量900m3/h,计算结果如下（表3-2）表3-2 营城组水力参数设计井深(m)管内压力(MPa)管内流速(m/s)累计内压耗(MPa)环空压力(MPa)环空当量密度(g/cm3)环空实际密度(g/cm3)返速(m/s)岩屑升速(m/s)累计外压耗(MPa)流态欠压值(MPa)290045.933.339.6031.951.121.121.180.891.95泡状流0.7

33、1300046.713.339.9233.101.121.121.180.892.01泡状流0.68310047.483.3310.2434.251.121.121.180.892.07泡状流0.66320048.263.3310.5635.421.121.121.180.892.13泡状流0.63330049.043.3310.8836.581.131.121.180.892.19泡状流0.59表中计算仅供参考，具体根据现场情况调整。3.4 钻具组合大庆充气欠平衡井段应用是常规满眼钻具组合，不同的钻柱中加4个箭型回压阀，其中钻铤部分加2个，钻杆加2个。3.5 充气欠平衡钻井的控制方法3.5.

34、1 充气钻井与液体循环介质钻井的不同处充气钻井是在液体循环介质钻井的基础上，充入一定量气体以降低液柱压力的技术，由于气体的可压缩性强，不同井深的气体所占体积比不同，不同井深的充气液密度不同(图3-1)，井越深，密度越大，它的当量密度也不能通过地面直接测量，需要软件根据气液比和井深及套压计算，它的当量密度控制方法也与液体介质钻井有所不同，气液两相流的流态也随井深和气体液体不同而不同，有泡状流、段塞流、过渡流和环雾流，各种状态的携屑能力，充气钻井液的状态和计算方法都有很大的不同，充气钻井也是和气体钻井有关的钻井方式（纯气体、雾化、泡沫和充气）中流态最复杂的一种，可以通过充气钻井的试验，为下一步开展

35、气体钻井的其他形式积累经验。图3-1不同井深充气钻井液实际密度变化图3.5.2 充气钻井当量密度控制方法 充气钻井的优点在于，可以在不改变基液密度的情况下，当量密度可以通过调整液体排量、气体排量和套压改变调整当量密度，只要当地层压力比预计高，不充气都比基液液柱压力高时，才需要提高液体的密度调整当量密度。(1)调整液体流量控制当量密度图3-2 液体流量对当量密度的影响通过图3-2可以看出液体流量对当量密度的影响，在其他参数不变的情况下，单改变液体注入量能明显的改变当量密度，液体流量越小，则当量密度越大，一般选择充气钻井基液排量比正常钻井的液体排量小，选择的是正常钻井的液体排量，如果欠压值太小，可

36、适当减少液体排量，降低当量密度，增加欠压值，但太小的液体排量会影响携屑，因此必须在不影响携岩的前提下才能调整液体排量。（2）调整气体流量控制当量密度通过图3-3可以看出气体流量对当量密度的影响，在其他参数不变的情况下，单改变气体注入量能明显的改变当量密度，随着气体的注入量的增加当量密度减小。为了增大欠压值可增大气体排量，考虑到欠压值太大，可能会出现井壁稳定问题。如果在气层地层出气也会随着欠压值的增加而增加，造成地层气体对充气钻井液二次充气，进一步降低液柱的压力而增大欠压值，造成更多的地层气体进入井内的恶性循环，气层也是充气钻井控制的难点和关键。图3-3气体流量对当量密度的影响 （3）调整套压控

37、制当量密度通过图3-4可以看出套压对当量密度的影响，在其他参数不变的情况下，单改变套压能明显的改变当量密度，随着套压的增加当量密度增大，欠平衡钻井一般不控制套压，但在特殊情况下，如地层出气量太大，通过减少气体排量减少欠压值要循环一周才能实现，可通过关小节流阀增加套压控制的办法进行控制，为通过调整气体排量改变欠压值争取时间。图3-4套压对当量密度的影响图以上三种调整当量密度的方法，可以单独使用，也可以联合使用，具体根据井上实际情况决定。（4）最大关井套压确定在欠平衡井中，还要考虑液气分离器的处理能力，如果负压值设计或控制不当，随钻产油气量过大，超过液气分离器的处理能力，分离效果不好，导致关井套压

38、过高，若不及时采取措施，后果是很严重的。根据计算，大庆深层欠平衡最大关井套压为7MPa。3.5.3 压井技术（1）压井时机的选择l 起下钻压井l 取心作业压井l 中途测试压井l 完井作业压井，如测井、下管柱等。l 地层压力过大或回压控制不当，井口压力太大，超过旋转防喷器等井控设备的安全要求时压井。（2）压井方法欠平衡一般采用工程师法压井，根据具体情况实施正循环或反循环压井。压井的基本做法仍是通过调节节流阀的开启程度，控制立管压力，保持井底压力不变的原则下，用重泥浆循环压井。具体步骤及操作方法是：缓慢启动泵并打开节流阀，使套压等于关井时的套压值。当泵速或排量达到选定的泵速或排量时，保持泵速或排量

39、不变，调节节流阀的开启程度使立管压力等于初始循环立管总压力。重泥浆由地面到达钻头的这段时间内，通过调节节流阀控制立管压力，使其按照“立管压力控制表”变化，既由初始循环立管总压力降到了终了循环立管总压力。继续循环，重泥浆在环空上返，调节节流阀，使立管压力保持终了循环立管总压力不变，当重泥浆到达地面后，停泵、关节流阀，检查套管和立管压力是否为零，若为零说明压井成功。（4）压井步骤l 首先，在钻井过程中应作低泵冲试验，记录压井排量和循环泵压。l 地层压力=9.8´初始钻井液密度´垂直井深+关井立压l 压井钻井液密度=初始钻井液密度+0.102´关井立管压力/垂直井深l

40、初始循环立管总压力=压井排量循环泵压+关井立压l 终了循环立管总压力=（压井钻井液密度¸初始钻井液密度）´原钻井液压井排量循环泵压l 总容积=管内容积+管外容积l 重钻井液由地面到达钻头时间=管内容积/压井排量l 重钻井液由井底到地面的时间=管外容积/压井排量l 最大允许关井套压=（地层破裂压力梯度-初始钻井液静液压力梯度）´垂直井深3.5.4 充气欠平衡钻进过程中技术要求3.5.4.1充气钻井程序(1) 登娄库组充气钻井程序登娄库地层以河流相沉积为主，为砂泥岩互层，是兼探目的层。根据邻井升深更新2、升深2-12和升深2-6的完钻效果，在该层段重点开展不同充气量下

41、的钻井速度试验。1) 开始钻进前，井口钻杆接回压凡尔1个，启动制氮设备，以10 m3/min的注气速度开始钻进，并以每柱增加5 m3/min的注气速度（钻井液当量密度降低0.010.02 g/cm3），注气钻进，直至第5立柱注气量增加到28m3/min。此时钻井液当量密度为0.96g/cm3。2) 从第6立柱开始，以28 m3/min的注气速度开始钻进，并以每立柱减少与上述相同步长的注气速度，注气钻进，直至第10立柱注气量减少到10 m3/min的注气速度。3) 完成10立柱的充气钻进后，通过实时分析，确定一个以钻井速度为目标函数的最佳钻进参数，继续钻进。若提速效果不明显，可再增加一个轮回的试

42、验，从而确立最佳充气量和钻井参数，提速钻进。4) 钻井过程中，若有储层气体返出，最大套压值控制在5 MPa以内，并记录气测烃值的变化，为充气钻井对储层保护效果分析提供数据支持。5) 监测钻井过程中泵压、注气压力、注气量等钻井参数及其变化情况，绘制钻速、注气量等随井深或时间的变化曲线。6) 钻井过程中密切观察岩屑上返情况，若有异常，停止注气，活动钻具，防止卡钻事故发生。7) 解除异常后，以每一立柱增加5m3/min的注气量进行钻进，若还有异常发生，调节基液性能，实施常规钻进。8) 在钻进过程中，钻井液基液密度小于1.05g/cm3，利用软件对泵排量、注气量等钻井参数进行实时调整，实现欠平衡钻进。

43、9) 制氮设备若不能任意调节注气量，试验不同注气量的钻井速度可按800 m3/h、900m3/h、1700 m3/h的步长进行试验。(2) 营城组充气钻井程序营城组地层为火山岩地层，是主要目的层，在该层段重点开展保护储层和提速钻井试验，形成一套水基充气钻井液的欠平衡钻井技术。1) 钻至营城组地层时，根据软件计算结果，调节泵排量、注气量、钻井液基液密度的大小，实现欠平衡钻井作业的正常钻进。2) 若在登娄库组充气钻井中出现井下异常，注气量减少至不足以在营城组地层进行欠平衡钻进时，在营城组地层继续开始充气，实现欠平衡钻进，注气量的大小根据软件计算结果进行确定。3) 若储层出气量很大，套压值增加到4M

44、Pa，并有继续增加趋势时，调节节流阀，根据软件计算结果减少注气量钻进，若井口套压值仍有增加趋势，停止注气，实现欠平衡钻进。4) 钻井过程中密切观察岩屑上返情况，若有井下异常，停止注气，活动钻具，防止卡钻事故发生。5) 监测钻井过程中泵压、注气压力、注气量等钻井参数及其变化情况，绘制钻速、注气量等随井深或时间的变化曲线。6) 在钻开目的层，储层出气，在停止注气后，井口套压值仍大于4 MPa，调节基液性能，实施欠平衡钻进，钻达设计井深。7）在钻进过程中，利用软件对钻井参数进行实时调整，实现欠平衡钻进。(2)钻进措施1）每次下钻开始钻进前井口钻柱接一个箭形回压阀，以后每钻进300米加一个箭形回压阀，

45、起钻时卸掉；2）开始注气量选择10m3/min钻进，观察振动筛返屑，监测扭矩和泵压的变化；3）如果一切正常，以2小时增加1m3/min的速度增加注气量,逐渐增加到设计值；4）如果发现有的剥落和掉块，停止钻进，在现用的气体排量基础上减少2m3/min的气体注入量,循环一周，如果还有剥落和掉块，继续减少注气量，直到正常为止；5）充气钻井过程中，钻遇目的层时能点火说明实现了充气欠平衡钻井。点火以后，如果伴随泵压下降、钻速提高、火苗不断增大，说明地层出气增加，可适当逐渐减少注气量或增大基液排量，如无效配合关小节流阀，套压不得大于5MPa，如果注气量为0仍得不到有效控制，调整钻井液密度转入液体欠平衡。6

46、）后效控制措施一般接单根后效较小，通过欠平衡缓冲罐可释放，如果后效较大，缓冲罐不能完全释放，可适当关小节流阀缓慢释放后效；下钻后效一般较大，可暂停气液注入和钻进，适当关小节流阀控制套压，缓慢释放后效，待正常后恢复充气钻进。 7）如果地层出水、出气量较大或其他异常情况，启动应急预案。（3）充气钻井和常规钻井流程的转换1）由充气流程转换为常规流程：a.停止注入氮气。b.用基液走欠平衡流程将井内充气钻井液全部替出。c.循环观察井下情况。如井下正常，则打开旋转防喷器和液动平板阀，关闭液动放喷阀，钻井液走常规流程。2）由常规流程转换为充气欠平衡流程：a.打开液动放喷阀，关闭旋转防喷器及其液动平板阀。b.

47、用充气钻井液循环，将井内常规钻井液全部替出。c.充气钻井液循环12周，如井下情况正常可恢复充气钻井。（4）钻进中接单根操作程序1）接单根前司钻发出一声短促（13s）气喇叭声。2）氮气操作岗立即停注氮气，待确认氮气注入量为0时，将停注信号（右手食指垂直指向左手手心）反馈给钻台内钳工，内钳工将停注信号传给司钻。3）接到停注信号后，循环基液13min（具体时间由项目现场组定）后停泥浆泵,接单根。4）待立压为0时，欠平衡操作岗关闭液动节流阀。5）钻台接完单根后，司钻电话通知欠平衡操作岗说明已接完单根。6）欠平衡操作岗打开液动节流阀并电话告知司钻可开泵。7）司钻发出一声短促（13s）气喇叭声。8）听到信

48、号后，氮气操作岗恢复注入氮气，同时司钻开启泥浆泵转入钻进。（5）钻进过程中注意事项：1）注意钻进过程中各项参数的变化，防钻具、钻头事故。如突然放空0.51米，应立即停泵观察，测油气上窜速度、全烃含量、地层压力、钻井液密度，井口有无钻井液溢出，如果一切正常，即可恢复钻进。2）胶芯密封失效需要更换时，单流阀能起作用，半封关井可靠，套压不超过7MPa的情况下，可进行不压井更换胶芯，否则根据现场实际情况压井后更换胶芯。3）井控装备出现故障不能确保关井安全，使欠平衡作业无法进行时，要进行压井后更换或现场维修井控设备。4）钻井过程中，发生卡钻等事故无法处理时，应压井后再做处理。5）单流阀失败，钻具内立压无

49、法消除，应压井起钻，更换单流阀。6）钻头水眼或单流阀堵死，应打开旁通阀压井后提钻更换。7）钻井设备出现问题，应根据现场实际情况决定处理方式。8）气量较大时，停止钻进作业，关井求压，气量过大返出钻井液超过液气分离器处理能力时，应放喷，关液气分离器，节流压井。9）定时测量钻井液进出口性能。10）排出口要有专人观察岩屑返出情况。11）录井人员如果发生异常情况应及时通知有关人员。（6）起钻操作程序起钻原则：钻头提至地面时，套压为零。1） 钻前用基液不充气循环一周，携带岩屑；2）关井求压，计算地层压力；3）根据立压、套压值，确定压井密度；4）将近平衡钻井液打入井筒，建立井筒压力平衡；4）停泵，套压为零；

50、5）打开旋转防喷器，卸掉方钻杆，起钻；6）上提钻具要控制速度，操作要平稳，并注意指重表吨位的变化，按要求及时灌满泥浆（注意有无抽吸现象）；7）用液压大钳卸扣；8）立柱进指梁，下放游车重复起钻作业；9）当起钻中途井口有溢流时，应进行阶段压井；10）对起出的特殊工具，要认真检查，确保再次下钻能安全使用。（7）下钻作业程序1）接好钻头，内外钳工扶正入井钻具，让钻具缓慢入井，防止钻头碰坏旋转防喷器；2）控制下钻速度，防止压力激动，造成井漏复杂情况的发生；3）用液压大钳上紧扣，防止钻进过程中刺坏钻具；4）坐卡瓦，起游车，进行下钻的重复作业；5）每下钻20柱，向钻具水眼灌注泥浆一次；6）下钻发现溢流时，视

51、情况尽量将钻具下深，然后采用四、七动作关井；7）钻头到底后，开泵循环，用欠平衡钻井液替出井内近平衡钻井液，实现欠平衡钻井。3.5.5 充气欠平衡钻井中故障的处理（1）卡钻1）井塌卡钻和砂桥卡钻在钻进过程中发生井塌卡钻和砂桥卡钻，若能循环钻井液，停止充气向井内打入高粘度钻井液，将井内坍塌碎块和钻屑带出井筒，以解除卡钻事故；若不能解除卡钻事故，也可以为以后处理创造一个较好的井下环境，然后采取常规方法处理卡钻事故；倒开钻具，在卡点以上建立起循环，用压井液压井建立起井下压力平衡，然后采取常规方法处理卡钻事故。2）井下落物卡钻当出现井下落物而卡钻时，一般情况都能建立循环，此时应把井内钻屑循环干净（以防在

52、以后的处理时由于沉砂而不能循环），然后注入压井液压井建立起井下压力平衡，倒开钻具，起钻采取常规方法处理卡钻事故。（2）欠平衡钻进过程中突然套压升高紧急处理1）可减少注气量。2）增加液体排量。3）如果气体排量降到0，套压依然很高，可适当增加液体密度。（3）钻进过程中井塌处理措施1）提高泥浆的粘度、切力，适当升高密度，控制失水。2）倒划眼、正划眼，尽可能使井眼畅通。3）加足防塌稳定剂、提高井壁的稳定性。4）减少注气量，以提高井壁周围的压持力。3.5.6 应急措施（1）节流管汇上的液动节流阀出现故障 启用手动备用节流阀，检修或更换液动节流阀。（2）节流管汇上的闸阀出现故障，不能循环1）井口压力不高时

53、，关井检修或更换。2）井口压力较高时，启用备用放喷管线，然后关井检修或更换。（3）油水分离器处大量气体聚集开鼓风机将聚集的气体吹散。（4）节流管汇出口到振动筛这段循环管线及设备出现问题而不能循环 关井处理，严重时压井检修。（5）地面其它设备地面高压循环系统（从泵到水龙头的高压循环系统）出现问题，如高压闸门、连接由壬刺坏，焊接处开裂等，而造成不能正常循环时应采取以下处理办法： 关井处理，严重时压井检修。（6）两台钻井泵同时出现问题不能循环 关井处理。（7）节流管汇的液控箱出现问题1）应采用手动阀门来控制。2）如维修时间过长应压井起钻维修。（8）顶驱出现问题1）使用六方方钻杆。2）压井起钻，抢修顶

54、驱。（9）井队发电机供电系统出现问题不能供电 井场的全部设备停止运转，此时应采用手动控制系统，钻具在井内关半封，钻具不在井内关全封，打开节流管汇备用端的各闸门，关闭另一端的平板阀，根据套压情况作出妥善处理。（10）地层出水如果地层出水，观察振动筛返屑情况，看是否有剥落和掉块，并密切监测出水量及对充气钻井液的影响，如果影响不大，继续钻进，如果发现钻井液性能出现问题及时处理，如果发现掉块、并伴随扭矩增大，上提下放不畅，立刻停止注气，增加基液排量循环处理，严重时可强行起钻至技套之内，改为常规钻井液钻井。（11）气体注入管线出现泄露暂停钻进，停止注气、注液，关闭立管进气的阀门，抢修管线，待修好后恢复充

55、气钻井。（12）胶芯突然失效的应急措施：1）发出信号，停钻进和循环。2）关环形防喷器。3）先关节流阀，再关节流阀前的平板阀。4）放掉旋转防喷器和环形放喷器之间的压力。5）更换胶芯。6）换完胶芯，打开节流阀前的平板阀，再开节流阀，打开环形防喷器。7）恢复充气钻进。（13）地层坍塌应急方案1）充气钻进过程中，如果出现轻微坍塌掉块，可以采用减慢钻进速度或进行划眼。划眼时要坚持“进一退二”的原则，防止卡钻。同时适当减少注气量。2）如果地层出现严重坍塌，尽可能将钻具起钻至技术套管内，用基液循环压井，改成常规钻井液处理。（14）套压过高 如果正常钻进套压超过5MPa，说明地层出气量比较大，可暂停钻进，适当减少气体排量，循环一周，观察套压，如果依然很高，继续降低注气量，直至套压降至正常值恢复钻进。如果注气量为0，套压高于5 MPa，转入液体欠平衡钻井。（15）出现其他异常情况 如果出现异常情况，不能在充气状态下处理，均可停止充气用基液压井，通过常规钻井的程序处理。第四部分 欠平衡钻井HSE管理1 原则1） 在施工作业中员工的生命与财产同时受到危害时，以保护员工生命为主；2） 在施工作业中以保护员工安全和生命为主；3）在作业过程中以保护生态环境为主；4）实施HSE管理，以最大限度的降低