欠平衡钻井技术课件

欠平衡钻井技术四川石油井控技术培训中心欠平衡钻井技术四川石油井控技术培训中心1主要内容

第一节欠平衡钻井基本概念第二节欠平衡钻井技术的优缺点第三节欠平衡钻井的条件第四节实现欠平衡钻井的主要方法第五节欠平衡钻井发展概况第六节欠平衡钻井的主要设备第七节欠平衡钻井工艺技术第八节安全措施主要内容第一节欠平衡钻井基本概念2

欠平衡钻井技术作为一种特殊钻井作业技术近几年在国内外都得到较快发展。四川油气田在60～70年代曾有意识地进行过欠平衡钻井，如清水打开产层的边喷边钻、空气钻和天然气钻。近几年又在川东碳酸盐岩气藏和川西白马、松华构造上部浅气层及川中低渗砂岩油藏开展欠平衡钻井技术的推广应用，欠平衡钻井全过程都存在井筒压力控制问题，因而，欠平衡钻井既是一种特殊钻井作业技术，又是一种特殊井控问题。欠平衡钻井技术作为一种特殊钻井作业技术近几年在3

第一节欠平衡钻井基本概念所谓欠平衡钻井就是井底压力（包括静液柱压力、井筒循环压耗、井口回压等）小于地层孔隙压力情况下的钻井作业。欠平衡钻井的基本概念有多种表述。无论哪种表述都应包含以下两个主要内容即：第一、井筒液柱压力一定要小于所钻储层的孔隙压力；第二、地层流体一定要有控制地流入井筒。因此,地层流体在储层压力下向井筒连续流动所进行的有控制的钻井,叫做欠平衡钻井。第一节欠平衡钻井基本概念4第二节欠平衡钻井技术的优缺点一、较之平衡钻井,欠平衡钻井具有以下优点：1．提高机械钻速：欠平衡钻井没有平衡钻井时井筒动液柱压力对井底和钻头下的岩屑产生的压持效应，而欠平衡钻井时的负压差还有利于岩屑脱离母体并使井底清洁（减少岩屑垫层），提高钻头的破岩效率，并延长其寿命。因此，机械钻速会有明显提高,尤其是硬地层钻进。据国外统计,一般比平衡钻井提高2～4倍。第二节欠平衡钻井技术的优缺点5

2．减少钻井过程对地层的伤害：欠平衡钻井与常规钻井相比，能减轻或消除钻井液直接对地层的侵入伤害。因为欠平衡钻井中是地层流体流入井筒而不是钻井液流入地层，钻井液中的固相材料和化学物质难以进入产层，对地层的油气通道造成堵塞和其它形式的伤害。从而可大大提高产层的初期产量，同时还可延长有效储层的开采期、发现新的产层。近年来由于水平井的数量急剧增加，水平井在产层中钻进时间长，产层与钻井液接触面积成倍增加，如何有效保护产层，因此欠平衡钻井也大量用于水平井的钻井中。

2．减少钻井过程对地层的伤害：6常规钻井伤害包络面水平钻井伤害包络面3．减少或避免井漏，减少钻井液消耗；4．减少或消除压差卡钻事故。常规钻井伤害包络面水平钻井伤害包络面3．减少或7二、欠平衡钻井的主要缺点：1．钻井成本高：欠平衡钻井除常规井控设备外，还需装备一套欠平衡钻井特殊设备（如旋转BOP、液气分离器、充气设备等），这就加大了钻井设备的投入和维护费。另外，若欠平衡钻井井段需起下钻，常采用不压井强行起下钻技术，这也增加了钻井成本。据国外统计，欠平衡钻井作业费用是常规钻井作业费用的1.3～2.0倍。2．井壁跨塌的危险增加，尤其是在页岩等易跨塌地层，这主要是因井内负压差和过高的环空返速而引起。

3．增加了取心的难度；4．增加了井控的难度和风险。二、欠平衡钻井的主要缺点：8第三节欠平衡钻井的条件一、地层条件：1．地层孔隙压力和地质情况较清楚；2．同一裸眼压力系数差别不大的井；3．地层稳定性较好，不易发生跨塌；4．储层能量已衰减的老油气田；5．地层孔隙压力较高，但渗透率较底；6．流体不含硫化氢或微含硫化氢。第三节欠平衡钻井的条件9二、地面装备条件：除具有常规钻井井口井控装置、节流管汇外，井口还应增加一个相应尺寸的单闸板防喷器和旋转控制头（旋转防喷器）、液动闸阀以及四相分离器、真空除气器、放喷火炬管及火炬、安全可靠的点火系统及防回火装置、循环系统的各种电器防爆装置、流量计、六方(或三方)钻杆和18°斜坡钻杆。二、地面装备条件：10第四节实现欠平衡钻井的主要方法一、自然法：当地层压力系数>1.10可采用常规钻井液，用降低钻井液密度来实现欠平衡钻井作业，这也是所谓的边喷边钻。配制这种钻井液还可以加入塑料球或玻璃球来减少加重剂的使用量。

二、人工诱导法：当地层压力系数<1.10,用常规钻井液无法实现欠平衡钻井作业,这时必须采用充气(或雾化、泡沫、空气、天然气、氮气)等钻井作业，实现欠平衡钻井条件。目前，美国和加拿大所进行的欠平衡钻井作业的油气田地层压力普遍较低，因此普遍采用人工诱导法。第四节实现欠平衡钻井的主要方法11充气的方法有：1、井下管柱充气：充气管柱可在油层套管与钻柱间环空下入，也可在油层套管外与油层套管同时下入后固井（用单流阀与油层套管连通，并有浮鞋在套管柱下堵住通道，钻穿浮鞋时连通）。2、小环空充气：它充气量大，也要求井眼尺寸比通常的井眼尺寸大。3、地面直接往钻井液中充气：充气设备在高压管汇或立管处与之相连，充气设备由空压机和气相分散工具组成。加拿大采用的充气钻井液主要是水+氮气+油。充气的方法有：12欠平衡钻井充气方法欠平衡钻井充气方法13伴管注入方式伴管注入方式14第五节欠平衡钻井发展概况一、国外现状、技术水平欠平衡钻井作为钻井的特殊作业技术，是继水平井技术之后在各国钻井工程技术界广为宣传和推广的技术。九十年代在西方石油公司，尤其是美国和加拿大等国的石油公司这项技术发展最快、较为成熟、效益最好，其它地区和国家所进行的欠平衡钻井作业也基本是美、加两国的专业技术服务公司。例如加拿大在1992年采用欠平衡钻井的井数仅30口，1993年增至120口,1994年增至230口，到1995年已增至330口，96年增至525口，97年已增至1500口，据九十年代末的统计，欠平衡钻井在北美的井数已占钻井总数的25%。第五节欠平衡钻井发展概况15

这项技术在美国和加拿大迅速发展的主要原因是这两个国家的部分油气田有的是地层压力已经衰竭，有的是本身地层压力就很低。不采用欠平衡钻井技术这些油气田就根本无法开采。针对这些油气田开采又迅速发展了雾化钻井、泡沫钻井、空气、天然气钻井、氮气钻井。由于近年来现场使用的轻便制氮设备已投入工业生产，因此又大量采用氮气钻井。连续油管和顶驱在水平井钻进中广泛采用欠平衡钻井技术。欠平衡钻井技术无论到国外培训，还是请美、加专家来讲课都主要介绍上述装备和工艺技术。这项技术在美国和加拿大迅速发展的主要原16二、国内欠平衡钻井技术发展情况四川、新疆、大港、中原等油气田针对不同地质条件的油气层，在九十年代后期开展了现代欠平衡钻井的试验研究和推广应用。四川60～70年代边喷边钻技术：1.当时的基本情况⑴在技术套管固井后的三开或四开，采用清水钻开嘉陵江或阳新产层。遇井涌、井喷后关井放喷，待喷势减弱、井口压力降至一定安全范围内才采取加装或不装旋转防喷器的方式进行边喷边钻。二、国内欠平衡钻井技术发展情况17⑵边喷边钻井段在1800～3100米范围内，岩性主要为石灰岩或白云岩，钻进进尺从几米到几十米不等，视是否钻穿产层和放喷喷势而定。

⑶39口欠平衡钻井井口装置组合主要型式为：底法兰+特殊四通+ΠΠＭ型防喷器(全封闸板胶芯)＋钻井四通＋ΠΠＭ型防喷器(钻杆闸板胶芯)＋旋转防喷器(国产8-5型或KPY23-50型)。⑷地面安装四条41/2”或两条41/2”和两条27/8”放喷管线。⑸所用钻具为正常钻进时的常规钻具组合，并在其上装钻具回压阀。⑹边喷边钻过程中的井底欠平衡压差从几兆帕至二十几兆帕不等，主要通过开启放喷管线的数量来控制井口压力在2兆帕以内。

⑵边喷边钻井段在1800～3100米范围内，岩性主18⑺欠平衡钻井获工业性气流后，根据当时的产量、压力和井口情况一般采取不压井起钻具、下油管正规完井，或是直接用钻具(特殊四通座钻杆挂)投产。39口井中有11口是钻杆投产。欠平衡钻井所获产量最低为7.41万m3/d，最高为306万m3/d(测试产量)。2.技术水平的总体认识

在产层位置及其地质特性较清楚的情况下，对产层有意识地采取先期完成、清水欠平衡钻开气层、边喷边钻、不压井起下钻的作法收到了预期的效果：一是清水钻产层上部的常压层段提高了钻井速度、减少了井漏，而且因裸眼井段不长，受水浸泡时间较短、岩性坚实，井⑺欠平衡钻井获工业性气流后，根据当时的产19

壁稳定、井下复杂情况较少；二是钻进中遇显示就测试、钻穿产层获产能就完井做到了及时发现和开采工业性气藏。这期间产量上升很快，与采用这项技术有直接关系。

因受当时钻井技术总体水平的局限，这套欠平衡钻井技术主要还有以下不足之处：（1）按现今欠平衡钻井技术的要求，设备配套不够，如无液压防喷器、节流压井管汇、泥浆气体分离器、地面标准连接管线等。（2）设备承压能力较低，如8-5型旋转防喷器要求井口压力控制在2MPa以内。控制井口压力因无节流管汇，因而只能靠放喷来实现，若超过2MPa需放喷降压后才能继续边喷边钻。

壁稳定、井下复杂情况较少；二是钻进中遇显示就测试、钻穿产层20（3）欠平衡钻井无合理的井底压差设计，其无论地层压力是多少，皆用清水作钻井液，井底压差太大，在井口承压能力太低的情况下只能放喷降压，其直接后果是产层能量和资源损耗太大。（4）作业过程中，除知道防喷管线压力外，其它参数的动态变化无法掌握和控制，如井筒钻井液密度、井底和井口压力变化情况、进入井筒的地层流体量、井壁稳定状态等。（5）由于欠平衡钻井技术水平不高，加之人员素质和管理上存在的问题，由此引起的井喷失控事故时有发生。

（3）欠平衡钻井无合理的井底压差设计，21第六节欠平衡钻井的主要设备欠平衡钻井井口装置除常规钻井井口装置外还需增加特殊作业设备，用以承受和控制井底压力和地层孔隙压力产生的负压差，以及将井筒内返出的带压钻井液（多相流）中的油气及固相分离掉，再重复使用。而被分离出的天然气还必须引出井场烧掉。若甚至采用空气钻或天然气钻，则地面设备还需增加制氮设备欠平衡钻井采用充气钻井液、泡沫钻井液、空压机和气相分散工具等。第六节欠平衡钻井的主要设备22井口防喷器组：典型的欠平衡钻井防喷器组是由一个环形防喷器和三个闸板防喷器组成的。这种结构在地层裂缝发育、地层压力高、产量大的井尤为必要。井口防喷器组：23

欠平衡钻井井口装置和地面控制系统欠平衡钻井井口装置和地面控制系统241、国外产品(1)旋转控制头（旋转防喷器）旋转控制头（旋转防喷器）是实施欠平衡钻井的关键设备。A:旋转控制头（密封机理：弹性密封和井压助封）9200型动密封压力：3.5MPa静密封压力：7MPa1、国外产品258000/9000型动密封压力：3.5MPa静密封压力：7MPa8000/9000型动密封压力：26IP1000型（轴承通过液压油强制冷却和润滑）动密封压力：7MPa静密封压力：10.5MPa

IP1000型277000型（轴承通过液压油强制冷却和润滑）动密封压力：10.5MPa静密封压力：21MPa7000型287100型（轴承通过液压油强制冷却和润滑）动密封压力：17.5MPa静密封压力：35MPa7100型29

B:旋转防喷器（主动密封）压力级别最高不到Williams17.5MPa旋转控制头B:旋转防喷器（主动密封）30

(2)液气固三项分离器系统主要由气体分离器、真空除气器、分离罐、储油罐、火炬管和火炬组成。其作用是将返回到地面的钻井液中的油和气分离出来。

分离器的容量要足够大，若不能容纳返回流量和压力，则要进行节流，国外最大45m3、压力200～500psi。分离器有立式和卧式两种。(2)液气固三项分离器系统分离器的容量31密闭式分离器示意图可调隔板气体出口钻井液进口气体油固体钻井液转输泵固体转输泵系统油密闭式分离器示意图可调隔板气体出口钻井液进口气体油固体钻井液322、国产装备到目前为止，国产旋转控制头（旋转防喷器）比较成熟的产品还仅有我们一家，已形成系列配套装备及技术。目前已有3.5MPa、5MPa、7MPa产品在现场使用。它们分别在川西南矿区威2井、威21井、威41井、威70井、威77井、威东1井、威东5井、威东6井、螺12井、螺北4井、水2井、孔7井、兴24井、灵3井、松浅11井、塔浅5井、塔浅10井、塔浅14井、塔浅20井、塔浅26井、四川自贡盐业钻井大队罗145井和川中矿区美国安然公司反承包井角59E井和金106、中原油田用于菲律宾的承包钻井、川西北白马构造白浅29井以及川东钻探公司渡5井等。2、国产装备33FS156/3.5旋转防喷器公称通径：Ø156mm动密封压力：3.5MPa静密封压力：7MPa采用单胶芯胶芯采用弹性密封和井压助封。FS156/3.5旋转防喷器34FS12/5旋转防喷器公称通径：Ø120mm动密封压力：5MPa静密封压力：10.5MPa采用单胶芯胶芯采用弹性密封和井压助封。FS12/5旋转防喷器35FS23/7BFS28/7B旋转防喷器FS35/7B公称通径：Ø230mm

Ø280mmØ350mm动密封压力：10.5MPa静密封压力：21MPa采用单胶芯胶芯采用弹性密封和井压助封。FS23/7B36FS23/10.5BFS28/10.5B旋转防喷器FS35/10.5B公称通径：Ø230mmØ280mmØ350mm动密封压力：10.5MPa静密封压力：21MPa采用双胶芯上部胶芯采用主动密封；下部胶芯采用弹性密封和井压助封。FS23/10.5B37PFFY18－21液动平板阀公称通径：Ø180mm工作压力：21MPaPFFY18－35液动平板阀公称通径：Ø180mm工作压力：35MPaPFFY18－21液动平板阀38ZQF3－1200/1.0型钻井液气体分离器分离器内径：1200mm工

作

压

力：1.0MPa泥浆处理量：200m3/h气体处理量：20000m3/h进液管内径：150mm出液管内径：203mm排气管内径：203mmZQF3－1200/1.0型39液气分离器结构图

液气分离器结构图40

41远距离自动点火及防回火装置远距离自动点火及防回火装置42欠平衡钻井技术课件43第七节欠平衡钻井工艺技术欠平衡钻井技术是一项复杂、钻井液材料消耗量大而又有很大风险的技术，涉及多项不确定因素,因此应在钻井作业之前、之中和之后必须进行综合工程分析，确保获得最大效益。对任何一口进行欠平衡钻井作业的井都应要求地质、油藏、钻井、采油（气）和服务公司等专业人员组成多学科小组协同工作。首先要搞好欠平衡井眼设计，并有专人组织，协调现场施工，以确保作业顺利进行，努力提高作业成功率。第七节欠平衡钻井工艺技术441．井身结构设计和完井技术无论四川60～70年代的欠平衡钻井，或目前国内外正在推广应用的欠平衡钻井，大多采用先期完成，即将油层套管下至产层顶部，固井，然后欠平衡钻井打开油气层,以此来保护油气产层。钻穿产层后，国外常用三种完井方法：1）裸眼完井裸眼完井仅适用于稳定性好的储层。2）割缝管完井消除了裸眼完井时井壁稳定性差的缺陷。但下割缝管时出现井控问题不好解决，割缝管愈长通过钻井井口时井控问题越突出，因而一般要求下割缝管时需压井。

1．井身结构设计和完井技术453）套管完井套管完井一是后期完井，二是先期完成后在产层下尾管两种方式。2．钻井液密度和钻井液体系设计钻井液密度设计必须考虑井下漏失压力、井壁坍塌压力和钻井过程中的井口回压、井底欠压差等因素。针对不同的地层采用不同的钻井液体系。在北美地区，对于脆性页岩，钻井液以添加聚合物为主；对于塑性页岩，钻井液以添加Na、K盐为主；此外，钻井液必须具有足够的返速和粘度以运移岩屑。

3）套管完井46

如果采用自然法，钻井液密度设计应依据下面的曲线。压力设计范围压裂梯度常规作业欠平衡作业孔隙压力破坏压力压力深度如果采用自然法，钻井液密度设计应依据下面的曲473．压力控制欠平衡钻井作业中的压力动平衡关系：

P地＝ΔP欠+P液+P环阻+P井口（1）确定井口回压值P井口须考虑的因素：a.旋转防喷器的控制能力；b.节流管汇的节流阻力；c.操作过程中的压力波动。（2）确定井底欠压值ΔP欠须考虑的因素：a.储层保护要求；b.井壁稳定性；c.储层特性（孔隙度、渗透率、储藏量等）；d.作业的风险性；e.操作过程中的压力波动。3．压力控制48据北美欠平衡钻井经验，对于软地层，井底压差控制在0.35～0.7MPa，硬地层控制在3.5～7MPa之间,但通常都小于3.5MPa。4．钻柱设计欠平衡钻井钻柱设计较常规钻井钻柱设计简单。钻柱可采用平滑钻柱结构，不用带震击器、螺旋钻铤、稳定器等。但箭形回压阀和方钻杆上、下旋塞是不能少的。欠平衡钻井用钻杆应该用18°斜坡钻杆。为保证旋转防喷器胶芯与方钻杆的密封并延长其寿命，最好采用六方或三方钻杆。据北美欠平衡钻井经验，对于软地层，井底49

5．井控技术作业中尽可能确保欠平衡条件：在产层钻进中，应尽可能创造始终保持欠平衡条件，否则将会造成更加严重的地层伤害。比如，接单根、换钻头、固井、检修设备等,为避免这类伤害，一是地层压力小于旋转控制头(旋转防喷器)工作压力时，可采用不压井作业；二是采用连续油管钻进；三是欠平衡钻进井段应是主要产层，应是短、平、快的作业，争取一只钻头钻完产层；四是完井方式应采用先期裸眼完成；五是其它需要压井的作业，尽可能不进行。5．井控技术501）保持较稳定的井底压力常规钻井作业时的井底压力可用钻井液当量密度线性描述，但欠平衡钻井井筒循环系统属多相流体，其摩阻压降对井底压力的影响很大。现场在操作中始终保持立压值不变便可实现；但由于地层产出的油气不是一个稳定的量，因此，井口回压应根据立管压力随时调整。但如果井口回压上升到接近旋转控制头的工作压力时应停止钻进，迅速关闭环形或闸板防喷器，待排除井口附近高压油气、井口压力正常后，再恢复欠平衡钻井作业。因此要求现场操作人员必须熟练地掌握常规井控技术。1）保持较稳定的井底压力512）减小接单根和钻柱运动对井眼系统的影响为了维持欠平衡钻井条件应尽量缩短接单根时间和停钻时间。欠平衡钻井时，钻具在井内运动与平衡钻井一样会引起压力激动。据国外经验，在接单根时，是否关闭井口取决于储层的能量。若储层是自喷井，则应开启井口以避免过高的套压和环空中气液分离；若储层能量不足以维持环空流体的流动,则应关闭井口。但若钻遇高压高气层井，则应关闭井口，以防止井内钻井液喷光。3）维持钻井液循环罐的液面不变4）为防备欠平衡钻井作业中井筒出现意外情况而需压井，井场应储备压井用钻井液，其储备量是井筒容积的1.5～2倍。2）减小接单根和钻柱运动对井眼系统的影响52第八节安全措施

1．欠平衡钻井是一种特殊钻井作业,施工前应对井队人员进行技术交底和培训。整个作业应在具有较高素质的专业人员的配合下进行。2．钻井井口装置、防喷管线、放喷管线、节流压井管汇等设备的配套安装、试压、调试、验收都按平衡钻井相关标准执行。3．防火、防爆、防硫化氢措施、消防器材和工具配置按平衡钻井有关规定执行。4．对欠平衡钻井作业中所需参数（环空流体密度、井口压力、充气速率、钻井液性能等）进行监测，可使井内循环系统工作优化（如在欠平衡压差、岩屑有效运移等方面）。第八节安全措施535．定期对旋转防喷器的旋转总成的磨损情况进行检测，尤其是橡胶元件的动密封能力。6．气液分离器出现故障不能正常工作时，应立即停钻或关井、或压井抢修。7．钻机和地面设备出现故障需检修时,应将钻头起至安全井段内后再进行；若防喷器出现故障，则应在钻具上接一只钻杆挂坐在套管头上再进行检修。5．定期对旋转防喷器的旋转总成的磨损情况进54欠平衡钻井技术四川石油井控技术培训中心欠平衡钻井技术四川石油井控技术培训中心55主要内容

第一节欠平衡钻井基本概念第二节欠平衡钻井技术的优缺点第三节欠平衡钻井的条件第四节实现欠平衡钻井的主要方法第五节欠平衡钻井发展概况第六节欠平衡钻井的主要设备第七节欠平衡钻井工艺技术第八节安全措施主要内容第一节欠平衡钻井基本概念56

欠平衡钻井技术作为一种特殊钻井作业技术近几年在国内外都得到较快发展。四川油气田在60～70年代曾有意识地进行过欠平衡钻井，如清水打开产层的边喷边钻、空气钻和天然气钻。近几年又在川东碳酸盐岩气藏和川西白马、松华构造上部浅气层及川中低渗砂岩油藏开展欠平衡钻井技术的推广应用，欠平衡钻井全过程都存在井筒压力控制问题，因而，欠平衡钻井既是一种特殊钻井作业技术，又是一种特殊井控问题。欠平衡钻井技术作为一种特殊钻井作业技术近几年在57

第一节欠平衡钻井基本概念所谓欠平衡钻井就是井底压力（包括静液柱压力、井筒循环压耗、井口回压等）小于地层孔隙压力情况下的钻井作业。欠平衡钻井的基本概念有多种表述。无论哪种表述都应包含以下两个主要内容即：第一、井筒液柱压力一定要小于所钻储层的孔隙压力；第二、地层流体一定要有控制地流入井筒。因此,地层流体在储层压力下向井筒连续流动所进行的有控制的钻井,叫做欠平衡钻井。第一节欠平衡钻井基本概念58第二节欠平衡钻井技术的优缺点一、较之平衡钻井,欠平衡钻井具有以下优点：1．提高机械钻速：欠平衡钻井没有平衡钻井时井筒动液柱压力对井底和钻头下的岩屑产生的压持效应，而欠平衡钻井时的负压差还有利于岩屑脱离母体并使井底清洁（减少岩屑垫层），提高钻头的破岩效率，并延长其寿命。因此，机械钻速会有明显提高,尤其是硬地层钻进。据国外统计,一般比平衡钻井提高2～4倍。第二节欠平衡钻井技术的优缺点59

2．减少钻井过程对地层的伤害：欠平衡钻井与常规钻井相比，能减轻或消除钻井液直接对地层的侵入伤害。因为欠平衡钻井中是地层流体流入井筒而不是钻井液流入地层，钻井液中的固相材料和化学物质难以进入产层，对地层的油气通道造成堵塞和其它形式的伤害。从而可大大提高产层的初期产量，同时还可延长有效储层的开采期、发现新的产层。近年来由于水平井的数量急剧增加，水平井在产层中钻进时间长，产层与钻井液接触面积成倍增加，如何有效保护产层，因此欠平衡钻井也大量用于水平井的钻井中。

2．减少钻井过程对地层的伤害：60常规钻井伤害包络面水平钻井伤害包络面3．减少或避免井漏，减少钻井液消耗；4．减少或消除压差卡钻事故。常规钻井伤害包络面水平钻井伤害包络面3．减少或61二、欠平衡钻井的主要缺点：1．钻井成本高：欠平衡钻井除常规井控设备外，还需装备一套欠平衡钻井特殊设备（如旋转BOP、液气分离器、充气设备等），这就加大了钻井设备的投入和维护费。另外，若欠平衡钻井井段需起下钻，常采用不压井强行起下钻技术，这也增加了钻井成本。据国外统计，欠平衡钻井作业费用是常规钻井作业费用的1.3～2.0倍。2．井壁跨塌的危险增加，尤其是在页岩等易跨塌地层，这主要是因井内负压差和过高的环空返速而引起。

3．增加了取心的难度；4．增加了井控的难度和风险。二、欠平衡钻井的主要缺点：62第三节欠平衡钻井的条件一、地层条件：1．地层孔隙压力和地质情况较清楚；2．同一裸眼压力系数差别不大的井；3．地层稳定性较好，不易发生跨塌；4．储层能量已衰减的老油气田；5．地层孔隙压力较高，但渗透率较底；6．流体不含硫化氢或微含硫化氢。第三节欠平衡钻井的条件63二、地面装备条件：除具有常规钻井井口井控装置、节流管汇外，井口还应增加一个相应尺寸的单闸板防喷器和旋转控制头（旋转防喷器）、液动闸阀以及四相分离器、真空除气器、放喷火炬管及火炬、安全可靠的点火系统及防回火装置、循环系统的各种电器防爆装置、流量计、六方(或三方)钻杆和18°斜坡钻杆。二、地面装备条件：64第四节实现欠平衡钻井的主要方法一、自然法：当地层压力系数>1.10可采用常规钻井液，用降低钻井液密度来实现欠平衡钻井作业，这也是所谓的边喷边钻。配制这种钻井液还可以加入塑料球或玻璃球来减少加重剂的使用量。

二、人工诱导法：当地层压力系数<1.10,用常规钻井液无法实现欠平衡钻井作业,这时必须采用充气(或雾化、泡沫、空气、天然气、氮气)等钻井作业，实现欠平衡钻井条件。目前，美国和加拿大所进行的欠平衡钻井作业的油气田地层压力普遍较低，因此普遍采用人工诱导法。第四节实现欠平衡钻井的主要方法65充气的方法有：1、井下管柱充气：充气管柱可在油层套管与钻柱间环空下入，也可在油层套管外与油层套管同时下入后固井（用单流阀与油层套管连通，并有浮鞋在套管柱下堵住通道，钻穿浮鞋时连通）。2、小环空充气：它充气量大，也要求井眼尺寸比通常的井眼尺寸大。3、地面直接往钻井液中充气：充气设备在高压管汇或立管处与之相连，充气设备由空压机和气相分散工具组成。加拿大采用的充气钻井液主要是水+氮气+油。充气的方法有：66欠平衡钻井充气方法欠平衡钻井充气方法67伴管注入方式伴管注入方式68第五节欠平衡钻井发展概况一、国外现状、技术水平欠平衡钻井作为钻井的特殊作业技术，是继水平井技术之后在各国钻井工程技术界广为宣传和推广的技术。九十年代在西方石油公司，尤其是美国和加拿大等国的石油公司这项技术发展最快、较为成熟、效益最好，其它地区和国家所进行的欠平衡钻井作业也基本是美、加两国的专业技术服务公司。例如加拿大在1992年采用欠平衡钻井的井数仅30口，1993年增至120口,1994年增至230口，到1995年已增至330口，96年增至525口，97年已增至1500口，据九十年代末的统计，欠平衡钻井在北美的井数已占钻井总数的25%。第五节欠平衡钻井发展概况69

这项技术在美国和加拿大迅速发展的主要原因是这两个国家的部分油气田有的是地层压力已经衰竭，有的是本身地层压力就很低。不采用欠平衡钻井技术这些油气田就根本无法开采。针对这些油气田开采又迅速发展了雾化钻井、泡沫钻井、空气、天然气钻井、氮气钻井。由于近年来现场使用的轻便制氮设备已投入工业生产，因此又大量采用氮气钻井。连续油管和顶驱在水平井钻进中广泛采用欠平衡钻井技术。欠平衡钻井技术无论到国外培训，还是请美、加专家来讲课都主要介绍上述装备和工艺技术。这项技术在美国和加拿大迅速发展的主要原70二、国内欠平衡钻井技术发展情况四川、新疆、大港、中原等油气田针对不同地质条件的油气层，在九十年代后期开展了现代欠平衡钻井的试验研究和推广应用。四川60～70年代边喷边钻技术：1.当时的基本情况⑴在技术套管固井后的三开或四开，采用清水钻开嘉陵江或阳新产层。遇井涌、井喷后关井放喷，待喷势减弱、井口压力降至一定安全范围内才采取加装或不装旋转防喷器的方式进行边喷边钻。二、国内欠平衡钻井技术发展情况71⑵边喷边钻井段在1800～3100米范围内，岩性主要为石灰岩或白云岩，钻进进尺从几米到几十米不等，视是否钻穿产层和放喷喷势而定。

⑶39口欠平衡钻井井口装置组合主要型式为：底法兰+特殊四通+ΠΠＭ型防喷器(全封闸板胶芯)＋钻井四通＋ΠΠＭ型防喷器(钻杆闸板胶芯)＋旋转防喷器(国产8-5型或KPY23-50型)。⑷地面安装四条41/2”或两条41/2”和两条27/8”放喷管线。⑸所用钻具为正常钻进时的常规钻具组合，并在其上装钻具回压阀。⑹边喷边钻过程中的井底欠平衡压差从几兆帕至二十几兆帕不等，主要通过开启放喷管线的数量来控制井口压力在2兆帕以内。

⑵边喷边钻井段在1800～3100米范围内，岩性主72⑺欠平衡钻井获工业性气流后，根据当时的产量、压力和井口情况一般采取不压井起钻具、下油管正规完井，或是直接用钻具(特殊四通座钻杆挂)投产。39口井中有11口是钻杆投产。欠平衡钻井所获产量最低为7.41万m3/d，最高为306万m3/d(测试产量)。2.技术水平的总体认识

在产层位置及其地质特性较清楚的情况下，对产层有意识地采取先期完成、清水欠平衡钻开气层、边喷边钻、不压井起下钻的作法收到了预期的效果：一是清水钻产层上部的常压层段提高了钻井速度、减少了井漏，而且因裸眼井段不长，受水浸泡时间较短、岩性坚实，井⑺欠平衡钻井获工业性气流后，根据当时的产73

壁稳定、井下复杂情况较少；二是钻进中遇显示就测试、钻穿产层获产能就完井做到了及时发现和开采工业性气藏。这期间产量上升很快，与采用这项技术有直接关系。

因受当时钻井技术总体水平的局限，这套欠平衡钻井技术主要还有以下不足之处：（1）按现今欠平衡钻井技术的要求，设备配套不够，如无液压防喷器、节流压井管汇、泥浆气体分离器、地面标准连接管线等。（2）设备承压能力较低，如8-5型旋转防喷器要求井口压力控制在2MPa以内。控制井口压力因无节流管汇，因而只能靠放喷来实现，若超过2MPa需放喷降压后才能继续边喷边钻。

壁稳定、井下复杂情况较少；二是钻进中遇显示就测试、钻穿产层74（3）欠平衡钻井无合理的井底压差设计，其无论地层压力是多少，皆用清水作钻井液，井底压差太大，在井口承压能力太低的情况下只能放喷降压，其直接后果是产层能量和资源损耗太大。（4）作业过程中，除知道防喷管线压力外，其它参数的动态变化无法掌握和控制，如井筒钻井液密度、井底和井口压力变化情况、进入井筒的地层流体量、井壁稳定状态等。（5）由于欠平衡钻井技术水平不高，加之人员素质和管理上存在的问题，由此引起的井喷失控事故时有发生。

（3）欠平衡钻井无合理的井底压差设计，75第六节欠平衡钻井的主要设备欠平衡钻井井口装置除常规钻井井口装置外还需增加特殊作业设备，用以承受和控制井底压力和地层孔隙压力产生的负压差，以及将井筒内返出的带压钻井液（多相流）中的油气及固相分离掉，再重复使用。而被分离出的天然气还必须引出井场烧掉。若甚至采用空气钻或天然气钻，则地面设备还需增加制氮设备欠平衡钻井采用充气钻井液、泡沫钻井液、空压机和气相分散工具等。第六节欠平衡钻井的主要设备76井口防喷器组：典型的欠平衡钻井防喷器组是由一个环形防喷器和三个闸板防喷器组成的。这种结构在地层裂缝发育、地层压力高、产量大的井尤为必要。井口防喷器组：77

欠平衡钻井井口装置和地面控制系统欠平衡钻井井口装置和地面控制系统781、国外产品(1)旋转控制头（旋转防喷器）旋转控制头（旋转防喷器）是实施欠平衡钻井的关键设备。A:旋转控制头（密封机理：弹性密封和井压助封）9200型动密封压力：3.5MPa静密封压力：7MPa1、国外产品798000/9000型动密封压力：3.5MPa静密封压力：7MPa8000/9000型动密封压力：80IP1000型（轴承通过液压油强制冷却和润滑）动密封压力：7MPa静密封压力：10.5MPa

IP1000型817000型（轴承通过液压油强制冷却和润滑）动密封压力：10.5MPa静密封压力：21MPa7000型827100型（轴承通过液压油强制冷却和润滑）动密封压力：17.5MPa静密封压力：35MPa7100型83

B:旋转防喷器（主动密封）压力级别最高不到Williams17.5MPa旋转控制头B:旋转防喷器（主动密封）84

(2)液气固三项分离器系统主要由气体分离器、真空除气器、分离罐、储油罐、火炬管和火炬组成。其作用是将返回到地面的钻井液中的油和气分离出来。

分离器的容量要足够大，若不能容纳返回流量和压力，则要进行节流，国外最大45m3、压力200～500psi。分离器有立式和卧式两种。(2)液气固三项分离器系统分离器的容量85密闭式分离器示意图可调隔板气体出口钻井液进口气体油固体钻井液转输泵固体转输泵系统油密闭式分离器示意图可调隔板气体出口钻井液进口气体油固体钻井液862、国产装备到目前为止，国产旋转控制头（旋转防喷器）比较成熟的产品还仅有我们一家，已形成系列配套装备及技术。目前已有3.5MPa、5MPa、7MPa产品在现场使用。它们分别在川西南矿区威2井、威21井、威41井、威70井、威77井、威东1井、威东5井、威东6井、螺12井、螺北4井、水2井、孔7井、兴24井、灵3井、松浅11井、塔浅5井、塔浅10井、塔浅14井、塔浅20井、塔浅26井、四川自贡盐业钻井大队罗145井和川中矿区美国安然公司反承包井角59E井和金106、中原油田用于菲律宾的承包钻井、川西北白马构造白浅29井以及川东钻探公司渡5井等。2、国产装备87FS156/3.5旋转防喷器公称通径：Ø156mm动密封压力：3.5MPa静密封压力：7MPa采用单胶芯胶芯采用弹性密封和井压助封。FS156/3.5旋转防喷器88FS12/5旋转防喷器公称通径：Ø120mm动密封压力：5MPa静密封压力：10.5MPa采用单胶芯胶芯采用弹性密封和井压助封。FS12/5旋转防喷器89FS23/7BFS28/7B旋转防喷器FS35/7B公称通径：Ø230mm

Ø280mmØ350mm动密封压力：10.5MPa静密封压力：21MPa采用单胶芯胶芯采用弹性密封和井压助封。FS23/7B90FS23/10.5BFS28/10.5B旋转防喷器FS35/10.5B公称通径：Ø230mmØ280mmØ350mm动密封压力：10.5MPa静密封压力：21MPa采用双胶芯上部胶芯采用主动密封；下部胶芯采用弹性密封和井压助封。FS23/10.5B91PFFY18－21液动平板阀公称通径：Ø180mm工作压力：21MPaPFFY18－35液动平板阀公称通径：Ø180mm工作压力：35MPaPFFY18－21液动平板阀92ZQF3－1200/1.0型钻井液气体分离器分离器内径：1200mm工

作

压

力：1.0MPa泥浆处理量：200m3/h气体处理量：20000m3/h进液管内径：150mm出液管内径：203mm排气管内径：203mmZQF3－1200/1.0型93液气分离器结构图

液气分离器结构图94

95远距离自动点火及防回火装置远距离自动点火及防回火装置96欠平衡钻井技术课件97第七节欠平衡钻井工艺技术欠平衡钻井技术是一项复杂、钻井液材料消耗量大而又有很大风险的技术，涉及多项不确定因素,因此应在钻井作业之前、之中和之后必须进行综合工程分析，确保获得最大效益。对任何一口进行欠平衡钻井作业的井都应要求地质、油藏、钻井、采油（气）和服务公司等专业人员组成多学科小组协同工作。首先要搞好欠平衡井眼设计，并有专人组织，协调现场施工，以确保作业顺利进行，努力提高作业成功率。第七节欠平衡钻井工艺技术981．井身结构设计和完井技术无论四川60～70年代的欠平衡钻井，或目前国内外正在推广应用的欠平衡钻井，大多采用先期完成，即将油层套管下至产层顶部，固井，然后欠平衡钻井打开油气层,以此来保护油气产层。钻穿产层后，国外常用三种完井方法：1）裸眼完井裸眼完井仅适用于稳定性好的储层。2）割缝管完井消除了裸眼完井时井壁稳定性差的缺陷。但下割缝管时出现井控问题不好解决，割缝管愈长通过钻井井口时井控问题越突出，因而一般要求下割缝管时需压井。

1．井身结构设计和完井技术993）套管完井套管完井一是后期完井，二是先期完成后在产层下尾管两种方式。2．钻井液密度和钻井液体系设计钻井液密度设计必须考虑井下漏失压力、井壁坍塌压力和钻井过程中的井口回压、井底欠压差等因素。针对不同的地层采用不同的钻井液体系。在北美地区，对于脆性页岩，钻井液以添加聚合物为主；对于塑性页岩，钻井液以添加Na、K盐为主；此外，钻井液必须具有足够的返速和粘度以运移岩屑。

3）套管完井100

如果采用自然法，钻井液密度设计应依据下面的曲线。压力设计范围压裂梯度常规作业欠平衡作业