欠平衡鑽井

美國鑽井承包商協會欠平衡作業委員會（以下稱欠平衡作業委員會）成立於1998年。從成立的那一天起，就為制定欠平衡鑽井的推薦做法編寫各種文件。委員會所制定的欠平衡油井分類系統標準為工程技術人員選擇合適的設備和相應的方案鋪平了道路。與此同時，委員會的其他成員正致力於HSE和鑽井培訓。委員會的一個分會起草了一份包括鑽機許可證等在內的欠平衡鑽機作業培訓標準。

欠平衡作業委員會的風險油井分類體系共為6級，從0～5。每一級下又分為A（低壓頭）和B（欠平衡鑽進）兩類。具體分類情況如下：

⑴ 0級 只提高鑽井效率，不涉及油氣層。

⑵ 1級 油井靠自身壓力無法自流到井口。油井是穩定的，從井控的角度來看風險較低。

⑶ 2級 油井依靠自身壓力可以自流到地面，如果發生災難性的設備失效時可以採用常規壓井方法進行處理。

⑷ 3級 地熱井不產油氣。最大關井壓力小於欠平衡設備的承壓能力。如果發生災難性設備失效會導致嚴重後果。

⑸ 4級 有原油產出，最大關井壓力小於欠平衡設備的工作壓力。如果發生災難性的設備失效會立即導致嚴重後果。

⑹ 5級 最大注入壓力大於欠平衡作業壓力，但小於防噴器的最大承壓能力。災難設備失效會立即導致嚴重後果。

採用這套油井分類體系需要對油井設計進行差異分析以確定所需設備的規範。委員會提出了欠平衡作業鑽機許可證認證體系。這一體系主要滿足兩方面的需要：一是新僱員培訓方案的核心部分；二是它提供了與這些核心部分緊密聯繫的識別程序。

欠平衡鑽井是20世紀90年代在國際上成熟並迅速發展的一項鑽井的新技術。在美國，欠平衡鑽井被稱為上游石油工業新技術，已經成為鑽井技術發展熱點，並越來越多地與水平井、多分支井及小井眼鑽井技術相結合。國外欠平衡鑽井技術主要集中在井控、鑽井液、程序設計、特殊工具等方面。

自20世紀80年代以來，由於研製成旋轉防噴頭、空氣鑽井馬達等設備，又研究出各種往井筒中注氮的方法，使欠平衡鑽井工藝達到了大規模投入工業使用的程度，並呈現穩步增長的勢頭。其原因主要是人們對減輕地層傷害越來越關注，而且欠平衡鑽井有可能提高鑽速和減少衰竭油藏中的井漏問題。到2006前後，在國外該項技術已成為一種成熟的鑽井工藝。一些油公司曾報道，與常規方法鑽水平井相比，運用欠平衡鑽井技術使水平井產量提高了10倍。

到2006年末，已有20多個國家應用欠平衡技術鑽井，技術先進的國家包括美國、加拿大、英國、阿根廷、墨西哥等國。這些欠平衡技術先進的國家，創造欠平衡條件採用的常用技術有：邊噴邊鑽；泥漿帽鑽井；立管氣體注入；環空氣體注人；連續油管鑽井。水、地層水、海水、澱粉水、柴油、原油都曾用做欠平衡鑽井的循環工作介質。散裝或膜濾氮氣、工業廢氣、空氣、氮氣和空氣的混合氣、天然氣和空心玻璃球都作為減輕劑或發泡劑。

常規的鑽井屬於過平衡鑽井，鑽井液壓力大於地層流體壓力，小於地層破裂壓力。這樣做主要是防止井噴。欠平衡鑽井時，鑽井液壓力略小於底層流體壓力，仍小於地層破裂壓力。這樣能及早發現油氣藏。

欠平衡鑽井系列分為：

①氣體鑽井，包括空氣、天然氣和氮氣鑽井，密度適用範圍0～0.02克/立方厘米；

②霧化鑽井，密度適用範圍0.02～0.07克/立方厘米；

③泡沫鑽井液鑽井，包括穩定和不穩定泡沫鑽井，密度適用範圍0.07～0.60克/立方厘米；

④充氣鑽井液鑽井，包括通過立管注氣和井下注氣兩種方式。井下注氣技術是通過寄生管、同心管、鑽柱和連續油管等在鑽進的同時往井下的鑽井液中注空氣、天然氣、氮氣。其密度適用範圍為0.7～0.9克/立方厘米，是應用廣泛的一種欠平衡鑽井方法；

⑤水或滷水鑽井液鑽井，密度適用範圍1～1.30克/立方厘米；

⑥油包水或水包油鑽井液鑽井，密度適用範圍為0.8～1.02克/立方厘米；

⑦常規鑽井液鑽井(採用密度減輕劑)，密度適用範圍大於0.9克/立方厘米；

⑧泥漿帽鑽井，國外稱之為浮動泥漿鑽井，用於鑽地層較深的高壓裂縫層或高含硫化氫的氣層。

欠平衡鑽井技術按工藝分類可分為兩種：流鑽(flow drilling)是指使用普通鑽井液的欠平衡鑽井；人工誘導欠平衡鑽井是指由於地層壓力太低，必須採用特殊的鑽井液和工藝才能建立欠平衡。

1.國外主要鑽井技術發展應用情況

欠平衡鑽井作業的關鍵技術包括產生和保持欠平衡條件(有自然和人工誘導兩種基本方法)、井控技術、產出流體的地面處理和電磁隨鑽測量技術等。到2006年，欠平衡鑽井技術的進展主要集中在井控、鑽井液、程序設計、特殊工具等方面。國外已經能成熟運用新一代欠平衡鑽井技術，即在鑽進、接單根、換鑽頭、起下鑽等全部作業過程中始終保持井下循環系統中流體的靜水壓力小於目標油氣層壓力，同時欠平衡鑽井技術也越來越多地與水平井多分支井及小井眼鑽井技術相結合，有效開發了一些新老油田，其應用範圍日益廣泛，美國已將其列為21世紀急需的鑽井技術。

國外已經實現了全過程的欠平衡鑽井、完井。欠平衡鑽井技術發展有如下幾個關鍵方向：鑽井模型分析；更有效的鑽井液；更有效的井底導向系統與馬達；有利於新的鑽井液的井控與地面分離系統；集成化趨勢。未來欠平衡鑽井技術將進一步朝安全、簡便和適用的方向發展。這項技術對於保護油層和提高鑽井速度具有重要意義，將廣泛用於低壓低滲油田和老油田。

2.中國主要鑽井技術發展應用情況

中國欠平衡鑽井技術自進入21世紀以來發展較快。到2006年末，已採用該項技術完成60餘口井，所用設備主要以引進為主。新疆、中原、大港、勝利等油田引進了一批設備，鑽成了一批欠平衡井，具有了一定的經驗。“九五”期間大港油田針對前第三系深層勘探進行了欠平衡鑽井完井技術綜合研究，在千米橋潛山和烏馬營潛山採用低密度無固相鑽井液體系實施了欠平衡鑽井工藝技術，完井採用射孔完成，成功的發現了千米橋潛山億噸級的凝析油氣田，揭示了烏馬營潛山儲油氣藏特徵。截止到2006年，大港油田已經先後引進了三套主要欠平衡裝置，成立了專業化技術服務隊伍，從設備和經驗上都具有了很好的基礎。在以液體為介質進行欠平衡鑽井施工上，從設計及施工人員的水平、欠平衡裝備、現場施工中井口回壓控制等技術上都取得了一定的成功經驗，在中國國內產生了良好的影響。

隨著中國欠平衡技術認識的不斷加深，該技術開始逐漸被應用於老油田的開發，今後欠平衡技術在中國的應用範圍將逐漸擴大，設備配套國產化的進程將逐漸加快，實現全過程欠平衡將成為今後中國各油田發展的目標。

欠平衡鑽井所用的地面常規裝備有：氮或壓縮氣供應裝置、容 積小且壓力大的注液泵、液-氣混合管匯、節流管匯、鑽屑或鑽井液取樣器、化學劑注射泵、採油分離系統和自動燃燒氣體系統，以下是國外目前比較先進的專用裝備。

①高壓旋轉分流器-防噴器系統

又稱旋轉防噴器(BOP)。國外有好幾個廠家都有專利產品，其中美國Williams工具公司生產的旋轉防噴頭使用最多，壓力級別最為齊全。該公司供應的高壓系統有7000型和7100型兩種：7000型的靜試驗壓力為21MPa，工作壓力為10.5MPa；7100型包括旋轉控制頭總成、熱傳遞-潤滑裝置、遙控監控台和遙控防爆電源設備。旋轉控制頭總成殼體試驗動壓力可達70MPa，靜壓力為35MPa，工作壓力為17.5MPa。

②液流導向系統

國外研製了一種電磁閥導向系統，可增加鑽深。馬達被設計成一種金屬對金屬的葉片，採用非彈性體製成的正容積馬達，不會由於失速而使轉速過快。

③地面分離系統

2006年前後，國外加強了地面分離系統研製，包括壓力額定值為35MPa的地面分離裝置、自動節流系統及各種分離器，這些設備可處理大量液體、岩屑和鑽井液。此外，有一種密封循環分離器，每天可處理566336立方米容量的液流；還有一種高效小型分離器，適用於近海地區。委內瑞拉Mamdbo湖有一口近岸井，為了降低化學劑成本，首次使用密封循環地面分離系統，還使用配有全套連續油管的駁船和2000bbl（原油標準桶）容量的泡沫裝置。泡沫循環液密度降低到179.74～359.4千克/立方米，在分離后，泡沫可再循環使用，以降低配製化學劑和水的成本。

④隔水管帽(Riser Cap)旋轉防噴器系統

一種迴流裝置，所用主要設備是旋轉控制頭，裝在水上隔水管頂部，可代替隔水管系統的滑動接頭、球形接頭和分流器。將高壓軟管接到旋轉控制頭雙流管出口端，可提高井控能力，防止鑽井液流失。高壓機械密封置裝於鑽台下面的鑽桿與隔水管之間，鑽井液通過軟管迴流井下。

⑤實用隔水管(Virtual Riser)裝置

該裝置包括旋轉控制頭、封隔器—鎖定總成和環形壓力控制—排放系統三大部件，其中封隔器—鎖定總成是一個經改進的直徑508mm可膨脹套管封隔器，起到控制頭及井口下面套管間的壓力密封作用。其元件是一個3m長的密封，置於660.40～914.40mm套管裡面，用遙控船可遙控該封隔器。

⑥地面數據採集系統

欠平衡鑽井時，要測量並記錄壓力、速度、氣含量、液含量和溫度，並實時顯示這些數據，避免出現過平衡和井噴現象。該系統可在鑽井作業時，通過與現有鑽井控制與監測系統介面，提供實時信息，還可與動態多相流量模型介面，允許將實際參數與計算參數加以比較。