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欠平衡钻井技术能够有效地保护油气层,提高勘探精度、勘探成功率和勘探开发整体效益。要实现欠平衡钻井,除使用专有设备外,还必须在钻井过程中进行井底压力控制,可以说,欠平衡钻井成功的关键在于井底压力控制技术的研究与应用,即在钻井过程中实现钻井液环空井底压力低于地层孔隙压力,以及使产层的流体有控制地安全进入井筒并将其循环到地面。如果井底压力控制不当,易造成井底压力过平衡,失去欠平衡钻井的基本条件,或者易造成产层的速敏、井壁坍塌和井口设备过载甚至井喷,从而引起重大钻井事故。
前人对井底压力控制技术的理论和现场实施技术进行了一系列的研究,取得了一定的成绩,但是仍然存在诸多问题,比如井底压力有多大,是否保持负压值,都不太清楚。另外负压值、钻井液密度窗口的设计和现场实施,仍存在较大误差,特别是在深井中误差有时高于井底负压值的大小。
为了实现井底负压值的精确控制,在前人研究成果的基础上采用半经验法建立新的多相流井底压力计算模型,该模型充分推导环空岩屑以及多相流加速度压降对井底压力的影响,既考虑了气侵量不大时的井底压力分布规律所需的边界条件,同时也考虑了气侵量增大时井底压力分布规律所需的边界条件,计算精度较高,误差小于3%;建立了一种在钻井过程中新的井底压力测量方法,研制开发了抗高温高压的井底压力测量仪器,实现了自动测量存储功能。该测量仪器虽然不能随钻读取数据,但是能够克服电磁波测量仪器受井深限制和脉冲测量仪器受钻井液性能的影响,不仅适用流钻欠平衡钻井,也适用深井钻井、充气钻井、空气钻井和泡沫钻井等井底压力温度的随钻测量;利用新建立的模型以及通过网络侦听研究数据截取算法来研制开发了“欠平衡钻井参数自动采集与分析系统”软件,将地质综合录井采集的数据和实际测量井底压力数据汇入到软件中进行综合分析,计算出精确的井底负压值的大小,为后续欠平衡钻井井底负压值和密度窗口设计以及井底负压控制提供理论依据,实现了精确的井底负压控制;同时,研究了井底压力与钻井参数的关系,包括井底负压值与泵压、井口压力、排量的关系,研究了地层流体侵入井内预测技术和井口回压控制技术,给出了欠平衡钻井井底压力的控制方法,在现场应用了节流阀开启度来控制井底负压值的方法。形成了一套适合于深井欠平衡钻井的井底压力控制理论和技术,取得了较好的效果。