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摘 要：本文在系统阐述欠平衡钻井技术的特点的基础上，对欠平衡钻井关键技术进行了研究，包括钻井液密度的确定、井底负压差的控制，欠平衡钻井液设计，对欠平衡钻井中预防事故的发生具有重要意义。
关键词：欠平衡钻井； 液体欠平衡；井底负压差；钻井液密度
前 言
钻井过程中钻井液柱压力低于产层压力，若钻井液密度不够低，则在钻井液中充入气体，允许地层流体进入井眼，并可将其循环至地面加以控制的钻井技术。对欠平衡完整定义应该是在钻井过程中，利用自然条件或人工方法，在可以控制的条件下，使井筒内钻井液液柱压力低于所钻地层的压力，从而在井筒内形成负压，这一钻井过程叫欠平衡钻井。其工艺流程就是在常规环形防喷器的上部安装一套防喷器（旋转控制头），钻井时采用低密度常规钻井液或在钻井液中注入氮气或天然气，或采用干气、泡沫钻井液等，使环空液柱压力低于地层压力。利用旋转防喷器和节流管汇，控制井口一定压力和井底负压，使井内油气有控制的进入井眼经体外循环系统（钻井泵-钻具-环空-节流管汇-液气分离器-储油罐-真空除气器等）有效分离，最终实现连续钻进。
1欠平衡钻井技术的主要优点
1.1 大大减轻或预防钻井液对地层的损害，保护油气层。常规钻井一般都是过平衡钻井工艺，这样钻井液液柱压力往往要高于地层压力，这样，钻井液滤液和有害固相不可避免地会进入产层，无法避免对产层的造成的伤害。而且，这种伤害会在某些情况下暂时降低或大幅降低油井的产品，甚至会永久地降低油井的产量，这种情况下，想达到油层的经济产量水平，就必须要进行费用昂贵的增产补救措施和修井工作，这些补救措施在一定程度也会二次污染油层。但釆用欠平衡钻井，由于在井筒内存在负压，钻井液液柱压力低于地层压力，可以大大消除钻井液滤液和有害固相的渗入油气层，有效保护油气层，完全体现了欠平衡钻井技术最大优势。
1.2可以有良好的产层显示，有利于达到勘探目的。过平衡钻井在工艺上决定了它会对地层造成的伤害，而且这种对地层的干预很可能本应该出现的油气显示没有及时出现，对油气的勘探造成了很大的影响。但采用而欠平衡钻井，在钻井过程中，依靠负压地层中的流体可以比较顺利地进入井眼，这样，在根据井口监测返出液就可以适时发现地下油气层的情况，做出判断，大大提高了勘探效果，节约成本。在油田某井中，运用欠简称钻井技术工艺，通过认真分析研究，结果在千米桥区块（经过多年勘探没有发现）确认了一个亿吨级油气储量，取得到重大发现。
1.3 增加了防喷能力，降低了井喷失控的风险。由于欠平衡钻井过程中人为地采用了关并作业方式，钻井施工是在关井导流状态下进行的，从而降低了井喷失控的风险。
1.4 钻井速度大幅度地提高。根据数据统计分析，在加拿大实际运用欠平衡钻井的多口井的比较，结果显示欠平衡钻井比普通钻井工艺，速度上提高了近2？6倍。其原理也就是负压钻进，改变了井底岩石三相应力状态，加大了钻头破碎岩石效率，从而大大地提高钻头在钻进过程中的平均机械钻速，大幅度缩短钻井周期，降低综合钻井成本，取得很好的经济效益和社会效益。
1.5降低井漏风险，节约钻井成本。首先，常规过平衡钻井不可避免地会引起钻井液的轻微渗漏，其次，在易漏层段，可能会引起大量钻井液流入地层，不仅会造成进一步的事故和复杂，延长钻井周期，还会因钻井液的大量流失而造成重大经济损失。而欠平衡钻井由于井筒钻井液液柱压力低于地层压力，从而可以大大降低井漏的发生机率。
2欠平衡钻井液密度的确定
钻井液密度的计算过程是：先确定地层孔隙压力、环空压耗，然后求出钻井液密度。（1）地层孔隙压力。钻井的压力可根据油藏地质工程提供油层深度、地层孔隙压力（试油静压、钻杆测试压力及RFT测试压力）来校正。但是，地层压力的监测方法的计算结果误差非常大，井越深得到的数据越不准，而且，实际上在深井中得到的误差范围远远超过了负压差值。所以，以上方法对于确定钻井液密度意义不大。在实际钻井过程中釆用EM/MWD或PWD等随钻仪器对地层压力进行实时监测，进而调整泥浆密度。（2）环空压耗。环空压耗与钻井液密度的设计有直接关系，按喷射钻井最大钻头水功率或冲击力原则对常规过平衡及近平衡钻井现场泵排量是进行设计，保证钻井液循环状态达到紊流。不过，相对于欠平衡钻井，其标准是为满足钻井液携屑为第一任务，既要考虑降低泵、井口旋转防喷器及节流管汇等设备的负荷，增加井控的可靠性，而且也要考虑避免紊流对裸眼油气层的冲刷作用，达不到安全要求。所以欠平衡钻井钻井液排量不宜太大，以层流流动状态为主。根据公式可以得出层流时钻井液的环空压耗。
根据预测的地层孔隙压力来设计欠平衡钻井中钻井液密度。预测的精确程度非常重要，直接关系到钻井液密度设计，预测不准甚至会造成钻井作业失败。因此应详细研究、评估所测数据和相关资料，并在设计过程中精确完成，以此来保证安全钻进。相对于欠平衡井来说，一旦井底负压差确定之后，如何确定钻井液密度是实现井底的负压差范围重要手段。
3 井底负压差的控制
可依据欠平衡钻井地面数据监控系统实时监测的钻井作业参数和产出流体的量，以及立管和套管压力与实际井底压力间的数学关系及软件计算来调节钻井液密度和井口回压来控制井底负压差。a.利用立管压力控制井底负压差。针对于欠平衡钻井时井筒环空中存在气、液、固三相（钻井液、岩屑和气体）流动特性，想要从环空中计算井底压力比较困难。根据钻井液循环装置将返出的地层流体与钻井液分离，并且保持入口钻井液密度较稳定这一特性，我们可利用实时监测的立压值，计算井底压力来判断和分析溢流情况，同时调节节流阀保持立压不变，保证了对井筒内负压差的控制。伯努利钻井液流体能量方程，立压与井底压力间的关系式
由于产生负压，随着地层流体侵入井筒环空，气体侵入钻井液导致钻井液點度提高密度降低。随着气体量的不断加大，井底压力也逐渐下降，体现在立管压力值上也一样。因此，可以利用该计算模型和立管压力监测值及早判断井底负压值。对于水平井，由于钻井液井底马达的使用引起压力的波动，此时立压监控井底压力的变化困难也增大了，地层气分布在整个环空液柱中，为了保持钻井液罐液面恒定，必须进行节流控制。b.利用井口回压控制井底负压差。当原始的地面注入条件导致井底处于欠平衡状态时，由于气侵，环空中存在气、液两相流动，从而导致井底压力减小。此时，必须进行井口回压控制，若不然，会使得井底压力不断下降，形成恶性循环，甚至可能影响正常钻进。气侵后钻井液密度于气体是可压缩的会在不同深度而变化。为使井底保持所设定的负压差，因气侵造成的井底压力降低应由井口回压值加以补充。
参考文献
1.王彦春. 欠平衡钻井过程的安全分析与评价[D]. 中国石油大学 2010
2. 王波. 欠平衡钻井流体动力学参数计算理论及方法研究[D]. 西南石油学院 2005
关键词：欠平衡钻井； 液体欠平衡；井底负压差；钻井液密度
前 言
钻井过程中钻井液柱压力低于产层压力，若钻井液密度不够低，则在钻井液中充入气体，允许地层流体进入井眼，并可将其循环至地面加以控制的钻井技术。对欠平衡完整定义应该是在钻井过程中，利用自然条件或人工方法，在可以控制的条件下，使井筒内钻井液液柱压力低于所钻地层的压力，从而在井筒内形成负压，这一钻井过程叫欠平衡钻井。其工艺流程就是在常规环形防喷器的上部安装一套防喷器（旋转控制头），钻井时采用低密度常规钻井液或在钻井液中注入氮气或天然气，或采用干气、泡沫钻井液等，使环空液柱压力低于地层压力。利用旋转防喷器和节流管汇，控制井口一定压力和井底负压，使井内油气有控制的进入井眼经体外循环系统（钻井泵-钻具-环空-节流管汇-液气分离器-储油罐-真空除气器等）有效分离，最终实现连续钻进。
1欠平衡钻井技术的主要优点
1.1 大大减轻或预防钻井液对地层的损害，保护油气层。常规钻井一般都是过平衡钻井工艺，这样钻井液液柱压力往往要高于地层压力，这样，钻井液滤液和有害固相不可避免地会进入产层，无法避免对产层的造成的伤害。而且，这种伤害会在某些情况下暂时降低或大幅降低油井的产品，甚至会永久地降低油井的产量，这种情况下，想达到油层的经济产量水平，就必须要进行费用昂贵的增产补救措施和修井工作，这些补救措施在一定程度也会二次污染油层。但釆用欠平衡钻井，由于在井筒内存在负压，钻井液液柱压力低于地层压力，可以大大消除钻井液滤液和有害固相的渗入油气层，有效保护油气层，完全体现了欠平衡钻井技术最大优势。
1.2可以有良好的产层显示，有利于达到勘探目的。过平衡钻井在工艺上决定了它会对地层造成的伤害，而且这种对地层的干预很可能本应该出现的油气显示没有及时出现，对油气的勘探造成了很大的影响。但采用而欠平衡钻井，在钻井过程中，依靠负压地层中的流体可以比较顺利地进入井眼，这样，在根据井口监测返出液就可以适时发现地下油气层的情况，做出判断，大大提高了勘探效果，节约成本。在油田某井中，运用欠简称钻井技术工艺，通过认真分析研究，结果在千米桥区块（经过多年勘探没有发现）确认了一个亿吨级油气储量，取得到重大发现。
1.3 增加了防喷能力，降低了井喷失控的风险。由于欠平衡钻井过程中人为地采用了关并作业方式，钻井施工是在关井导流状态下进行的，从而降低了井喷失控的风险。
1.4 钻井速度大幅度地提高。根据数据统计分析，在加拿大实际运用欠平衡钻井的多口井的比较，结果显示欠平衡钻井比普通钻井工艺，速度上提高了近2？6倍。其原理也就是负压钻进，改变了井底岩石三相应力状态，加大了钻头破碎岩石效率，从而大大地提高钻头在钻进过程中的平均机械钻速，大幅度缩短钻井周期，降低综合钻井成本，取得很好的经济效益和社会效益。
1.5降低井漏风险，节约钻井成本。首先，常规过平衡钻井不可避免地会引起钻井液的轻微渗漏，其次，在易漏层段，可能会引起大量钻井液流入地层，不仅会造成进一步的事故和复杂，延长钻井周期，还会因钻井液的大量流失而造成重大经济损失。而欠平衡钻井由于井筒钻井液液柱压力低于地层压力，从而可以大大降低井漏的发生机率。
2欠平衡钻井液密度的确定
钻井液密度的计算过程是：先确定地层孔隙压力、环空压耗，然后求出钻井液密度。（1）地层孔隙压力。钻井的压力可根据油藏地质工程提供油层深度、地层孔隙压力（试油静压、钻杆测试压力及RFT测试压力）来校正。但是，地层压力的监测方法的计算结果误差非常大，井越深得到的数据越不准，而且，实际上在深井中得到的误差范围远远超过了负压差值。所以，以上方法对于确定钻井液密度意义不大。在实际钻井过程中釆用EM/MWD或PWD等随钻仪器对地层压力进行实时监测，进而调整泥浆密度。（2）环空压耗。环空压耗与钻井液密度的设计有直接关系，按喷射钻井最大钻头水功率或冲击力原则对常规过平衡及近平衡钻井现场泵排量是进行设计，保证钻井液循环状态达到紊流。不过，相对于欠平衡钻井，其标准是为满足钻井液携屑为第一任务，既要考虑降低泵、井口旋转防喷器及节流管汇等设备的负荷，增加井控的可靠性，而且也要考虑避免紊流对裸眼油气层的冲刷作用，达不到安全要求。所以欠平衡钻井钻井液排量不宜太大，以层流流动状态为主。根据公式可以得出层流时钻井液的环空压耗。
根据预测的地层孔隙压力来设计欠平衡钻井中钻井液密度。预测的精确程度非常重要，直接关系到钻井液密度设计，预测不准甚至会造成钻井作业失败。因此应详细研究、评估所测数据和相关资料，并在设计过程中精确完成，以此来保证安全钻进。相对于欠平衡井来说，一旦井底负压差确定之后，如何确定钻井液密度是实现井底的负压差范围重要手段。
3 井底负压差的控制
可依据欠平衡钻井地面数据监控系统实时监测的钻井作业参数和产出流体的量，以及立管和套管压力与实际井底压力间的数学关系及软件计算来调节钻井液密度和井口回压来控制井底负压差。a.利用立管压力控制井底负压差。针对于欠平衡钻井时井筒环空中存在气、液、固三相（钻井液、岩屑和气体）流动特性，想要从环空中计算井底压力比较困难。根据钻井液循环装置将返出的地层流体与钻井液分离，并且保持入口钻井液密度较稳定这一特性，我们可利用实时监测的立压值，计算井底压力来判断和分析溢流情况，同时调节节流阀保持立压不变，保证了对井筒内负压差的控制。伯努利钻井液流体能量方程，立压与井底压力间的关系式
由于产生负压，随着地层流体侵入井筒环空，气体侵入钻井液导致钻井液點度提高密度降低。随着气体量的不断加大，井底压力也逐渐下降，体现在立管压力值上也一样。因此，可以利用该计算模型和立管压力监测值及早判断井底负压值。对于水平井，由于钻井液井底马达的使用引起压力的波动，此时立压监控井底压力的变化困难也增大了，地层气分布在整个环空液柱中，为了保持钻井液罐液面恒定，必须进行节流控制。b.利用井口回压控制井底负压差。当原始的地面注入条件导致井底处于欠平衡状态时，由于气侵，环空中存在气、液两相流动，从而导致井底压力减小。此时，必须进行井口回压控制，若不然，会使得井底压力不断下降，形成恶性循环，甚至可能影响正常钻进。气侵后钻井液密度于气体是可压缩的会在不同深度而变化。为使井底保持所设定的负压差，因气侵造成的井底压力降低应由井口回压值加以补充。
参考文献
1.王彦春. 欠平衡钻井过程的安全分析与评价[D]. 中国石油大学 2010
2. 王波. 欠平衡钻井流体动力学参数计算理论及方法研究[D]. 西南石油学院 2005