定向井知识培训概念

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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作定向井知识培训教材 钻井工程技术研究院二六年五月第二节 定向井钻井技术学习目标：了解负压钻井技术，熟悉平衡钻井及近平衡钻井技术，掌握定向钻井技术，能够进行定向操作。准备工作：（1）井眼畅通，钻井泵及固控设备运转正常。（2）根据井底井斜角、方位角及地层岩性，选择相应的定向接头和弯接头。（3）检查动力钻具是否符合要求。（4）检查是否无磁钻铤内的磁铁块嵌装是否牢固； （5）装好测斜仪，检查测斜绞车固定是否牢固、刹车是否可靠，钢丝是否完好不打扭。一、定向井的基本概念定向井是按照一定的目的和要求，沿预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。

2、定向井相对直井而言它具有一定的井斜角和方位角，而直井是井斜角为零的井，虽然实钻井眼都存在一定井斜度，但它仍然是直井。1定向井的发展史定向井首先是从美国发展起来的，在十九世纪后期，美国的旋转钻井代替了顿钻钻井。当时没有考虑控制井身轨迹的问题，认为钻出来的井必定是铅垂的，但通过后来的井筒测试发现，那些垂直井远非是垂直的。并由于井斜原因造成了侵犯别人租界而造成被起诉的案例。最早采用定向井钻井技术是在井下落物无法处理后的侧钻。早在1895年美国就使用了特殊的工具和技术达到了这一目的。有记录定向井实例是美国在二十世纪三十年代初在加利福尼亚油田钻成的。 第一口救援井是1934年在东德克萨斯康罗油田钻成的。

3、救援井是指定向井与失控井具有一定距离，在设计和实际钻井让救援井和失控井眼相交，然后自救援井内注入重泥浆压住失控井。目前最深的定向井由BP勘探公司钻成，井深达10654米； 水平位移最大的定问井是BP勘探公司于己于1997年在英国北海的 Rych Farn油田钻成的M11井，水平位移高达10114米。 我国定向钻井技术的发展可以分为三个阶段，5060年代开始起步，首先在玉门和四川油田钻成定向井及水平井：玉门油田的C215井和四川磨三井，其中磨三井总井深168米，垂直井深350米，水平位移4442米，最大井斜92，水平段长160米；70年代扩大试验，推广定向井钻井技术；80年代通过进行集团化联合技

4、术攻关，使得我国定向钻井软件到硬件都有了一个大的发展。 2定向钻井的分类 按定向钻井的用途分类可分为以下几种类型：普通定向井多目标定向井 丛式井定向井 救援定向井水平井空间三维多目标水平井分枝井、多底井3 定向井基本术语1）井深：指井口（转盘面）至测点的井眼实际长度，人们常称为斜深。国外称为测量深度（Measure Depth）。2）测深：测点的井深，是以测量装置（Angle Unit）的中点所在井深为准。3）井斜角：该测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角（见图11）。井斜角常以希腊字母表示，单位为度。4）井斜方位角：是指以正北方位线为始边，顺时针旋转至井斜方位线所转过的角度（见图12）。井斜

5、方位角常以希腊字母表示，单位为度。实际应用过程中常常简称为方位角。 5）磁方位角：磁力测斜仪测得的井斜方位角是以地球磁北方位线为准的，称磁方位角。 图11井斜角示意图 图12井斜方位角示意图6）磁偏角：磁北方位线与真北方位线并不重合，两者之间有一个夹角，这个夹角称为磁偏角。磁偏角又有东磁偏和西磁偏角之分，当磁北方位线在正北方位线以东时，称为东偏角；当磁北方位线在正北方位线以西时称为西偏磁偏角。进行磁偏角校正时按以下公式计算：真方位角磁方位角东偏磁偏角真方位角磁方位角一西偏磁偏角图13磁偏角示意图7）井斜变化率：是指井斜角随井深变化的快慢程度，常以Ka表示，井斜变化率的单位常以每100米度表示。

6、8）井深方位变化率：实际应用中简称方位变化率，是指井斜方位角随井深变化的快慢程度，常用K表示。井斜方位变化率的单位常以每100米度进行表示。9）全角变化率（狗腿严重或井眼曲率）：从井眼内的一个点到另一个点，井眼前进方向变化的角度（两点处井眼前进方向线之间的夹角），该角度既反映了井斜角度的变化又反映了方位角度的变化，通常称为全角变化值。两点间的全角变化值相对与两点间井 眼长度L变化的快慢及为全角变化率。 10）垂深（垂直井深）：即某测点的垂直深度，以H表示。是指井身任意一点至转盘面所在平面的距离。11）水平投影长度：是指自井口至测点的井眼长度在水平面上的投影长度。以S表示。12）水平位移：简称平

7、移，是指测点到井口垂线的距离。在国外又称为闭合距（Closure Distance）。13）平移方位角：又称为闭合方位角（Closure Azimuth），常用表示，是指以正北方位线为始边顺针方向转至平移方位线上所转过的角度。14）视平移：又称为投影位移，井身上的某点在垂直投影面上的水平位移。在实际定向井钻井过程中，这个投影面选在设计方位线上。所以视平移也可以定义为水平位移在设计线上的投影。15）高边：在斜井段用一个垂直于井眼轴线的平面于井眼（这时的井眼不能理解为一条线，而是一个具有一定直径的圆）相交，由于井眼是倾斜的，故井眼在该平面上有一个最高点，最高点与井眼圆心所形成的直线即为井眼的高边。

8、16）工具面：工具面就是造斜工具弯曲方向的平面。17）磁性工具面角：造斜工具弯曲的平面与正北方位所在平面的夹角。18）高边工具面角：造斜工具弯曲方向的平面与井斜方位角所在平面的夹角。19）装置角：造斜工具弯曲方向的平面与原井斜方向所在平面的夹角，通常用表示。20）反扭矩：在用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，该扭矩被称为反扭矩。21）反扭角：使用井底动力钻具钻进时，都存在一个与钻头转动方向相反的扭矩，由于该扭矩的作用，使得井底钻具外壳向逆时针方向转动一个角度，该角度被称为反扭角。22）贮层顶部：水平井段控制油层的顶部23）贮层底部：水平井段控制油层的底部24）设计入口角度

9、：进入储层顶部的井斜角度25）着陆点：井眼轨迹中井斜角达到90的点26）入口窗口高度：入靶点垂直方向上下误差之和27）入口窗口宽度：入靶点水平方向左右误差之和28）出口窗口高度：出靶点垂直方向上下误差之和29）出口窗口宽度：出靶点水平方向左右误差之和30）着陆点允许水平偏差：着陆点允许水平方向前后的误差31）单弯动力钻具：动力钻具壳体上具有一个弯曲角度的动力钻具，特点是造斜率较弯接头组合高，钻头偏移较小 第二节 水平井钻井技术简介所谓水平井，是指一种井斜角大于或等于86，并保持这种角度钻完一定长度水平段的定向井。1、水平井的类型及各种类型水平井的特点（1）水平井的类型：根据水平井曲率半径的大小

10、分为：长曲率半径水平井（小曲率水平井）；中曲率半径水平井（中曲率水平井）；短曲率半径水平井（大曲率水平井）。（2）不同曲率水平井的基本特征及优缺点 不同曲率水平井的基本特征表井型 项目 长半径水平井中半径水平井短半径水平井造斜率630米6-2030米150-30030米曲率半径304914米29187米126米井眼尺寸无限制1214-434614-434钻井方式转盘钻或导向钻井系统造斜段：特种马达或导向钻井系统水平段：转盘钻或导向钻井系统以使用特种工具的转盘钻进为主，目前也使用特种马达方式钻 杆常规钻杆15100米使用抗压钻杆铰接驱动钻杆测量工具无限制有线随钻测斜仪，MWD，但井眼6 18时不

11、能使用转盘钻井时使用多点测斜仪马达钻井时使用有线随钻测斜仪地面设备常规钻机常规钻机需要配备顶部驱动系统或动力水龙头完井方式无限制无限制裸眼或割缝管表1 水平井分类造斜率分类造斜率半径国际长28/25.4 m2865716 m中830/25.4m716191 m中短3060/25.4m19195 m短60200/25.4m9528 m国内长8/30m286.5m中820/30m286.586m中短2070/30m8524m短70300/30m245.77m 不同曲率水平井的优缺点优点缺点长半径水平井1.穿透油层段最长 2.使用标准的钻具及套管3.“狗腿严重度”最小4.使用常规钻井设备5.可使用多

12、种完井方法6.可采用多种举升采油工艺7.测井及取芯方便8.井眼及工具尺寸不受限制1.井眼轨道控制段最长2.全井斜深增加最多3.钻井费用增加4.各种下部钻具组合较长5.不适合薄油层和浅油层6.转盘扭矩较大 7.套管用量最大8.穿过油层长度与总水平位移比最小中半径水平井1.进入油层时无效井段较短2.使用的井下工具接近常规工具3.使用动力钻具成导向钻井系统4.离构造控制点较近5.可使用常规的套购及完井方法6.并下扭矩及阻力较小7.较高及较稳定的造斜率8.井眼轨迹控制井段较短9.穿透油层段较长（1000米）10.井眼尺寸不受限制11.可以测井及取芯12.从一口直井可以钻多口水平分枝井13.可实现有选择

13、的完井方案1. 要求使用MWD测量系统2. 要求使用加重钻杆或抗压缩钻杆短半径水平井l.井眼曲线段最短2.侧钻容易3.能够准确击中油层目标4.从一口直井可以钻多口水平分枝井5.直井段与油层距离最小6.可用于浅油层7.全井斜深最小 8.不受地表条件的影响1非常规的井下工具2非常规的完井方法3穿透油层段短（120180米）4井眼尺寸受到限制5起下钻次数多6要求使用顶部驱动系或动力水龙头7井眼方位控制受到限制8目前还不能进行电测2、 定向井、水平井基本施工步骤简介1）定向井井位的确定 井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新

14、井位构造图。2）地面井口位置的选择工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整托方向（丛式井）。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需要进行井口坐标的复测。2003年钻井四公司施工文新99-1井时，项目组对该区块进行调研，摸清该区块的自然造斜（280）情况，建议甲方对井口进行适当移动（原井口东移40米），利用地层自然造斜规律进行造斜，全井没用随钻测斜仪定向而顺利中靶；这样既加快了钻井速度，又保证了施工质量。3）定向井设计 地质设计在坐标初测后提出初步设计，在坐标复测后提出正式设计。地质设计除包括一般井

15、内容外，在工程施工中要求必须说明靶点相对与井口的位移和方位，多目标井说明靶点之间的稳斜角度。附最新井位构造图、油藏剖面图、设计轨迹水平投影图和垂直投影图。 工程设计必须符合地质设计要求。井身轨迹设计数据表，特殊工艺技术措施。井身结构及分段钻具组合和钻井参数等。4）设备要求（钻机） 根据定向井垂直井深、水平位移、井身结构和井眼曲率选择设备类型。推荐设备标准（使用于位移垂深0.4的定向井）： 垂深2800米、水平位移600米，选用3200米钻机； 垂深3500米、水平位移 1200米，选用4500米钻机； 垂深4500米、水平位移2000米，选用6000米钻机； 垂深4500米、水平位移1500米

16、，选用7000米钻机。5）定向井靶区半径标准 不同井深靶区半径要求（总公司标准）：靶区垂深（米） 靶区半径（米） 靶区垂深（米） 靶区半径（米）1000 30 3000 801500 40 3500 1002000 50 4000 1202500 65 4500 1403、 定向井、水平井井身轨迹控制技术无论是定向井，还是水平井，控制井眼轨迹的最终目的都是要按设计要求中靶。但因水平井的井身剖面特点、目的层靶区的要求等与普通定向井和多目标井不同，在井眼轨迹控制方面具有许多与定向井、多目标井不同的新概念，需要建立一套新的概念和理论体系来作为水平井井眼轨迹控制的理论依据和指导思想。我们在长、中半径水

17、平井的井眼轨迹控制模式的形成和验证过程中，针对不断出现的轨迹控制问题，建立了适应于水平井轨迹控制特点的几个新概念。一、中靶概念地质给出的水平井靶区通常是一个在目的层内以设计的水平井眼轨道为轴线的柱状靶，其横截面多为矩形或圆。我们可以把这个柱状靶看成是由无数个相互平行的法面平面组成，因此，控制水平井井眼轨迹中靶，与普通定向井、多目标井是个截然不同的新概念，主要体现是：井眼轨迹中靶时进人的平面是一个法平面（也称目标窗口），但中靶的靶区不是一个平面，而是一个柱状体，因此，不仅要求实钻轨迹点在窗口平面的设计范围内，而且要求点的矢量方向符合设计，使实钻轨迹点在进入目标窗口平面后的每一个点都处干靶柱所限制

18、的范围内。也就是说，控制水平井井眼轨迹中靶的要素是实钻轨迹在靶柱内的每一点的位置要到位（即入靶点的井斜角、方位角、垂深和位移在设计要求的范围内），也就是我们所讲的矢量中靶。井眼轨迹控制（1）螺杆的弯度和下扶正器的位置、尺寸确定后，要达到增斜、微增、稳斜、降斜的目的，可通过调整上扶正器的位置、尺寸及钻压来实现。（2）增斜和微增可以不加上扶正器，或者根据不同地层的造斜效果，加外径较小的扶正器，也可以调高上扶正器的位置。（3）稳斜井段根据不同的地层，可选用上下扶正器外径相同或上扶正器外径略小的单弯螺杆。（4）降斜井段选用下扶正器略小于上扶正器的单弯螺杆。（5）上扶正器选用变径扶正器，可通过调整扶正器

19、的尺寸达到增、稳、降斜的作用。从而实现一套钻具组合完成一口定向井。4、定向钻进钻井专用工具一、无磁钻铤（无磁抗压缩钻杆）A无磁钻铤的材料及性能无磁钻铤使用无磁材料制成，目前现场使用无磁钻铤的材料多为孟乃尔合金（monels）它的弹性模量为：E26*106磅英寸，普通钢钻铤弹性模量为：E29*106磅英寸，铝为：E二11*106磅英寸。由于无磁钻铤的机械性能不同于普通钻铤，弹性模量较小，且费用高，因此使用应特别小心防止损坏。B无磁钻铤的作用当使用磁性单多点测斜仪测量井眼数据时，磁罗盘必须与地球磁场相符合，因此罗盘所在的钻柱处不能有使罗盘读数失真的局部磁场。普通钢钻铤是可以磁化的，尤其在接头处还会

20、形成“磁极”。为了防止罗盘失真，必须将罗盘放置在无磁环境中，所以仪器保护筒和测量时仪器所在的钻铤必须都使用不能磁化的无磁材料制成。一般使用铜、镍、铬和其他金属合金制成。C无磁钻铤的安放位置及长度的确定无磁钻铤长度的确定及测量时罗盘所处的位置是和井斜角度、井斜方位角及井位所处的地理位置有关系的。a在曲线A以下，无磁钻铤选用9米（一单根）b在曲线B以上，无磁钻铤选用18米（两单根）c在曲线A与B之间，钻具组合使用一个近钻头稳定器时，无磁钻铤选用9米，无磁钻铤以下是多个稳定器或动力钻具时，无磁钻铤选用18米。经验公式L=（最大井斜+（设计方位-0或180）的绝对值）/10三、螺杆动力钻具由于我国定向

21、井钻井现场大部分是应用的螺杆动力钻具，下面较为详细的介绍螺杆动力钻具。 1螺杆动力钻具的构造及各部分的功能A旁通阀总成一是起下钻作业和接但根时的泥浆进出的通道。在钻进过程中旁通阀关闭。B马达总成一由钢制转子和固结在外筒的橡胶定子组成。在钻井液的推动下转子转动并带动钻头旋转。C万向连轴节总成一上端连接转子，下端连接驱动轴。其作用是将转子的偏心运动转化为驱动轴的同心运动。D轴承总成一NaviDrill钻具有三套轴承，两套径向轴承，一套推力轴承。上下径向轴承起驱动轴的扶正和稳定作用及限制钻井液的溢流量的作用。推力轴承承受上下的轴向载荷。E驱动轴总成一上端接万向连轴节，下端接钻头。起驱动钻头转动的作用

22、。2螺杆动力钻具的工作特性及应用范围A螺杆动力钻具的工作原理螺杆动力钻具是多级模诺泵的逆用。当高压流体从钻柱眼进入螺杆动力钻具时，液体迫使旁通阀活塞下行并密封旁通阀筛孔。此时整个钻具变形成了一个高压密封系统。当液体通过转子和定子间组成的连续密封腔时，就推动转子转动。从而带动钻头旋转。图53螺杆动力钻具构造示意图3螺杆动力钻具的现场使用A下钻a检查旁通阀活塞是否上下活动灵活；b接方钻杆试运转；c 检查轴向间隙是否超过标准：检查方法是首先将动力钻具立在转盘面上（方钻杆接在上面），测量驱动短节和轴承壳体的间隙D2，然后提起动力钻具再测量驱动短节和轴承壳体的间隙D1，D1-D2 要小于厂家推荐最大轴承

23、间隙值。 d下钻过程中严禁猛冲猛砸，在通过防喷器、套管鞋和裸眼井段时，注意下钻速度防止突然迂阻而损坏钻具。e下钻至到底12米时，开泵记录钻具空转泵压。f上下大幅度（79米）活动钻具数次，消除钻具扭矩，确保定向准确。（1）单弯螺杆钻具单弯螺杆钻具的设计是根据弯接头配接普通直马达钻具组合用于造斜的基本原理，按照动力钻具在水平井中的工作要求，在现有直螺杆钻具结构基础上改制而成的。它可以获得较高的造斜率，为达到更好的稳定效果使用中通常配以上下两个稳定器，设计主要需要解决三项关键技术：a）弯壳体及弯点的确定螺杆钻具马达部分在普通直壳体中具有良好的工作条件，但为了水平井高造斜率施工的需要，增斜钻具的弯点必

24、须下移，这就要求将马达的直壳体改为弯壳体。壳体弯点的选定应不影响其它全部件的工作、不影响矩扭功率的输出，从螺杆钻具的结构分析可以看出，钻具的最低弯曲部位只能选择在万向轴壳体上。弯壳体角度的设计是根据钻具造斜能力的计算和实际使用要求确定的。其系列范围选在0.752之内，级差为 0.25，精度公差0.1。四、实用例子1桥69-平1井 特殊工具序号名称规格数量扶正器1钻铤203.2mm72无磁钻铤203.2mm23钻铤177.8mm94短钻铤（3m）159mm15斜坡钻杆（G105）127mm450根6加重钻杆127mm35根7无磁承压钻杆127mm2根2。TK909H水平井专用工具清单序号名 称型

25、 号数 量单 位备 注1高温螺杆F165mm12根造斜、扭方位2非磁钻铤F203mm2根直井段测量3非磁钻铤F165mm2根直井段、造斜4非磁抗压缩钻杆F127mm2根造斜、水平段5螺旋稳定器F216mm3只增斜、稳斜6欠尺寸稳定器F203-206mm2只造斜、水平段7特殊接头10只钻具配合8MWD随钻测斜QDT-MWD1套测斜、轨迹、监控9有线随钻YSS1套测斜、轨迹、监控10单点测斜仪EMS1套测斜11多点测斜仪ESS1套测斜12钢丝测斜绞车CS-6001辆测斜4 欠平衡钻井技术关联概念（1）超平衡压力钻井（Over Balance Drilling） 钻进时井底压力高于地层孔隙压力。（2

26、）近平衡压力钻井（Near Balance Drilling） 钻进时井底压力略高于地层孔隙压力。 (3) 平衡压力钻井（Balance Drilling ） 钻进时井底压力等于地层孔隙压力。欠平衡压力钻井是指在钻井过程中泥浆柱作用在井底的压力（包括泥浆柱的静液压力和循环压降），低于地层孔隙压力。 欠平衡压力钻井时 , Pb Pp ，P 0.此时允许产层流体流入井内，并可将其循环到地面，地面可有效地控制。4.1欠平衡钻井技术概述欠平衡钻井是发展最快的钻井技术之一，目前世界上大约10%的油气井是用欠平衡钻井技术钻的。虽然该技术实践始于20世纪50年代，但由于过去全世界油气田地层压力普遍较高，技术

27、、设备在那些年代相对落后，造成欠平衡钻井技术一直没普及且似乎处于中断状态。随着全球油气工业的发展，许多国家和地区的油气藏压力逐渐衰竭（有的地层孔隙压力系数小于1.0）、勘探开发难度日益增加，而国际石油市场的竞争日趋激烈，欠平衡钻井技术在这种情况下得到了空前的发展，正在成为继水平井之后的第二个钻井技术发展热点。我国21世纪的油气资源勘探开发，面临着复杂储层物性和复杂地质条件下油气资源的开发；面临着低压、低渗、低产能油气资源的开发，面临着开发中后期老油气田的改造挖潜；面临着稠油、致密气层和煤层甲烷等非常规油气资源的开发；面临着世界石油市场竞争的挑战。因此，欠平衡钻井技术是我国21世纪油气资源开发中

28、必不可少的主干技术之一。欠平衡钻井技术是一种古老而崭新的技术，它可以追溯到顿钻时代，顿钻实际上是空气钻井；说它崭新是80年代完善的欠平衡钻井技术，90年代才发展起来。井喷也是一欠平衡钻井。我们认为“井喷意味着重大发现。”从这一点讲“井喷”是件好事，只不过为了人身安全及保护油资源，过平衡钻井才成为普遍的钻井方法。60年代，William 公司发明了旋转控制头用于天然气。现代欠平衡钻井技术在1989年Rick Stone利用Williams 公司旋转控制头在Texas首次应用了欠平衡钻井。90年代这一项技术得到了充分的发展。4.1.1 欠平衡钻井的概念 在钻井过程中，利用自然或人工方法，使井筒内钻

29、井液液柱压力低于所钻地层的孔隙压力，允许地层流体进入井眼，并将其循环到地面加以有效控制的一种钻井技术，有时也称为负压钻井。 相对于传统的过平衡压力钻井，欠平衡钻井具有以下两个特点：1、钻井液液柱压力低于地层孔隙压力；2、允许地层流体进入井眼循环出并加以有效控制。表4-1 欠平衡钻井与常规、近平衡钻井的特点对比对比项常规、近平衡钻井欠平衡钻井P井底与P地层P井底 P地层P井底 P地层钻井液密度保持足够的密度，防止地层流体进入井筒降低密度，使地层流体溢出地层流体进入井筒时停止钻井作业继续钻进井筒钻井液漏失时停止钻井作业继续钻进对井内油气的处理油气保留在井底将油气带出井口P井底P地层时循环钻井液不能

30、保持槽液面不变可保持液面不变4.1.2 欠平衡钻井的技术优势及局限性在钻井过程中，实现对油气层的充分暴露和保护，有利于发现油气层和增加油井产量。相对于传统的过平衡钻井，欠平衡钻井具有以下一些技术优势较好地适应了这种需要。4.1.2.1对油藏的优点：1、减轻或消除钻井液对地层的污染，减少井眼表面的表皮损害； 2、提高油层产量；3、良好的产层显示，早发现、早生产；4、提高最终采收率； 5、有利于对地层进行实时评价；6、有利于老油气田的改造及某些资源的开发；7、有利于低渗透油气资源、原生性低压油气资源、复杂地质条件下的油气资源以及非常规油气资源资源的开发。4.1.2.1钻井作业的优点：1、提高机械钻

31、速；2、延长钻头寿命；3、减少钻机作业时间；4、减少井眼复杂问题：(1)钻井液漏失；(2)压差卡钻；(3)水敏性页岩水化；(4)提高了钻井作业安全性。欠平衡钻井技术有一套有效的控制、处理仪器装备和安全控制措施，作业人员又高度重视，比一般的井安全性提高20%30%。4.1.2.3局限性：同其他任何发展中的新技术一样，欠平衡钻井技术不但具有以上优点和技术优势和特点，它也具有一些潜在的需要克服和避免的问题：井眼不稳定；油藏地质要全面了解；维持全过程欠平衡难；限制了MWD的使用；有发生火灾和工具腐蚀的可能性。欠平衡钻井和完井技术在不断提高，新型地面控制装置、旋转防喷器以及连续油管的广泛使用都增加了欠平

32、衡钻井的可靠性。但在自喷下进行钻井和完井，无疑会增添安全和技术方面的问题。在循环流体中注入空气，虽然经济，但也会引起易燃烧和腐蚀方面的问题。一旦出现过平衡或后续作业出现过平衡时，对地层的损害会大于有滤饼的井段。同时在钻井过程中有许多因素会破坏平衡条件，如接单根、换钻头、MWD测井或地质导向时、地面设备故障等。此外，瞬时吸入、磨堵、大孔隙侵入等也会造成欠平衡状态被破坏。4.1.3 欠平衡钻井的技术特征、要点和关键技术4.1.3.1欠平衡钻井的技术特点1、井内钻井液的循环压力低于所钻地层的压力，形成欠平衡状态；2、欠平衡钻井时，所钻地层内的流体进入井内，并随着钻井液一同从井眼内被循环出来，利用井控

33、装置控制井口压力，并对井内环空流体施加一定的回压，以控制地层流体侵入量；3、钻井液、油、气以及岩屑在地面被有效分离，分离后的钻井液可循环使用；4、根据地层压力情况，欠平衡条件可自然产生，也可采用人工方法，地层孔隙压力小于1时一般使用天然气、空气、氮气及泡沫等。综上所述，欠平衡钻井的显著特征是：欠平衡状态，边喷边钻。4.1.3.2欠平衡钻井的技术要点欠平衡钻井地面套管压力变化较快，风险较大。主要技术要求包括：1、套管压力应严格控制在3.5-5.6Mpa以内，一旦套管压力升至7Mpa时必须停钻关井，恢复井内压力至合理欠平衡之后在继续钻进。2、两台泥浆泵一台用于循环钻进，一台接至压井管汇，并使两台泵

34、始终处于完好状态，特别是处于待命状态的泥浆泵必须完好。3、闸板防喷器需配钻杆防喷器芯子、全封芯子、剪切芯子，并严格规定剪切闸板只允许训练有素的技术负责人操作。4、应选择优质高效钻头及优选钻井参数钻进，尽量减少起下钻作业次数。5、对裂缝性油气藏，同一裸眼段中压力系统不一致，既有严重漏失的裂缝或断层，又有相对高压的裂缝和漏层，可以采用“地下井喷”的方式钻进。6、准确测量地层流体的性质、流量等参数，及时掌握相关的地面控制参数。7、欠平衡钻井，完井后一般不电测，采用裸眼或筛管完井。筛管下端必须有倒角，以保护密封旋转头。8、起下钻时应保持井内压力平衡，严格控制起下钻速度，防止抽吸或压力激动。9、下套管作

35、业。(1)下入筛管时，采用“立柱下入法”，即将1根普通套管与下面2根筛管连接起来，并在顶部装一浮箍，以便在下套管发生溢流时快速将筛管下入井内，使套管段处于防喷闸板处关井、压井，如井内正常，则将浮箍卸掉。(2)筛管全部下入以后，下套管和送入管，并在最后1根套管上端安装浮箍。(3)筛管坐封完成后，提出送入管，采用欠平衡将浮箍凡尔钻掉，通井至井底即完井。4.1.3.3欠平衡钻井的关键技术欠平衡钻井是一项复杂技术，该技术钻井液消耗量大，风险大，涉及多项不确定因素。因此，应在钻井作业之前、之中和之后进行综合工程评价，确保获得最大效益。对任何一口进行欠平衡作业的井都应要求地质、油藏、钻井、采油（气）和服务

36、公司等专业人员组成多学科小组协同工作。其关键技术包括：1、欠平衡条件的产生井下欠平衡条件的产生有自然法或是人工法两种：自然法是针对地层压力系数较高，直接采用低密度钻井液，循环系统的压力低于正钻地层的有效孔隙压力，使井底压力自然处于欠平衡状态，也就是所谓的“边喷边钻”。在大多数情况下，需要采用人工方式产生欠平衡条件。在选择钻井液基液时，应综合考虑储层、流体、作业和经济等方面的因素，主要包括储层压力、钻井液基液与注入流体之间的配伍、钻井液基液与储层岩石之间的配伍以及储层岩石湿润性情况。另外，还应考虑钻井液基液本身的一些物理性能，如黏度应较低，无腐蚀性、毒性低和闪点高等。不凝气的选择应以安全性和经济

37、性为准则。常用不凝气包括：（1）空气；（2）氮气；（3）净化的废气；（4）甲烷气。注入方式主要有以下四种：（1）通过钻杆注入不凝气，降低钻杆内外循环介质的密度。（2）通过寄生管注入不凝气。（3）通过同心管柱注入不凝气。（4）连续油管是最理想的注入方法。可确保井下始终处于欠平衡状态。2、维持欠平衡条件钻井水力参数、产出流体性能、多相流特性、储层局部压降幅度和产出流体向井中流入的程度以及一些常规作业（接单根、起下钻等）都是影响欠平衡钻井的因素。为避免欠平衡条件的丧失，应建立水力参数设计模型，随时监测作业参数，及时解决可能出现的问题。欠平衡钻井作业技术复杂，涉及多项不确定因素。而一旦钻开产层，必须确

38、保井下始终处于欠平衡条件，否则它对产层造成的伤害会比过平衡更大。因此在欠平衡钻井全过程中应进行综合工程分析，提供可靠的保障条件，确保获得最大的效益。3、欠平衡钻井的井控技术实施欠平衡钻井作业时，必须控制井口环空压力，确保钻进、起下钻及测井等作业顺利完成；同时对井口施加回压，使地层流体有控制地进入井内并循环出来，因此要保证欠平衡钻井的成功，必须配备配套先进的井控设备，在欠平衡条件下进行井控作业。井控装置主要包括：井口常规防喷器、旋转防喷器、节流压井管汇。旋转防喷器、节流压井管汇是进行欠平衡钻井的必备设备，其可靠的密封及安全操作至关重要。4、地面四相分离系统用其对井内循环出的多相混合流进行分离控制

39、处理，清除钻井液中所侵入的油、气、岩屑，维持钻井液密度及良好性能。5、随钻测量技术采用可压缩钻井液进行欠平衡钻井时，常规测量技术不使用，电磁波随钻测量仪的信号传输是通过地层而不是钻井液，可用于欠平衡钻井。但在高电阻率地层，其信号传输中断。此外，还可采用电缆传输信号的测量方法。但实践证明，这种测量方法会延长作业时间。因此，应优先采用电磁波随钻测量仪。4.1.3.4欠平衡钻井中应注意的问题1、井身结构欠平衡钻井作为一种特殊的工艺，对井身结构也有一定的要求。应重点考虑的问题是井眼尺寸、套管层次。技术套管应尽量下到油层顶部。2、地层情况要求地层钻出的井眼稳定，油气层井段比较集中，欠平衡钻井的裸眼段不宜

40、太长，地层压力层系单一。比较合适的地层有火成岩地层、不易破碎的灰岩地层等。另外地层压力的大小直接影响到钻井施工方案的选取。只有掌握了地层压力，才能有依据地选择井控等有关设备，合理地选择钻井液类型，确定欠压值，制定一系列的施工措施。3、选择钻井液类型在钻井过程中只有产生负压值，才能实现欠平衡钻井。负压值可自然产生，也可通过人工方式来实现。根据不同的地层压力、地层情况及产层情况，通过选择钻井液类型来实现欠平衡钻井。选择钻井液的性能还要满足携砂、保护井眼及有利于油气分离。4、负压值的确定负压值是保证欠平衡钻井成功的重要参数，负压值应从井口装置、套管承压能力、旋转控制头的性能、井眼的稳定性、地面对产出

41、液量分离能力等几个方面进行综合考虑。5、井控系统旋转控制头是欠平衡钻井的核心设备，其结构及性能必须满足工艺要求，除旋转控制头外，作为欠平衡钻井的其它井控设备，也必须保证对每种工况都能做到用两种以上的方法进行控制。4.2欠平衡钻井的主要设备欠平衡钻井所需设备包括旋转控制头、防喷器组、地面封闭循环系统、多相分离系统、钻井资料采集系统等。其中，旋转控制头或旋转防喷器是欠平衡钻井最重要的不可缺少的设备，其它设备及地面设施根据欠平衡钻井方式的不同相应配置。4.2.1常规钻井液进行欠平衡钻井主要设备常规钻井液体系具有很好的流变性，能在欠平衡压力状态受到破坏时抑制钻井液漏失到地层中去。该方式主要适用于地层压

42、力较高的地层，其工艺技术比其他几种相对简单，只要严格设计、遵守安全操作规范，实现边喷边钻目的，既能顺利进行。 欠平衡（泥浆）钻井主要设备、装置列表类型名称型号数量类型名称型号数量1井口装置旋转控制头12井口管汇节流管汇1.1.1. JG-702环行防喷器FH35351压井管汇YG-701双闸板防喷器2FZ35701放喷管线5钻杆75m2钻井四通1燃烧管线10钢管100m单闸板防喷器FZ357013钻具内防喷工具上旋塞f165mm14地面处理设备三相分离器1下旋塞f165mm2真空除气器1投入式止回阀f165mm2锥形罐40m31旁通阀f165mm2循环罐40m34单流阀f165mm4储备罐40

43、m345控制系统远程控制台1撇油罐40m32旋转头控制箱1储油罐40m32节流控制箱17其它自动点火装置1卡箍控制箱1防回火装置16监测系统液面监测仪1防爆系统1液面报警器1离心通风机4硫化氢监测仪4防爆轴流泵5综合录井仪1气体流量计11、旋转控制头旋转控制头（RCH）是欠平衡钻井的必备设备之一。在钻井作业过程中，它在井眼环空与钻柱之间起封隔作用并提供安全有效的压力控制，同时具有将井眼返出流体导离井口的功能。目前常用的是Williams7000型和7100型旋转控制头和Shaffer公司的旋转防喷器。（1）Williams旋转7000型和7100型旋转分流一防喷系统Williams7000型和

44、7100型旋转分流一防喷系统是为压力较高的水平井欠平衡钻井和反循环钻井作业而设计。该装置使用两个橡胶芯子，提高了密封可靠性。该系列可在钻柱起出的情况下更换轴承总成。7000/7100型系统包括：一套经高压测试的旋转控制头；一套动力支持系统；一套远控监测台。（2）Shaffer公司旋转万能防喷器Shaffer公司推出的旋转防喷器（PCWD）一体两用，具备旋转控制头和常规万能防喷器的功能，产品性能特点：1）PCWD为主动式旋转防喷器，在钻井过程中，它可以自动补充密封胶芯的橡胶量，从而保持了良好密封性能。2）液压系统的压力始终大于井筒压力，以保证井筒中的钻井液不会浸入液压系统。3）液压系统的压力可以

45、人为地调节，使设备达到最佳的密封及最小的胶芯磨损状态。4）液压系统压力可以自动调节，使动密封两侧压差最小，从而延长了动密封的使用寿命。5）11通径可使各种钻头及井下工具通过，而不需任何拆装工作。6）密封胶芯可密封住任何截面形状的钻柱（包括四方钻杆）。7）不需要方钻杆驱动器即可正常钻进。8）该旋转防喷器具有常规万能防喷器的性能。9）可以和顶部驱动装置配合使用。10）密封胶芯可开口，更换胶芯时可把钻柱留在井中（节省了换胶芯时间）2、防喷器组及控制系统（1）典型的欠平衡防喷器组是由三个闸板防喷器和一个环形防喷器组成。环形防喷器在井口压力超过旋转控制头工作压力时提供第二道安全屏障，无论井口钻具尺寸和形

46、状如何，环形防喷器都可起到这一作用。具有较高工作压力的钻杆闸板防喷器提供第三道屏障，当井内有钻杆时，可用来阻止井内流体流动。若井内无钻具，全封闸板可作为环形防喷器的后盾，起到屏障作用。最下面的钻杆闸板是最后一道防线，只可在修理或换上方的部件时使用。上述各类防喷器与常规使用的防喷器一样。（2）控制系统防喷器控制系统控制能力应与所控制的防喷器组合相匹配。远程控制台应摆放在钻台侧前方，距井口25m以远，距防喷器管线或压井管线应有一定距离。远控台的电源线、气源线要单独连接。储能器瓶的压力要始终保持在工作压力范围内。旋转控制头控制系统应摆放在钻台侧前方，距井口25m以远，距防喷管线或压井管线应有一定距离

47、。控制系统的电源线要单独连接。3、地面密闭循环系统欠平衡钻井使用的密闭循环系统包括防喷器组上的旋转控制头，流动控制，采样、分离、储存和泥浆泵等所有地表设备。关键组件是旋转防喷器流动管线、节流管汇和样品收集系统，四相分离系统和所有附加设备如火炬管线、天然气火炬装置、产品存储、钻井液存储和泵。（1） 井口管汇节流管汇的压力级别应与防喷器压力级别相匹配，节流管汇一般采用双向等效装置，以便在管汇损坏时能不停产及时更换，减少停产带来的井口高压和其它复杂情况。左侧防喷管线一般作为主防喷管线，管线出口处应围出20m20m1.5m的防喷池（或在两侧防喷管线出口处各围出10m10m1.5m的防喷池），围堤加高围

48、严，防止造成污染。压井管汇为压井作业专用，尽可能采用双翼压井管汇，并配水龙带二根与压井泵连接。（2） 地面处理系统欠平衡钻井专用地面设备主要包括三相分离器一台，真空除气器一台，撇油罐和储油罐各二个，自动点火装置和防回火装置各一台。多相分离系统有多种型号，不同的欠平衡钻井方式采用不同的分离系统。典型的气体分离系统由气体分离器、真空除气器、分离罐、储油罐和火炬等组成，其作用是将返出钻井液流中的油和气分离出来。分离出的气体流向火炬，油进入储存罐，从钻井液气体分离器返出的液流送往密闭罐做最后的分离。4、钻具内防喷系统钻具内防喷系统主要包括以下组成部分：配4.3 欠平衡钻井方式欠平衡钻井的一般方式主要由

49、采用的钻井液不同所划分。分别为常规钻井液钻井、注气钻井、泡沫钻井、雾化钻井以及空气钻井等。根据不同的循环介质，欠平衡钻井设备、钻井工艺、井控工艺都有所不同。4.4.8欠平衡钻井设备欠平衡钻井所需设备包括旋转控制头、防喷器组、地面封闭循环系统、多相分离系统、钻井资料采集系统等。其中，旋转控制头或旋转防喷器是欠平衡钻井最重要的不可缺少的设备，其它设备及地面设施根据欠平衡钻井方式的不同相应配置。4.5欠平衡钻井井控欠平衡钻井井控特点：第一道防喷屏障是旋转防喷装置；钻井过程中，控制地层流体适量进入井筒。只要旋转密封装置（旋转防喷器或控制头）安全可靠地控制井口压力，就能保持正常钻进。4.5.1欠平衡钻井

50、井控技术和对设备的要求根据负压值和油气层最高孔隙压力选择井口设施，包括封井器、节流压井管汇的级别、布置方式、组合形式、除气设备和体外循环系统；按照封井器配套标准，封井器级别应满足井内掏空的要求；特殊工具的配置包括：方钻杆上下旋塞、单流阀和止回阀、旁通阀等；旋转防喷器的级别及胶芯的匹配问题；体外循环系统的安装问题。4.5.2欠平衡钻井存在巨大的风险性，必须执行井控技术措施和安全条例严格执行井控条例，坚持持证上岗制度。坚持坐岗观察制度，及早发现溢流并及时转换到体外循环系统。加强钻井人员的井控知识培训，严格执行井控条例。加强安全知识培训。加强消防设施的设置，包括消防车、消防设备，包括灭火机的配置和数

51、量及放置点。加强消防工作，切实加强井场电器等设备的防爆工作等。提高欠平衡钻井液体系的性能，加强处理维护方法。要求18斜坡钻杆和六方形方钻杆，满足旋转防喷器（旋转控制头）的使用需要。4.6国内外欠平衡钻井现状4.6.1国外欠平衡钻井发展概况及现状近10年来，为了在成熟油气田进一步发展新的储量，油公司特别关注边际油藏、衰竭油藏、低压和多裂缝油藏的开发。能保护油气层的欠平衡钻井技术再次得到重视。在美国，80年代后期到90年代初期，开发的欠平衡钻井专用工具和装备成功地用于现场。在得克萨斯州和路易斯安那州奥斯汀白垩岩地层，运用欠平衡钻井技术，共钻了1800口井，到目前为止，钻井总数已达2500余口，成为

52、欠平衡压力钻井技术最先进的国家。加拿大也有欠平衡压力钻井的全套设备和先进的方法。钻井井数从1992年的30口增加到1995年的330口，1997年打了1500口，在5年内欠平衡钻井总数增长了50倍，使加拿大欠平衡压力钻井技术进入了大发展时期，许多加拿大的执行机构正在计划用欠平衡钻井技术开发整个油气田。美国和加拿大不仅研制了先进的欠平衡钻井设备，而且已发展了一些专门从事欠平衡钻井技术咨询、技术服务的专业化公司，形成了从装备到技术配套比较完善的欠平衡钻井技术。近几年来，将欠平衡钻井技术与水平井技术相结合，被广泛应用于勘探、开发活动中。在加拿大的Weyburn油田，有90多口包括单底井、双底井、四底

53、井，因使用欠平衡钻井技术而提高了产量，同时提高了钻速和增加了钻头进尺。在美国，多侧向分支水平井技术和欠平衡钻井技术相结合进行多层位开发也很成功。美国Austin Chalk的储层，就是采用这种技术，进行边喷边钻、边漏边钻、边钻边完井，钻开一层投产一层，逐层向上移动。目前，欠平衡钻井技术作为能够提高油气产量的一项重要技术，在全球范围内引起石油公司的普遍兴趣。该技术已在世界20多个国家应用，除了欠平衡钻井技术的发源地北美（包括美国和加拿大）以外，英国、墨西哥、南美、西欧、中东、东南亚、澳大利亚等很多国家都成功地应用了欠平衡钻井技术。可以预见，欠平衡钻井技术的应用将稳步增加，并将有逐步代替部分常规钻

54、井的趋势。4.6.2 国内欠平衡钻井技术发展概况及其现状50年代，国内四川、玉门油田曾经应用过空气钻井技术，并取得了良好的效果。从60年代起，四川、新疆、塔里木、辽河和胜利也相继开展欠平衡钻井技术试验，在发现和保护油气藏、提高机械钻速、减少井下复杂等方面都取得明显效果。四川地区早在60-70年代，在当时井控工艺和井控装备条件下，已经比较普遍地开展了欠平衡钻井、边喷边钻和不压井起下钻，具有一定的理论和实践基础，加上对裂缝性油气藏和上部浅气藏认识的加深，具备平衡钻井的条件。80年代末四川石油局钻采院还研制了NQF-800/0.7型钻井用液气分离器，开始在四川气田广泛应用。另外，为适应欠平衡钻井需要

55、，还研制和使用了远距离自动点火及防回火装置等。80年代新疆、青海、辽河等油田进行过用低密度钻井液进行欠平衡钻井的尝试。从90年代中后期开始，新疆、胜利、塔里木、中原、大港等油田陆续引进了美国先进的欠平衡钻井装备和工具，共打了近20口欠平衡井。部分井在勘探和开发中取得了较好的效果。4.6.3 中原油田欠平衡钻井现状中原油田在欠平衡钻井工艺技术上已经积累了十口井的现场经验。其中油田内部四口井，井号为：毛8井、白21井、濮深5井、文古2井。对外油田技术服务有管具工程处为克拉玛依小拐油田服务打成的三口井，为青海油田服务打成的一口井，钻井四公司在新疆油田所钻的二口井。这些井都成功地实现了采用欠平衡钻井技术打开油气层的目的。通过多口井的欠平衡钻井实践，已形成比较完善的欠平衡钻井地面设备配套。同时，也使施工队伍在欠平衡钻井的施工中得到了锻炼。但中原油田的欠平衡钻井技术在许多方面还有待于提高。现有的欠平衡钻井设计、施工，在很大程度上依赖于经验和简单模式的计算，具有盲目性和不可预见性，致使施工安全、经济效益等因素都受到影响。因此，需要开展欠平衡钻井的数值模拟研究，优化各项钻井参数，为欠平衡钻井设计和施工提供科学依据。