欠平衡压力钻井技术一、欠平衡压力钻井的概念欠平衡压力钻井Under Balance Drilling （UBD ）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,p b p p <，0<∆p 。

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。

UBD Pp ＞Pb = Ph + Pa + Pch二、国内外发展概况1、欠平衡压力钻井发展历史欠平衡压力钻井实际上是一种古老的钻井方式，直到1895年旋转钻井产生之前，绳索式顿钻钻井都是用欠平衡方式进行的，在当时技术条件下，利用欠平衡方式诱发井喷是发现油气藏的手段。

欠平衡-----井喷------油气藏从1895至1920这段时间里，旋转钻井是用清水作为循环流体的，为保证钻井安全和井眼清洁，1920年开始使用加有粘土和处理剂的混配钻井液体系，自此，超平衡压力钻井成为常规的钻井方式。

国外从30年代开始发展欠平衡压力钻井技术，当时用空气作为钻井液，钻速提高了2-3倍，同时还避免了许多井漏和卡钻事故。

70-80年代发展了泡沫技术，有效地解决了携岩问题，进一步推进了欠平衡压力钻井技术的发展，但由于成本和安全原因，这项技术在80年代停滞。

80年代末以来，由于专用设备和工具的配套，以及相应技术的发展，欠平衡压力钻井技术才又迅速发展起来。

欠平衡压力钻井技术以美国和加拿大应用为最多，技术和装备最先进，它们大都成立了欠平衡压力钻井服务公司；其次是英国、巴西、委内瑞拉、墨西哥等国也应用了欠平衡压力钻井技术。

我国从近几年也开始研究和应用欠平衡压力钻井技术。

2、国外情况欠平衡压力钻井技术是八十年代后期在美国德克萨斯州奥斯汀白垩系地层钻井时得以迅速发展起来的。

目前美国欠平衡压力钻井的井数已达2500多口。

美国和加拿大具有：（1）先进的欠平衡钻井装备（2）专业技术服务公司（3）配套的欠平衡钻井技术加拿大欠平衡钻井数目图欠平衡压力钻井作为能提高油气产量的一项重要技术，已在世界20多个国家和地区4500多口井上应用。

3、国内情况国内从九十年代中后期,开始引进国外先进的井口控制设备进行探索性试验，主要是胜利、中原、新疆、塔里木等油田，通过试验，取得了一些认识和经验。

胜利油田97年开始引进美国Williams 7100型旋转控制头和地面处理设备,并进行配套，98年开展了两口井的试验,取得了经验。

三、欠平衡压力钻井的优越性1、欠平衡钻井的优点（1）、减轻地层伤害，解放油气层，提高油气井产能。

对于低渗油气藏，压力衰竭的油气藏，这一优势更为突出。

（2）、有利于识别评价油气藏。

钻进过程中井内泥浆柱的压力低于地层孔隙压力，允许地层流体进入井内，这有利于识别和准确评价油气藏。

（3）、明显提高机械钻速。

欠平衡压力钻井比超平衡压力钻井井底岩石容易破碎，而且井底易清洗，机械钻速大幅度提高，同时减轻了钻头磨损，提高钻头的使用寿命。

（4）、减少或避免压差卡钻和井漏事故的发生。

（5）、减少完井后地层改造的费用（如酸化压裂等）。

（6）、节约钻井时间，降低钻井费用。

在水平井钻井中，产层裸露的面积大，时间长，地层伤害的可能性高，伤害程度也严重，而合理地运用欠平衡钻井技术，可以克服这些问题。

2、欠平衡压力钻井的缺点：（1）存在井眼不稳定的可能性；（2）有潜在的更大的风险；（3）钻柱的扭矩和摩阻增加；（4）钻井设备复杂；（5）需要更多的操作人员。

水平井技术+欠平衡技术是最有效的油田开发技术。

四、欠平衡压力钻井的适用条件1、适用的地层（1）、硬地层（固结砂岩和碳酸岩油气藏）；（2）、裂缝性油气藏；（3）、致密性（低孔低渗）油气藏；（4）、压力衰竭的低压油气藏；（5）、水敏性强的地层。

2、不适用的地层（1）、胶结疏松的地层；（2）、塑性大、易蠕动的盐岩层；（3）、不稳定页岩地层；（4）、高压酸性气井。

3欠平衡压力钻井应用的局限性欠平衡压力钻井的应用在技术和安全上有一定的局限性（1）高压高渗透的深井（井控和安全原因）；（2）出水量大的地层；（3）高产油气井；（4）环空压降高的小井眼井；（5）含多套压力体系的井。

经验证明，只有针对合适的地层制定欠平衡压力钻井计划，才能获得理想的技术经济效益。

在制定欠平衡压力钻井计划之前，要了解地层的一些特性参数，如下：1、确定地层孔隙度、渗透率和孔隙喉道尺寸分布。

2、确定是否存在孔洞和裂缝。

3、确定地层中是否存在敏感性矿物（如膨胀性粘土）4、确定地层流体的饱和度。

5、确定地层的润湿性（亲油性和亲水性）。

五、欠平衡压力钻井的关键技术（1）压差的合理确定(地层条件)（2）井筒内压力分布特征及计算（3）欠平衡条件的产生（4）欠平衡钻井的井控技术（5）产出流体的地面处理技术（一)合理压差的确定压差确定的基本依据：◆地层孔隙压力；◆井壁稳定性；◆地层流体的流动特性；◆对地层流体的地面处理与控制能力。

压差的大小与井底压力和地层压力有关，当地层压力一定时，仅与井底压力有关，所以有效地控制井底压力，就能保持压差的稳定。

（二）欠平衡压力钻井井筒内压力特征及计算环空流体是多相流（固相、气相、油、水等），多相流的水力计算是一个复杂的课题。

气体在井筒内运移或随钻井液一起上返，其形态是井深的函数。

1、井筒内压力分布特征欠平衡压力钻井井筒内流体一般为多相流体系，压力分布比较复杂，然而弄清井筒内压力分布特性，并进行精确的计算，对于欠平衡压力钻井的设计与施工至关重要。

对井筒内的压力，所关心的参数主要是井底压差，保持压差的稳定是实施欠平衡压力钻井的关键。

2、影响井底压力稳定性的因素（1）地面设备的工作状态（例如注气设备、泥浆泵的工作状态）；（2）接单根（此时要停止注气，停止循环）；（3）起下钻（起钻前要加重泥浆，起下钻时产生压力波动）；（4）地层流体产出状态（流体类型、产液速度、气液比）；（5）岩屑产量、形状、尺寸；（6）井底清洗效果；（7）局部地层压力亏空效应；（8）井眼的几何形状，钻柱的几何尺寸。

3、井底压力计算由井底压力的影响因素可知，欠平衡压力钻井的井底压力计算是一项相当复杂的工作，难以精确地计算，但这又是欠平衡压力钻井设计与施工的一项关键工作，必须想办法尽量进行较精确的计算。

为解决这个问题，国内、外发展了欠平衡压力钻井井底压力的稳态和非稳态（即动态）模拟计算软件，这为欠平衡压力钻井施工前对大量可供选择的设计进行评价优选提供了方便的手段。

（1）、稳态模拟井眼内的流体系统按两相流体系，并作如下假设加以简化：★忽略岩屑在泥浆中的滑脱，岩屑的返速与环空中流体的返速相同；★偶有过平衡状态，也无流体向地层漏失；★整个系统按牛顿流体（实际为非牛顿流体）；★地层流体均匀进入井内；★气层不含流体，计算只涉及天然气的密度、粘度和溶度。

计算方法：把组成流体通道的环空和钻杆分成整个结构的一系列单元，每个单元的几何尺寸有长度、深度、斜度和直径，环空结构用偏心圆代表。

每个单元的计算结果迭加，即得井底压力。

（2）、动态模拟在欠平衡压力钻井施工过程中，很多情况会引起压力波动，井筒内的流体不可能或很难形成稳定流，井底压力也是波动的，例如图3-4 为现场记录的井底压力随时间的变化情况。

在这种情况下井筒内的流体被视为动态的非线性两相流或多相流系统。

井底压力 BHP （Bottom Hole Pressure ）可用下式表示：as acc a P P P P BHP +++=h式中 h P —— 静液压力；a P —— 循环压降；acc P —— 流体加速压力；as P —— 井口回压。

以上四项压力都是动态的，决定于时间和系统的状态。

若给系统一个干扰，例如改变气体或流体的流速，所有项压力都会相应改变，换言之，干扰会导致系统的不稳定性。

下面分析一下式中每项压力的制约因素：h P 是气液体系平均密度的函数，其中气体的密度又是压力和温度的函数；a P 与环空流体的密度、粘度、上返速度和井壁摩擦系数等有关；acc P 是由流体突然加速引起的；as P 决定于地面回压阀的控制、气体和液体的速度及地面管汇情况。

在分析井底压力动态特性的基础上，要建立合理的动态压力的计算模型，如果对井底的动态压力描述不准确，控制不合理，将得不到预期的效果。

动态模拟的计算也类似于稳态模拟，用单元分割法。

（3）、把动态压力效应减至最小的措施综上所述，欠平衡压力钻井井底动态压力的影响因素可归结为两个方面，一是客观的井眼内非线性两相流（或多相流）体系的特性；二是人为的正常作业造成的对系统的干扰。

对客观因素可以通过分析，采取必要的人为措施，使流体的压力波动减至最小；对于人为因素可通过制定合理的操作程序和加强人员的操作技术培训来解决。

在UBD作业中，有不少作业要求经常中断井眼内的非线性多相流系统，例如起下钻、接单根、改变注气速度、测试及其它测量作业等，如果采取必要的、合理的措施，可使井底压力的波动减至最小，使之稳定在平均值附近，并且大部分的扰动会快速地消失。

在UBD作业中接单根和起下钻是两个最频繁的作业，应特别注意。

A、接单根接单根过程中造成压力波动的主要原因是停止循环失去循环摩擦，造成地层流体的产出增加，另一方面是系统中的流体分离。

失去的摩擦压降可通过增加井口的回压而得到补偿。

系统中流体的分离是时间的函数，为把其减到最小，一是减少接单根的时间，二是在钻具上安装浮阀，这样也可减少停止循环期间的流体分离。

使用顶部驱动装置也可以减少接单根的次数。

B、起下钻欠平衡压力钻井起下钻时常用静液压力把井压住，采用的液体最好是油层部位的自然流体，这样对地层的伤害最小。

另外起下钻时要控制起下钻速度，把动态效应减到最低限度。

（三）欠平衡条件的产生欠平衡条件是指负压差，产生负压差有两种方法：1、用常规钻井液密度，边喷边钻这种方法适用于孔隙压力较高的地层，用常规钻井液，使循环液柱的压力低于地层孔隙压力，自然处于欠平衡状态。

2、人工诱导产生欠平衡条件人工方式产生欠平衡条件有两种方法：（1）直接采用低密度钻井液，如气化的水基或油基钻井液，气雾或泡沫钻井液等。

（2）向钻井液基液中注入一种或多种非凝气，以降低钻井液基液密度。

非凝气的选择应以安全和经济为原则。

以下对常用的非凝气和注气方法作简单介绍。

常用的非凝气有：1、空气空气的应用有局限性，不适用于油水产量大的水平钻井；二是风险大，可能造成井下着火或地面爆炸，使用时要加一定量的惰性气体。

2、液氮液氮具有惰性和易获取的特点，是欠平衡压力钻井常用的流体。

3、现场产氮气在现场用压气机和产氮设备，用过滤器把氮气和压缩气体分开，然后对氮气增压，注入井内。

4、净化废气压缩机和原动机排出的废气经有效的过滤后可作为惰性气体注入井中。

5、甲烷气甲烷气与产层中的油气相容性较好，又无腐蚀问题，是一种较理想的气体。