欠平衡鉆水平井技術對策及應用

伊 明 許書謙 李隨軍

1.中國石油西部鉆探工程有限公司 鉆井工藝研究院 （新疆 克拉瑪依 834000）

2.中國石油西部鉆探工程有限公司 國際合作處 （新疆 魯烏木齊 830026）

欠平衡鉆水平井技術對策及應用

伊 明1許書謙1李隨軍2

1.中國石油西部鉆探工程有限公司 鉆井工藝研究院 （新疆 克拉瑪依 834000）

2.中國石油西部鉆探工程有限公司 國際合作處 （新疆 魯烏木齊 830026）

通過分析欠平衡鉆井與水平井鉆井結合難點，提出了利用常規(guī)技術鉆欠平衡水平井的工藝方法。并對欠平衡鉆水平井技術工藝的關鍵技術進行了闡述。例舉了新疆油田利用欠平衡鉆水平井工藝技術完成的2口井的鉆井實踐，對開展欠平衡水平井鉆井在油田的應用提出了幾個方面的建議。

欠平衡鉆水平井 井身結構設計 環(huán)空注氣 壓力控制 軌跡控制

欠平衡鉆水平井是水平井水平段的鉆進過程中，通過人工或自然的方法，降低井筒壓力，并將其控制在小于地層孔隙壓力，大于坍塌壓力的某一合適范圍內(nèi)。從而將水平井解放油氣藏與欠平衡鉆井保護油氣藏工藝有機地結合起來的一項工藝技術。

該工藝適合于儲層具備利用水平井開發(fā)的條件，但采用常規(guī)技術無法實現(xiàn)油氣層保護的敏感性儲層。開發(fā)這種類型的油藏，如僅引用欠平衡鉆井技術，雖然可實現(xiàn)對油氣層的保護，但無法避免直井筒存在的暴露于油藏面積小、底水錐進快，鉆遇裂縫幾率小的固有缺點。同樣，若僅采用水平井技術開發(fā)，由于過平衡作用導致的水平段油層污染同樣會對油井產(chǎn)量的提高產(chǎn)生影響。而在一口井上同時使用上述2項工藝技術，則可克服在上述地層鉆井，單獨采用一項工藝開發(fā)油藏存在的潛在缺陷。

1 欠平衡水平井的分類

欠平衡水平井特指造斜段由常規(guī)水平井工藝完成，僅在水平段鉆進過程中引入欠平衡的工藝技術。與常規(guī)欠平衡鉆井須滿足的條件相同，欠平衡鉆水平井，同樣要求實際鉆井過程中，井筒內(nèi)鉆井液重量作用于井底的壓力（Pm）應小于地層孔隙壓力（Pp）與鉆井液循環(huán)壓力Pa兩者之間的差值。即循環(huán)過程中，井底壓力與地層壓力之間滿足P井底＜P地層的基本條件。

根據(jù)滿足水平段欠平衡鉆井壓力條件要求所采用的鉆井循環(huán)介質(zhì)種類，可將欠平衡水平井劃分為泥漿欠平衡水平井，泡沫泥漿水平井，環(huán)空充氣欠平衡水平井幾大類型。

空氣、霧化鉆井液欠平衡鉆井與水平井鉆井結合具有一定困難。主要原因是,這些介質(zhì)懸浮性較差,將其引入水平段鉆進會引起嚴重的井下凈化問題。

泥漿欠平衡水平井主要適用于地層孔隙壓力系數(shù)大于正常壓力梯度的地層 （一般要求地層壓力系數(shù)大于1.08）。地層壓力系數(shù)在0.8～1.08范圍內(nèi)選擇環(huán)空充氣欠平衡鉆水平井工藝。地層壓力系數(shù)在0.8以下選擇泡沫欠平衡鉆水平井工藝。

2 欠平衡鉆井與水平井鉆井結合技術難點分析

2.1 水平段軌跡控制的難度增加

欠平衡水平井鉆井最大的難點來自于非剛性泥漿流體引入水平段鉆進帶來的軌跡控制難度的增加。其主要原因是，在壓力系數(shù)低于正常值的地層，若采用常規(guī)欠平衡工藝的方法，直接將低密度具有可壓縮性的流體由鉆具注入井底，將造成（用于實現(xiàn)水平井鉆井軌跡主動控制的）井下工具、儀器的異常。

2.2 對常規(guī)螺桿鉆具正常工作產(chǎn)生影響

充氣泥漿對螺桿鉆具工作性能會產(chǎn)生很大影響，圖1是某型螺桿鉆具工作特性隨氣量增加，液量減小變化的曲線：

圖1 充氣鉆井液對螺桿馬達性能的影響

從圖1可見，螺桿鉆具最大輸出扭矩隨液相流量的減小而顯著降低。這就預示著常規(guī)馬達直接應用于充氣鉆井液存在動力不足的問題。

2.3 對常規(guī)泥漿脈沖MWD的正常工作產(chǎn)生影響

泥漿脈沖MWD測量的關鍵環(huán)節(jié)是所采用的循環(huán)介質(zhì)應能保證由井下脈沖發(fā)生器運動產(chǎn)生的壓力波上傳到井口的強度。不幸的是，充氣泥漿、泡沫等介質(zhì)應用于該系統(tǒng)不能保證壓力波上傳的強度，造成實時測量困難。

2.4 對鉆具的造斜性能產(chǎn)生影響

鉆具的造斜性能與許多因素有關，其可劃分為可控、不可控2種因素。軌跡控制的可控因素是指鉆具組合、鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)；不可控因素則是指地層各向異性指數(shù)、地層傾角等參數(shù)。

欠平衡水平井，在無法實現(xiàn)井眼實時測量、軌跡主動控制調(diào)整的限定條件下。用轉(zhuǎn)盤鉆的方式鉆進，我們總是希望不可控因素對鉆具造斜特性的影響越小越好。這樣我們就可以通過調(diào)整可控參數(shù)的方式，較容易地實現(xiàn)水平段的鉆進。但從目前幾口欠平衡水平井鉆具表現(xiàn)出的特性來看，欠平衡對鉆具的造斜特性的影響具有放大作用。造成水平段鉆進軌跡控制的難度增加。

2.5 保持全水平段欠平衡作業(yè)的難度增加

與常規(guī)欠平衡井相比進行壓力控制的井段較短。欠平衡水平井由于水平延伸段的存在，鉆井周期將相對延長。在水平段負壓差鉆井過程中，進入井筒的地層流體量增加。若地層含氣量豐富，將會造成井筒壓力較大范圍的波動，增加地面處理設備的工作量以及壓力控制的難度。

3 實現(xiàn)欠平衡鉆井與水平井鉆井有機結合的方法

3.1 進行合理的井身結構設計

合理的欠平衡鉆水平井井身結構設計是保證欠平衡水平井水平段安全鉆進的重要保證。由于水平段以上井眼采用常規(guī)過平衡的方法完成。原則上既不能把井壓漏，也不能失去壓力控制導致井噴。除非有異常復雜地層，一般下入套管封隔地層的原則是，待下入套管深度地層的孔隙壓力梯度不應超過上一級套管鞋處地層的破裂壓力梯度。

在實施欠平衡鉆井作業(yè)的下部井段，是否下入套管的判斷準則是：在保證儲層段欠平衡的井筒壓力梯度條件下，井眼是否安全（主要應以地層坍塌壓力為參考）以及井身結構能否為實現(xiàn)水平段井眼軌跡的可控鉆進提供保證，是欠平衡水平井在井身結構的設計過程中區(qū)別于常規(guī)水平井井身結構的重要內(nèi)容。

實際欠平衡水平井鉆井，上部造斜段完成后若不下入技套進行封隔，將無法避免水平段欠平衡鉆進過程中必然存在的井筒壓力的波動對上部壓力敏感地層穩(wěn)定性的影響。因此，欠平衡鉆水平井，一般建議將技術套管下至造斜段終點。

3.2 對壓力系數(shù)處于0.8～1.08的地層，采用環(huán)空注氣工藝

環(huán)空注氣工藝的原理是在需要欠平衡保護的水平井延伸段鉆進之前，在內(nèi)層套管與鉆桿之間增加一層臨時懸掛的套管。在水平段鉆進過程中，鉆桿內(nèi)注入純液體，氣體由內(nèi)層套管與懸掛套管之間的環(huán)空注入。氣體自進入環(huán)空后，即與鉆井液混合。通過減小充氣段鉆井液作用于井底壓力的原理來實現(xiàn)整個井筒段壓力小于地層孔隙壓力的目的。

其突出優(yōu)點在于，既利用了充氣液具有降低環(huán)空液柱壓力的優(yōu)勢，同時又保證了泥漿脈沖MWD和井下動力鉆具完全工作于不含氣的介質(zhì)。

4 環(huán)空充氣欠平衡鉆水平井適用地層的壓力范圍分析

環(huán)空注氣欠平衡水平井工藝,由于受欠平衡鉆井設備額定注入壓力、排量、氣液比等客觀因素的限制,導致該工藝適用的范圍限定在一個較小的油藏深度及壓力梯度區(qū)間之內(nèi)。制約環(huán)空注氣工藝適用于油藏深度以及壓力梯度的主要因素有以下2點。

4.1 由增壓機能力決定的注氣點深度

一般而言，在氣液比一定的條件下，增加環(huán)空注氣點的深度有助于降低整個鉆井液柱作用于井底的壓力。

通過注氣管柱向井內(nèi)注氣，其所要求的條件是地面增壓設備在注入管柱端口處提供的壓力必須大于環(huán)空內(nèi)泥漿液柱作用于注入點處的壓力。否則氣體將無法進入鉆具與附加管兩者之間構成的環(huán)空。

根據(jù)新疆油田目前具備的PHE-2型增壓機所能提供的最大排氣壓力 14.0MPa、最大排氣量 25 m3/min的設備條件，計算獲得即使采用1.05g/cm3的泥漿密度，最大注氣點深度應不超過1 200m。

4.2 氣液比

氣液比指的是在地面標準溫度、壓力下，注入井內(nèi)的氣體量與液體量兩者之間的比值。理論分析及設計表明氣液比在11:1～30:1時，充氣泥漿在環(huán)空主要以氣泡流和段塞流2種流型出現(xiàn)，鉆屑一般大都保持在液相之中，此時的流型對攜屑比較有利。

氣液比的選擇同時應考慮氣液兩相流流動循環(huán)壓耗隨氣液比變化的規(guī)律。典型的氣液兩相流井筒壓力變化曲線如圖2所示。

圖2 井筒壓力隨注氣量變化的關系曲線（注液量為10L/s)

從圖2可見，氣液兩相流動井筒壓力降低的幅值隨氣液比的增加存在一個極限。在靜液壓力主控區(qū)，井筒壓力隨注氣量的增大而逐漸降低，且其降低的幅度隨氣液比的增加而逐漸減小。當氣液比增加到一定值后，井筒壓力則主要受控于摩阻壓力。此時，增加氣液比非但不能降低井筒壓力，反而會造成井筒壓力的迅速增加。

顯然，不考慮氣液兩相流循環(huán)摩阻隨注氣量的變化，一味增加氣液比，以降低井筒壓力的概念是錯誤的。

根據(jù)XHP900/350型空壓機具備的最大排氣能力25m3/min，以及Ф149.2mm井眼鉆進所要求的液相排量，采用如下計算條件：注氣點深度1 200m ；液量14L/s；環(huán)空注氣段管柱內(nèi)徑Ф154mm；鉆桿外徑Ф88.8mm；氣量25L/s；井口控制回壓量0.5MPa。

獲得可能的最大注氣點處的井筒壓力降低值約3.83MPa。

根據(jù)壓力平衡的有關原理，可得環(huán)空注氣欠平衡鉆井可適用的油藏范圍（式1）：

式中 ρ當量—油藏壓力當量密度；

H′—油藏埋深距離注氣點深度的垂直距離,m；

利用（1）式可得環(huán)空充氣欠平衡鉆井適用的油藏壓力梯度隨埋深變化的關系。

5 欠平衡鉆水平井的關鍵技術

5.1 壓力控制

壓力控制的目的是保持欠平衡鉆井過程中的井筒壓力在地層孔隙壓力與地層坍塌壓力之間。這樣，才能在保證水平段鉆進安全的前提下實現(xiàn)對近井周圍地層的保護。

在鉆井過程中，將井筒壓力控制在地層孔隙壓力與坍塌壓力是一項既需要理論計算，又需要相應設備支持的綜合工藝。按照以上思路進行井筒壓力控制的技術關鍵是：

（1）確定的目標負壓差值是否合理。水平井鉆井，所選取的負壓差是一個需要綜合考慮多項因素，謹慎選取的值。考慮到多項因素的影響，建議采用負壓差作為待控制目標負壓差值是否合理的標準。

（2）以目標井筒壓力為基準，計算獲得的相關參數(shù)是否準確。實現(xiàn)井筒壓力控制相關參數(shù)的確定采用多相流計算軟件來完成，提高計算參數(shù)精度的關鍵是參數(shù)計算模型應盡量考慮到不同壓力下氣液兩相流流態(tài)變化對循環(huán)壓耗產(chǎn)生的影響。

（3）須控制的參數(shù)，工程能否實現(xiàn)準確控制。獲得需要控制的目標參數(shù)后，工程上為保證實際鉆井過程中相關參數(shù)的準確，需要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來配合。根據(jù)欠平衡鉆井井筒壓力控制的要求，目前系統(tǒng)具備采集欠平衡鉆井井筒壓力控制所要求的套管壓力、立管壓力、入口液相流量、入口氣相流量、入口密度、出口液相流量、出口氣相流量、組分構成、密度等參數(shù)。

（4）水平段軌跡的控制。欠平衡水平井，軌跡控制的中心思想是：在保證水平段井眼在靶區(qū)內(nèi)運行的前提下，盡量減小因軌跡控制問題導致的起下鉆作業(yè)。因為目前的條件僅能在鉆進過程中保持井筒壓力小于地層壓力，起下鉆需要壓井。過多的起下鉆難免對近井周圍地層產(chǎn)生傷害，導致在鉆井過程中的欠平衡保護失去意義。

實現(xiàn)這一目標的前提是在水平段鉆進之前，盡可能地掌握欠平衡因素帶來的鉆具造斜能力的變化。

目前的研究認為，井筒由平衡、過平衡狀態(tài)變化到欠平衡狀態(tài)，控制鉆具造斜能力的因素會發(fā)生以下3個方面的變化：①因作用于底部鉆頭處的鉆壓變化而導致的鉆頭轉(zhuǎn)角、側向力發(fā)生變化；②底部鉆具所受的橫向載荷的變化而造成的鉆頭側向力、轉(zhuǎn)角的變化；③因作用在井底巖石上的壓力變化而導致的待鉆地層可鉆性異性指數(shù)的變化。

通過鉆頭與鉆頭作用的模型，建立了評價鉆具造斜能力變化的Zp指數(shù)評價方法。

為鉆壓、側向力、鉆頭轉(zhuǎn)角的函數(shù)，其值可表示為：

其中，α表示鉆頭處井斜角，β表示地層傾角，Aa為鉆頭相對于井眼軸線的轉(zhuǎn)角。

Zp值是評價底部鉆具造斜能力的指數(shù)，Zp值在原值基礎上增加（減小），對增斜鉆具組合，表征為造斜能力的增加（減?。?，對降斜鉆具組合，表征為降斜能力的減?。ㄔ黾樱籞p值在原值基礎上不變，表明鉆具的造斜能力不發(fā)生變化。

對井筒壓力變化條件下鉆具造斜特性的變化，可通過以上流程，試算不同井筒壓力條件下的Zp值，以此做為鉆具結構或鉆進參數(shù)調(diào)整的依據(jù)。

通過Zp值的分析計算，得出了欠平衡對不同結構鉆具組合造斜特性的影響規(guī)律：

5.2 轉(zhuǎn)盤鉆降斜鉆具組合

轉(zhuǎn)盤鉆降斜鉆具組合的結構如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)盤鉆降斜鉆具組合結構

Zp值隨井筒壓力降斜而降低的規(guī)律表征，對降斜鉆具組合，減小井筒壓力將導致鉆具降斜能力的增加。原降斜能力強的鉆具組合，井筒壓力變化對其降斜能力的影響也大。

5.3 轉(zhuǎn)盤鉆增斜鉆具組合

轉(zhuǎn)盤鉆增斜鉆具組合典型的結構如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)盤鉆增斜鉆具結構圖

轉(zhuǎn)盤鉆降斜鉆具組合Zp值隨井筒壓力降斜而增加的規(guī)律表征，減小井筒壓力將導致鉆具降斜能力的增加。增斜能力不同的鉆具組合Zp值變化曲線表明，原增斜能力強的鉆具組合，井筒壓力變化對其影響也大。

5.4 轉(zhuǎn)盤鉆穩(wěn)斜鉆具組合

轉(zhuǎn)盤鉆穩(wěn)斜鉆具組合典型的結構如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)盤鉆穩(wěn)斜鉆具組合結構

穩(wěn)斜鉆具組合在鉆頭處產(chǎn)生的側向力、轉(zhuǎn)角來自于扶正器以前鉆具的橫向載荷作用以及扶正器以后鉆具在軸向力作用下的變形。

由于這兩個作用對鉆頭的影響互為相反，井筒壓力的變化對鉆具的穩(wěn)斜效果影響不大。

在掌握必要的井筒壓力對鉆具造斜特性影響的基礎上，采用以下強化措施可以保證水平段的快速鉆進：①泥漿欠平衡水平段的鉆進過程中，優(yōu)先使用優(yōu)質(zhì)PDC鉆頭+螺桿動力鉆具組合，減少因鉆頭原因或軌跡控制原因?qū)е碌钠鹣裸@次數(shù)的增加；②加強地質(zhì)預報的準確研究，盡量減少實際鉆井過程中出現(xiàn)的由于地質(zhì)目標的變更導致的軌跡調(diào)整；③加強已鉆井資料的收集，統(tǒng)計出各種鉆進工況條件下鉆具的造斜規(guī)律，并將其引入到待鉆井段鉆具組合的設計輸入中，以減少入井鉆具選擇的盲目性。

6 欠平衡鉆水平井工藝技術現(xiàn)場應用

6.1 克拉瑪依油田KHW801泥漿欠平衡水平井

克拉瑪依油田克80井區(qū)二疊系風一段屬裂縫發(fā)育儲層，油層簿。地層壓力系數(shù)高、滲透率低。鉆直井風險大，已鉆井的測試表明，鉆井對近井周圍地層傷害嚴重。因此,用欠平衡水平井開發(fā)具有實際意義。

該井烏爾禾組中下部泥巖地層易發(fā)生縮徑，已鉆直井泥漿密度降至1.28g/cm3即發(fā)生井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象。為避免水平段欠平衡鉆進可能帶來的上部井眼段的井壁穩(wěn)定問題。

6.2 合理負壓差的確定方法應用情況

該井約500m水平段軌跡主要采用PDC鉆頭配合螺桿鉆具的控制方式完成。鉆井過程中，根據(jù)鉆井實時情況，將泥漿密度從最初的1.19g/cm3逐漸降低到1.07g/cm3，井眼未發(fā)生任何不穩(wěn)定現(xiàn)象，有力地證明了負壓差選取程序應用于水平井的合理性。該井鉆進至4 447m,有少量地層流體進入井筒,計算數(shù)據(jù)結合該井采油指數(shù)曲線表明，鉆井過程中實鉆井筒壓力始終保持在小于地層孔隙壓力約2MPa左右的范圍內(nèi),有力地實現(xiàn)了對近井周圍地層的保護。

6.3 Zp值判別方法在KHW801井的實際應用情況

6.3.1 增斜鉆具組合

克801水平井，鉆進至水平段井深4 354m，因軌跡控制的需要，下入扶正器增斜鉆具組合。根據(jù)泥漿密度（1.15g/cm3）確定的井筒壓力值，結合地層條件，計算獲得Zp值為0.21>0，實際4 354～4 439m，鉆具的造斜率為0.65°/30m。

水平段鉆進至4 493m，因軌跡控制的需要，要求入井鉆具的造斜率在0.9°/30m比較合適。同套鉆具組合，保持其它參數(shù)不變，結合新的泥漿密度（1.07g/cm3）確定的井筒壓力，計算獲得 Zp值為0.29。依據(jù)Zp值判斷，鉆具可滿足軌跡控制的要求。

鉆具入井后，鉆進至4 545m，統(tǒng)計實鉆造斜率0.87°/30m，與預測值非常接近。

6.3.2 降斜組合

該井鉆進至4 536m，泥漿密度1.07g/cm3。因井斜過大（93°），垂深（4 093.9m）小于地質(zhì)所要求的垂深（甲方要求控制在4 095.8m左右），需要-2.0°/30m的造斜率鉆進80m以調(diào)整軌跡。通過對比在1.18 g/cm3泥漿密度下4m短鉆鋌扶正器鉆具組合Zp值(-0.22)與 1.09g/cm3當量密度下 Zp值(-0.27)，結合在1.18g/cm3泥漿密度下該鉆具組合的實際降斜率-1.64。判斷下入4m短鉆鋌扶正器鉆具組合可以滿足要求。

實際鉆具入井，在4 536～4 577m的實際造斜率為-1.88°/30m。4 577～4 613m，錄井提示全烴含量上升至0.02%(20 000ppm)，折算井底當量密度相對降低2MPa，機械鉆速由1.5m/h提高到2.3m/h，實際鉆具的降斜率為-2.03°/30m。預測與實鉆結果取得了非常好的吻合性。

7 結論及建議

（1）從新疆油田KHW801泥漿欠平衡鉆井完成后，測試顯示的效果來看。欠平衡鉆水平井綜合了保護油氣藏與解放油氣藏提高開發(fā)效果的技術優(yōu)勢，是經(jīng)濟、高效開發(fā)具有低壓、底水、厚度較簿、高傾角裂縫與溶洞等油藏的極具潛力的工藝方法。

（2）欠平衡鉆水平井方式與待鉆地層孔隙壓力梯度有關?；旧鲜牵谳^高壓力地層利用輕泥漿做為循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆水平井的方法需要的輔助設備最少，成本也最低。因此，這種條件下的欠平衡水平井鉆井利于在油田的推廣與應用。

（3）環(huán)空注氣工藝由于同時滿足了在低壓地層鉆欠平衡水平井所必須的井眼軌跡可定向控制與儲層鉆進井筒壓力小于地層壓力兩大基本條件。因此是低壓力梯度儲層實現(xiàn)欠平衡鉆井與水平井鉆井結合應努力發(fā)展的方向。

（4）欠平衡鉆水平井軌跡控制的風險遠大于常規(guī)水平井。為避免軌跡控制的失敗，加強油藏構造研究與欠平衡條件下鉆具造斜特性的研究很有必要。

（5）綜觀國內(nèi)目前欠平衡水平井鉆井工藝水平，與國外存在較大的差距。國外已初步開發(fā)成功了泡沫螺桿與電磁波MWD，基本解決了軌跡控制受鉆井介質(zhì)影響的問題，從而上升到了一個較高的水平。因此，應加快國內(nèi)自主開發(fā)欠平衡水平井鉆井配套工具的研究與引進，縮短與發(fā)達國家在此研究領域的差距。

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[5]熊繼有,譯(SPE37066).用常規(guī)鉆柱鉆欠平衡井的復雜問題[J].國外鉆井技術.1998(4).

Based on the analysis of combining difficult points between underbalance drilling and horizontal drilling,the technical methods of applying regular methods to the drilling of underbalance horizontal wells are put forward.Then,an explanation is carried out on the key part of underbalance drilling technology for horizontal wells.Xinjiang oilfields is taken for example,which has finished the drilling of two wells by the use of underbalance drilling technology for horizontal wells.At last,several aspects of suggestions are presented aiming at the application of underbalance drilling technology for horizontal wells to the oilfields.

underbalance drilling technology for horizontal wells;design of well body structure;annulus gas injection;pressure control;track control

伊明(1972-)，男，1996年畢業(yè)于石油大學（華東）石油工程學院，現(xiàn)主要從事現(xiàn)場技術服務工作。

尉立崗

2011-05-23