欠平衡钻水平井技术对策及应用

伊 明 许书谦 李随军

1.中国石油西部钻探工程有限公司 钻井工艺研究院 （新疆 克拉玛依 834000）

2.中国石油西部钻探工程有限公司 国际合作处 （新疆 鲁乌木齐 830026）

欠平衡钻水平井技术对策及应用

伊 明1许书谦1李随军2

1.中国石油西部钻探工程有限公司 钻井工艺研究院 （新疆 克拉玛依 834000）

2.中国石油西部钻探工程有限公司 国际合作处 （新疆 鲁乌木齐 830026）

通过分析欠平衡钻井与水平井钻井结合难点，提出了利用常规技术钻欠平衡水平井的工艺方法。并对欠平衡钻水平井技术工艺的关键技术进行了阐述。例举了新疆油田利用欠平衡钻水平井工艺技术完成的2口井的钻井实践，对开展欠平衡水平井钻井在油田的应用提出了几个方面的建议。

欠平衡钻水平井 井身结构设计 环空注气 压力控制 轨迹控制

欠平衡钻水平井是水平井水平段的钻进过程中，通过人工或自然的方法，降低井筒压力，并将其控制在小于地层孔隙压力，大于坍塌压力的某一合适范围内。从而将水平井解放油气藏与欠平衡钻井保护油气藏工艺有机地结合起来的一项工艺技术。

该工艺适合于储层具备利用水平井开发的条件，但采用常规技术无法实现油气层保护的敏感性储层。开发这种类型的油藏，如仅引用欠平衡钻井技术，虽然可实现对油气层的保护，但无法避免直井筒存在的暴露于油藏面积小、底水锥进快，钻遇裂缝几率小的固有缺点。同样，若仅采用水平井技术开发，由于过平衡作用导致的水平段油层污染同样会对油井产量的提高产生影响。而在一口井上同时使用上述2项工艺技术，则可克服在上述地层钻井，单独采用一项工艺开发油藏存在的潜在缺陷。

1 欠平衡水平井的分类

欠平衡水平井特指造斜段由常规水平井工艺完成，仅在水平段钻进过程中引入欠平衡的工艺技术。与常规欠平衡钻井须满足的条件相同，欠平衡钻水平井，同样要求实际钻井过程中，井筒内钻井液重量作用于井底的压力（Pm）应小于地层孔隙压力（Pp）与钻井液循环压力Pa两者之间的差值。即循环过程中，井底压力与地层压力之间满足P井底＜P地层的基本条件。

根据满足水平段欠平衡钻井压力条件要求所采用的钻井循环介质种类，可将欠平衡水平井划分为泥浆欠平衡水平井，泡沫泥浆水平井，环空充气欠平衡水平井几大类型。

空气、雾化钻井液欠平衡钻井与水平井钻井结合具有一定困难。主要原因是,这些介质悬浮性较差,将其引入水平段钻进会引起严重的井下净化问题。

泥浆欠平衡水平井主要适用于地层孔隙压力系数大于正常压力梯度的地层 （一般要求地层压力系数大于1.08）。地层压力系数在0.8～1.08范围内选择环空充气欠平衡钻水平井工艺。地层压力系数在0.8以下选择泡沫欠平衡钻水平井工艺。

2 欠平衡钻井与水平井钻井结合技术难点分析

2.1 水平段轨迹控制的难度增加

欠平衡水平井钻井最大的难点来自于非刚性泥浆流体引入水平段钻进带来的轨迹控制难度的增加。其主要原因是，在压力系数低于正常值的地层，若采用常规欠平衡工艺的方法，直接将低密度具有可压缩性的流体由钻具注入井底，将造成（用于实现水平井钻井轨迹主动控制的）井下工具、仪器的异常。

2.2 对常规螺杆钻具正常工作产生影响

充气泥浆对螺杆钻具工作性能会产生很大影响，图1是某型螺杆钻具工作特性随气量增加，液量减小变化的曲线：

图1 充气钻井液对螺杆马达性能的影响

从图1可见，螺杆钻具最大输出扭矩随液相流量的减小而显著降低。这就预示着常规马达直接应用于充气钻井液存在动力不足的问题。

2.3 对常规泥浆脉冲MWD的正常工作产生影响

泥浆脉冲MWD测量的关键环节是所采用的循环介质应能保证由井下脉冲发生器运动产生的压力波上传到井口的强度。不幸的是，充气泥浆、泡沫等介质应用于该系统不能保证压力波上传的强度，造成实时测量困难。

2.4 对钻具的造斜性能产生影响

钻具的造斜性能与许多因素有关，其可划分为可控、不可控2种因素。轨迹控制的可控因素是指钻具组合、钻压、转速等参数；不可控因素则是指地层各向异性指数、地层倾角等参数。

欠平衡水平井，在无法实现井眼实时测量、轨迹主动控制调整的限定条件下。用转盘钻的方式钻进，我们总是希望不可控因素对钻具造斜特性的影响越小越好。这样我们就可以通过调整可控参数的方式，较容易地实现水平段的钻进。但从目前几口欠平衡水平井钻具表现出的特性来看，欠平衡对钻具的造斜特性的影响具有放大作用。造成水平段钻进轨迹控制的难度增加。

2.5 保持全水平段欠平衡作业的难度增加

与常规欠平衡井相比进行压力控制的井段较短。欠平衡水平井由于水平延伸段的存在，钻井周期将相对延长。在水平段负压差钻井过程中，进入井筒的地层流体量增加。若地层含气量丰富，将会造成井筒压力较大范围的波动，增加地面处理设备的工作量以及压力控制的难度。

3 实现欠平衡钻井与水平井钻井有机结合的方法

3.1 进行合理的井身结构设计

合理的欠平衡钻水平井井身结构设计是保证欠平衡水平井水平段安全钻进的重要保证。由于水平段以上井眼采用常规过平衡的方法完成。原则上既不能把井压漏，也不能失去压力控制导致井喷。除非有异常复杂地层，一般下入套管封隔地层的原则是，待下入套管深度地层的孔隙压力梯度不应超过上一级套管鞋处地层的破裂压力梯度。

在实施欠平衡钻井作业的下部井段，是否下入套管的判断准则是：在保证储层段欠平衡的井筒压力梯度条件下，井眼是否安全（主要应以地层坍塌压力为参考）以及井身结构能否为实现水平段井眼轨迹的可控钻进提供保证，是欠平衡水平井在井身结构的设计过程中区别于常规水平井井身结构的重要内容。

实际欠平衡水平井钻井，上部造斜段完成后若不下入技套进行封隔，将无法避免水平段欠平衡钻进过程中必然存在的井筒压力的波动对上部压力敏感地层稳定性的影响。因此，欠平衡钻水平井，一般建议将技术套管下至造斜段终点。

3.2 对压力系数处于0.8～1.08的地层，采用环空注气工艺

环空注气工艺的原理是在需要欠平衡保护的水平井延伸段钻进之前，在内层套管与钻杆之间增加一层临时悬挂的套管。在水平段钻进过程中，钻杆内注入纯液体，气体由内层套管与悬挂套管之间的环空注入。气体自进入环空后，即与钻井液混合。通过减小充气段钻井液作用于井底压力的原理来实现整个井筒段压力小于地层孔隙压力的目的。

其突出优点在于，既利用了充气液具有降低环空液柱压力的优势，同时又保证了泥浆脉冲MWD和井下动力钻具完全工作于不含气的介质。

4 环空充气欠平衡钻水平井适用地层的压力范围分析

环空注气欠平衡水平井工艺,由于受欠平衡钻井设备额定注入压力、排量、气液比等客观因素的限制,导致该工艺适用的范围限定在一个较小的油藏深度及压力梯度区间之内。制约环空注气工艺适用于油藏深度以及压力梯度的主要因素有以下2点。

4.1 由增压机能力决定的注气点深度

一般而言，在气液比一定的条件下，增加环空注气点的深度有助于降低整个钻井液柱作用于井底的压力。

通过注气管柱向井内注气，其所要求的条件是地面增压设备在注入管柱端口处提供的压力必须大于环空内泥浆液柱作用于注入点处的压力。否则气体将无法进入钻具与附加管两者之间构成的环空。

根据新疆油田目前具备的PHE-2型增压机所能提供的最大排气压力 14.0MPa、最大排气量 25 m3/min的设备条件，计算获得即使采用1.05g/cm3的泥浆密度，最大注气点深度应不超过1 200m。

4.2 气液比

气液比指的是在地面标准温度、压力下，注入井内的气体量与液体量两者之间的比值。理论分析及设计表明气液比在11:1～30:1时，充气泥浆在环空主要以气泡流和段塞流2种流型出现，钻屑一般大都保持在液相之中，此时的流型对携屑比较有利。

气液比的选择同时应考虑气液两相流流动循环压耗随气液比变化的规律。典型的气液两相流井筒压力变化曲线如图2所示。

图2 井筒压力随注气量变化的关系曲线（注液量为10L/s)

从图2可见，气液两相流动井筒压力降低的幅值随气液比的增加存在一个极限。在静液压力主控区，井筒压力随注气量的增大而逐渐降低，且其降低的幅度随气液比的增加而逐渐减小。当气液比增加到一定值后，井筒压力则主要受控于摩阻压力。此时，增加气液比非但不能降低井筒压力，反而会造成井筒压力的迅速增加。

显然，不考虑气液两相流循环摩阻随注气量的变化，一味增加气液比，以降低井筒压力的概念是错误的。

根据XHP900/350型空压机具备的最大排气能力25m3/min，以及Ф149.2mm井眼钻进所要求的液相排量，采用如下计算条件：注气点深度1 200m ；液量14L/s；环空注气段管柱内径Ф154mm；钻杆外径Ф88.8mm；气量25L/s；井口控制回压量0.5MPa。

获得可能的最大注气点处的井筒压力降低值约3.83MPa。

根据压力平衡的有关原理，可得环空注气欠平衡钻井可适用的油藏范围（式1）：

式中 ρ当量—油藏压力当量密度；

H′—油藏埋深距离注气点深度的垂直距离,m；

利用（1）式可得环空充气欠平衡钻井适用的油藏压力梯度随埋深变化的关系。

5 欠平衡钻水平井的关键技术

5.1 压力控制

压力控制的目的是保持欠平衡钻井过程中的井筒压力在地层孔隙压力与地层坍塌压力之间。这样，才能在保证水平段钻进安全的前提下实现对近井周围地层的保护。

在钻井过程中，将井筒压力控制在地层孔隙压力与坍塌压力是一项既需要理论计算，又需要相应设备支持的综合工艺。按照以上思路进行井筒压力控制的技术关键是：

（1）确定的目标负压差值是否合理。水平井钻井，所选取的负压差是一个需要综合考虑多项因素，谨慎选取的值。考虑到多项因素的影响，建议采用负压差作为待控制目标负压差值是否合理的标准。

（2）以目标井筒压力为基准，计算获得的相关参数是否准确。实现井筒压力控制相关参数的确定采用多相流计算软件来完成，提高计算参数精度的关键是参数计算模型应尽量考虑到不同压力下气液两相流流态变化对循环压耗产生的影响。

（3）须控制的参数，工程能否实现准确控制。获得需要控制的目标参数后，工程上为保证实际钻井过程中相关参数的准确，需要由数据采集系统来配合。根据欠平衡钻井井筒压力控制的要求，目前系统具备采集欠平衡钻井井筒压力控制所要求的套管压力、立管压力、入口液相流量、入口气相流量、入口密度、出口液相流量、出口气相流量、组分构成、密度等参数。

（4）水平段轨迹的控制。欠平衡水平井，轨迹控制的中心思想是：在保证水平段井眼在靶区内运行的前提下，尽量减小因轨迹控制问题导致的起下钻作业。因为目前的条件仅能在钻进过程中保持井筒压力小于地层压力，起下钻需要压井。过多的起下钻难免对近井周围地层产生伤害，导致在钻井过程中的欠平衡保护失去意义。

实现这一目标的前提是在水平段钻进之前，尽可能地掌握欠平衡因素带来的钻具造斜能力的变化。

目前的研究认为，井筒由平衡、过平衡状态变化到欠平衡状态，控制钻具造斜能力的因素会发生以下3个方面的变化：①因作用于底部钻头处的钻压变化而导致的钻头转角、侧向力发生变化；②底部钻具所受的横向载荷的变化而造成的钻头侧向力、转角的变化；③因作用在井底岩石上的压力变化而导致的待钻地层可钻性异性指数的变化。

通过钻头与钻头作用的模型，建立了评价钻具造斜能力变化的Zp指数评价方法。

为钻压、侧向力、钻头转角的函数，其值可表示为：

其中，α表示钻头处井斜角，β表示地层倾角，Aa为钻头相对于井眼轴线的转角。

Zp值是评价底部钻具造斜能力的指数，Zp值在原值基础上增加（减小），对增斜钻具组合，表征为造斜能力的增加（减小），对降斜钻具组合，表征为降斜能力的减小（增加）；Zp值在原值基础上不变，表明钻具的造斜能力不发生变化。

对井筒压力变化条件下钻具造斜特性的变化，可通过以上流程，试算不同井筒压力条件下的Zp值，以此做为钻具结构或钻进参数调整的依据。

通过Zp值的分析计算，得出了欠平衡对不同结构钻具组合造斜特性的影响规律：

5.2 转盘钻降斜钻具组合

转盘钻降斜钻具组合的结构如图3所示。

图3 转盘钻降斜钻具组合结构

Zp值随井筒压力降斜而降低的规律表征，对降斜钻具组合，减小井筒压力将导致钻具降斜能力的增加。原降斜能力强的钻具组合，井筒压力变化对其降斜能力的影响也大。

5.3 转盘钻增斜钻具组合

转盘钻增斜钻具组合典型的结构如图4所示。

图4 转盘钻增斜钻具结构图

转盘钻降斜钻具组合Zp值随井筒压力降斜而增加的规律表征，减小井筒压力将导致钻具降斜能力的增加。增斜能力不同的钻具组合Zp值变化曲线表明，原增斜能力强的钻具组合，井筒压力变化对其影响也大。

5.4 转盘钻稳斜钻具组合

转盘钻稳斜钻具组合典型的结构如图5所示。

图5 转盘钻稳斜钻具组合结构

稳斜钻具组合在钻头处产生的侧向力、转角来自于扶正器以前钻具的横向载荷作用以及扶正器以后钻具在轴向力作用下的变形。

由于这两个作用对钻头的影响互为相反，井筒压力的变化对钻具的稳斜效果影响不大。

在掌握必要的井筒压力对钻具造斜特性影响的基础上，采用以下强化措施可以保证水平段的快速钻进：①泥浆欠平衡水平段的钻进过程中，优先使用优质PDC钻头+螺杆动力钻具组合，减少因钻头原因或轨迹控制原因导致的起下钻次数的增加；②加强地质预报的准确研究，尽量减少实际钻井过程中出现的由于地质目标的变更导致的轨迹调整；③加强已钻井资料的收集，统计出各种钻进工况条件下钻具的造斜规律，并将其引入到待钻井段钻具组合的设计输入中，以减少入井钻具选择的盲目性。

6 欠平衡钻水平井工艺技术现场应用

6.1 克拉玛依油田KHW801泥浆欠平衡水平井

克拉玛依油田克80井区二叠系风一段属裂缝发育储层，油层簿。地层压力系数高、渗透率低。钻直井风险大，已钻井的测试表明，钻井对近井周围地层伤害严重。因此,用欠平衡水平井开发具有实际意义。

该井乌尔禾组中下部泥岩地层易发生缩径，已钻直井泥浆密度降至1.28g/cm3即发生井壁不稳定现象。为避免水平段欠平衡钻进可能带来的上部井眼段的井壁稳定问题。

6.2 合理负压差的确定方法应用情况

该井约500m水平段轨迹主要采用PDC钻头配合螺杆钻具的控制方式完成。钻井过程中，根据钻井实时情况，将泥浆密度从最初的1.19g/cm3逐渐降低到1.07g/cm3，井眼未发生任何不稳定现象，有力地证明了负压差选取程序应用于水平井的合理性。该井钻进至4 447m,有少量地层流体进入井筒,计算数据结合该井采油指数曲线表明，钻井过程中实钻井筒压力始终保持在小于地层孔隙压力约2MPa左右的范围内,有力地实现了对近井周围地层的保护。

6.3 Zp值判别方法在KHW801井的实际应用情况

6.3.1 增斜钻具组合

克801水平井，钻进至水平段井深4 354m，因轨迹控制的需要，下入扶正器增斜钻具组合。根据泥浆密度（1.15g/cm3）确定的井筒压力值，结合地层条件，计算获得Zp值为0.21>0，实际4 354～4 439m，钻具的造斜率为0.65°/30m。

水平段钻进至4 493m，因轨迹控制的需要，要求入井钻具的造斜率在0.9°/30m比较合适。同套钻具组合，保持其它参数不变，结合新的泥浆密度（1.07g/cm3）确定的井筒压力，计算获得 Zp值为0.29。依据Zp值判断，钻具可满足轨迹控制的要求。

钻具入井后，钻进至4 545m，统计实钻造斜率0.87°/30m，与预测值非常接近。

6.3.2 降斜组合

该井钻进至4 536m，泥浆密度1.07g/cm3。因井斜过大（93°），垂深（4 093.9m）小于地质所要求的垂深（甲方要求控制在4 095.8m左右），需要-2.0°/30m的造斜率钻进80m以调整轨迹。通过对比在1.18 g/cm3泥浆密度下4m短钻铤扶正器钻具组合Zp值(-0.22)与 1.09g/cm3当量密度下 Zp值(-0.27)，结合在1.18g/cm3泥浆密度下该钻具组合的实际降斜率-1.64。判断下入4m短钻铤扶正器钻具组合可以满足要求。

实际钻具入井，在4 536～4 577m的实际造斜率为-1.88°/30m。4 577～4 613m，录井提示全烃含量上升至0.02%(20 000ppm)，折算井底当量密度相对降低2MPa，机械钻速由1.5m/h提高到2.3m/h，实际钻具的降斜率为-2.03°/30m。预测与实钻结果取得了非常好的吻合性。

7 结论及建议

（1）从新疆油田KHW801泥浆欠平衡钻井完成后，测试显示的效果来看。欠平衡钻水平井综合了保护油气藏与解放油气藏提高开发效果的技术优势，是经济、高效开发具有低压、底水、厚度较簿、高倾角裂缝与溶洞等油藏的极具潜力的工艺方法。

（2）欠平衡钻水平井方式与待钻地层孔隙压力梯度有关。基本上是，在较高压力地层利用轻泥浆做为循环介质的欠平衡钻水平井的方法需要的辅助设备最少，成本也最低。因此，这种条件下的欠平衡水平井钻井利于在油田的推广与应用。

（3）环空注气工艺由于同时满足了在低压地层钻欠平衡水平井所必须的井眼轨迹可定向控制与储层钻进井筒压力小于地层压力两大基本条件。因此是低压力梯度储层实现欠平衡钻井与水平井钻井结合应努力发展的方向。

（4）欠平衡钻水平井轨迹控制的风险远大于常规水平井。为避免轨迹控制的失败，加强油藏构造研究与欠平衡条件下钻具造斜特性的研究很有必要。

（5）综观国内目前欠平衡水平井钻井工艺水平，与国外存在较大的差距。国外已初步开发成功了泡沫螺杆与电磁波MWD，基本解决了轨迹控制受钻井介质影响的问题，从而上升到了一个较高的水平。因此，应加快国内自主开发欠平衡水平井钻井配套工具的研究与引进，缩短与发达国家在此研究领域的差距。

[1]苏义脑,刘修善.井下控制工程学研究进展[M].北京:石油工业出版社,2001.

[2]孟英峰,杨龙.国外低压钻井技术调研分析[M].成都:电子科技大学出版社,1996.

[3]Desbrandes,R.:“status Report:MWD Technology(Part 2-Data Transmission),”Petroleum Engineer International[M](October 1988):48-54.

[4]马宗金,肖润德.现代欠平衡钻井技术[J].钻采工艺,2000(3).

[5]熊继有,译(SPE37066).用常规钻柱钻欠平衡井的复杂问题[J].国外钻井技术.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年毕业于石油大学（华东）石油工程学院，现主要从事现场技术服务工作。

尉立岗

2011-05-23