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1、成人教育学院学生毕业设计（论文）摘 要欠平衡充气钻井工艺技术是为了适应低压油气藏开发的需要而发展起来的一项技术，也是对付低压漏失层的有效手段之一，具有保护低压油气层、携岩能力强、防止和消除漏失、机械钻速高和地层损害小等优点。自从上个世纪50年代美国和加拿大最先开始使用欠平衡充气钻井工艺技术开始，此项技术便在国内外得到了广泛的使用，并取得了良好的效果。本文在调研了大量的文献资料后，对模拟充气钻井气液两相流的常用模型进行了系统研究，并对这些模型进行了比较，分析各自的优缺点。在此基础上，对其中一种模型H-K模型进行了改进，得出了新的计算公式。此外，论文以H-K模型为例对现场的充气钻井实例进行了模拟计
2、算，并且针对H-K模型的计算过程编制了计算机程序，对计算结果和现场实测结果进行比较分析，从而最终验证了模型的适用性。关键词：欠平衡钻井；气液两相流；充气钻井；钻井岩屑 目 录第1章 绪 论11.1 充气钻井概述11.2 充气钻井的国内外发展现状31.3 本论文的研究内容5第2章 欠平衡钻井气液两相流模型研究62.1 欠平衡钻井流态分析62.2 均匀流动方法介绍（Guo模型）82.3 经验公式法介绍（B-B模型）92.4 力学方法介绍（H-K模型）122.5 钻头压降的计算模型14第3章 模型的比较及H-K模型的改进163.1 三种模型的比较163.2 H-K模型的改进17第4章 欠平衡钻井模型
3、验证244.1 程序输入数据244.2 程序的运行结果244.3 结果分析29结 论35参考文献36致 谢38II第1章 绪 论1.1 充气钻井概述1.1.1 欠平衡钻井概述 对像稠油油田、低压裂缝性油气田、低压低渗油气田等具有储层孔隙压力低的特点，采用常规的平衡压力钻井方式，容易污染油气层。对于探井，又不利于发现油气层和评价油气层。像辽河油田一些稠油区，地层压力系数为0.490.90，显然勘探开发这类油田不宜采用常规的密度大于1.0g/cm的钻井液。为此，密度低于1.0g/cm的钻井液与相应的钻井技术得以发展与应用。对于裂缝发育的高压地层，如果采用过平衡压力钻井，则会出现严重的漏失，有时因此
4、无法钻至目的层。为此，常采用欠平衡钻井。对于水平井，为保护油气层，也多采用欠平衡压力钻井。 所谓欠平衡压力钻井，即在钻井的过程中允许地层流体流入井筒内，循环出井，并在地面得到控制。其主要标志为井底有效压力低于地层压力。由此可见，采用密度低于1.0g/cm的钻井液钻井，未必是欠平衡钻井，而在地层系数低于1.0的油气藏进行欠平衡钻井则必须采用低密度钻井液。实际上，欠平衡钻井既可以在低压油气藏进行，只要满足欠平衡压力条件，也可以在较高地层压力且井眼稳定的油气藏进行。1.1.2 充气钻井概述1.1.2.1 充气钻井的概念充气钻井是利用特殊设备，在给井眼泵入钻井液的同时，对钻井液进行充气，使充气后的钻井
5、液当量密度小于1.0g/cm，并根据需要使井底压力等于或小于储层压力。1.1.2.2 充气钻井的意义 充气钻井工艺技术是为了适应低压油气藏开发的需要，也是低压漏失层的有效手段之一。充气钻井液主要适用于地层压力系数在0.71.0之间的储层，并常用于欠平衡钻井。充气钻井液有很好的携砂能力，能有效地防止地层漏失和保护油气层，并可使井径规则，提高机械钻速。1.1.2.3 充气钻井的应用范围国内许多油田都曾开展过充气，从应用情况看，其适用于多种油气藏，如砂岩、碳酸岩、玄武岩、灰岩以及裂缝型储层等（长庆气田的低压低渗的水敏性致密气藏；四川气田的碳酸岩裂缝性气藏；吉林、辽河、新疆等油田低压低渗砂泥岩油藏；大
6、港、辽河、塔里木等油田潜山风化壳和裂缝性灰岩凝析油气藏）。概括起来应用原则如下：1）低压（原生性）或低压易漏地层；2）裂缝型（开度大于100）储层或裂缝型渗透通道的产层；3）高渗（1000毫达西以上）且胶结良好的结晶砂岩和碳酸岩；4）泥页岩等低压低渗的水敏性地层；5）与钻井液滤液严重不相容的地层（乳化、沉淀），低束缚水或低含油饱和度的脱水地层；6）易坍塌的泥页岩和砂岩层段用泡沫钻；7）开发中后期低压枯竭地层。不宜采用的情况：1）井壁稳定性差，需要足够泥浆密度才能控制井塌的地层；2）含大量H2S或CO2气体的产层；3）高压气井；4）山前破碎带；5）大量出水产层；6）人口密集区、重要设施附近和环境
7、保护特别严格的地区。1.1.2.4 充气钻井液采用充气钻井时，钻井液相必须具有较低的切力，易充气，易脱气，使气泡均匀稳定，气液不分层。充气钻井液是将空气或者氮气注入钻井液内所形成的钻井液体系，形成以气体为分散相、液体为连续相，并加入稳定剂而成为气液混合均匀稳定的体系。充气钻井液经过地面的除气设备后，气体从钻井液中脱离出来，保证泥浆泵的正常工作。常用的注入气体主要是空气和氮气，此外还有二氧化碳、天然气、柴油机尾气，但使用较少。充入空气或者氮气的目的是为了减小密度，从而降低流体液柱对井底的静压力，通过充入气量的改变，可随时调整钻井液的密度以平衡地层压力，从而为实现近平衡钻井或者欠平衡钻井创造更为有
8、利的条件。充气钻井液的最低密度一般可达到5g/m3，钻井液与空气或者氮气的配比一般为10:1。1.1.2.5 充气钻井的缺点1）钻井费用比常规井高；2）加剧地层损害。由于井壁上基本没有泥饼作屏障，一旦某一环节（如完井时）过平衡，地层所受损害比常规情况更大；3）安全问题。以空气为注入气虽经济，但有导致井下燃烧爆炸的可能，特别是在高温深井中。此外，还有高温高含氧环境下钻具的腐蚀等问题；4）井深和温度的限制。泡沫钻井一般适合于3000m以内或温度低的浅井，深井或温度很高的情况下，泡沫稳定性急剧变差，难以形成井下欠平衡条件。1.2 充气钻井的国内外发展现状1.2.1 国外技术发展情况上世纪50年代，充
9、气钻井最早在美国和加拿大开始应用，但直到80年代由于旋转防喷器、旋转控制头等为代表的欠平衡钻井装备的发展和成熟后，才在国外得到广泛应用。由于充空气的充气泥浆在钻开产层时存在一定的井下燃爆危险，以及可能造成钻具的氧化腐蚀等问题，目前主要采用充氮气或是氮气与氧气按一定阻燃比例加入的混合气体方式。加拿大：自1995年以来应用欠平衡钻井技术已钻500多口井，其中大多数采用注氮气方式完成的，少数用天然气或压缩空气。例如泛加石油公司在Weyburn油田充氮气欠平衡方式钻了3口水平井，取得了很好效果。该油田油层深度13001500m，储层为非均质裂缝-孔隙性灰岩，由于长期开发压力枯竭，最低压力为6MPa。三
10、口水平井钻成后的单井平均产量为20m3/d，是泥浆钻成的水平井的310倍，直井的520倍。美国：为防止井下燃爆，在许多传统用空气钻井地区改用充氮气钻井，如西得克萨斯、俄克拉何马东部油田。充气钻井液钻井事例：全世界范围内有许多地层对油基钻井液和水基钻井液很敏感，在这样的地层中钻井往往采用空气作循环介质，而空气钻井液不能使容积式马达很好地工作；另外，钻井液脉冲遥测随钻测量系统在空气钻井液中的测量结果也不可靠。1990年第二季度，石油公司在密歇根州的地区采用充气钻井液系统和电磁遥测铰连工具成功地完钻了一口中半径水平井2-29-1井。该井所在地层中含有天然断裂的白云岩储集层，储层中含有增大孔隙度的隔层
11、间隙，隔层伴随相对坚固的裂缝产生，并有一定的倾斜性，是钻水平井的理想地层。该井弯曲井段的设计是：初始造斜点为垂深1201.2m，造斜率18/30m，一直钻到井斜为45。考虑到设计造斜率与实际造斜率之间的差异，设计了一段17.1的短切线段，切线段的造斜率是16/30m，然后继续按18/30m的造斜率钻到井斜达95。该井造斜段的井底组合为：165大扭矩低速容积式马达，带有一个2.25弯外壳，与一个1.25弯接头对中。切线段和水平段井底组合是导向组合，包括一个0.75m的弯外壳和三个6.35小尺寸稳定器。该井在钻至1310.6m井底压力为10.335MPa时所用钻井液为802.6kg/m3的充气盐水
12、钻井液所用流量系统为三个空压机，每台在2.067压力下，以42.473的速度供给空气；一个增压机，供给空气为67.963，还有一个喷雾泵所用随钻测量系统为电磁波遥测铰连随钻测量系统。该井从打下定位桩到钻达总深度共用了29根据充气钻井液在该井的钻井经验表明，充气钻井液的最重要的性能是其屈服点和胶凝强度，其屈服点的最佳范围是2.885.76，10s的胶凝强度是2.884.89。在委内瑞拉西北部的马拉开波湖地区的压力衰竭储层中，已经进行过充气钻井液欠平衡钻井作业。但要在气候比湖上和陆上更严峻的海上进行欠平衡钻井作业，则需要在以前的欠平衡钻井作业基础上，作一些改动。于是以公司为首的几家石油公司进行了一
13、项轻质钻井液海上钻井合作项目，该项目的第一阶段是在浮动钻井平台上，进行充气钻井液钻井，评价其安全性和技术灵活性；第二阶段是在第一阶段的所有问题得到成功解决后，进行海上欠平衡钻井作业。在第一阶段中，利用充气钻井液所钻的第一口井位于巴西海岸盆地的油田，该井为水平井，计划钻达测量井深2989m(垂直井深2725m)，井斜角31。此次钻进的主要目的是对充气钻井液钻井水力学，携岩，地层损害，四相分离器，旋转控制头及作业程序进行研究。考虑到立管的坍塌压力，此次作业的最大水深低于500(45)。所用钻机为半潜式钻机，其他设备有制氮设备，注入设备，电磁遥测系统，海上钻井用防喷器组等，考虑到在海上作业的安全风险
14、性，最主要的两个方面是压力控制设备和分离与处理设施。根据海上作业情况，最后决定将旋转控制头安装在滑动接头的顶部，密封并锁住滑动接头，因浮动船要摆动，所以采用柔性软管作回流管线，这种排列被称为系统；地面分离系统是公司专门设计制造的螺旋状直立三相分离器，该分离器结构紧凑，成本低，重量轻，性能好。地面分离系统还包括带有遥控节流阀和取样器的节流管汇，安装在分离器的上游；液气排出管线都安装有测量仪和遥控球阀及控制阀；排屑出口采用不同管线和专用泵装置将固体从分离器排除并处理掉。充气钻井液是在钻进储层后的最后井段采用利用充气钻井液，在203mm井眼段成功地完钻了35。在安哥拉海上3600m垂深处的密度仅为0
15、.7的压力严重衰竭储层/储层，采用常规钻井液钻井出现严重漏失和卡钻问题，随后采用低压头和充气钻井液及连接钻杆作业，取得了较好成果并降低了成本。此次低压头充气钻井液钻井所用的钻井液为含膨润土的水基钻井液和空气，沿钻柱注入，钻柱上连接有两个喷射短节，喷射短节位于接近1200m和1500m处的井底钻具组合上。利用现场作业经验和在作业过程中所吸取到的经验教训总结出的一种经验方法来确定控制钻井液和空气的适当流量，采用此方法将钻井液流量稳定为1.3m3/min，空气流量控制在2130 m3/min之间。作业结果表明，采用低压头充气钻井液钻井较之常规钻井液钻井更能降低压差卡钻，降低漏失，降低地层损害，节约时间和成本。1.2.2 国内技术发展情况国内八十年代末，新疆油田最早开展充气钻井技术的研究与应用，主要是解决低压层漏失的问题。1989年在火烧山油田进行了5口井、累计进尺1333.18m的试验，其目的层平三段地层压力系数为0.95，充气后的钻井液当量密度在0.930.95，试验获得了较好的效果，但由于旋转控制头和空压机等设备不能满足要求，影响了充气钻井技术优势的发挥。辽河油田1986年在高升油田高2区进行充氮气钻井试验，目的是解决钻井漏失和有效开发低压枯竭稠油，该油田压力系数已降至0.6。截
