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1、充气欠平衡钻井培训教材大庆石油管理局钻探集团2005年6月目 录第一部分 欠平衡钻井综述1第二部分 充气欠平衡地面设备3第三部分 充气欠平衡钻井工艺10第四部分 欠平衡钻井HSE管理22-28-第一部分 欠平衡钻井综述1 充气钻井和欠平衡钻井的定义所谓的欠平衡钻井是在有意使钻井液循环体系井底压力低于所钻地层孔隙压力的状态下钻井。充气钻井（Gasified Liquid Drilling）：充气钻井是指钻井时将一定量的可压缩气体通过充气设备注入到液相钻井液中作为循环介质的工艺。常用注入气体主要是空气和氮气，此外还有二氧化碳、天然气、柴油机尾气等，但使用的较少。充气钻井和液体流体钻井的不同在于气液
2、两相流，它的混合流体实际密度在不同井深不同。2 欠平衡钻井的优点及不足2.1 欠平衡钻井优点欠平衡钻井技术之所以受到各国的重视，关键在于：1） 明显减少对产层的损害，有效保护油气层，从而提高油气井的产量。2） 有利于及时发现低压低渗油气层，为勘探开发整体方案设计提供准确依据。3） 大幅度提高机械钻速，延长钻头使用寿命，从而缩短钻井周期，减少作业及相关费用。4） 有效地控制漏失，并减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生。5） 减少或免去油层改造等作业措施及昂贵的费用。2.2 欠平衡钻井存在的不足欠平衡钻井有优点，但也存在不足，一是钻井成本高（钻井设备多，钻井液费用高）；二是不安全因素多（井喷、井
3、塌）；三是有污染更大的机遇（因储层无泥饼，压井难于掌握）。3 欠平衡钻井必备条件3.1 有准确的地层压力欠平衡钻井必须首先准确掌握所钻地层的三个（破裂、孔隙、坍塌）地层压力系数，只有准确地掌握地层压力系数，特别是地层孔隙压力，才能有效确定井身结构、钻井液密度、欠压值及所采用的井口装置及钻井施工措施。否则，就很容易造成欠平衡钻井达不到预期目的。3.2 有井壁稳定的井或井段、有合适的储层根据世界上钻欠平衡井所取得的经验认为:实施欠平衡井段以上地层是稳定的，或对不稳定井段下入技术套管加以封隔。同时要掌握欠平衡钻井的层位的物化性能，判定是否可进行欠平衡钻井。一般认为，欠平衡钻井所选的岩层有火成岩地层，
4、不易破碎的灰岩地层，固结良好的结晶砂岩和碳酸岩，高渗、胶结较好的砂岩，微裂缝地层（裂缝开度大于100m），对水基钻井液敏感的材料含量过高的地层（气钻）等。3.3 相应的装备，如钻机、井口装置、钻井液控制与处理系统、点火装置等。3.4 有相应的监测仪器、仪表配备了地质录井仪、套压表、立管压力表、RST环空压力测试仪等仪器仪表。3.5 有一套安全操作规程和因地制宜的施工措施制定了行之有效的工艺技术措施、应急措施、井控操作规程等。3.6 有训练有素的技术人员、熟练的操作人员。4 欠平衡钻井方式欠平衡钻井的分类也是根据所用钻井液的不同将其分为两类，即：流钻欠平衡钻井和人工诱导欠平衡钻井。流钻是指在普通
5、密度钻井液的条件下，由于地层压力较高而达到欠平衡条件。人工诱导是由于地层压力太低，只有在钻井液中人为地加入某种降密度剂（如注入氮气、空气、泡沫等）或直接用氮气，空气作为钻井液方能达到欠平衡条件，升深2-17井采用水基钻井液充氮气。目前欠平衡钻井所用的钻井液有：泥浆、盐水（或清水）、油基泥浆、充气泥浆、泡沫、雾化泥浆、空气或其它气体（天然气、氮气）等几种体系，升深2-17采用充气泥浆。下面表为Signa工程公司提供的地层压力系数与优化钻井液类型关系表。地层压力系数优化钻井液类型00.02gas/air 0.020.07mist0.070.6foam0.600.9充气泥浆0.91.02油或油基泥浆
6、1.01.3水1.3以上泥浆5 欠平衡钻井发展方向（1） 90年代欠平衡钻井还不能说成是完全欠平衡钻井，因为在起下钻和完井等作业中都需要有短时间的压井过程，未来的发展方向必须是不压井起下钻和完井施工，美国和加拿大已用挠曲管钻机实现了不压井起下钻和裸眼完井。升深2-17井采用的是钻进过程中欠平衡，起下钻和完井还要压井。（2） 随钻监测技术将得到重视。当前井底负压值由地面计算得出，这是不十分准确的，未来井底负压值是由井下传感器或井底压力计组成的随钻监测系统给出，以得到井下准确的井底负压值，升深2-17井采用压力测试接头测量后存储，起钻后回放来获取井下压力数据。第二部分 充气欠平衡地面设备1 充气欠
7、平衡钻井特殊专用设备 根据欠平衡钻井工艺的要求，为了满足大庆油田欠平衡钻井的需要，整套欠平衡钻井采用的配套设备包括十大部分：l 旋转防喷器系统A、控制系统B、旋转防喷器C、操作台l 节流控制系统A、节流管汇B、液动节流阀控制台C、立压、套压和泵冲传感器及连接控制线等附件l 液气分离器l 油水分离系统A、撇油罐B、过渡罐（锥型罐）C、储油罐D、三台立式砂泵E、振动筛l 安全报警系统A、可燃气体报警仪2台B、二氧化碳、硫化氢报警仪各一台C、各报警仪的探头、支架和护罩D、各报警仪的信号线l 点火燃烧装置A、点火器B、点火器的电缆、信号线、配电箱和控制箱C、防回火阀l 配电、照明系统A、配电柜B、连接
8、各设备的配套电缆C、与欠平衡设备配套的防爆灯l 地面连接管汇A、节流管汇到液气分离器的连接管线B、液气分离器到振动筛的连接管线C、液气分离器到燃烧管线的连接管线D、液气分离器的排砂三通及管线E、立式砂泵到井队振动筛的连接管线F、燃烧管线l 井下工具A、箭型止回阀3只l 其它辅助设备A、2台轴流风机B、1台离心风机C、各风机的支架及底座D、液气分离器底座E、空压机一台F、供气管线及附件G、防毒面具和对讲机等H、中心控制室l 气体注入设备A、空气压缩机B、氮气分离装置C、氮气增压机D、注入管线2 欠平衡钻井专用设备工作原理 在欠平衡钻井中，人为地控制钻井液密度使井内静液柱压力小于地层压力，导致地层
9、流体不断流入井内,从而使井眼环空始终保持一定的压力。旋转防喷器能够在欠平衡钻进过程中密封住钻杆与井口装置的环空。流出的流体是气、液、固、油四相混合物，这种混合物通过节流管汇的压力控制，进入液气分离器，把气体分离出来通过燃烧管线送到点火装置烧掉，液体送到油水分离系统经过简单的固控处理分离出固相，然后进入撇油罐将原油分离出来再进入过渡罐进一步进行油水分离，最后将分离后的钻井液通过立式砂泵输送回井队的固控系统重新利用，分离出的原油进入储油罐储存起来。其中通过节流管汇的控制作用不但使流体有控制地流出，关键时刻实现软关井，更主要的是将套压控制在一定的预定压力范围内，使井底始终保持一定的负压值，从而实现安
10、全可靠地钻井。 另外通过集中安装到中心控制室的地质录井仪终端、控制各设备的仪器仪表和控制按钮以及天然气报警仪、二氧化碳报警仪或硫化氢报警仪等安全报警设备等反馈回来的信息可及时分析，及时预测，以便作出正确的判断，采取相应的措施。通过这些仪器仪表可随时监测到钻速、钻压、扭矩、立压、套压、泥浆进出口密度、泥浆罐液面变化和全烃含量等重要的欠平衡钻井参数，如当钻速突然增加，套压升高，泥浆出口密度降低，全烃含量升高可判断井底欠压值的变化。当欠平衡钻井设备附近天然气、二氧化碳或硫化氢达到一定浓度，报警仪会自动报警，可立即启动风机将聚集的气体吹散或发出逃生警报，确保井场的安全。欠平衡钻井主要设备的具体工作原理
11、如下：（1） 旋转防喷器旋转防喷器的主要作用是在整个钻井过程中始终密封钻具与井口装置的环隙，通过控制系统使旋转防喷器处于关闭状态，球型胶芯收缩，封住了钻柱与井口装置的环隙，使钻井液不能从井口环隙喷出，能按预定的出口有序流出。（2）节流管汇 欠平衡钻井用节流管汇在结构上与常规节流管汇相似，但在功用上却存在较大差别。其主要用途是通过调节液动节流阀和手动节流阀的开关度的大小来保证立压不变、防止套压过大，同时排放钻井液，以满足欠平衡钻井工艺的要求。（3）液气分离器液气分离器在欠平衡钻井中起到了把气液混合物分离开的作用。当液气混合物通过节流管汇的压力调节后，进入液气分离器，利用重力沉降法，经内部隔板的分
12、离作用，实现液气分离，气体被送到点火燃烧装置烧掉，而液体被送到油水分离系统进一步地分离。（4）油水分离系统 从液气分离器出来的钻井液经振动筛进入撇油罐，当液面达到一定高度，较纯净的泥浆自动进入过渡罐，上部的浮油流入储油罐，进入过渡罐的钻井液再经一次分离，纯净泥浆用立式砂泵送回井队原固控系统重新利用。（5）点火系统 点火系统通过配备的电子点火器，220V电压经过变压转换成110V电压，输送到点火器上，点火器输出2500V瞬间高压电到燃烧装置，每12秒钟打一次火，把液气分离器分离出来的可燃气体烧掉，保证井场的安全。（6）安全报警控制系统 当从钻井液中散发出来的天然气、硫化氢、二氧化碳气体达到一定值
13、，报警仪会立即报警，工作人员立即启动通风机驱散聚集的气体，或发出警报使人员撤离，确保安全。（7）制氮注氮设备中空纤维膜分离制氮的膜组是一个圆筒状的高分子材料制成的中空纤维膜束，每束象列管式换热器包含上百万根中空纤维，以提供最大限度的分离面积，每根纤维直径约几十微米，就象人的头发丝一样细，压缩空气由纤维束的一端进入，气体分子在压力作用下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶解、扩散、脱溶、逸出。每种气体都含有不同的渗透速率。氧、二氧化碳、水蒸汽等渗透速率“快”，由高压内侧纤维壁向低压外侧渗出，由膜组件一侧的开口排出；渗透速率小的“慢气”氮气被富集在高压内侧，由膜组件的另一端排出，从而实现了氧氮的
14、分离。3 充气欠平衡设备的安装 （1）旋转防喷器:使用135/8法兰栽丝螺栓与下端环形防喷器连接，法兰密封钢圈为BX160，其旁侧有两个接口,一个接缓冲瓶,一个接井筒压力传感器。井筒压力传感器与旋转防喷器以法兰连接，密封钢圈型号为BX151。(2)节流管汇:有一个进口两个出口，一个出口为放喷管线，一个出口为循环管线，进出口管线为5钻杆，接口采用法兰连接。节流管汇五通上部有两个压力输出端，一个是压力表，一个是压力传感器，通过信号线接到节流阀控制台上。节流管汇的一个旁通主控阀是从美国引进的液动节流阀，动作灵敏、可靠性高、并抗冲蚀，液动节流阀与控制台通过打开、关闭各一条液压管线相连接。（3） 液动节
15、流阀控制台:在该处共外接7条线。1)能源输入端，为一气泵管线，连接在1MPa、1.6L/min的空气压缩机上（或外接在井队气压管线上）；2)液动节流阀的打开和关闭液压管线；3)套压传感器信号线；4)立管压力传感器信号线，传感器接在立管供泥浆管线的出口端；5)泥浆泵冲程数传感器信号线两条，分别接在两个泵上。(4)液气分离器:一个进口两个出口，一个是气体出口、一个是泥浆出口，全部为法兰连接。进口尺寸为5，出口尺寸为8。泥浆出口为U型管，在U型管的底部分出一个三通，可以放砂、放压、放泥浆。(5) 油水分离系统:安装两台直线振动筛，在振动筛的尾部焊了一个小的泥浆槽，接收从U型管出来的泥浆。出口端是从三个砂泵的出口焊接出一个6管，汇总到一个6管上，该管线的另一端通向井队的振动筛。（6)安全报警系统:有一个可燃气体报警仪和一个硫化氢、二氧化碳报警仪探头安放在
