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1、西安石油大学本科毕业设计（论文） 欠平衡钻井技术及应用摘 要：欠平衡钻井是国际上90年代初再次兴起的提高勘探开发效益的钻井新技术。近几年我国来在油、气田勘探开发方面已进行了大量技术研究和现场试验，并取得了显著的成果。欠平衡钻井的相关理论和技术研究已经成为钻井工作者的一个研究热点。 本文介绍了欠平衡钻井技术国内外的发展状况，实施欠平衡钻井的优缺点。分析和总结了欠平衡钻井相关理论研究成果，为技术的应用提供理论依据。关键技术从三个方面入手：在考虑了影响负压值各方面的因素后，提出了合理的设计程序；通过计算出的钻井液密度选择适应于实际条件的最优钻井液类型；分析了井底压力波动和气侵后的环空压力变化，给出了
2、一些井底压力控制措施。最后介绍了欠平衡钻井的信息采集处理系统，通过全过程的监测和指导保证欠平衡钻井的安全进行。关键词：欠平衡；钻井液；信息采集 56目录第1章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国内外发展现状11.3 欠平衡钻井优点和缺点31.4 本文主要内容3第2章 欠平衡钻井相关理论42.1 油气藏筛选理论42.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏42.1.2 不适合欠平衡钻井的地层52.1.3 油气藏筛选程序62.2 欠平衡钻井地层稳定性理论62.2.1 井壁失稳机理62.2.2 非泥页岩地层的稳定性72.2.3 泥页岩地层的井壁稳定性72.3 欠平衡钻井两相流理论82.3.1 环空两相
3、流流态分类及其判别方法92.3.2 欠平衡钻井气液两相流数学模型建立102.3.3 三相携屑研究122.4 欠平衡钻井井下爆燃基础理论132.5 裂缝性储层欠平衡钻井流动规律162.5.1 严重裂缝性储层的最大问题是井漏162.5.2 漏层漏失的原因分析162.5.3 漏层的漏失规律与地质特征162.5.4 裂缝性储层在欠平衡条件下的流动规律172.5.4 欠平衡钻井有助防漏治漏20第3章 欠平衡钻井关键技术213.1 欠平衡负压值的确定及控制213.1.1 确定井底负压值应考虑的因素及分析213.1.2 负压差设计流程243.1.3 井底负压差的控制243.2 欠平衡钻井液技术263.2.1
4、 选择欠平衡钻井液体系应考虑的问题263.2.2 欠平衡钻井液密度的确定283.2.3 目前应用的欠平衡钻井液体系293.3 欠平衡钻井井底压力控制技术313.3.1 井底压力影响因素分析313.3.2 气侵后环空钻井液密度及压力分布规律343.3.3 地层气体侵入井内的预测方法363.3.4 井底压力控制措施38第4章 欠平衡钻井信息采集处理系统以及应用414.1 研究欠平衡钻井参数采集与分析处理系统的意义414.2 方案设计414.3 系统软件的主要功能424.4 系统软件的应用464.5 欠平衡钻井技术应用事例474.5.1 工程设计484.5.2 现场施工484.5.3 结论52结论与
5、建议53参考文献55致 谢57第1章 绪论1.1 研究的目的和意义进入20世纪90年代，由于世界范围内油气勘探开发从整装大油田、高压和常规压力、中高渗均质砂岩等良好勘探开发条件转移到了复杂中小油田、断块油田、薄油层、低压低渗低产能、老油田改造、复杂储层条件、非常规油气等恶劣的开发勘探条件，这种形势迫使勘探开发必须要有新的思路和方法，同时由于非封固完井的水平井数量增多，强化了对防止储层损害的关注1。另外国际油价的持续走高，对世界经济造成了很大的影响。高油价促使世界各国进一步增强了对石油资源重要性的认识，加强了对自己国内石油资源的勘探开发和利用，增加国内石油供应，减少对国际石油的依赖程度，其关键因
6、素就是石油的勘探开发成本，因而降低石油的勘探开发成本则是目前石油工业上游领域的重要任务之一2。欠平衡钻井技术不但能有效地降低油气田的勘探开发成本，最大限度得保护油气层，而且能很好地克服钻井作业过程中的难题和避免一些复杂情况的发生；有利于中小型油气田、非常规油气藏，低压低渗油气藏得勘探开发；有利于油田中后期改造挖潜。因此，欠平衡钻井由于其先进性为勘探、开发带来了广阔的前景，在油气田开发中发挥着越来越重的作用。欠平衡钻井技术是21世纪油气资源开发中必不可少的主干技术之一，又是一项涉及面宽、投资大、风险大的系统工程，也是继水平井技术之后在钻井技术上的另一大发展方向和热点，应尽快掌握和发展欠平衡钻井技
7、术，使其更好地作为发现和保护油气藏的重要战略措施。1.2 国内外发展现状在钻井过程钻井液循环体系井底压力低于地层孔隙压力，使地层的流体有控制的进入井筒并将其循环到地面，这一钻井技术称为欠平衡钻井。美国在1953年使用空气作为循环介质成功地完成了一口钻井，此后很长一段时间内由于设备和技术的限制因素欠平衡钻井技术并没有得到很好的发展。进入20世纪80年，欠平衡钻井技术迅速发展。欠平衡钻井技术在北美地区（如美国、加拿大、墨西哥湾）得到了较为广泛的应用。据统计，近几年来，美国全年约有四分之一的油气井和地热井均不同程度的使用了欠平衡钻井技术，有些油气田欠平衡钻井的应用比率高达98%。另外在墨西哥湾、加拿
8、大北部油田、北海油田、伊朗、也门、俄罗斯及印度尼西亚、澳大利亚和欧洲等地区欠平衡钻井已经成为一种降低开发成本、保护油气层必不可少的技术了。因此欠平衡钻井技术得到迅速发展，同时配套工艺技术也日趋完善。技术方面，美国、加拿大已经掌握了欠平衡钻井、欠平衡完井等先进的欠平衡钻井工艺技术。设备方面，美国已经研制开发出了欠平衡钻进、欠平衡起下钻、欠平衡完井的专用设备（或工具）。国外欠平衡钻井主要用于裂缝性油气藏（如美国的AUSTIN CHALK储层）、压力衰竭性地层（如加拿大的ELKTON），目的是为了采用欠平衡钻井技术减少产层污染、提高单井采收率，从而提高综合经济效益和社会效益。据统计31991年加拿大
9、欠平衡钻井技术打井30口,1993年用欠平衡钻井打井120口,1994年和1995年分别用欠平衡钻井230和330口，1998年约为4100口井。1996年美国用欠平衡钻井数占全美钻井数的10%,1997年用欠平衡钻井数占总钻井数的15%。2002年用欠平衡钻井数占总钻井数的20%30%。2005年美国欠平衡钻井所完成的进尺将会占全部钻井进尺的30%，井口数达到120004。在未来几年内，世界各地欠平衡钻井技术的应用范围仍将继续稳步增长。早期欠平衡钻井采用的循环介质是空气，后相继发展了以氮气、天然气、泡沫和充气钻井液为循环介质的欠平衡钻井技术，主要用于低压低产储层。随着欠平衡钻井技术的进一步成
10、熟和井控装备的发展，又发展了用钻井液对较高压力的地层实施欠平衡钻井的技术，如边喷边钻、不压井起下钻等技术。近年来，随着连续油管钻井技术的发展，为降低高压地层欠平衡钻井的安全风险，又发展了连续油管欠平衡钻井技术。目前全国各大石油院校及油田都在不同程度上开展了欠平衡钻井技术的研究和推广应用，并取得了显著的经济效益。随着从国外现代欠平衡钻井技术的引进，我国较大的油气田都先后或正在进行欠平衡钻井试验，根据 1999 年全国昆明井控会上的介绍，我国所引进的主要是旋转控制头，也有旋转防喷器，其中 17.5MPa 旋转控制头已达 16 台。新疆局还引进了1套雾化钻井装置5。国内新疆克拉玛依、胜利、大港等油田
11、已先后开展了欠平衡钻井完井现场试验。实现欠平衡方法基本上都是采用自然法。大港油田自 1998 年开始在古潜山构造上开展了深层探井欠平衡钻井完井现场试验，其中板深7井、板深8井欠平衡钻井试验的成功，从工程上解决了多年来地质上无法解释的难题，而且成功地发现了亿吨级油气田，为大港油田的可持续发展增添了新的血液。据2003年4月统计，我国海上、陆地油田已经引进各种类型旋转型防喷器40套，包括克拉玛依、四川、长庆、玉门、塔里木、土哈、中原、胜利、大港、辽河、大庆等油田进行了107口欠平衡钻井实验。但应该看到，国内欠平衡钻井技术才刚刚起步，很多技术难题还没有解决，并且欠平衡主要设备还依赖于进口，所有这些制
12、约了欠平衡钻井技术在国内的进一步应用与发展。欠平衡钻井技术总体上在国外已是相对成熟的技术，但由于各油田地质条件的差异，相应的实施对策有所不同，同时该项目又是风险技术的项目，普及引进、照抄、照搬将会带来严重的后果，况且该技术仍处在不断发展、完善阶段，还有一系列问题有待于解决。因此在配套关键技术设备的同时，还应针对各油田生产实际情况，加强其工艺技术的攻关研究，形成一套适合各个油田特点的欠平衡钻井工艺配套技术。未来欠平衡钻井技术将和水平井，分支井，连续管钻井一样，成为一种趋势，而它们之间的结合应用是经济有效开发新老油藏的发展方向。欠平衡技术加水平井，导向钻井，用于提高勘探成功率；欠平衡技术加水平井，
13、用于提高开发效益；欠平衡技术与连续软管钻机，老井加深、老井侧钻，小井眼钻井技术，用于老油气田改造挖潜；欠平衡技术加超常水平井、分支水平井，用于低渗，强水敏油气田增产改造，部分代替水力压裂。钻井技术和井控技术的进步已经使欠平衡钻井技术成为开采油气的一种既安全又经济的手段，尤其是针对油气田开发后期的低压低渗油藏。1.3 欠平衡钻井优点和缺点欠平衡钻井技术能够迅速发展是因为它能很好的克服钻井作业过程中的难题并避免一些复杂情况的发生、能有效地降低油气田的勘探开发成本。从目前国内外研究及应用情况来看，其具有以下几方面的优缺点：优点：减少对油气层的伤害，有效保护油气层，提高油气井的产量实时发现地质异常情况
14、，及时评价低压低渗油气层有效控制漏失，减少和避免压差卡钻等井下复杂情况的发生，减少作业和相关的费用6提高机械钻速，延长钻头使用寿命，缩短钻井周期，降低钻井成本可以在钻井过程中生产油气。缺点：循环系统的稳定性（压力波动）油层伤害（过平衡状态，逆流自吸，地层液体配伍，出砂等）井壁稳定性（力学，物理，化学作用）安全问题（井下爆炸或燃烧，井控问题，H2S腐蚀7）经济因素（设备，材料，环境问题）。1.4 本文主要内容本文主要建立在文献调研的基础上，通过翻阅大量的关于欠平衡钻井技术和各油气田开发建设方面的文献资料，结合自己所学的专业知识，研究以下内容：1、欠平衡钻井技国内外技术、设备发展现状，实施欠平衡钻
15、井的优缺点；2、欠平衡钻井相关理论；3、欠平衡钻井过程中关键技术的应用，主要是欠压值的如何确定，欠平衡钻井液技术和井底压力控制技术；4、欠平衡钻井信息实时采集分析处理系统研究与应用。第2章 欠平衡钻井相关理论2.1 油气藏筛选理论2.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏1、具有潜在井漏或钻井液侵害的油气藏这些油气藏包括晶间渗透率大于1m2的地层；具有大的宏观开放型裂缝的地层；具有大量连通孔洞的非均质碳酸盐地层；可以导致过平衡压力大于6.9MPa的压力枯竭地层。过平衡钻井最坏的情况是高渗透性特点与严重的压力枯竭相结合。对于上面提到的这些油气藏来说，由于很难设计有效的过平衡钻井液体系，所以它们是欠平衡钻井的最佳选择对象。特别是在裂缝性或非均质碳酸盐油气藏，很难形成防止钻井液滤液和固相侵害地层的均质稳定滤饼，并且发生抽汲后，地层内的流体仍旧会不受约束的流入井眼。在这种情况下形成的滤饼，经常引起压差卡钻，最终
