毕业设计（论文）：欠平衡钻井技术研究.doc

1、辽宁石油化工大学继续教育学院论文 毕业设计（论文） 题目： 欠平衡钻井技术研究 姓 名： 专 业： 石油工程 学 院： 继续教育学院 学习形式： 自考 助学单位： 辽河石油职业技术学院 指导教师： 2013 年 12 月 I 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

2、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 II Abstract Underbalanced drilling is the international at the beginning of the 90s the rise once again improve the benefit of explorat

3、ion and development of new drilling technology. In recent years, our country in the exploration and development of oil and gas field, has done a lot of research and field test, and achieved remarkable results. Related theory and technology research of underbalanced drilling has become a research hot

4、spot in drilling workers. This paper introduces the development status of balanced drilling technology at home and abroad, the advantages and disadvantages of underbalanced drilling. Analyzes and summarizes the relevant research results of underbalanced drilling, and provide a theoretical basis for

5、the application of technology. The key technology from three aspects: in consideration of various factors influencing the value of negative pressure, the reasonable design program; the drilling fluid density calculated to select the optimal drilling fluid types suitable for actual conditions; analyz

6、ed the change of the annulus pressure bottomhole pressure fluctuation and after intruding, gives some bottom hole pressure control measures. Finally introduced the underbalanced drilling information acquisition and processing system, through monitoring and guiding the whole process to ensure the saf

7、ety of underbalanced drilling Keywords: underbalanced drilling fluid; information collection; 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 III 目 录 摘 要 . I Abstract . 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究欠平衡钻井技术的意义 . 1 1.2 欠平衡钻井技术国内外进展历史及现状 . 1 1.3 欠平衡钻井优点和缺点 . 2 1.4 本文研究思路 . 3 第 2 章 欠平衡钻井相关理论 . 3 2.1 油 气藏筛选理论 . 3 2.1.1 适合欠平衡钻井的油气藏 .

8、3 2.1.2 不适合欠平衡钻井的地层 . 3 2.1.3 油气藏筛选程序 . 4 2.2 欠平衡钻井地层稳定性理论 . 4 2.2.1 井壁失稳机理 . 4 2.2.2 非泥页岩地层的稳定性 . 5 2.3 欠平衡钻井两相流理论 . 6 2.3.1 环空两相流流态分类及其判别方法 . 6 2.3.2 欠平衡钻井气液两相流数学模型建立 . 8 2.3.3 三相携屑研究 . 8 2.4 欠平衡钻井井下爆燃基础理论 . 8 2.5 裂缝性储层欠平衡钻井流动规律 . 9 2.5.1 严重裂缝性储层的最大问题是井漏 . 9 2.5.2 漏层漏失的原因分析 . 9 2.5.3 漏层的漏失规律与地质特征

9、. 9 第 3 章欠平衡钻井关键技术 . 10 3.1 欠平衡负压值的确定及控制 . 10 3.1.1 确定井底负压值应考虑的因素及分析 . 10 3.1.2 负压差设计流程 . 10 3.1.3 井底负压差的控制 . 10 3.2 欠平衡钻井液技术 . 10 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 IV 3.2.1 选择欠平衡钻井液体系应考虑的问题 . 11 3.2.2 欠平衡钻井液密度的确定 . 11 3.2.3 目前应用的欠平衡钻井液体系 . 13 第 4 章 欠平衡钻井信息采集处理系统以及应用 . 14 4.1 研究欠平衡钻井参数采集与分析处理系统的意义 . 14 4.2 方案设计 . 15

10、 4.3 系统软件的主要功能 . 16 4.4 系统软件的应用 . 16 4.5 欠平衡钻井技术应用事例 . 17 4.5.1 工程设计 . 17 4.5.2 现场施工 . 18 结论 . 23 致 谢 . 24 参考文献 . 25 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 1 1 第 1 章 绪论 1.1 研究欠平衡钻井技术的意义 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

11、，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。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。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

12、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 欠平衡钻井技术国内外进展历史及现状 欠平衡钻井技术是 20 世纪 90 年代在国际上成熟并迅速发展的一项钻井新技术(图 1)。欠平衡钻井分为：气体钻井、雾化钻井、泡沫钻 井、充气钻井、淡水或卤水钻井液钻井、常规钻井液钻井和泥浆帽钻井。在美国，欠平衡钻井技术被称为上游

13、石油工业新技术，已经成为钻井技术发展热点，并越来越多地与水平井、多分支井及小井眼钻井技术相结合。国外欠平衡钻井技术主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 2 2 现在已有 20 多个国家应用欠平衡技术钻井，技 术先进的国家包括美国、加拿大、英国、阿根廷、墨西哥等国。这些欠平衡技术先进的国家，创造欠平衡条件采用的常用技术有：边喷边钻、泥浆帽钻井、立管气体注入、环空气体注人、连续油管钻井。水、地层水、海水、淀粉水、柴油、原油都曾用做欠平衡钻井的循环工作介质。散装或膜滤氮气、工业废气、空气、氮气和空气的混合气、天然气和空心玻璃球都作为减轻剂或发泡剂。 早

14、在 20 世纪 50 年代，国内的四川油田就开始运用欠平衡钻井技术，但由于设备能力不足、地层出水等问题而放弃。进入 80 年代以来，新疆石油管理局首先开展了泡沫钻井技术的研究与应用 ，于 1984 年在克拉玛依油田红一 29 井成功地进行了我国第一口泡沫钻井。为了满足不同地层对欠平衡钻井的需要，随后又相继开发了空气钻井、雾化钻井、充气钻井和低密度泥浆钻井等欠平衡钻井技术。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。如大港油田于 1998年采用欠平衡钻井技术在板桥地区的勘探上取得了重大突破，发现了亿吨级整装油气田。四川油田从 1999 年

15、 2002 年间，从单一欠平衡钻井技术初步发展形成了欠平衡钻井、欠平衡取心、不压井起下钻、不压井测井、欠平衡完 井等全过程欠平衡钻井完井配套技术，推动了国内欠平衡钻井技术的发展，实现了欠平衡钻井技术的重大突破。 就我国来说，特殊油气资源分布于全国各大油田，其储量占总探明储量的三分之一以上。同时，还有相当一部分开发中、后期油田由于压力递减而进入低压油田范畴。欠平衡钻井的主要技术特点适合开发这类油田。因此，欠平衡钻井自身具有的技术优势与世界石油工业勘探开发形式的需求决定了欠平衡钻井技术必定具有广阔的应用前景。 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

16、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，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辽宁石油化工大学继续教育学院论文 3 3 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

17、燃烧，井控问题， H2S 腐蚀） 经济因素（设备，材料，环境问题） 。 1.4 本文研究思路 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

18、或钻井液侵害的油气藏 2、具有岩石 -流体敏感性的地层 3、具有液 -液敏感性的地层 4、具有潜在自吸能力的地层 5、油藏性质高度易变的地层 6、具有活跃的地下水并且对水锥进敏感的地层 7、低钻速地层 2.1.2 不适合欠平衡钻井的地层 1、高压和高渗透率相结合地层 ； 2、受压力约束的地层 ； 3、常规地层 。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 4 4 2.1.3 油气藏筛选程序 对于直井或水平井的欠平衡钻井来说，筛选合理的油气藏是非常必要的。通过研究油 气藏的构造图以及收集和分析相关的数据，可以描述出油气藏为均质油气藏还是非均质油气藏 。 需要提供和研究的油气藏数据参数包括油气比原油的 A

19、PI 密度、平均孔隙度、平均渗透率、地层体积指数、压力、温度和含水量。另外，油气藏的构造资料、注水、注气以及原油粘度都在 “ 区分油气藏特征 ” 方面起着一定的作用。在油气藏筛选问题上，应该由一个有钻井工程师、油藏工程师、地质学家、地球物理学家、岩石物理学家、采油工程师、欠平衡钻井专家、安全专家、经济师等组成的多学科工作组来完成。多学科工作组在进行这项工作时，必须仔细考虑一个用于单个油气 藏筛选的详细筛选程序。这个筛选程序为： 1、用简单的欠平衡钻井技术能否完成这口井； 2、以我们现有的数据能否证明欠平衡钻井技术在此油气层中优于过平衡钻井技术； 3、用欠平衡钻井技术潜在的风险和事故； 4、该地

20、层能否承受住压力降低而不坍塌； 5、欠平衡钻井技术与长期的油气层优选相比较费用是否划算； 6、多学科工作组是否对油气藏已经做了足够的研究工作； 7、初始油井设计是否能满足油气藏开发标准； 8、现有的井控设备能否满足预期的油气层条件。 2.2 欠平衡钻井地层稳定性理论 2.2.1 井壁失稳机理 采用 欠平衡钻井，首先要使钻井液液柱压力低于储层压力，此时钻井液密度降低后，井壁的稳定性是否可以保证。如果试验和计算结果表明，欠平衡钻井的钻井液密度不能保证井壁稳定，通过调整钻井液体系和性能，增强井壁的稳定性。 对井壁失稳机理进行分析，井壁失稳的本质是：井壁上某部分的应力状态超过了井壁岩体的抗破坏强度。这

21、其中有两个制约因素：材料（岩体）和应力 。 1、岩体：破碎岩体和含弱面的岩体；塑性岩体，如盐膏层、软泥岩等；泥页岩（以硬脆性为主） 。 2、应力：深部地层的上覆岩层压力引起的地应力；强烈地质构造作用引起的地质辽宁石油化工大学继续教育学院论文 5 5 构造力； 异常热应力、循环温度应力、流固耦合应力 。 破碎岩体和含弱面的岩体由于本身强度低而导致井壁失稳；塑性岩体由于液柱压力不够时而出现蠕动变形；埋藏很深的地层由于巨大的上覆岩层压力使水平应力增大；强烈的地质构造作用造成很大的残余构造力使井壁失稳。 2.2.2 非泥页岩地层的稳定性 对于给定段地层，在给定欠平衡钻井的条件下，井壁是否可以保持稳定，

22、可按图（ 2-1）所示的动作程序进行一系列的试验和分析，最终得到结论。由上述综合分析所得到的结论，如果井壁能保持稳定，则可以采用给定参数的欠平衡钻井；如果井壁不能保持稳定，则 应加大钻井液密度直至井壁稳定，必要时放弃欠平衡钻井的方法。 图 2-1 非泥页岩地层稳定性预测图 可得出，泥页岩是在原有地应力再加水化应力条件下，以水化后降低的泥页岩强度来决定水化后是否井壁失稳；如果井壁稳定性不够，则靠提高钻井液密度予以克服。泥页岩的水化应力大小及水化后强度降低多少，是由钻井液的体系和性质来决定的；而井壁的最终稳定性很大程度上还取决于钻井液密度的提高。在常规的过平衡钻井中，人们常常是在给定钻井液密度的前提下，调整钻井液体系和性质达到一个合适的状态，使该状态下泥 页岩水化应力、水化下降程度在给定钻井液密度条件下能保持井壁稳定。显然此时钻井液体系和性能并没有使泥页岩水化影响降低到最小。因此我们完全可以通过调整钻井液体系和性能，使泥页岩水化影响大幅度降低（即减少水化应力、使强