【文章內(nèi)容簡介】 — 方面要盡可能維持欠平衡狀態(tài)，另 — 方面，鉆井液的選擇對欠平衡鉆井的成敗也很重要。 設(shè)計(jì)欠平衡鉆井液時(shí)所考慮的因素之 — 就是同地層流體的相容性。欠平衡鉆井中存在的潛在問題包括產(chǎn)出水或循環(huán)水同產(chǎn)出油或循環(huán)油發(fā)生紊流混合，形成極稠的穩(wěn)定乳狀液。這種高粘乳狀液將增加泵送鉆井液的泵壓，使欠平衡狀態(tài)難以維持，并使氣體難以在地面分離， 使固控問題變得更加復(fù)雜。另 — 問題是不相容的產(chǎn)出地層水和水基鉆井液濾液混合，生成結(jié)垢或沉淀物；或者產(chǎn)出油與油基鉆井液混合，形成瀝青沉積物，還有就是形成氣油乳狀液或泡沫。設(shè)計(jì)欠平衡鉆井的基液時(shí)所要考慮的第二個因素是產(chǎn)出地層水引起的稀釋問題。在任何欠平衡鉆井作業(yè)中，循環(huán)流體可能被地層產(chǎn)出的流體迅速稀釋。如有地層水產(chǎn)出，水基鉆井液體系也可能受到污染。許多泡沫基體系對油和地層鹽水的接觸及稀釋有不良反應(yīng)。腐蝕是需要考慮的第三個因素。如果用空氣或氮?dú)鈦斫⑶菲胶鈮毫顟B(tài)，那么鹽水 (產(chǎn)自地層或用作循環(huán)流體 )與循環(huán)系統(tǒng)中的微 量氧接觸時(shí)，就具有極強(qiáng)的腐蝕性。如果地層產(chǎn)出氣中含有 H2S，這 — 腐蝕問題就會變得更加嚴(yán)重。需要使用腐蝕抑制劑來防止鉆柱、連續(xù)軟管和井下裝置過早失效，應(yīng)詳細(xì)分析游離氣、溶解氣以地層中可能產(chǎn)出的地層氣，以評價(jià)它們的可燃性和腐蝕性。粘度是需要考慮的第四個因素。如果欠平衡狀態(tài)喪失，基液的固有粘度會明顯減緩它向地層的侵入。 自發(fā)的逆流吸入是需要考慮的第五個因素。在欠平衡壓力狀態(tài)下鉆低滲、親水、地下殘余水飽和度可能異常低的氣藏時(shí)，即使存在連續(xù)的欠平衡壓力梯度，毛細(xì)管壓力效應(yīng)也會導(dǎo)致水基鉆井液濾液逆流吸入近井地帶，而且這 種逆流吸入具有潛在的傷害性。只有在鉆井過程中完全杜絕液體介質(zhì) (直接用氣體鉆井 )，或者在欠平衡鉆井作業(yè)中選擇非潤濕性流體作為基液， — 般才能避免這 — 問題的發(fā)生?？傊谶x擇基液時(shí)，應(yīng)綜合考慮儲層、流體、作業(yè)和經(jīng)濟(jì)因素。 （ 3）安全問題 欠平衡鉆井不同于常規(guī)鉆井，主要就在于在鉆進(jìn)過程中，地層流體，甚至有害氣中國石油大學(xué)勝利學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 體 ，如 H2S等 進(jìn)入井筒，可能造成井下著火爆炸或在地面引起事故，造成生命財(cái)產(chǎn)傷害。欠平衡鉆井對井控也提出了特殊的要求，因此，人們總是擔(dān)心鉆井的安全性問題。要防止欠平衡鉆井意外事故的發(fā)生，首先對地層要有較為完善而準(zhǔn) 確的了解，精心進(jìn)行欠平衡鉆井的優(yōu)化設(shè)計(jì)，鉆前進(jìn)行欠平衡鉆井?dāng)?shù)值模擬或仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題或隱患。這 — 點(diǎn)對欠平衡鉆井尤為重要。第二，強(qiáng)化施工組織管理，精心安排，定崗定責(zé)；其次注意欠平衡鉆井過程的監(jiān)測與預(yù)報(bào)工作，尤其地層壓力的預(yù)測，因?yàn)榈貙訅毫κ菦Q定是否欠平衡，欠多少的最重要因素之 — ，因此，隨鉆地層壓力預(yù)測是十分必要的。另外，作好可能發(fā)生事故的防范措施。按這樣進(jìn)行欠平衡鉆井，安全應(yīng)該具有保障。 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 3 章 欠平衡鉆井裝備 國外欠平衡鉆井裝備的發(fā)展現(xiàn)狀 近幾年來，欠平衡鉆井技術(shù)在降低鉆井成 本和提高油氣層產(chǎn)能上的顯著效果促進(jìn)了旋轉(zhuǎn)控制頭和配套設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。國外欠平衡鉆井裝備的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面 。 旋轉(zhuǎn)控制頭 旋轉(zhuǎn)控制頭的承壓能力得到了很大提高，其功能也更加完善。國外旋轉(zhuǎn)控制頭的發(fā)展主要有四個方面。 — 是密封壓力級別越來越高，動密封已從 上升到；二是軸承總成的鎖緊裝置由手動鎖緊向液動鎖緊發(fā)展；三是軸承的密封由低壓注潤滑脂向單獨(dú)的高壓油泵進(jìn)行潤滑發(fā)展，以提高其連續(xù)工作時(shí)間和軸承的使用壽命；四是旋轉(zhuǎn)控制頭向功能更完善的旋轉(zhuǎn)防噴器發(fā)展。 Willaims、 Weahteorf 等工具 公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)控制頭，控制能力得到了很大提高。William。公司的 7100 型旋轉(zhuǎn)控制頭總成殼體試驗(yàn)動壓力可達(dá) 70MPa，井口可承受最大靜壓為 35MPa，最大工作壓力為 。 Shseaff： 工具公司研發(fā)了功能更完備的旋轉(zhuǎn)防噴器 PCWD， 全稱為隨鉆壓力控制器(PresuserConotrlWhileDrilling)。 PCWD 與旋轉(zhuǎn)控制頭的主要區(qū)別在于旋轉(zhuǎn)控制頭不是防噴器，只是 — 個簡單的分流器，如果旋轉(zhuǎn)頭的分流管線被堵塞，就不能依靠旋轉(zhuǎn)控制頭來維持關(guān)井壓力，但旋轉(zhuǎn)防噴器則可 以。旋轉(zhuǎn)防噴器同時(shí)具備旋轉(zhuǎn)控制頭和常規(guī)萬能防噴器的功能，因此使用 PCwD 實(shí)施欠平衡鉆并時(shí)，井口不需再安裝常規(guī)萬能防噴器，這使得安裝井口裝置所需的空間限制更小，井口裝置也更加簡單。 Shaeffr 公司的旋轉(zhuǎn)防噴器，可承受最大井口靜壓力為 35MPa，動壓為 21MPa。它比旋轉(zhuǎn)控制頭具有更高的工作壓力 (在轉(zhuǎn) 速 200r/min情況下，可維持井內(nèi)壓力 ，而在 50r/min情況下可維持井內(nèi)壓力 )，其工作原理是靠液壓自動密封元件，由 — 個較大的滾珠軸承支承且由機(jī)械密封隔離。液壓油壓力隨井眼壓力而變化， 在密封元件磨損時(shí)，自動增液補(bǔ)償密封。 地面分離系統(tǒng)和處理設(shè)備 近幾年，地面分離系統(tǒng)也得到加強(qiáng)。包括額定壓力值為 35MPa 的地面分離裝置、自動節(jié)流系統(tǒng)及各種分離器。這些設(shè)備不僅可承受更大的壓力，而且可處理大量的返中國石油大學(xué)勝利學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 出流體、巖屑和鉆井液。同時(shí)，在環(huán)境保護(hù)、自動控制和安全系統(tǒng)等方面更為完善。如在英國海上高壓氣田應(yīng)用 UBD 技術(shù)，就包含了 — 種新型的耐高壓 (35MPa)四相地面分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許返出流體在 35MPa 高壓下脫氣，可使液流與氣相分離，減少流向主分離裝置的氣流量。氣體的分離可顯著地減少高壓管匯和工 作管柱的沖蝕，從而減少停工時(shí)間。目前，該系統(tǒng)同時(shí)采用兩個脫氣單元，每個單元可以處 理 體。 大部分氣體經(jīng)高壓氣處理系統(tǒng)脫氣后，剩余氣、液、固等就被送到低壓分離設(shè)備作最后分離。液流用 — 個專門設(shè)計(jì)的垂直分離器在低壓下進(jìn)行分離。 分離出的巖屑通過專用的 TORE 旋流泵泵出容器底部。 TORE 泵可以處理固相含量達(dá)64%的鉆井液。此外，它沒有活動的機(jī)械部件，因此不易堵塞，即使在開關(guān)時(shí)也不會。該系統(tǒng)可以處 理 ，它有以下幾個方面的特點(diǎn) ： (l)環(huán)境保護(hù)該分離處理設(shè)備在設(shè)計(jì)上嚴(yán)格遵循 HSE要求，是 — 個全閉環(huán)系統(tǒng)，可以使分離氣在較小或無壓縮的情況下直接進(jìn)人生產(chǎn)設(shè)備，因此不需要傳統(tǒng)的返出氣點(diǎn)火裝置和系統(tǒng)，這不僅有利于環(huán)境保護(hù)而且能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 (2)先進(jìn)的控制系統(tǒng)控制全過程的 氣 — 電 — 液控 制系統(tǒng)由 — 個中心控制模塊罩著，該模塊通過 PCL(可編程序邏輯控制器 )實(shí)現(xiàn)可控自動控制，可以減少操作人員，它使得系統(tǒng)更加易于管理，操作起來也更加安全。 PCL 為操作人員提供 — 個界面，通過預(yù)先設(shè)置所需的各種程序變量來控制地面分離過程。人機(jī)界面 (HM)I 為操作人員提供關(guān)鍵的鉆井信息、緊急關(guān)停 (ES 功和報(bào)警數(shù)據(jù) 以及各種程序變量的控制。 (3)安全系統(tǒng)地面分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三級安全保護(hù)系統(tǒng)，其目的是對異常 UBD 操作狀態(tài)進(jìn)行檢測并作出反應(yīng)，從而從根本上保證人員、環(huán)境和設(shè)備的安全。 UBD 地面分離裝置的三級安全系統(tǒng)為 ： 第 — 級 — DAT 系統(tǒng)和機(jī)械監(jiān)控 ： 測試設(shè)備、可聞和可視報(bào)警。 第二級 — 緊急關(guān)停系 統(tǒng) ： 有局 部緊急關(guān)停和全部緊急關(guān)停兩種方式。局部關(guān)停可以根據(jù)需要以安全的邏輯次序自動停止并將單個工藝流程隔斷。全部緊急關(guān)停裝置可以在臨界安全狀態(tài)遭破壞時(shí)自動或通過手動控制點(diǎn)啟動緊急關(guān)停。 第三級 — 過壓安全釋放 設(shè)備 ： UBD 地面分離裝置 安全系統(tǒng)除具備成套安全方法之外，還設(shè)計(jì)有在超出最大允許工作條件下的釋放系統(tǒng)。 (4)模塊化設(shè)計(jì)裝置采用了模塊化設(shè)計(jì)。該裝置設(shè)計(jì)為 10t 左右的模塊并置于標(biāo)準(zhǔn)中國石油大學(xué)勝利學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 集裝箱內(nèi)。限制為 10t 可便于海上小型吊裝設(shè)備的操作，道路運(yùn)輸也不受約束。 — 些模塊設(shè)計(jì)成可組裝的形式，這使得地面分離設(shè)備可以多種不同的形式擺放，使之適應(yīng)海上現(xiàn)場施工的需要。 巴西石油公司設(shè)計(jì)和制造了 — 種海上螺旋分離器，可減少四相鉆井液分離器的占地面積和質(zhì)量，該種型號分離器的幾臺樣機(jī)已在試驗(yàn)室、陸上及海上油田進(jìn)行了試驗(yàn)。 外、內(nèi)隔水管旋轉(zhuǎn)控制頭 外 隔水管旋轉(zhuǎn)控制頭安裝在隔水管上，可在帶有密封膠芯的情況下起下鉆。其所有部件都是為常規(guī) UBD 應(yīng)用設(shè)計(jì)的，能承受很高的工作壓力，軸承密封總成靜態(tài)額定工作壓力為 35MPa，不過事實(shí)上大多數(shù)的海上隔水管設(shè)計(jì)承壓能力不超過 。 外隔水管旋轉(zhuǎn)控制頭包括鋼碗總成、軸承密封總成和系統(tǒng)軟管。系統(tǒng)軟管包括兩側(cè)的排出管和過壓釋放軟管。在排出閥門和軟管上端安裝 — 個保險(xiǎn)盤，當(dāng)隔水管地面壓力超過保險(xiǎn)盤額定壓力時(shí)，通過專用的必 過壓釋放軟管從隔水管排到鉆機(jī)分流管線，防止超過最大額定工作壓力。 井下防噴器 最近， Willams 公司研制了 — 種井下防噴器，隨技術(shù)套管 — 起下入，同時(shí)下人 — 寄生管，通過寄生管，在地面控制井下防噴器，在起下鉆過程中保持井底為負(fù)壓，使起下鉆變得和常規(guī)過平衡鉆井 — 樣容易。以前為欠平衡鉆井強(qiáng)行起下鉆專門研制了強(qiáng)行起下鉆裝置，但是操作起來非常復(fù)雜，井下防噴器的研制成功使這 — 問題得以解決。 欠平衡鉆井計(jì)算軟件 美國 Mnaerr、 Weatheorfdr 和 Signa 等公司都已開發(fā)出了 UBD模擬軟件，可以幫助用戶對欠平衡鉆井作業(yè)進(jìn)行液壓模擬計(jì)算和分析，并確定選用哪種液體，并設(shè)計(jì)施工排量。其中 Signa 公司軟件還能通過計(jì)算來判斷井眼“清潔度”，以免井內(nèi)巖屑積累過多而導(dǎo)致井下情況復(fù)雜和事故的發(fā)生。 井底隨鉆測壓裝置 由于多相流本身的復(fù)雜性，目前多相流的模擬和計(jì)算還是 — 個世界性難題，國外開發(fā)的所有軟件都還不很完善，模擬和計(jì)算結(jié)果都與實(shí)際的井底壓力存在 — 定的差別。國外有公司開發(fā)出了進(jìn)行井底隨鉆測壓的隨鉆壓力計(jì) (PCWD)，這使得確切了解井底壓力和井底負(fù)壓值，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓值的精確控制 (如計(jì)算機(jī)控制 )成為可能。 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 集成欠平衡鉆井系統(tǒng) 國外欠平衡裝備的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，并不斷地針對欠平衡技術(shù) 的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)化和完善，使得欠平衡裝備日益完善，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了集成欠平衡鉆井系統(tǒng)，通過應(yīng)用可編程的邏輯控制系統(tǒng) ， 使液氣分離系統(tǒng) 、注 入 系統(tǒng) 、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等各系統(tǒng)之間有機(jī)地聯(lián)系在 — 起，司鉆通過司鉆控制面板即可對欠平衡鉆井實(shí)施有效控制。 我國欠平衡鉆井裝置的應(yīng)用情況 總體上講，我國欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展和欠平衡裝備的開發(fā)應(yīng)用還處于起步階段。 國內(nèi)欠平衡裝備的開發(fā)能力低 目前，國內(nèi)只有少數(shù)幾個廠家可以開發(fā)生產(chǎn) — 定壓力級別的旋轉(zhuǎn)控制頭。但由于受材料性能、密封技術(shù)等的限制，所開發(fā)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)控制 頭承壓能力較低，還沒有高壓旋轉(zhuǎn)控制頭產(chǎn)品問世，四川生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)控制頭的最大壓力為 。由于其壓力級別低，而且低壓旋轉(zhuǎn)控制頭產(chǎn)品還未形成規(guī)模，產(chǎn)品單 — ，生產(chǎn)和應(yīng)用的數(shù)量都很少 國內(nèi)欠平衡裝備的應(yīng)用有較大發(fā)展 自 20世紀(jì) 90 年代以來，我國欠平衡鉆井技術(shù)得到了較大 發(fā)展。 我國油田擁有欠平衡裝備 30 套左右，主要集中在大港、新疆、四川、勝利等油田。這幾家油田在欠平衡鉆井技術(shù)引進(jìn)和應(yīng)用方面起步較早，發(fā)展較快，已經(jīng)形成了 — 定的技術(shù)水平和施工能力，有 — 批熟悉欠平衡鉆井工藝的專業(yè)技術(shù)人員，有配套相對完善的欠 平衡設(shè)備。其中，大港 和勝利 油田還成立了專業(yè)化的欠平衡鉆井技術(shù)公司 (中心 )，使得欠平衡鉆井水平得以迅速提高。目前國內(nèi)已有 10 多個油田在近百口井上應(yīng)用了欠平衡裝備。此外，大慶、遼河和中原等油田也引進(jìn)了欠平衡鉆井裝備，積累了 — 定的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。 國內(nèi)欠平衡裝備配套還不完善 (1)硬件上只是引進(jìn)了國外的欠平衡鉆井的常規(guī)和關(guān)鍵設(shè)備，如旋轉(zhuǎn)控制頭 (旋轉(zhuǎn)防噴器 )、多相分離器、節(jié)流 (壓井 )管匯及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 (2)目前所實(shí)施的欠平衡鉆井大多數(shù)是采用液相鉆井液來完成的，設(shè)備配套和工藝要求相對來說都較為簡單，對 其它如泡沫、天然氣、充氣鉆井液、空氣霧化等為循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井應(yīng)用還很少，相應(yīng)的設(shè)備配套也不完善。 (3)目前所用的 UBD 軟件幾乎全部從美國 Muaerr、 Signa 公司引進(jìn)。但是，在國外欠平衡鉆井技術(shù) — 般都是應(yīng)用在開發(fā)井上，而避免應(yīng)用在對地層情況不了解的區(qū)域 (探井 )，因此上述軟件也主要適用于開發(fā)井。而在國內(nèi)相當(dāng)多