【正文】 推導(dǎo)出如下等式： (2—29)在式(2—29)中唯一能控制的只有P回，通過調(diào)節(jié)P回保證式(2—29)成立，即保證了欠平衡鉆井時循環(huán)壓耗等于欠平衡初始時的循環(huán)壓耗，即可保證設(shè)計(jì)的欠壓值等于實(shí)際的欠壓值。由于Pa、P欠很難求出，所以只有采用調(diào)整井口回壓來保證欠壓值，即保證其他鉆井參數(shù)不變。其原理可通過如下公式推導(dǎo)證明。(2)確定欠平衡鉆井時所用的鉆井液密度當(dāng)欠壓值確定后，鉆井液的密度可由下式計(jì)算: (2—27)式中：Pp——地層壓力，Mpa； Pa——環(huán)空壓耗，Mpa；其值約等于1 Mpa； ——欠壓值，Mpa；h——井深，km；——欠平衡鉆井液密度，g/cm3。另外，確定欠壓值時，還應(yīng)考慮使用鉆井液的成本問題。因此,本模型可以利用鉆井地面參數(shù)、鉆井液參數(shù)以及返出氣體、液體的流量,進(jìn)行欠平衡鉆井的井口回壓計(jì)算,而且當(dāng)氣侵量越小、井越深時,計(jì)算精度越高。利用環(huán)空氣液兩相流數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出如下井口回壓的計(jì)算公式[3] 。由于氣體是可壓縮的,氣侵后鉆井液密度在不同深度是不同的。（2）　利用井口回壓控制井底負(fù)壓差當(dāng)原始的地面注入條件使井底處于欠平衡條件時,由于氣侵環(huán)空存在氣—液兩相流動,井底壓力將減小。隨著氣體量的增加,計(jì)算出的井底壓力逐漸下降,表現(xiàn)在立管壓力值上也是如此。根據(jù)鉆井液流體的伯努利能量方程,立壓與井底壓力間的關(guān)系式為： (2—25)式中： Ps——立管壓力，kPa； Pb——井底壓力，kPa； Pj——鉆頭壓降，kPa； Pd——鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗，kPa； g——重力加速度，m/s2。另外,鉆井液循環(huán)裝置能夠?qū)⒎党龅牡貙恿黧w與鉆井液分離,且能夠保持入口鉆井液密度較穩(wěn)定。研制出欠平衡鉆井地面數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng),可依據(jù)實(shí)時監(jiān)測的鉆井作業(yè)參數(shù)和產(chǎn)出流體的量,以及立管壓力和套管壓力與實(shí)際井底壓力間的數(shù)學(xué)關(guān)系及軟件計(jì)算,調(diào)節(jié)鉆井液密度和井口回壓來控制井底負(fù)壓差。當(dāng)隨鉆產(chǎn)氣量不變而排氣量變化時，Pp、P外為常量，設(shè)K’=PpP外，即K’為常數(shù)，則PF=K’(P回+Aq+b) (2—25)由此得當(dāng)隨鉆產(chǎn)氣量及入口鉆井液性能不變時，如果排量下降，則井底欠壓值按井口壓力下降值與排量下降值得正比值和同值增加，反之亦然。因此，當(dāng)隨鉆產(chǎn)氣量變化或氣體滑脫上升時，靠調(diào)節(jié)節(jié)流閥使泵壓保持不變即可保持井底欠壓值不變。根據(jù)水力學(xué)關(guān)系： 則： (2—19)所以，結(jié)合上兩式可得： (2—20)2）井底欠壓值與泵壓的關(guān)系根據(jù)各液動壓力之間的關(guān)系，當(dāng)排量、鉆井液入口性能不變，而隨鉆產(chǎn)氣量變化或氣體滑脫上升時，P內(nèi)、PM、Ppi、Pp為常量，設(shè)K=Pp+ PM + Ppi P內(nèi)顯然，K亦為常數(shù)。(B)氣井: Δp欠＜Δp欠3max，則不會發(fā)生速敏。 當(dāng)雷諾數(shù)R。所以時，則有: (2—13) (2—14)可得:Qc(x)與Δp欠成線性正比關(guān)系，即Δp欠隨著Qc(x)的增大而增大。當(dāng)流動雷諾數(shù)Rec≤，即此時符合達(dá)西定律，由此可得: (2—12)在壓差一定的情況下，越靠近井眼流速越大，即在趨于井眼半徑rw無窮處流速區(qū)得最大值。s； φ——孔隙度，小數(shù)。此時流量與壓差不再成線性關(guān)系，達(dá)西定律被破壞(即已經(jīng)不適用了)。在此令Δp=pepw所以，Δp=Δp欠。Re——供給邊緣半徑，m；Rw——經(jīng)驗(yàn)半徑，m；S——表皮系數(shù)，與油井完井方式、井底污染或增產(chǎn)措施等有關(guān)，可由壓力恢復(fù)曲線求得。由于實(shí)際儲層為徑向流，所以在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室冊得的臨界流量時應(yīng)將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的線性臨界流量(或臨界流速)轉(zhuǎn)化為實(shí)際礦場的徑向臨界流量(或臨界流速)，使井壁流速滿足下式: (2—9)由滲流力學(xué)達(dá)西定律可以得到油井產(chǎn)量Q地與井底壓差的關(guān)系公式達(dá)西公式。對于給定儲層都存在一個臨界速度(Vc)，即當(dāng)儲層流體流速小于Vc時不會造成對儲層的損害。其大小直接影響地層流體進(jìn)入井筒內(nèi)的量的多少，其值過大，易造成產(chǎn)層的速敏和井口設(shè)備載荷過大或失控，造成重大的鉆井事故。井口回壓一般確定在2~5MPa范圍內(nèi)。5)井口回壓(P回):當(dāng)?shù)貙恿黧w不斷進(jìn)入井筒內(nèi)，環(huán)空的靜液柱壓力不斷下降，欠壓值也急劇升高，如果不在井口控制一定的回壓，從而控制地層流體的流入量，將會給欠平衡鉆井帶來很大的危害。4)井底壓力:我們根據(jù)鉆井液流體總流的伯努力能量方程，可以得出立管壓力和井底壓力之間的關(guān)系式: (2—8)式中：Pj——鉆頭壓降，Mpa當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入井筒環(huán)空，由于氣體的侵入，泥漿粘度提高，密度減少。而排量Q的確定根據(jù)泥漿最小返速： （2—6）根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)公式得到最小排量為： （2—7）式中 ——環(huán)空最低返速，m/s； Qa——最低排量，L/s； Ρ——泥漿密度，g/cm3； D——井眼半徑，cm； Dn——鉆桿外徑，cm。.當(dāng)?shù)貙恿黧w進(jìn)入環(huán)空后，鉆桿外環(huán)空壓耗： （2—6）式中： Ρ——泥漿密度，g/cm3；η——泥漿塑性粘度，mPa鉆桿內(nèi)靜液柱壓力： 環(huán)空靜液柱壓力： （2—5）——環(huán)空混合液密度，g/cm33)環(huán)空壓耗(Ppa):環(huán)空壓耗是由于鉆井液的流動而產(chǎn)生的，與鉆井液性能和鉆井參數(shù)有很大的關(guān)系。而鉆柱內(nèi)的流體單一密度相對確定起來簡單些，所以我們也可選取鉆柱內(nèi)及關(guān)井立壓求解地層壓力:地層壓力 =即： （2—4）式中：Ps—— 立管壓力，MPa2)鉆井液靜液柱壓力(P內(nèi)):鉆井液靜液柱壓力與鉆井液的流動有關(guān):該壓力直接作用在地層上，直接影響欠壓值的大小。Ρ——鉆井液密度，g/ cm3。Px——循環(huán)壓耗，Mpa。尺=泵出口壓力壓井排量時的壓耗。記下此時的泵出口壓力。由記錄中查出壓井排量時的壓耗。當(dāng)鉆遇溢流和鉆時加快時，要停止鉆進(jìn)，近似地求出地層壓力，再根據(jù)所求的地層壓力，調(diào)整鉆井參數(shù)。而對于勘探井，由于地層壓力有許多的不確定性，所以只能作為參考。（1） 鉆井過程中的地層條件1)地層壓力(Pp)的確定:地層壓力是在欠平衡鉆井中首先要搞清楚的基礎(chǔ)的壓力，一切欠平衡的壓力計(jì)算，都建立在這個壓力基礎(chǔ)上。反之，如果負(fù)壓差過小，井底的壓力波動，又容易超過欠平衡壓差量，形成瞬時正壓差或周期性的正壓差，形成對儲集層正壓差傷害。對于應(yīng)力敏感性強(qiáng)的地層，過低的井底壓力降低的近井地帶地層的空隙流體壓力，空隙趨于閉合，造成永久性的地層應(yīng)力傷害。如果負(fù)壓差過大，流體產(chǎn)出速度很高，對于速敏感性地層，極易引起儲層內(nèi)部微粒運(yùn)移，堵塞孔喉，導(dǎo)致近井地帶的儲層傷害。進(jìn)行欠平衡壓差設(shè)計(jì)，選擇恰當(dāng)?shù)膲翰盍?，是欠平衡鉆井系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先應(yīng)當(dāng)考慮的事情。 欠平衡鉆進(jìn)欠壓值的確定實(shí)施欠平衡鉆井不但要有良好的井控裝備，而且欠壓值大小的確定也十分關(guān)鍵，它是影響到欠平衡鉆井的成敗的重要參數(shù)。(5) 負(fù)壓差是保證欠平衡鉆井成功的重要參數(shù)，負(fù)壓差設(shè)計(jì)應(yīng)從井口裝置、套管泵壓能力、旋轉(zhuǎn)控制頭（或旋轉(zhuǎn)防噴器）的性能、井眼的穩(wěn)定性、地面對產(chǎn)出液量分離能力等幾個方面進(jìn)行綜合考慮：1）最大關(guān)井套壓小于井口裝置的額定工作壓力、套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%及地層破裂壓力三者最小者；2）負(fù)壓差小于旋轉(zhuǎn)控制頭連續(xù)工況下的承壓能力；3）負(fù)壓差小于裸眼地層強(qiáng)度，防止地層剪切破壞，造成井眼復(fù)雜化；4）負(fù)壓差太大，產(chǎn)出的氣液量就大，因此負(fù)壓差不能使產(chǎn)出的氣液量超過地面設(shè)備的分離能力。(4) 泡沫鉆井，井底負(fù)壓值設(shè)計(jì)余地較大，考慮到循環(huán)系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性（有氣相存在），井底負(fù)壓值可設(shè)計(jì)得大一些，防止出現(xiàn)過平衡，但要兼顧井壁穩(wěn)定和地面處理能力。井底負(fù)壓值一般取1～3Mpa。 確定合理的井底負(fù)壓值：(1) 井底負(fù)壓值下限是零，上限為地層空隙壓力與地層坍塌壓力之差。因此，要求鉆井液具有良好的抑制性。合理的流變性既滿足攜砂要求又能減少對井壁穩(wěn)定的不利影響。所以必須加強(qiáng)鉆井液封堵能力，阻止鉆井液濾液進(jìn)入地層。因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)詳細(xì)研究、評估所測數(shù)據(jù)和相關(guān)資料，以確保安全鉆進(jìn)。鉆井液密度的計(jì)算式為 （2—2）Pp——預(yù)測地層孔隙壓力，kPa； Pn——井身負(fù)壓設(shè)計(jì)值，kPa；H——井深，m；ρm——鉆井液密度，g/cm3。s Qm——鉆井液排量，L/s； Dp——鉆柱直徑，mm； Dh——井眼直徑和套管直徑，mm； Lp——鉆桿長度，m； Yp——屈服值，Pa。因此，可按式(1)計(jì)算層流時鉆井液的環(huán)空壓耗。常規(guī)過平衡及近平衡鉆井現(xiàn)場泵排量是按噴射鉆井最大鉆頭水功率或沖擊力原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，鉆井液循環(huán)足以達(dá)到紊流狀態(tài)。地層孔隙壓力確定之后，應(yīng)根據(jù)已確定的負(fù)壓差進(jìn)行鉆井液密度的計(jì)算。油藏地質(zhì)工程提供的地層孔隙壓力主要是試油靜壓、鉆桿測試壓力及RFT(MFT)測試壓力，所鉆井的壓力可根據(jù)油層深度校正。鉆井液密度的計(jì)算過程是：先確定地層孔隙壓力、環(huán)空壓耗，然后求出鉆井液密度。合理鉆井液密度要根據(jù)煤巖物理力學(xué)參數(shù)、煤層壓力、煤層地應(yīng)力等參數(shù)綜合分析計(jì)算后確定，同時要考慮泥頁巖夾層的穩(wěn)定問題。 穩(wěn)定煤巖井壁鉆井液性能要求煤巖是破碎性易坍塌巖體，井壁極易失穩(wěn)，所用鉆井液體系及性能、鉆井液的流變性和流態(tài)、鉆井工藝措施(鉆柱組合、水力參數(shù)等)、鉆柱的機(jī)械碰撞等均會對煤巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。用氣體作為鉆井介質(zhì)，不但會引起鉆屑輸送和井眼清潔不良等潛在問題，而且還可能產(chǎn)生干研磨現(xiàn)象，致使鉆頭溫度過高，鉆屑過細(xì)，從而顯著降低低滲彈性地層的油氣產(chǎn)量。（5）對流自吸作用在低滲、親水、地下殘余水飽和度異常低的儲層（氣藏）進(jìn)行欠平衡鉆井時!即使在欠平衡狀態(tài)下，毛細(xì)管壓力效應(yīng)也可能會導(dǎo)致水基鉆井液濾液對流自吸入近井帶地層!對儲層構(gòu)成潛在的危害。（4） 鉆井液的粘度在人工誘導(dǎo)的欠平衡作業(yè)中，一般不考慮使用高粘度的鉆井液，這是因?yàn)楦哒扯鹊你@井液難以維持充分清潔井眼所需的紊流，而且難以控制固相和分離氣體。如果地層產(chǎn)出氣中含有H2S腐蝕問題會更嚴(yán)重。另外還要確保產(chǎn)出液與溫度較低的循環(huán)鉆井液接觸時，石蠟不會結(jié)晶析出。如氧含量超過5%就可能發(fā)生井下或地面著火，甚至爆炸。如果注入氣中含有CO2，CO2溶解在產(chǎn)出油和循環(huán)油中，在很高的井底循環(huán)壓力下就可能產(chǎn)生瀝青，出現(xiàn)結(jié)垢和沉淀物。而且含有表面活性劑的鉆井液漏失到地層，易引起地層的潤濕性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油性。2）在大多數(shù)欠平衡鉆井作業(yè)中，一般使用表面活性劑來抑制穩(wěn)定乳狀液的形成。欠平衡鉆井液選擇依據(jù)及影響因素：（1） 鉆井液與地層流體的相容性在欠平衡鉆井中，如實(shí)現(xiàn)了真正的欠平衡，地層中的油水氣就會進(jìn)入井眼，同循環(huán)的鉆井液接觸，可能出現(xiàn)生成高粘度乳狀液、潤濕反轉(zhuǎn)、結(jié)垢和沉淀物以及注入介質(zhì)的氧化作用問題。結(jié)果表明：空氣對煤層無傷害；泡沫具有很好的防濾失作用，在相同的條件下，其濾失量比清水和普通鉆井液要小得多，且密度低，對煤層有效應(yīng)力小，因此，泡沫對煤層傷害最小。103～103μm2(一般小于1103μm2)，%～%，～。然而不同的鉆井方式，不同的鉆井液體系，對煤儲層造成的傷害程度不同。 煤層氣井勘探技術(shù)的核心是采用特殊的鉆井和完井工藝，最大限度地保護(hù)好煤儲層，使其盡量減少損害。在欠平衡鉆進(jìn)過程中，所鉆巖層巖屑能夠自動崩落，同時也取消了壓持效應(yīng)，避免井底重復(fù)破巖，能極大地提高機(jī)械鉆速，減少純鉆時，從而降低鉆井成本。同時，這還可最大限度地避免鉆井液成分進(jìn)入地層(或儲層)，使得煤儲層在整個鉆進(jìn)過程中處于產(chǎn)出狀態(tài)，不存在任何意義上的傷害。這不僅可提高油氣勘探的效率和準(zhǔn)確性，而且也可為鉆井施工本身提供有用的信息，便于隨時調(diào)整鉆井措施和地面操作方法，提高鉆井施工的安全性。（10）可以及時對地層進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評價。由于欠平衡鉆井是有控制地制造溢流，油氣可有控制地從井內(nèi)返出到地面，經(jīng)分離、處理后，可以作為鉆井過程中的副產(chǎn)品加以利用或出售，從而補(bǔ)償欠平衡作業(yè)的輔助費(fèi)用。而欠平衡鉆井由于井筒內(nèi)鉆井液靜液柱壓力低于地層壓力，從而可以大大降低井漏的發(fā)生機(jī)率。（8）可以降低井漏風(fēng)險，節(jié)約鉆井成本。(7)有利于防斜打快?？諝忏@井要求環(huán)空返速必須達(dá)到15m/s以上，使鉆屑完全快速地脫離井底，避免了重復(fù)切削，保證井筒的快速清洗干凈，高速循環(huán)空氣能有效地冷卻鉆頭，延長鉆頭壽命。大港油田板深7井成功地利用欠平衡鉆井技術(shù)，在多年勘探?jīng)]有重大發(fā)現(xiàn)的千米橋區(qū)塊，發(fā)現(xiàn)了一個億噸級大油田。過平衡鉆井對地層造成的傷害很可能使預(yù)期本應(yīng)該出現(xiàn)的油氣顯示沒有出現(xiàn)，從而影響了油氣的勘探。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國煤層氣采用空氣鉆井比普通鉆井機(jī)械鉆速提高5～12倍，一口500m深的井采用空氣鉆井僅需60h，極大地減少了鉆機(jī)等設(shè)備日租賃費(fèi)用，降低了鉆井成本。(3) 大幅度提高鉆井速度。過平衡鉆井不可避免地會引起鉆井液的輕微滲漏，而且煤層強(qiáng)度低，割理裂隙發(fā)育，極易造成井漏，使大量鉆井液流入地層，這有可能造成復(fù)雜事態(tài)或事故，延長鉆井周期，還會因鉆井液的大量漏失而造成經(jīng)濟(jì)損失。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同的流量下，～。由于我國大部分煤層氣儲層屬于低壓低滲儲層，采用常規(guī)鉆井液鉆井，煤層割理裂縫中的粘土吸水膨脹或化