【正文】 是相當嚴重的。（2）降低低壓煤層井漏風險。采用空氣鉆井可避免井漏，節(jié)約鉆井液成本。采用欠平衡鉆進，使井底巖石三向應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，有利于鉆頭對巖石的破碎和減少“壓持效應(yīng)”，從而提高鉆頭的機械鉆速和壽命，縮短鉆井周期，降低綜合鉆井成本。(4)良好的產(chǎn)層顯示，有利于達到勘探目的。而欠平衡鉆井條件下，鉆井過程中地層流體可以進入井眼，在井口監(jiān)測返出液就可以適時提供良好的產(chǎn)層信息，從而有利于達到勘探目的。(5)延長鉆頭使用壽命。(6)在壓力較低的地層，使用空氣/泡沫作為鉆井液循環(huán)介質(zhì)可最大限度避免或減少井漏的危害，避免了堵漏的鉆井液損失和寶貴鉆井時間。由于井底巖石在負壓作用下不會產(chǎn)生壓實效應(yīng)，因此巖石破碎所需的鉆壓相對常規(guī)鉆井所需鉆壓要小得多，一般為常規(guī)鉆井鉆壓的1/3，該鉆壓既滿足了空氣鉆井的快速鉆進需要又符合常規(guī)鉆井輕壓吊打糾斜的要求，容易鉆成垂直的井眼。首先，常規(guī)過平衡鉆井不可避免地會引起鉆井液的輕微滲漏，其次，在易漏層段，可能會引起大量鉆井液流入地層，不僅會造成進一步的事故和復(fù)雜，延長鉆井周期，還會因鉆井液的大量流失而造成重大經(jīng)濟損失。（9）可以在鉆井過程中生產(chǎn)油氣。美國得克薩斯州的一些井采用欠平衡鉆井，在鉆井過程中生產(chǎn)的油氣幾乎可以把全部鉆井成本收回，而加拿大政府為了鼓勵油公司采用欠平衡鉆井技術(shù)達到保護油氣層的目的，規(guī)定在鉆井過程中生產(chǎn)的油氣免交資源稅，所以油公司都積極采用欠平衡鉆井技術(shù)，以在鉆井過程中盡可能多地生產(chǎn)油氣。欠平衡鉆井期間，可以綜合從井眼返出的地層流體等信息及時評價產(chǎn)層的生產(chǎn)能力或地層特性。采用欠平衡鉆進，鉆井液壓力始終保持低于儲層(或地層)壓力，可以避免煤層因外加壓力而受到壓縮，避免煤層孔隙度和滲透率受到嚴重傷害。當然由于儲層的流體產(chǎn)出，可能在較厚的儲層段會出現(xiàn)鉆井液進入地層的現(xiàn)象，不過對于像煤層這樣的低滲儲層，滲流速度不會很大，尤其在較薄的煤層。有資料表明，在油氣井開發(fā)成本中，鉆井成本占到30%～50%，當然在煤層氣鉆井中尤其如此。與常規(guī)油氣井比較，在鉆入煤層之前的鉆井工藝基本相似，而在煤儲層的鉆井工藝就有明顯的差異。為評價煤層水敏水鎖傷害程度，采用空氣、泡沫液、清水、鉆井液濾液對晉城3號煤進行煤心流動實驗。 (部分實驗數(shù)據(jù)見表1)表1 不同鉆井液對煤巖滲透率的影響鉆井液配方污染條件污染前氣測滲透率/103μm2污染后氣測滲透率/103μm2滲透率損害率/%時間/h壓力/MPa溫度/℃清水+4%KCl245清水+3%搬土245去離子水2145鉆井液濾液245泡沫245空氣0注：試驗煤樣取自山西晉城礦務(wù)局成莊煤礦3號煤層同一塊煤樣。 鉆井液性能影響因素在采用欠平衡鉆井過程中，不同的鉆井液體系決定著鉆井方式的差異性，并且在鉆井過程中當鉆井液受到某些客觀因素的影響時，很有可能影響到整個鉆井施工過程，特別在煤層中鉆進時，由于煤儲層本身一些性質(zhì)的影響，這就要求對欠平衡鉆井過程中鉆井液性能的影響引述及整個鉆井過程中采用哪種欠平衡鉆井方式來達到高效安全鉆井顯得更加重要。1）地層產(chǎn)出水和循環(huán)油紊流混合，形成極稠的穩(wěn)定乳狀液增加了泵壓，導致欠平衡狀態(tài)破壞，且氣體難以分離，另外高粘也破壞了環(huán)空流體的紊流狀態(tài)。對油基鉆井液體系，如果表面活性劑搭配不當，可能導致鉆屑分離不良，鉆屑成團或卡鉆。3）不相容的地層產(chǎn)出水和水基鉆井液濾液混合，生成結(jié)垢和沉淀物（或者產(chǎn)出油與油基鉆井液混合，形成瀝青沉積物）。4）在欠平衡鉆井作業(yè)中!如果使用空氣，隔膜產(chǎn)生的氮氣（一般含1%~10%的氮）或柴油機煙道氣（一般含有8%~16%的氧）作為注入氣，也可能發(fā)生氧化反應(yīng)，在高溫下鉆井液與氧接觸，也會產(chǎn)生瀝青和高粘性的污泥。（2） 地層產(chǎn)出流體對鉆井液的稀釋在任何欠平衡鉆井作業(yè)中，循環(huán)流體會被地層產(chǎn)出的混相流體迅速稀釋，即便使用調(diào)控的很好的油基鉆井液體系也可能受到污染，多數(shù)泡沫鉆井液體系與油和地層鹽水接觸后會迅速稀釋，并產(chǎn)生不良反應(yīng)，應(yīng)測量儲層中產(chǎn)出的原油的苯胺點和濁點，以確定產(chǎn)出油是否會影響到鉆井液重復(fù)使用。（3） 鉆井液的防腐問題如果用充有空氣或氮氣的鉆井液體系，則咸鹽水（產(chǎn)自地層或用作循環(huán)流體）與其中的微量（跡量）氧接觸具有極強腐蝕性。因此，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)詳細分析游離氣、溶解氣以及地層中可能產(chǎn)生的地層水，以評價它們的可燃性和腐蝕性。另外泵送高粘度鉆井液產(chǎn)生的高摩擦壓力也可能導致鉆頭處欠平衡狀態(tài)的喪失。一般在欠平衡鉆井過程中杜絕使用液體介質(zhì)（直接用氣體鉆進）或選用非潤濕性流體(如柴油、穩(wěn)定的冷凝油或植物油類的惰性碳氫化合物液體)作為基液來避免這一問題發(fā)生。此現(xiàn)象可通過加入少量的液體（“霧”鉆進）來清除。其中，所用鉆井液體系及性能起著至關(guān)重要的作用，煤巖井壁穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)對策是：（1） 合理的鉆井液密度煤巖強度低，受鉆井液及其濾液浸泡后強度進一步下降，所以鉆井液的密度不要過大，大了會壓裂煤層；也不要過小，小了會造成應(yīng)力釋放，使煤層沿節(jié)理和裂縫崩裂坍塌。同時要求鉆井液密度不要大幅度改變。（2） 地層孔隙壓力由于各種地層壓力的監(jiān)測方法(dc指數(shù)法、聲波時差法、C指數(shù)法等)的計算結(jié)果誤差可達10%左右，深井中的計算誤差遠遠超過了負壓差值，因此這些監(jiān)測方法對于鉆井液密度的確定意義不大。另外，在探井中可根據(jù)隨鉆過程中試井數(shù)據(jù)進行解釋分析，得出地層孔隙壓力。（3） 環(huán)空壓耗環(huán)空壓耗與鉆井液密度的設(shè)計有直接關(guān)系。但是，對于欠平衡鉆井而言，為降低泵、井口旋轉(zhuǎn)防噴器及節(jié)流管匯等設(shè)備的負荷，增加井控的可靠性，并且避免紊流對裸眼油氣層的沖刷作用，一般以滿足鉆井液攜巖要求為原則，認為欠平衡鉆井鉆井液排量不宜太大，流動狀態(tài)應(yīng)以層流為主。 （2—1）式中： pfr——環(huán)空壓耗，kPa； γv——鉆井液塑性粘度，mPa（4） 鉆井液密度鉆井液密度的計算應(yīng)在井口回壓為0，正常鉆進中負壓差達到設(shè)計值的情況下進行。欠平衡鉆井中鉆井液密度的設(shè)計以地層孔隙壓力的預(yù)測技術(shù)為前提，預(yù)測的精確程度直接關(guān)系到鉆井液密度設(shè)計及鉆井作業(yè)的成敗。 (5) 鉆井液具有強封堵能力及優(yōu)良造壁性煤層往往呈條帶狀或線狀分布，而煤層的割理、節(jié)理以及裂縫發(fā)育，鉆井液濾液進入煤層層理和裂縫中容易引起煤巖強度降低，煤中粘土礦物水化膨脹和分散，加劇煤層坍塌，良好的封堵能力是液柱壓力有效支撐、減少濾液進入煤層的先決條件。(6) 優(yōu)化鉆井液流變參數(shù)鉆井液粘切不宜太低，粘切太低，在井眼內(nèi)形成紊流，對井壁的沖刷能力增強，容易造成煤層坍塌，同時鉆井液攜砂能力減弱；粘切太高，鉆井液結(jié)構(gòu)太強，活動鉆具或起下鉆時波動壓力增大，容易引起井壁煤塊的松動，也不利于井壁穩(wěn)定。(7) 良好抑制性煤巖中粘土礦物含量雖然很低，但泥頁巖夾層粘土礦物含量高，水化分散和膨脹性較強，抑制性差的鉆井液濾液進入泥頁巖會產(chǎn)生水化膨脹壓，改變井周應(yīng)力分布，誘發(fā)或加劇井壁失穩(wěn)，泥頁巖坍塌會導致煤巖坍塌，二者相互影響、相互促進。(8) 良好潤滑性保證鉆井液良好潤滑性，減少鉆具與泥餅之間的摩擦力，能減少起下鉆阻卡的可能，防止井下復(fù)雜發(fā)生。(2) 液相欠平衡鉆井技術(shù)，井底負壓值應(yīng)盡可能小，以降低井口壓力。(3) 氣體和霧化鉆井，井底負壓值不作特別設(shè)計。立管充氣鉆井，井底負壓值應(yīng)考慮大于2Mpa。但負壓差太小，給施工又帶來一定的難度。合理的欠壓值應(yīng)當保持鉆進過程中井內(nèi)液柱壓力+井口控制壓力略低于地層壓力。欠平衡鉆進時，合理的欠平衡壓差對井下安全，防止儲層傷害以及保證施工順利都是十分重要的。對于那些弱膠結(jié)的儲集層，很可能出現(xiàn)骨架疏散，部分脫落，結(jié)果造成出砂。同時，增大壓差，井壁失穩(wěn)的可能性就更大。因此，合理的欠平衡壓差量應(yīng)有具體的儲層、井位、設(shè)備、井壁穩(wěn)定計算結(jié)果、速敏實驗資料、應(yīng)力敏感性資料、井底壓力波動幅度、地層物性等數(shù)據(jù)以及所選取的地面設(shè)備，井控設(shè)備的工作能力。對于開發(fā)井，地層壓力較為清楚可采用。即在勘探井的欠平衡鉆井中，先使用參考的地層壓力，通過公式求出欠平衡的鉆井液密度，依據(jù)此密度鉆進。由于欠平衡鉆井所使用的鉆具帶有內(nèi)防噴工具，所以地層壓力可按下列步驟求出:關(guān)井、記錄套壓。開泵并將排量調(diào)整到壓井時的排量，在此過程中用節(jié)流閥控制套壓不變。停泵并關(guān)節(jié)流閥。則有 （2—3）式中: Pp——地層壓力，Mpa。H——井深，m。鑒于環(huán)空中的流體為多相混合流體，其密度難以確定。但在地層流體進入環(huán)空后，由于環(huán)空為多相流，環(huán)空的鉆井液靜液柱壓力很難求出。該壓力也是直接作用在地層上，其大小對欠壓值有影響，尤其是在低壓的地層中。s；Q——泥漿排量，L/s；Lp——鉆桿總長度，m；Dp——鉆桿外徑，cm；D——井眼半徑，cm。由以上公式聯(lián)立即可求得環(huán)空壓耗Ppa。隨著氣體量的增加，計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。井口回壓與欠壓值是一對伴生的關(guān)系，即由于存在欠壓而產(chǎn)生井口回壓，反過來井口回壓又限制欠壓值的大小。6)欠壓值(△P欠):欠壓值是由地層壓力和鉆井液柱壓力以及環(huán)空壓力所確定。在欠平衡鉆井過程中負壓差促使地層流體不斷的涌入井眼隨同鉆井液一起流出，所以說欠平衡啊鉆井也稱邊鉆邊采(或邊鉆邊噴)的一種特殊類型的鉆井。而當流體速度大于或等于Vc是就造成對儲層的損害(當只有非潤濕相流動時，不存在滲透率降低的臨界速度)。在此，以供給邊緣壓力不變的圓形單層油藏中心一口井的產(chǎn)量公式為例，即: (2—10)式中 Q地——油井產(chǎn)量，m3/d； K0——油層有效厚度，μm2； Bo——原油體積系數(shù)，m3/m3；h——油層厚度：μ0——地層油的粘度；Pr——儲層平均壓力，Mpa；Pwf——井底流動壓力，Mpa。a——采用不同單位制的換算系數(shù)，當采用上述單位時，a=。值得注意的是，達西定律是有一定的使用條件的，如果滲流速度增大到一定程度之后，除了產(chǎn)生粘滯阻力外，還會產(chǎn)生慣性阻力。所以在測得巖石和流體的物性參數(shù)如巖石空隙度、滲透率及流體密度、粘度等后，應(yīng)選用卡佳霍夫提出的雷諾數(shù)(Rec)表達式，其形式如下: (2—11) 式中 Vc——實驗室?guī)r心的臨界流速； K——巖心的滲透率，； ——儲層流體的密度，g/cm3； μ——流體的粘度，Mpa對于一般儲層的巖石和流體物性參數(shù)，用上面公式得到的臨界雷諾數(shù)為代入臨界流速Vc，并取臨界雷諾數(shù)Rec=。對于給定的油層及鉆具和井身結(jié)構(gòu)，則的值是一定的。且Δp欠＜Δp欠1max時滿足鉆井時的速敏要求。(臨界雷諾數(shù))時:儲層流量Q滿足二項式公式，可得: (2—15)整理可得：即： (2—16)當為氣井時:可得最大負壓差為: (2—17)綜上所述：當流體流動符合達西定律：Δp欠＜Δp欠1max時:則不會發(fā)生速敏； 當流體流動不符合達西定律時:(A)油井: Δp欠＜Δp欠2max則不會發(fā)生速敏。 井底負壓差的控制l)各壓力之間的基本數(shù)學關(guān)系根據(jù)環(huán)空動力學平衡的條件建立如下關(guān)系式: (2—18)式中 P回——井口回壓； P外——環(huán)空氣液柱壓力； Ppa——環(huán)空循環(huán)壓降； Pp——地層壓力； ——負壓值； Pd——井底流壓； PB——泵壓； PZJ——鉆具內(nèi)循環(huán)壓耗； PM——噴嘴壓降； P內(nèi)——鉆具內(nèi)液柱壓力。則: (2—21)由此可見，當排量不變時，如果泵壓下降，則井底欠壓值按同值增加:反之，如果泵壓上升，則井底欠壓值按同值減少。3)井底欠壓值和排量及井口回壓之間的關(guān)系:根據(jù)水力學計算(由于排量低一般為層流狀態(tài))，當隨鉆產(chǎn)油氣量不變時，有: (2—22)設(shè) ；則 (2—23)將式2—23代入式2—20得： (2—24)式中 η——鉆井液塑性粘度； D環(huán)——環(huán)空直徑； d——鉆桿外徑；Q——排量；H——井深；——鉆井液切力。同理可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的大小使井口套壓增加(排量下降時)或減小(排量上升時)a(Q2Q1)，即可保持井底欠壓值不變。（1）　利用立管壓力控制井底負壓差[2]對于欠平衡鉆井,井筒環(huán)空中存在巖屑和氣體,具有氣—液—固三相流動特性,因此從環(huán)空中計算井底壓力較為繁瑣且不夠精確。因此,可利用實時監(jiān)測的立壓值,計算井底壓力,以判斷和分析井涌情況,并且可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥保持立壓不變,從而保證了對負壓差的控制,這與低節(jié)流壓力法壓井原理[2]。當?shù)貙恿黧w侵入井筒環(huán)空,由于氣體的侵入,鉆井液黏度提高,密度降低。因此,可以利用該計算模型和立管壓力監(jiān)測值及早判斷井底負壓值。若不進行井口回壓控制,將導致井底壓力不斷下降,形成惡性循環(huán)而不能進行正常鉆進。而氣侵造成的井底壓力降低應(yīng)由井口回壓值加以彌補,這樣才能使井底保持所設(shè)定的負壓差。 (2—26)式中 Zr——氣體平均偏差因數(shù)； Zo——氣體地面偏差因數(shù)； Tr——井筒平均溫度；