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【摘 要】本文主要对欠平衡钻井技术进行论述。
【关键词】欠平衡；钻井技术
1.欠平衡钻井的含义
欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液液柱压力低于地层孔隙压力，允许地层流体流入井眼、循环出并在地面得到有效控制的一种钻井方式。欠平衡钻井具有能提高硬地层的机械钻速，减少循环漏失和压差卡钻等优点，从而获得发展。推动欠平衡钻井技术的发展，其主要原因是减少和防止水平井钻井中钻井液对地层的损害。
随着欠平衡钻井技术进一步成熟及井控设备的发展（承受高压的旋转防喷器引入油田后），又发展了用液体钻井液（清水、盐水、油基、水基钻井液）对高压地层进行欠平衡钻井的技术，如Flow Drilling（国内译为边喷边钻）、钻井液帽钻井、不压井钻井等技术。
2.欠平衡钻井的分类
根据油气藏类型、地层压力以及采用的钻井液密度的不同，欠平衡钻井技术有以下两种分类方法：
2.1按工艺方法分类
自然欠平衡钻井：是指以普通钻井液为循环介质的欠平衡钻井。
人工诱导的欠平衡钻井：是指由于地层压力太低，必须采用特殊的钻井液和工艺才能建立欠平衡的钻井。
人工诱导的欠平衡钻井有以下六种系列：
（1）气体钻井：包括空气、天然气、废气和氮气钻井，密度适用范围0～0.02g/cm3。
（2）雾化钻井：密度适用范围0.02～0.07g/cm3。气体体积为混合物的96%～99.9%，常规的雾化钻井液含液量少于2.5%。
（3）泡沫钻井液钻井：包括稳定和不稳定泡沫钻井，密度适用范围0.07～0.60g/cm3。井口加回压时可达到0.8g/cm3以上，气体体积为混合物体积的55%～97.5%。
（4）充气钻井液钻井：包括通过立管注气和井下注气两种方式。井下注气技术是通过寄生管、同心管、钻柱和连续油管等在钻进的同时往井下的钻井液中注空气、天然气、氮气。其密度适用范围为0.7～1.0g/cm3，是应用广泛的一种欠平衡钻井方法。气体体积低于混合物体积的55%。
（5）液体欠平衡钻井：
a.油包水或水包油钻井液钻井。密度适用范围为0.8～1.02g/cm3。
b.水或卤水钻井液钻井。密度适用范围1～1.30g/cm3。
c.常规钻井液钻井。密度适用范围大于1.10g/cm3。
d.采用密度减轻剂钻井液钻井技术，密度适用范围大于0.9g/cm3。
（6）泥浆帽钻井：国外称之为浮动泥浆钻井，用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气层，是另类欠平衡钻井技术。
2.2按用途和风险程度分类
为了简单明了地对采用的欠平衡钻井技术进行分类，IADC制定了一个具有三部分内容的分类系统。
各级风险等级说明如下：
0级—只提高钻井作业效率。
1级—井内流体依靠自身的能量不能流到地面。井眼稳定并且从安全角度来说属低级危险情况。
2级—井内流体依靠自身的能量可以流到地面，但利用常规压井方法可以有效制止，并且在设备严重失效的情况下也只产生有限的后果。
3级—地热和非碳氢化合物开采。最大关井压力低于旋转控制头等作业设备的额定工作压力；设备严重失效会产生直接严重后果。
4级—油气开采。最大关井压力低于旋转控制头等作业设备的额定压力，设备严重失效会产生直接严重后果。
5级—最大设计地面压力超过欠平衡钻井作业设备的额定压力，但低于防喷器组的额定工作压力。
3.欠平衡钻井技术的优点
欠平衡钻井技术已经历了几十年的发展，但人们对欠平衡钻井的优点是逐渐认识的，早期，人们只认识到欠平衡钻井能提高硬地层的机械钻速，减少井漏及压差卡钻，而现在已进一步认识到，欠平衡钻井还能减少地层损害，提高产量，及时发现油气井地层等众多优点，这些均到现场证实。欠平衡钻井能提高钻井的机械钻速，增加钻头使用寿命，可防止压差卡钻和减少井眼循环漏失同时能够减少地层损害。
正由于欠平衡钻井技术的应用，特别是在水平井中的应用，可减少或消除钻井时的地层损害，增加油气产量。国内外钻井实践表明，与常规钻井技术对比，欠平衡及气体钻井技术具有提高钻井速度、保护储层、提高油气产量和采收率、减少或避免井漏等方面的优势。大庆钻井试验表明，欠平衡钻井钻速是常规钻井的4～5倍。欠平衡钻井技术包括液体欠平衡钻井和气体欠平衡钻井技术，而目前主流是空气欠平衡钻井，就是在钻井过程中，以纯空气作为钻井液，用空气压缩机将空气泵入水龙头、钻杆顶部，沿钻柱到钻头，然后沿环空返到地面。该技术可用于加快钻速，发现和保护气层，并能够解决长井段井漏等问题。同时可提高深井上部地层的机械钻速，缩短钻井周期，降低综合成本。
4.实施欠平衡钻井的条件
很多不同技术能确保达到预期的欠平衡条件，目前，主要的方法是控制用于循环的钻井液的密度，使钻井液在井筒内形成的静液液柱压力低于地層孔隙压力，而钻井液可以是单独的气相或液相，也可以是气液两相混合。气相和气液两相钻井液可人工诱导产生欠平衡条件，而液相钻井液可利用地层较大的压力而自然形成欠平衡条件。
气态钻井液，在欠平衡钻井技术中，最简单最早的欠平衡钻井技术是采用干燥空气作为钻井液。后来选用天气然作为钻井液。当在产气区钻井或接近天然气管线的区域使用天然气钻井，成本是较低的。另一种选择的气体是用惰性氮气代替空气作为循环介质。氮气可以是液氮，或在现场用中空纤维膜制氮装备生产的氮气。现场制氮这种方法，目前国外普遍采用。
两相钻井液，从单一的气相和单一的液体的所液两相的混合就可获得任一所期望得到的钻井液密度。气体和液体的混合物，有时也称为轻质钻井液（低密度钻井液），按气相和液相的结构及相对体积数，轻质钻井液又分为雾、泡沫和充气钻井液，在通常的压力和温度情况下，它们的结构及性能取决了气相和液相的相对体积分数。不同的钻井液具有不同的密度。
液态钻井液，当地层孔隙压力通常超过同一深度的淡水或盐水静液压力时，使用常规液钻井液，控制钻井液的密度就可利用地层压力自然形成欠平衡条件。欠平衡钻井所用的地面常规装备有：氮或压缩气供应装置、容 积小且压力大的注液泵、液-气混合管汇、节流管汇、钻屑或钻井液取样器、化学剂注射泵、采油分离系统和自动燃烧气体系统，国外目前比较先进的专用装备系统主要有：高压旋转分流器-防喷器系统、液流导向系统、地面分离系统、隔水管帽（Riser Cap）旋转防喷器系统、实用隔水管（Virtual Riser）装置、地面数据采集系统。
5.国内欠平衡钻井技术的发展
中国欠平衡钻井技术自进入21世纪以来发展较快。到2006年末，已采用该项技术完成60余口井，所用设备主要以引进为主。国内油田已经先后引进了主要欠平衡装置，成立了专业化技术服务队伍，从设备和经验上都具有了很好的基础。在以液体为介质进行欠平衡钻井施工上，从设计及施工人员的水平、欠平衡装备、现场施工中井口回压控制等技术上都取得了一定的成功经验，在中国国内产生了良好的影响。
虽然国内对欠平衡钻井技术已进行了一些理论上的研究，并已取得一些研究成果，但是，研究的范围较窄，过去的研究工作，主要放在自然形成欠平衡条件下的边喷边钻技术上，其它方式的欠平衡钻井技术，如使用空气、氮气、泡沫、充气钻井液进行欠平衡钻井，还很少涉及到，或者还没有深入地涉及到，所以需扩大研究欠平衡钻井技术内容，如：进一步研究欠平衡钻井工艺技术、进行欠平衡钻井数值模拟研究、扩大欠平衡钻井的适用范围、重视欠平衡钻井技术的选择和正确的设计、增大欠平衡钻井井数，以提高欠平衡钻井的规模效益等方面的研究。
【关键词】欠平衡；钻井技术
1.欠平衡钻井的含义
欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液液柱压力低于地层孔隙压力，允许地层流体流入井眼、循环出并在地面得到有效控制的一种钻井方式。欠平衡钻井具有能提高硬地层的机械钻速，减少循环漏失和压差卡钻等优点，从而获得发展。推动欠平衡钻井技术的发展，其主要原因是减少和防止水平井钻井中钻井液对地层的损害。
随着欠平衡钻井技术进一步成熟及井控设备的发展（承受高压的旋转防喷器引入油田后），又发展了用液体钻井液（清水、盐水、油基、水基钻井液）对高压地层进行欠平衡钻井的技术，如Flow Drilling（国内译为边喷边钻）、钻井液帽钻井、不压井钻井等技术。
2.欠平衡钻井的分类
根据油气藏类型、地层压力以及采用的钻井液密度的不同，欠平衡钻井技术有以下两种分类方法：
2.1按工艺方法分类
自然欠平衡钻井：是指以普通钻井液为循环介质的欠平衡钻井。
人工诱导的欠平衡钻井：是指由于地层压力太低，必须采用特殊的钻井液和工艺才能建立欠平衡的钻井。
人工诱导的欠平衡钻井有以下六种系列：
（1）气体钻井：包括空气、天然气、废气和氮气钻井，密度适用范围0～0.02g/cm3。
（2）雾化钻井：密度适用范围0.02～0.07g/cm3。气体体积为混合物的96%～99.9%，常规的雾化钻井液含液量少于2.5%。
（3）泡沫钻井液钻井：包括稳定和不稳定泡沫钻井，密度适用范围0.07～0.60g/cm3。井口加回压时可达到0.8g/cm3以上，气体体积为混合物体积的55%～97.5%。
（4）充气钻井液钻井：包括通过立管注气和井下注气两种方式。井下注气技术是通过寄生管、同心管、钻柱和连续油管等在钻进的同时往井下的钻井液中注空气、天然气、氮气。其密度适用范围为0.7～1.0g/cm3，是应用广泛的一种欠平衡钻井方法。气体体积低于混合物体积的55%。
（5）液体欠平衡钻井：
a.油包水或水包油钻井液钻井。密度适用范围为0.8～1.02g/cm3。
b.水或卤水钻井液钻井。密度适用范围1～1.30g/cm3。
c.常规钻井液钻井。密度适用范围大于1.10g/cm3。
d.采用密度减轻剂钻井液钻井技术，密度适用范围大于0.9g/cm3。
（6）泥浆帽钻井：国外称之为浮动泥浆钻井，用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气层，是另类欠平衡钻井技术。
2.2按用途和风险程度分类
为了简单明了地对采用的欠平衡钻井技术进行分类，IADC制定了一个具有三部分内容的分类系统。
各级风险等级说明如下：
0级—只提高钻井作业效率。
1级—井内流体依靠自身的能量不能流到地面。井眼稳定并且从安全角度来说属低级危险情况。
2级—井内流体依靠自身的能量可以流到地面，但利用常规压井方法可以有效制止，并且在设备严重失效的情况下也只产生有限的后果。
3级—地热和非碳氢化合物开采。最大关井压力低于旋转控制头等作业设备的额定工作压力；设备严重失效会产生直接严重后果。
4级—油气开采。最大关井压力低于旋转控制头等作业设备的额定压力，设备严重失效会产生直接严重后果。
5级—最大设计地面压力超过欠平衡钻井作业设备的额定压力，但低于防喷器组的额定工作压力。
3.欠平衡钻井技术的优点
欠平衡钻井技术已经历了几十年的发展，但人们对欠平衡钻井的优点是逐渐认识的，早期，人们只认识到欠平衡钻井能提高硬地层的机械钻速，减少井漏及压差卡钻，而现在已进一步认识到，欠平衡钻井还能减少地层损害，提高产量，及时发现油气井地层等众多优点，这些均到现场证实。欠平衡钻井能提高钻井的机械钻速，增加钻头使用寿命，可防止压差卡钻和减少井眼循环漏失同时能够减少地层损害。
正由于欠平衡钻井技术的应用，特别是在水平井中的应用，可减少或消除钻井时的地层损害，增加油气产量。国内外钻井实践表明，与常规钻井技术对比，欠平衡及气体钻井技术具有提高钻井速度、保护储层、提高油气产量和采收率、减少或避免井漏等方面的优势。大庆钻井试验表明，欠平衡钻井钻速是常规钻井的4～5倍。欠平衡钻井技术包括液体欠平衡钻井和气体欠平衡钻井技术，而目前主流是空气欠平衡钻井，就是在钻井过程中，以纯空气作为钻井液，用空气压缩机将空气泵入水龙头、钻杆顶部，沿钻柱到钻头，然后沿环空返到地面。该技术可用于加快钻速，发现和保护气层，并能够解决长井段井漏等问题。同时可提高深井上部地层的机械钻速，缩短钻井周期，降低综合成本。
4.实施欠平衡钻井的条件
很多不同技术能确保达到预期的欠平衡条件，目前，主要的方法是控制用于循环的钻井液的密度，使钻井液在井筒内形成的静液液柱压力低于地層孔隙压力，而钻井液可以是单独的气相或液相，也可以是气液两相混合。气相和气液两相钻井液可人工诱导产生欠平衡条件，而液相钻井液可利用地层较大的压力而自然形成欠平衡条件。
气态钻井液，在欠平衡钻井技术中，最简单最早的欠平衡钻井技术是采用干燥空气作为钻井液。后来选用天气然作为钻井液。当在产气区钻井或接近天然气管线的区域使用天然气钻井，成本是较低的。另一种选择的气体是用惰性氮气代替空气作为循环介质。氮气可以是液氮，或在现场用中空纤维膜制氮装备生产的氮气。现场制氮这种方法，目前国外普遍采用。
两相钻井液，从单一的气相和单一的液体的所液两相的混合就可获得任一所期望得到的钻井液密度。气体和液体的混合物，有时也称为轻质钻井液（低密度钻井液），按气相和液相的结构及相对体积数，轻质钻井液又分为雾、泡沫和充气钻井液，在通常的压力和温度情况下，它们的结构及性能取决了气相和液相的相对体积分数。不同的钻井液具有不同的密度。
液态钻井液，当地层孔隙压力通常超过同一深度的淡水或盐水静液压力时，使用常规液钻井液，控制钻井液的密度就可利用地层压力自然形成欠平衡条件。欠平衡钻井所用的地面常规装备有：氮或压缩气供应装置、容 积小且压力大的注液泵、液-气混合管汇、节流管汇、钻屑或钻井液取样器、化学剂注射泵、采油分离系统和自动燃烧气体系统，国外目前比较先进的专用装备系统主要有：高压旋转分流器-防喷器系统、液流导向系统、地面分离系统、隔水管帽（Riser Cap）旋转防喷器系统、实用隔水管（Virtual Riser）装置、地面数据采集系统。
5.国内欠平衡钻井技术的发展
中国欠平衡钻井技术自进入21世纪以来发展较快。到2006年末，已采用该项技术完成60余口井，所用设备主要以引进为主。国内油田已经先后引进了主要欠平衡装置，成立了专业化技术服务队伍，从设备和经验上都具有了很好的基础。在以液体为介质进行欠平衡钻井施工上，从设计及施工人员的水平、欠平衡装备、现场施工中井口回压控制等技术上都取得了一定的成功经验，在中国国内产生了良好的影响。
虽然国内对欠平衡钻井技术已进行了一些理论上的研究，并已取得一些研究成果，但是，研究的范围较窄，过去的研究工作，主要放在自然形成欠平衡条件下的边喷边钻技术上，其它方式的欠平衡钻井技术，如使用空气、氮气、泡沫、充气钻井液进行欠平衡钻井，还很少涉及到，或者还没有深入地涉及到，所以需扩大研究欠平衡钻井技术内容，如：进一步研究欠平衡钻井工艺技术、进行欠平衡钻井数值模拟研究、扩大欠平衡钻井的适用范围、重视欠平衡钻井技术的选择和正确的设计、增大欠平衡钻井井数，以提高欠平衡钻井的规模效益等方面的研究。