第３４卷第２期２００６年３月　　　　　　　　　　　

石　　油　　钻　　探　　技　　术ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＤＲＩＬＬＩＮＧ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ　　　　　　　　　　　　

Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２Ｍａｒ．，２００６

　　

收稿日期：２００５０８１１；改回日期：２００５１２０６作者简介：陈永明（１９６５—），男，浙江鄞县人，１９８４年毕业

于华东石油学院钻井专业，高级工程师。联系电话：（０５４６）８７８０６５９

钻井与完井

全过程欠平衡钻井中的不压井作业陈永明

（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营　２５７０１７）

摘　要：国内把欠平衡钻井和欠平衡完井称为全过程欠平衡钻井，国外称为欠平衡作业，其核心是不压井作业。介绍了过胶芯起下钻、强行起下钻和井下隔离起下钻３种作业方法的适用情况及不压井作业装置和井下套管阀。分析了不压井作业的压力控制原理，并提出了起下钻、下筛管、下完井管柱等不压井作业时应考虑的问题。建议我国开展不压井作业在欠平衡钻井中的应用研究，以真正实现全过程欠平衡钻井，充分发挥欠平衡钻井的作用。

关键词：不压井作业；欠平衡钻井；不压井起下装置；压力控制中图分类号：ＴＥ２４９　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１０８９０（２００６）０２００２２０４

　　为了确保欠平衡钻井的效果，国内提出了“全过程欠平衡钻井”的概念，即从钻开油气层直到完井都要实现欠平衡，从这一意义上看，全过程欠平衡钻井就是欠平衡钻井（ｕｎｄｅｒｂａｌａｎｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇ）和欠平衡完井（ｕｎｄｅｒｂａｌａｎｃｅｄｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ），国外虽然没有全过程欠平衡钻井的概念，但有欠平衡完井、欠平衡作业（ｕｎｄｅｒｂａｌａｎｃｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ）的概念，意义相近。不管用什么名称，其核心是不压井作业，包括不压井起下钻、不压井测井、不压井下入筛管或尾管、不压井下入完井管柱等。

１　不压井作业方法不压井作业有时又叫不压井带压作业，这说明不

压井作业时井口有压力，井口压力会给井内的管柱一个上顶力：犉＝０．７８５４狆ａ犱２ （１）

式中，犉为上顶力，ｋＮ；狆ａ为井口套压，ＭＰａ；犱为管柱接头或接箍外径，ｍｍ。

起钻后期，随着管柱重力的减小，管柱的浮重不足以克服井口压力造成的上顶力，如果不采用不压井起下作业装置给井内管柱施加向下的压力，管柱将被顶出井外，这种现象国外称为“管轻（ｐｉｐｅｌｉｇｈｔ）”。反过来，管柱浮重大于上顶力称为“管重（ｐｉｐｅｗｅｉｇｈｔ）”。

在管重状况下，通过旋转控制头或旋转防喷器胶芯密封井口，可以将管柱起出来，这种作业方式称为过胶芯起下钻（ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ）［１］。低气油比或低产井，井口压力不高，可以过胶芯起下整个管柱。

在管轻状况下，必须使用不压井起下作业装置才

能起下管柱，这种作业称为强行起下钻（ｓｎｕｂｂｉｎｇ）［１］。通常起钻前期采用过胶芯起钻，当快发生管轻时装上不压井起下作业装置进行强行起下钻作业。目前国内只有四川石油管理局开展了强行起下钻的应用研究［２］。近几年国外发明了一种新的不压井起下钻方法，叫做井下隔离法。不管是过胶芯起下钻还是强行起下钻，都是在井口用胶芯进行隔离，其不足之处是起下不规则底部钻具组合时要交替使用多个防喷器，作业程序非常复杂。如果不规则钻具长度大于防喷器之间的高度，则无法进行作业，其应用条件受到限制，对于带孔的筛管，胶芯无法密封。

采用井下隔离法起下钻须随技术套管下入一个井下套管阀，该套管阀可以通过控制管线进行打开和关闭操作。当管柱在套管阀之下时，套管阀处于开位，这时需采用过胶芯起下钻；当管柱位于套管阀之上时，套管阀处于关位，这时井下已被隔离，可以敞开井口起下钻。套管阀的下深大于“管轻”时的深度，不需要不压井起下作业装置，同时减少了带压作业的时间，提高了不压井起下钻的效率。另外，因带压作业的时间减少，井口压力也相应要低些。目前国内只有新疆［３］和胜利油田进行了套管阀的应用。

２　不压井作业所用设备强行起下钻作业需要不压井起下作业装置

（ｓｎｕｂｂｉｎｇｕｎｉｔ），不压井起下作业装置有独立型和钻机（修井机）辅助型两类［４］。独立型不压井起下作业装置又叫不压井修井机，整个管柱都采用液压系统起下，起下管柱的时间长；钻机辅助型不压井起下作业装置在管重状态下采用钻机的起升系统起下管柱，作业时间缩短。另外，独立型不压井起下作业装置不能排放立柱，起下作业时每根管子都需要提起或放下，作业时间长，而钻机辅助型不压井起下作业装置可以在井架中排放立柱，提高了作业效率。因此，钻机辅助型不压井起下装置更有效、更轻便。在欠平衡钻井中一般都采用液压钻机辅助型（ｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｉｇａｓｓｉｓｔ，ＨＲＡ）不压井起下作业装置。

ＨＲＡ包括举升系统、卡瓦组、防喷器组和工作台４部分，举升系统的主要部件是液缸，冲程一般为１．５～３．７ｍ；卡瓦组包括固定和移动两套卡瓦，每套卡瓦各有正反两个卡瓦，分别叫重力卡瓦和防顶卡瓦；防喷器组包括环形和闸板防喷器以及平衡放压四通。ＨＲＡ是一个整体，通过转换短接和升高短接与旋转防喷器连接，１～２ｈ就可安装在钻台上。ＨＲＡ自带的防喷器组在过胶芯和强行起下钻作业时用于密封管柱，而其下的常规防喷器组只作为备用。四川石油管理局钻采院研制的不压井起下钻装置不带防喷器组，采用旋转控制头密封管柱。

井下隔离技术所采用的装置主要是威德福公司所开发的井下套管阀（ＤＤＶ，ｄｏｗｎｈｏｌｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｖａｌｖｅ），它主要包括阀体、控制管线和地面控制箱，阀体的通径与技术套管的通径相同，通过两条控制管线与地面控制箱相连，通过控制箱可以对阀板实施打开和关闭操作。ＤＤＶ连接在技术套管串上，如果技术套管是尾管，可以接在回接套管上。目前只有适用于１７７．８ｍｍ和２４４．５ｍｍ两种技术套管的井下套管阀，压力等级有３５ＭＰａ和７０ＭＰａ两种。

３　不压井作业压力控制原理在循环或钻进过程中，井底在欠平衡压力的作用

下，地层流体不断进入井内，继而不断被带到地面；不压井作业时，地层流体将不断地积聚在井内，并在井内滑脱上升，对井内的压力产生复杂的影响。因此，不压井起下钻时，应避免地层流体不断的流入井内，理想的压力控制状态是保持井底压力与地层压力平衡：狆ｂ＝狆ｐ （２）

式中，狆ｂ为井底压力，ＭＰａ；狆ｐ为地层压力，ＭＰａ。如果保持井底压力平衡，能够避免新的溢流进入

井内。但是，原先进入井内的气体就会滑脱上升。如果不让气体膨胀，气体将带压上升，形成圈闭压力，井口和井底压力将越来越大，这种做法是不合理的。因此，应按照井底常压原理，让气体膨胀，这就需要在圈闭压力形成时，释放一定量的钻井液。

如果忽略溢流的高度，溢流在井底时的压力关系为：狆ｐ＝狆ａ０＋０．００９８ρｍ犎 （３）

式中，狆ａ０为初始关井套压，ＭＰａ；ρｍ为钻井液密度，ｋｇ／Ｌ；犎为井深，ｍ。

气体在滑脱过程中的压力关系为：狆ｐ＝狆ａ＋０．００９８ρｍ（犎－犺） （４）

式中，狆ａ为套压，ＭＰａ；犺为气柱高度，ｍ。对比式（３）与式（４），可以得到：狆ａ＝狆ａ０＋０．００９８ρｍ犺 （５）由式（５）可知，井口套压的大小与气柱膨胀的

高度有关。气柱滑脱到井口时，气柱膨胀最大，套压也最大。

由于井内部分空间被气柱占据，井内的钻井液量减少，循环罐的钻井液量增加，因此可以通过监测循环罐的液面来监测井内气体的高度。但气体在钻头之上还是在钻头之下难于确定，相同体积的气体在环空中和在井眼中所占据的高度不同。气体在环空中的高度按下式计算：犺＝Δ犞Δ犞ａ （６）

式中，Δ犞为气体体积，ｍ３；Δ犞ａ为环空单位长度容积，ｍ３／ｍ。

气体在钻头以下时的气体高度为：犺＝Δ犞Δ犞ｈ （７）

式中，Δ犞ｈ为井眼单位长度容积，ｍ３／ｍ。气体滑脱速度大于起钻速度时，不压井带压作业

井口压力最高。气体滑脱速度小于起钻速度时，气体被圈闭在套管阀以下。

设井眼中有１７７．８ｍｍ套管和８８．９ｍｍ钻杆，初始关井套压为１ＭＰａ，气体滑脱速度大于起钻速度，且气柱滑脱到井口时的套压为８ＭＰａ，根据式（５）得到气柱的高度为６９３．４８ｍ，体积９．５ｍ３，此时气柱的压力为８ＭＰａ，其标准状态下的气体体积为７６９．５ｍ３。

设气柱滑脱到井口时的套压为２１ＭＰａ，则气柱的高度为１９８１．３８ｍ，体积２７．１ｍ３，此时气柱的压力为２１ＭＰａ，其标准状态下的气体体积为５７１８．１

·３２·第３４卷第２期　　　　　　　　　　　陈永明：全过程欠平衡钻井中的不压井作业

ｍ３。由以上分析可知，井内气体越多，井口压力越

大，为了控制起下钻时井口压力不致太高，在起钻前应尽量将气体循环出来。

４　不压井作业应考虑的问题４１　管轻

应不断校核井口压力所造成的上顶力大小，以便在适当时机安装不压井起下作业装置，一般在预计发生管轻之前约２０％的深度，将ＨＲＡ装在旋转控制头之上，并使之位于钻台上。如果采用套管阀，应预测可能产生的最高套压，套管阀的下入深度应大于发生管轻的深度。如果套压不高，可考虑全井实行过胶芯起下钻，但起钻时应灌入重钻井液，确保起钻结束后，井底压力与地层压力平衡。４２　起钻

起钻时及时灌入钻井液，可以避免新的地层流体进入井内。最好是连续灌浆，但是在关井条件下，很难进行连续灌浆。由于离心泵不能承压，自动灌注钻井液装置在有井压时，无法用来灌浆。如是电动钻机或钻井泵可以通过冲数计量灌入量，否则，应配备水泥车灌浆。灌浆量除了起出钻柱的排代体积外，还要加上钻柱内容积。

推荐一种连续憋灌的方法：通过钻井泵、压井管汇、四通、节流管汇、地面分离系统、循环罐的循环回路，连续灌浆，调节节流阀施加一定的井压确保井底压力平衡。这种方法要求节流阀性能良好，当井压较高时，不应采用节流法，应采用关井法起钻。４３　下钻

与起钻相反，下钻时要释放出与下入钻具排代体积和钻具内容积相等的钻井液，为此要配置一个钻井液计量罐，准确计量钻井液的释放量。也可以象起钻憋灌那样，采用节流循环的方法，连续释放出钻井液。４４　圈闭压力与气体膨胀

在起下钻过程中，如果灌入或释放的钻井液与起出或下入钻具排代体积和钻具内容积极为一致，起下钻过程中实质上就是一直处于关井状态，井压会随着气体的滑脱逐渐上升，这也就是不压井作业过程中井口压力较高的原因。如果不让气体膨胀，井底压力将会越来越高，严重时会憋漏地层。因此必须释放一定量的钻井液让气体膨胀。有人认为越放井口压力越高，不应释放钻井液。其实井口压力上升的直接原因

是气体带压滑脱上升，释放钻井液的目的是控制井底压力与地层压力平衡，但是气体膨胀后，滑脱速度会加快。４５　井口压力过高时的处理

不压井起下作业装置自带的防喷器组工作压力较高，有３５ＭＰａ和７０ＭＰａ的压力等级可供选用，如果用它进行不压井作业，一般不存在井口压力过高的问题。如果采用旋转控制头或旋转防喷器进行过胶芯或强行起下钻作业，存在着井口压力超过额定动密封压力的风险，如２１ＭＰａ和３５ＭＰａ的旋转控制头，其额定动压分别为１０．５ＭＰａ和１７．５ＭＰａ。井口压力不能超过旋转控制头额定动压的８０％，因此，当井口压力过高时，应停止起下钻，可以采用向井内挤注重钻井液的方法来降低井口压力，但必须在气体已经滑脱到井口时才能采用此方法。如果气体没有滑脱到井口，重钻井液不能滑落，释放压力时又会回放出来。４６　不压井测井

不压井带压测井作业需要安装专用的装置，不压井测井装置由注脂头、防喷管、电缆防喷器和捕捉器４部分组成，如果采用套管阀方式进行不压井作业，防喷管和捕捉器可以省略。４７　完井方式

如果采用筛管完井方式，不能采用井口胶芯密封的不压井作业方法，可以采用套管阀不压井作业方法，套管阀的下深应大于筛管长度。如果采用强行起下钻方法，可以下入光管，然后再射孔，这种方法要准备套管胶芯和安装套管闸板。４８　下入完井管柱

如果需要下入完井管柱，须事先安装油管头，因为在不压井条件下下入油管后，需要用油管挂坐放油管，同时在拆井口时需要密封油管与套管的环空。目前，采油井口与钻井井口不配套，压力、通径、法兰都不相配，钻井井口目前都采用ＡＰＩ标准，而采油井口大多采用机械部标准。对于油井，钻井井口（套管头、防喷器、钻井四通）压力等级按地层压力设计，而采油井口的压力等级按实际套压设计，往往要低一个压力等级。由于安装了采油四通，增加了井口高度，因此要采用高底座的钻机。另外防喷管线要求贴地面，压井管汇与节流管汇宜从采油或采气四通接出。不压井下入完井管柱时，由于内防喷的要求，需要安装油管回压阀，但完井管柱下入后要投产，因此采用一种临时性的油管回压阀，投产前能够打开采油

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通道。为了安全，还应安装油管闸板，准备油管胶芯。

５　结束语欠平衡钻井技术在国内已经得到了一定的应用，

但是国内欠平衡钻井在起下钻和完井作业时都压井，而压井可导致油气井丧失２０％～５０％的产能，影响欠平衡钻井的效果。因此我国应开展不压井作业在欠平衡钻井中的应用研究，实现全过程欠平衡钻井，进一步发挥欠平衡钻井的作用。

参　考　文　献［１］　ＨｏｄｇｓｏｎＲ．Ｓｎｕｂｂｉｎｇｕｎｉｔｓ：ａｖｉａｂｌｅａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｔｏｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ

ｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇａｎｄｃｏｉｌｅｄｔｕｂｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｒ］．ＳＰＥ３０４０８，１９９５．

［２］　肖润德，潘登，杨玻．四川油气田欠平衡钻井装备的研究与应用［Ｊ］．钻采工艺，２００３，２６（５）：６０６３．

［３］　陶冶，刘伟，罗维，等．欠平衡钻井新技术在夏７２井的应用［Ｊ］．钻采工艺，２００５，２８（１）：１１１２．

［４］　ＫｅｖｉｎＳｃｈｍｉｇｅｌ，ＬａｒｒｙＭａｃｐｈｅｒｓｏｎ．Ｓｎｕｂｂｉｎｇｐｒｏｖｉｄｅｓｏｐｔｉｏｎｓｆｏｒｂｒｏａｄｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｂａｌａｎｃｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｌｅｓｓｏｎｓ［Ｒ］．ＳＰＥ８１０６９，２００３． ［审稿　侯绪田］

犖狅犓犻犾犾犻狀犵犗狆犲狉犪狋犻狅狀狊犻狀犠犺狅犾犲犆狅狌狉狊犲犝狀犱犲狉犫犪犾犪狀犮犲犱犇狉犻犾犾犻狀犵犆犺犲狀犢狅狀犵犿犻狀犵

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ｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ

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