低压欠平衡钻井(勘探应用)_全过程欠平衡钻井技术
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低压欠平衡钻井 —勘探钻井中技术发展新动向(续)
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罗平亚
孟英峰
摘要 介绍了国外欠平衡钻井的发展与应用，以及目前存在的主要问题。在此基础上提出了低压欠平衡钻井技术系列，它是一套特殊工作液(气体、充气液、特殊泡沫、低密度液体)、特殊压力控制(平衡、欠平衡、过平衡)、低液柱压力与特殊屏蔽暂堵相结合的技术。
主题词 勘探钻井；低压钻井；欠平衡钻井 中图分类号 TE249.1 4.2 技术的应用现状与效果
利用低压钻井技术打开储层增产，70年代初在美国、欧洲、中东、前苏联等地就开始流行。但当时人们的注意力是高压、高渗、高产油气田，对低压、低渗、低产油气田不太重视，该技术并未受到特别关注。进入80年代，采用低压钻井技术打开产层，逐渐受到人们关注。
利用水平井技术提高油气田采收率是国际上80年代的先进技术，而国际上90年代再次发展起来的低压钻井技术一开始就紧密与水平井技术相结合，出现了低压钻井钻水平井的新技术，这项新技术广泛地应用于勘探和开发领域中。
水平井钻井过程中的储层伤害有其特殊性。一般垂直井储层井段的伤害上下比较均匀，伤害深度较浅；而水平井由于水平段钻进时间长，为维持井壁稳定而采用较高密度钻井液，造成了水平井根部（Heel Part）的长时间浸泡，此处地层伤害严重，整个井段的地层伤害呈锥形。恰恰伤害最严重的根部是对油井产量贡献最大的部位。一般而言，同样地层和施工条件下水平井的地层伤害要比垂直井严重许多。
为了更好地发挥水平井的增产作用，人们将低压钻井、欠平衡钻井等低伤害钻井方法与水平井技术结合使用。所做的数值模拟表明：若用无伤害的水平井技术打开产层而保持表皮系数为零，那么其它钻井方法的产层伤害造成的表皮系数增加将等效于水平井段有效段长的大幅度降低。比如伤害造成表皮系数为5时，实1000 m水平段只相当于无伤害的500 m段长，当然其产量要受到严重影响。如果能做到水平钻井不受伤害或少受伤害，则水平井的增产效果必定有大幅度提高。
比较早的典型实例是加拿大Weyburn油田的一系列实验结果。油田是1950年全部投入开发的，1974年开始注水开发。为了提高最终采收率，从1985年至今共钻了149口垂直加密井，平均产量每天5.3m3，总采出量为25.8%，属于裂缝—孔隙型储藏。为了提高采收率，1991年钻了三口水平井，平均日产8.3m3，增产效果不理想，分析结论为储层伤害所致。1993年钻第一口低压欠平衡水平井，水平段长363m；第二口水平井段长357m，平均日产25m3。1994年初钻一口侧钻水平井，段长659m，日产55m3。同年钻段长923m水平井，日产95m3。增产幅度越来越高，技术也日趋成熟。
现场试验的成功和实用技术的完善，大大刺激了欠平衡钻井的发展。仅在加拿大西部，每月完钻的欠平衡钻井数量直线上升。1993年以后进入迅速发展时期，最高曾月完井39口。泛加石油公司则根据实钻统计提出的“欠平衡水平井可以比常规直井增产10倍，比常规水平井增产6倍”的基本估计。
加拿大的低压水平井是以开发稠油、开发裂缝性储藏为特点，美国的低压水平井技术也是以开发裂缝性储藏为特点，同时在开发致密气资源上颇具特色。在储层压力上的共同特点是低压储层，近一两年欠平衡技术也开始延伸到常规压力和高压储层。
在美国的Austin Chalk储层，是裂缝—孔隙—溶洞型复杂储层，目前欠平衡钻水平井技术非常活跃，是世界上欠平衡钻井的活跃点之一。欧洲许多国家也开始试验欠平衡水平井技术。
致密气开发是美国的一大科技优势，美国有大量的泥盆纪页岩气藏和致密砂岩气藏，低压、低渗、严重水敏，常规钻井方法几乎不能获得工业性气流。用常
43规泥浆钻了上千口垂直井，平均产量0.84×10m／d。美国能源部组织研究项目，决定用空气／雾化／泡沫钻直井和水平井，以求获得产能；如果效果仍不好，则采用气体压裂、泡沫压裂、泡沫加砂压裂方法增产。用空气钻的垂直井产量提高了3倍，约2.5×104m3／d；用空气钻的水平井产量提高了约10倍，达到8.4×104 3m／d左右。因此，空气钻水平井成了页岩气藏开发的首选技术，而且配合氮气泡沫加砂的水平井多次压裂进行增产改造。进一步的研究还表明：无伤害地钻开井眼（如空气钻井）与普通钻开的井眼，采取相同措施进行增产改造后的效果也不相同，说明地层伤害也会影响到增产改造的成功实施。美国从事致密的低压低渗气开发已有20年历史，从阿巴拉契亚和圣胡安盆地，至落基山地区各主要含气盆地，最近扩展至德克萨斯和中陆地区，都有丰富的致密气资源；低压钻井技术、水平井技术、新型压裂等新勘探开发技术使致密气开发由不经济转为热点开发。美国目前有12200 口井开发致密气，占天然气生产井数的1／3以上，年产量达7×1010m3。
在美国，应用多侧向分枝水平井技术与低压欠平衡钻井相结合进行多层位开发，是很成功。美国Austin Chalk储层，就是采用这种联合技术，同时采用顶驱钻机、随钻长筛管、牺牲马达，进行边喷边钻、边漏边钻、边钻边完井，钻开一层投产一层，逐层向上移动。实践证明，这是该储层最合理的开采方式。4.3 技术改造的主要内容与途径
美国和加拿大在低压欠平衡技术的发展过程中起了主要作用。美国由于国力雄厚、基础工业发达，在低压钻井发展、应用及配套措施上做了很多工作。而加拿大由于丰富的非常规油资源和敢想敢干的精神，在欠平衡钻井方面起了开拓作用。
美国在70年代以前就已经投入了相当大的力量研究、发展低压钻井技术，由于该技术的高钻速、低成本，成为首选钻井方法。低压钻井技术成为美国钻井领域中必不可少的一个组成部分，当时主要是空气钻井、泡沫钻井和充气液钻井。全国低压钻井的承包、设备租赁、技术服务已成体系，在能够采用低压钻井（尤其是空气钻井）的场合就一定优先采用。在加拿大、欧洲，也是同样如此。
进入80年代之后，使其适应新形势的需要。首先采取了政策刺激、优惠税率等办法，激发非政府投资向难拿储量的开发和研究上倾斜，例如限制石油进口、调节油价、实行难拿储量税收豁免和优惠，如低产、三采、边远地区、稠油、致密气、煤层气等都有相应的优惠政策，对首次100万美元以上勘探开发投资予以20%免税，这些政策大大刺激了对难拿储量的勘探开发投资。同时美国能源部、内政部、GRI等拨出专款，进行全国性调查（资源调查和技术调查）、科技投入、新技术示范工程等。自1980年始至1996年，美国政府组织了95个提高采收率、拿难拿储量的技术示范工程，共投资25亿美元。此类项目一旦批准，政府便负担投资1／3，承办公司负担2／3。政府的这种组织和引导行动，对近几年美国石油技术的发展起到了不可忽视的作用。
下面简单介绍与低压欠平衡钻井相关的技术发展情况。
实验结果表明：用空气钻井钻水平井，确实大幅度提高了非常规油气资源的开发效率。为了彻底消除空气钻井对致密气藏、页岩气藏的伤害（由于空气雾化钻井中的水基雾滴和携带出的地层水的水膜等的吸水、水敏伤害，以及可能存在的粉尘伤害），能源部专门组织了反循环干空气钻井实验。反循环的目的是保证干空气在环空内，地层水和雾化液在钻杆内，压缩机将空气在地面干燥处理后再入井，保证不含水。钻井和产层评价中应用了井下电视；就地注氮气进行气测渗透率分析；适合于干井眼测井系列分析等实验。结论是干空气钻井对地层基本不存在伤害。美国能源部又组织了大型调查项目：空气钻井在美国钻垂直井和水平井的潜力。调查报告详细分析了空气钻井在美国的应用现状、存在问题及发展方向。
美国能源部Morgan研究所为协调单位，组织规划了全美大型示范工程项目—DCS计划，将储层伤害最小的钻井（Drilling）、完井（Completion）、增产（Stimulation）形成系统。这实质上是一个低压系列的钻井、完井、增产改造系统。钻井方法中，从对地层伤害由小到大、钻井成本由低到高，依次排列的实验技术为：气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气液钻井、欠平衡优质泥浆钻井；增产改造（酸化压裂）方法中，从对地层伤害由小到大依次排列为：气体（CO2、N2）加砂、氮气泡沫、氮气泡沫助排、烃基液、水基液。完井新方法中重点突出了层间隔离裸眼完井、可增产改造裸眼完井、洞穴改造完井等新方法。并在美国布署了24个实验区。
除了DCS计划外，围绕配套于低压钻井、低压低渗开发的完井问题，美国先后推出一些新的完井方法，如：直接裸眼完井、低密度泡沫水泥固井、泡沫砾石充填、管外封隔器裸眼完井、以及其它的特殊完井方法。但总体来看，完井方法仍然未能理想解决。
在与低压钻井配套的增产改造措施上，先后推出了泡沫酸、雾化酸、泡沫单井压裂及泡沫压裂整体改造，水平井分段裸眼压裂与酸化、水敏性致密气藏醇处理等技术。尤其是氮气泡沫加砂压裂，是对低渗透的一大贡献。极低失水和强封堵保护储层，使其特别适于低渗透油气藏，其产量比常规水基压裂提高2至4倍，最大压裂规模已至1000m3基液、140t砂。自1980年以来，美国平均每年泡沫酸化压裂1000口井次以上，平均每次处理增产250t。水平井分段裸眼压裂则是美国DOE组织的另一个示范工程项目，其产量提高是垂直井压裂的10倍左右。在配套的三采技术上，泡沫驱替、泡沫封堵、转向保护、泡沫调剖、泡沫热采、泡沫段塞改善气水锥进、人造气顶驱等技术先后实施，已经成为三采中的重要方向。但目前还不能说这类问题已经解决。
美国的煤层气开发中低压钻井起到了关键性作用。90%的煤层甲烷直井、水平井均是空气钻井所钻，这不单是由于降低成本的需要，更重要的是由于保护储层不受伤害的需要。煤层井钻完之后，普遍采用气体动力洞穴完井做为增产改造措施。美国DOE与AMOCO联合，还组织了向煤层注氮气，驱替和竞争吸附提高甲烷采收率。中国煤层气开发不成功，除了中国煤层的气饱和、特低渗以外，技术上没有空气钻井、没有气体动力洞穴完井，也是不利因素之一。
为了同气基流体的低压钻井技术相配套，美国能源部组织了一系列的技术攻关项目，以解决低压钻井技术中出现的新问题。典型的重要技术有如下内容。气基流体的井下动力钻具和导向工具：井下动力钻具有气基流体（气体、泡沫、充气液）涡轮钻具及配套减速器、螺杆钻具、水平井自推进冲击式钻具（井下气锤的改进产品）。气基流体的随钻测量：因流体含气，故常规MWD不能再用，进而发明了电磁MWD（EMMWD），用于轨迹测量和导航钻井，更简单的轨迹测量有缆式测量工具（CDT系统）。气基流体测井技术：因流体含气或纯气，有些测井方法失效（如声波、电阻率等），故形成了气基流体测井系列，但总体讲还不是十分完善。地面设备：发展的最重要地面设备是井口旋转头（RHCs，Rotary Head Control System）和高压注气系统。氮气发生器：为了井下和地面安全，将注入空气改为注入氮气，故产生了地面制氮系统，最常见的是空心纤维的膜分离装置。还有其它一些单项技术，此处不再一一列举。
在加拿大，则明显标志为欠平衡钻井钻水平井。1993年初Husky公司首次采用液氮为气源，钻了三口充气液水平井。第一口为泥浆充空气，但控制原油不使其流入井内，结果增产并不理想，分析原因仍是储层伤害所致。第二口则改变了方案，实现真正负压差，在泥浆中充氮气，允许原油大量涌入井内，形成了原油充氮气的充气液钻井，增产效果比同区常规水平井提高约三倍。对设备进行改造后钻了第三口井，不但原油充氮气，而且对返出流体进行地面分离，回收原油，效果很好。但液氮耗量惊人，每天达12万美元。因此，该公司委托加拿大Calgary大学火烧油层实验室，进行氮气与空气混合的充气液井下烧爆实验，找到了空气混60%氮气的阻燃比例。Husky公司以此为依据发展了混合气体的充气液钻水平井，液氮费用降至每天6万美元。此后，美、加多个公司竞相进行此类实验，终于在1994年出现了膜分离现场制氮设备和密闭地面循环系统。目前，该技术已经商业化，配套设备和技术有：井口旋转头控制系统、地面制氮系统、高压注气系统、地面分离系统、监测仪表系统、支持软件系统。该技术在美、加、欧洲正在被广泛采用。
在美国，该技术延伸发展，由低压充气液欠平衡，发展到了轻泥浆低压欠平衡，即用比储层压力系数低的轻泥浆钻开储层，实现欠平衡边喷边钻。在设备上去掉了高压注气系统和地面制氮系统，地面分离也多采用分级分离方法。注意，轻泥浆的低压欠平衡钻井只能用于常规压力或高压储层，不能用于低压、低渗等层位。在美国Austin，最高极限是用1.80密度的泥浆欠平衡钻开2.04压力系数的储层。
由于欠平衡钻井有对储层伤害小、直接的油气显示等优点，近年来，随着老井重入、老井加深、老井侧钻及小井眼技术的发展，柔性盘管钻机与充气液低压钻井方式相结合，以氮气为气源进行产层各种作业，在加拿大、美国发展非常迅速。在美国，更新的水平井技术也正进一步与低压钻井、欠平衡钻井相结合，以产生更有效的勘探开发手段。如：超长延伸水平井技术、地质导向水平井技术、重力辅助的蒸汽驱成对水平井技术、多侧向水平井技术等。人们为重力辅助蒸汽驱的成对水平井技术，研制了井间电磁MWD技术，这种方法可以很好地用于各种方式的低压钻井。多侧向分枝水平井技术，是一个多层位开发的新概念，该方法已经在美国的Austin Chalk储层与欠平衡钻井结合得以实施，效果很好。在严重水敏、严重吸水的低渗、特低渗油气层，用无伤害低压欠平衡钻井钻超长水平井、分枝水平井，代替常规水基压裂，是颇具吸引力的一项新技术。
在美国，低压钻井年进尺数至少占总年进尺数的30%，仅空气钻井一项就占16.7%（1992年美国能源部统计报告），有些区域低压钻井进尺数占总进尺数的90%左右。前苏联于1984年的统计，气基流体钻井进尺占年总进尺的18%。1993年在加拿大开始出现欠平衡钻井，仅在该技术出现的这年，加拿大就有200余口欠平衡的水平井完钻。1996年的统计结果显示：1994年美国、加拿大共完成低压欠平衡钻井976口，1995年达1210口，预计1997年增长率为15%，2000年增长率将达20%至30%。1996年统计，美国、加拿大已有25%的钻机经设备改造后具有钻低压欠平衡井的能力，预计最终将有30%至40%的钻机要进行这种改造。在15th WPC上有人预言：进行这种改造的钻机数最终将占50%～60%。无论哪一种预测成为现实，都将说明低压欠平衡钻井的确是勘探开发所需要的技术。4.4 国外欠平衡钻井中存在的问题
本文提出的低压欠平衡钻井是一个技术系列，它包括：气体钻井、雾化钻井、稳定泡沫钻井、不稳定泡沫钻井、保护储层的充气液钻井（欠平衡或平衡）、特殊泡沫钻井、保护储层的泥浆欠平衡钻井，是一套特殊工作液(气体、特殊充气体、特殊泡沫等)与特殊压力控制(平衡、欠平衡、过平衡)相结合的系列技术，是低液柱压力与屏蔽暂堵相结合的技术，压力控制关系可欠可过。当动态试井、了解产层、打开产层时可采用欠平衡，而当起下钻、完井、测井时可用过平衡，过平衡一定是要建立在微过平衡和特殊屏蔽暂堵技术的基础上。
“低压钻井”一词目前尚未得到国际公认，虽然有人用过低压头钻井(Low head drilling)，国际上一直沿用“欠平衡钻井”术语（UBD,Under—Balanced Drilling）。但欠平衡钻井的具体含义也是有些含混、不确切的。在90年代以前，有人按液柱压力对地层孔隙压力的关系将常规钻井分为过平衡、欠平衡和平衡压力钻井，这种分类方法并未涉及产层流体是否可控制地返到地面。与此同时，更多的人将“空气钻井、雾化钻井、充气液钻井、泡沫钻井”统称为欠平衡钻井；但实际上，只有空气钻井、雾化钻井属于实质上的欠平衡，而充气液钻井、泡沫钻井都是平衡钻井或微过平衡钻井。进入90年代初，欠平衡钻井的概念又有了新的意义。Mark E.Teel于1992年首次提出“真正的欠平衡”和“伪的欠平衡”的区别，认为真正的欠平衡是使地层流体源源不断流入井眼，可将其循环到地面并加以有效控制，这样的钻井技术称欠平衡钻井。但也有人将这种技术称之为Flowing Drilling（类似于70年代国内的边喷边钻）。加拿大能源储备部（ERCB）提出新的定义：钻井过程中使泥浆液柱压力低于产层压力，若钻井液密度不够低，则在钻井液内充入气体，允许地层流体进入井眼，并可将其循环至地面加以控制。在实际操作中，正常的边喷边钻已经可以实现，但在欠平衡条件下的测井，下套管或下尾管、完井或注水泥等，目前还难以实现。因此，更多的人倾向于采用平衡压力钻井（实际上是微过平衡），即调节液柱压力与地层孔隙压力相平衡（或略高一点），一般情况下要采用气基流体做钻井液，同时对钻井液加以改造使其具有较好的储层保护能力，这样既可以很好保护储层，又可以在钻井、完井过程中不使油气大量涌入井内。对这样一个系统的钻井技术，我们将其归纳为“保护储层的低压钻井技术”。这个系统技术的共同特点有三：一是“低压”特点，相对于常规钻井方法来讲其液柱压力都低，但其值或小于地层孔隙压力（欠平衡）或等于、略大于地层压力（平衡）；钻井流体或是泥浆（对正常压力梯度地层或高压地层），或是气基流体（对低压异常层）。第二个共同特点是设备上的共性，井口都采用旋转控制头（RCHs，Rotating Control Heads）和可控阻流管汇，而注气系统（气基流体用）和多相分离系统（边喷边钻用）则根据情况配用。第三个共同特点是技术的目的，这些技术的发展和采用，都是为了保护储层，进而提高勘探开发成功率，而这一点都是通过降低泥浆液柱压力来实现的。
但国际上目前最火热的乃是欠平衡钻井（充气液的或轻泥浆的）。
欠平衡钻井并非完全没有储层伤害，某些情况下还可能造成严重的储层伤害。欠平衡钻井中存在的储层伤害的详细讨论此处从略，但概括起来讲产生伤害的原因有设计原因、操作原因和本质原因。设计原因和操作原因可以通过认真的研究、控制得到改善，但本质原因是无法回避的。最严重的本质原因带来的伤害主要有正压差伤害、漏失性伤害和毛管现象伤害。正压差伤害的主要原因是由于封堵能力的丧失；漏失性伤害的主要原因是无法制止大中缝置换性漏失、溶洞漏失及喷漏同在等复杂性漏失；毛管现象伤害的主要原因是水基液体的失水性质和渗滤性质。要想减轻或回避这些伤害，必须有更新概念的欠平衡钻井方法。更关键的问题是钻井可以实现欠平衡，而起下钻、下套管注水泥、完井、测井等还不能实现欠平衡作业，因此也需要考虑新思路。
4.5 低压欠平衡钻井中待发展的技术改造重点 4.5.1 能够顺利地完成油气层井段钻井、完井作业
最重要的技术改造是要使低压钻井敢于面对油气层，可以安全、顺利地完成油气层段作业。而传统的低压钻井流体均为空气与液体的两相流，空气在井内与油、气混合极易产生井下燃烧与爆炸，造成钻具熔断、井口炸毁、甚至人员作伤亡。故而早期的观点认为低压钻井不能进入产层，而在进入产层之前转换为泥浆钻井或天然气钻井（如果有天然气源可用）。要使低压钻井敢于面对油气层，首先要解决井下燃爆问题。而解决该问题的唯一可靠方法是断氧，使用惰性气体下井。大量地使用高纯度惰性气体下井一般意味着很高费用，能否采用一定比例的空气和惰性气体下井阻燃？如何在现场方便经济地产生足够多的惰性气体？于是进行了模拟井下条件的燃爆实验。一是开口流动条件下井下实验，另一个是闭口静止条件下的井下实验。分别模拟了在钻井循环条件下和停止循环条件下的井下燃爆。对各种燃料（甲烷、天然气、原油蒸发气），氧含量的最低燃爆限为14%（气体钻井、泡沫钻井）和10%（充气液钻井）。因此，第一个技术改造是将空气气相经济方便地转换为惰性气相。4.5.2 具有良好的保护油气层的能力
如前所述，一般讲低压欠平衡钻井具有比常规钻井强得多的保护油气层的能力；但某些情况下仍可能产生某种程度的、甚至是很严重的储层伤害。尤其是前面所述由于“本质原因”带来的伤害，则必须在“非常规压力（低压）”、“非常规压力控制关系（平衡、欠平衡）”基础上，加以“非常规流体”予以解决。
气体钻井是一种非常规流体，对储层伤害最小，尤其适于低渗透、高水敏油气藏。但气体钻井对付复杂地层的能力差（如地层出水、井壁坍塌等），故其应用范围受限。
高干度稳定泡沫具有良好的综合特性，例如：
极低的液相（10%～30%，一般20%）； 泡沫结构和基液性质决定极小失水（甚至可达失水为0）； 隋性气相（无反应沉淀、乳化、细菌、腐蚀）； 泡沫膜、结构、尺寸对孔喉的单封作用； 泡沫结构流体对裂缝的封堵（微小缝半英寸之内）； 精心设计的基液组分和性质，可以保证对储层的相容性和对页岩地层的稳定；泡沫层承受正压差冲击的能力（膜的双电层结构和马格朗尼效应）；压缩气体的极好反排作用。
高干度稳定泡沫的作用：
可欠可过，均不伤害储层； 可很好地用于封堵储层保护微小裂缝； 极低的失水，可适用于致密气藏、低渗油藏、水敏性储层，保护效果仅次 于干气； 水敏性储层，保护效果仅次于干气； 可较好地用于特大漏失层防漏和保护储层； 低液柱压力、强携岩能力、高钻速。
4.5.3 能够适应深井和长水平井段水平井
很多情况下的深井和长水平段水平井都存在某种程度上的井壁力学性不稳定，气体钻井由于对井壁无任何支撑能力，因此气体钻井难以胜任普遍性的深井和长延伸水平井。充气液钻井属于一种不稳定的气液两相流体，故而在垂直井筒内随深度（或随液柱压力）有很大的流态变化，这使得充气液钻井不能将流体平均密度降低太多（在0.8～1之间），使用井深不能太深（一般未超过2000 m），否则上部井段会出现环雾流，气体窜越而出，而失去液体循环和携带岩屑的功能。在长水平井段，充气液的流态不稳定还会出现分层流，气体由顶部窜越，液体携带岩屑在下部流动，这可能造成岩屑床堆积，增加钻井困难。因此，充气液钻井也不适应于深井和长井段延伸水平井。泡沫流体，是气液两相的稳定均相流，无论是在深井还是浅井，只是泡沫流体的结构、尺寸和泡沫质量数随压力、温度有一定变化，但始终是稳定泡沫，且可以直接传递支撑压力到井壁上，因此它可以适应深井和长延伸水平井的要求。
4.5.4 能够适应于高渗、特高渗、裂缝性储层
以前，人们提到低压储层时往往直接意味着低压低渗；但今天，低压的高渗、特高渗、裂缝性已是无法回避的现实。在非均质性很强的高渗、特高渗、裂缝性储层，并不能保证在负压差条件下防止井内流体大量进入储层，充气液钻井不能避免这种伤害。而具有特殊性质的泡沫流体则可克服这种伤害。4.5.5 能有效地保持井壁稳定
要想把低压钻井技术做为一种有普遍意义的新钻井技术加以推广应用，首先要解决的问题是低压钻井的井壁稳定问题。90%的井壁不稳定是泥页岩层段井壁不稳定。井眼打开后泥页岩与外来钻井液相接触，通过压力渗流、自由水吸附扩散、阳离子交换等作用产生水化反应。根据水化反应的类型，可将泥页岩分为四大类：软泥岩（膨胀性粘土含量高，水化表现为塑性流动），分散型硬脆泥页岩（混层粘土含量高，水化表现为开裂成为碎块或碎片），吸水降强型硬脆泥页岩（膨胀型粘土与混层粘土含量都很低，水化后无明显外观变化，但力学强度大幅度降低），应力型硬脆泥页岩（多见于高构造应力区及5000m以上超深井）。这四类中最为普遍的是吸水降强型硬脆泥页岩。在传统的泥浆钻井中，人们采用的是一种try and err的方法逐步达到井壁稳定的目的。在新区第一口井若出现了井壁不稳定，则采取三条可用措施增加钻井液对井壁的稳定能力：第一提高密度，第二提高对泥页岩的抑制性，第三提高泥浆的封堵能力。通过几口井的try and err最终达到了井壁稳定的目的，这种井壁稳定是对应着一定的泥浆密度（大于1.0）、一定的抑制性、一定的封堵能力而言的。但人们就认为这个对应密度就是井壁稳定的临界密度，并从此不敢采用低于此临界密度的钻井液钻井。这个观点虽然传统，但确实错误。由于泥浆成本和性能维护的原因，人们总是从弱抑制能力泥浆开始进行试验，逐步增大抑制性、密度和封堵能力，最终在抑制性、密度和封堵能力三者间找到了一个平衡点。但实际此时由于泥浆的水化抑制能力均处于中等偏弱水平，这种钻井液实际上已造成了泥页岩强度的大幅度降低（实测结果一般降低50%～70%），增大泥浆抑制性，可粗略理解为减少泥页岩强度丧失。这样，在一定的泥浆抑制性（或水化后泥页岩强度）的条件下，便有一个临界的井壁稳定泥浆密度。如果可以使泥页岩强度少降低甚至不降低，则可使井壁稳定临界密度大大降低。采用特殊配制的泡沫流体，可使泥页岩强度降低量控制在10%～20%范围，因此井壁稳定临界密度可以大幅度降低。一般对1.20左右密度、抑制性中等偏弱的泥浆便可稳定的泥页岩地层，采用特殊配制的泡沫流体，则可使稳定密度降至0.3左右。因此，对中国大部分地区，均可采用低压钻井。4.5.6 能够应付复杂地层压力体系
传统的低压钻井，只用来对付低压储层。但今天的勘探与开发，经常在一口井中同时存在多个压力体系的产层，对一口井的钻井液，需要对付高压，也必须适应低压。高压需要主要来自两个方面：一是稳定上部井壁的需要；二是封堵上部高压层的需要。中国大部分油田属于陆相沉积的多套油层类型，由于早期开采时只打开了最有利的主产层，且中后期采用高压注水（甚至早期就采用强化注水）措施，现在主产层已近于枯竭。目前改造挖潜、调整开发的主要任务之一就是要打开主产层之下未开发的油层，主产层是高压注水层，相对其它待开发产层就成为低压层。采用复杂的井身结构，不但成本高，而且有时压力系统已复杂到不能用多层套管封隔的地步。因此，井内的流体，既要能够稳定裸眼完井壁，封堵住高压层，同时又要对低压产层形成良好的保护。这是对非常规流体钻井技术的更高要求的技术改造。
4.5.7 能够提供及时的、准确的动态试井
当井身轨迹完全穿透产层之后，人们希望能够立即进行动态试井，由此了解有关产层的基本情况。经过技术改造的低压钻井技术，配套有一套监测仪表系统和试井解释系统。可以使操作者方便地进行上述测试。在实验架上的实验表明：泡沫流体比充气泥浆给出了好得多的试井解释结果，原因是充气泥浆的气液不稳定两相流计算的复杂性和不确定性。4.5.8 低压欠平衡钻井配套的完井技术
低压欠平衡钻井配套的完井技术，虽然已有一些简单方法，但仍然非常欠缺，是整个配套技术中的最薄弱环节，极需提高。不良好的完井，可以说是最大的永久性伤害之一，应该予以高度重视。储层的良好完井方法，对低渗透、裂缝性储层非常重要。
配套的气基流体测井、地质录井及增产改造技术，也是技术改造的重点内容，但这需要更广泛的跨学科攻关。
4.6 低压欠平衡钻井在我国的推广与应用 4.6.1 有多大范围应该采用此项技术
对于全国有多大范围应该采用低压欠平衡钻井技术，没有详细的统计资料，粗略估计如下。
（1）低压低渗低产能油气资源，估计占总资源量的1／3。
（2）开发中后期老油气田的改造挖潜，估计至少有一半任务要面对压力枯竭。
（3）非常规油气资源（稠油、天然沥青、煤层气等）是必需上低压欠平衡钻井的领域。
（4）异常复杂的储层（漏、喷、塌、严重伤害等），如碳酸盐岩、古潜山风化壳、砾岩等，也必需此项技术。
（5）降低成本，提高效益。国外应用结果：钻速提高4至10倍，产量提高3至10倍。
（6）保护储层的必需技术。至少有三分之一的储层必需靠低压欠平衡保护。
（7）提高勘探成功率和精度，提高开发效益。除少数情况外（高含H2S气井、高压气井、超深井、严重不稳定地层），大部分储层均可低压欠平衡打开，而且保护效果优于常规钻井打开储层。
（8）低压欠平衡钻井是一个系统技术，不可只偏重其中一两项，应全面发展，根据情况选用。例如：
致密气、煤层气—气体钻井
低渗油、水敏性—气体钻井、稳定泡沫钻井
复杂地质条件储层—稳定泡沫、充气液钻井
一般油气层—充气液、不稳定泡沫钻井
高压油气层—优质轻泥浆欠平衡
复杂压力体系—特殊泡沫钻井
探井—各种流体欠平衡
大面积开发井—各种流体平衡加封堵保护，或各种流体欠平衡
（9）低压欠平衡与其它技术结合低压欠平衡加水平井、导向钻井，用于提高勘探成功率；
低压欠平衡加水平井、分枝井、超长水平井，用于提高开发效益；
低压欠平衡加盘管钻机、老井加深、老井侧钻、小井眼技术，用于老油气 田改造挖潜；
低压欠平衡加超长水平井、分枝水平井，用于特低渗、强水敏油气田增产 改造，部分代替水力压裂。
（10）究竟有多大范围应该使用，尚无准确定论。但最保守估计：至少总储量的1／3要靠低压欠平衡系列技术，我国的钻机装备至少应改造1／3，使其具有进行低压欠平衡钻井的施工能力。美国、加拿大于1996年就达到了装备改造占25%的比例；最近有人预言，最终装备改造比例将超过50%。主要结论
油气工业钻井领域的近期形势是严峻的，任务是艰巨的。主要体现在开发上要拿难拿储量、非常规油气资源，勘探上要适应日益复杂困难的地质条件的需要。低渗透、原生性低压、复杂条件下的储层、非常规油气、老油田改造、提高勘探成功率和精确性、降低勘探开发成本，这些就是主要任务。为了完成这些任务，钻井界必须发展新技术。低压欠平衡钻井，是满足目前严峻形势、完成艰巨任务所必需的，因此，应该列为我国钻井界近期重点发展技术。西南石油学院对此项技术已进行了近7年的储备性研究，很多方面有国际先进的技术思路，希望能得到支持尽快打开局面。
致谢 本文主要研究内容与成果，为西南石油学院低压钻井学术组全体人员近7年的共同研究成果。形成该成果的过程中同时有如下单位参加研究：新疆局钻井研究院；辽河局钻井处、钻采研究院、钻井二公司；吐哈油田钻井研究所；四川局川西南矿区；四川局川中矿区。执笔作者在此向所有参研人员表示感谢。同时感谢勘探局孙振纯同志、杨光盛同志，科技局孙宁同志、胡世杰同志对本文的审查修改意见。
(编辑 罗先碧)罗平亚,男，1940生，中国工程院院士
作者单位：西南石油学院完井中心，四川南充 637001
1998—03—07收稿
