伊拉克库尔德A油田位于Zagros Mountain山前地带的褶皱和断层区，碳酸盐岩储层裂缝发育，钻井过程中漏失严重，井下复杂情况频发，严重影响了钻井速度，且造成了一定的储层伤害，导致单井产量和原油采收率不高。欠平衡钻井技术是20世纪90年代国际上开始研究应用并迅速发展的一项钻井技术，早期所用的循环介质为空气，后来相继发展了循环介质为氮气、天然气、泡沫或低密度钻井液的欠平衡钻井技术^[1-2]，在低压、低渗透、低压易漏、裂缝性油气藏及衰竭油气藏开发中具有其他钻井技术不可比拟的优势^[3-11]。目前，充气欠平衡钻井技术已在加拿大、美国等国家得到广泛应用，并越来越多地与水平井、分支井及小井眼钻井技术相结合^[1]。我国欠平衡钻井技术研究虽然起步晚，但经过多年的技术攻关与实践，技术水平已基本达到国外先进水平，并在各油田得到广泛应用。

为此，针对A油田地层压力低、钻井安全密度窗口窄、溢漏同存的现状，应用了以原油为钻井液，环空注氮气（非全井）的欠平衡钻井新技术, 通过调节气液比和井口控压将井底当量循环密度（ECD）控制在安全密度窗口内，既可以抑制地层油水大量溢出，又可防止井漏，还能实现边钻井边采油，从而解决易漏失裂缝性储层及低压枯竭储层的安全钻井难题^[7-11]。同时，环空注入的氮气只参与上部井眼内钻井液的循环，避免了氮气对井下工具仪器稳定性的影响，减小了对MWD仪器接收信号的干扰，克服了早期欠平衡钻井技术现场应用时受制约的问题。目前，原油注氮欠平衡钻井技术在A油田6口水平井进行了应用，与应用常规钻井技术的水平井相比，单井产量增加了1～3倍，平均机械钻速提高了61.6%，缩短了钻井周期，取得了较好的经济效益。

1.   A油田概况

库尔德A油田自2005年开始开发，主力产层Bekhme层的地层压力逐年降低，开采过程中水侵严重，其中部分井投产后含水率达到80%以上，原油采收率和原油产量逐年降低，严重影响了油田的开发效益。

该油田地质构造较为复杂，油藏埋深2 200～2 300 m，自上而下钻遇Fars层、Jeribe层、Dhiban层、Euphrates层、Pila SPI层、Gercus层、Khurmala层、Kolosh层、Shiranish层和Bekhme层，岩性主要有泥岩、石膏岩、白云岩、泥灰岩、页岩和石灰岩。在钻进砂岩、泥岩和页岩地层时，容易发生井壁剥落掉块、井塌和卡钻等井下故障；储层Bekhme层岩性为石灰岩和泥灰质石灰岩，地层压力当量密度为0.92 kg/L，设计钻井液密度一般为0.887 kg/L，钻井过程中易发生井漏、溢流等井下复杂情况。

该油田水平井井深约3 000 m，设计采用五级井身结构：一开，ϕ660.4 mm钻头钻至井深350 m，下入ϕ508.0 mm套管；二开，ϕ444.5 mm钻头钻至井深1 400 m，下入ϕ339.7 mm套管；三开，ϕ311.1 mm钻头钻至井深2 050 m，下入ϕ244.5 mm 套管；四开，ϕ215.9 mm钻头钻至井深2250 m，下入ϕ177.8 mm尾管固井（尾管串上部连接1根ϕ177.8 mm筛管）并回接至井口；五开，ϕ152.4 mm钻头钻至设计井深，下入ϕ114.3 mm尾管完井，该井段设计应用原油注氮欠平衡钻井技术。

2.   原油注氮欠平衡钻井关键技术

2.1   工艺原理

传统的氮气欠平衡钻井是将氮气通过地面设备连续不断地注入钻井液中，使其充分分散于钻井液体系中形成连续的气液混合相，从而使井底钻井液液柱压力低于地层压力，实现欠平衡钻进，达到防止井漏的目的^[9]，即氮气参与整个钻井液循环流程。原油注氮欠平衡钻井则改变了传统的充气方式，氮气由套管头侧出口注入井眼，随井眼内钻井液直接返至井口，即氮气只参与钻井液的部分循环，其循环流程如图1所示。ϕ177.8 mm尾管固井之后，回接套管至井口坐挂（回接管串下部为长8 m的ϕ177.8 mm筛管），在井口套管头侧阀门向ϕ244.5 mm 套管与ϕ177.8 mm套管间的环空注入氮气，经ϕ177.8 mm筛管进入井眼，筛管位置与水平段着陆点垂深大约相距300 m，随井眼流体直接返至井口，即氮气只存在于ϕ177.8 mm筛管以上ϕ177.8 mm回接套管内外空间（如图1所示），只参与上部井眼内钻井液的循环，通过降低上部井眼钻井液液柱压力，来降低井底钻井液液柱压力，实现欠平衡钻进，且不影响井下MWD的测量和传输。

图  1  原油注氮气循环系统示意

Figure  1.  Circulation system of nitrogen injection into crude oil

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2.2   关键设备

原油注氮欠平衡钻井所使用的旋转防喷器、制氮注氮等设备，与常规气体欠平衡钻井所使用设备基本一致^[10-11]，主要区别在于返出井口钻井液的分离处理系统和井下数据测量传输系统。

分离处理系统包括四相分离器、离心机组和储油罐3部分^[11-12]。井内参与循环的原油和氮气循环返出至旋转防喷器（RCD）中，通过RCD侧面连接的主返出管线进入地面节流管汇，然后进入四相分离器中。四相分离器利用密度差原理将其中的油、气、水和岩屑进行初步分离，分离后的原油通过地面管汇进入循环罐内。在保证循环罐内的原油体积满足钻进需求的前提下，多余的原油从循环罐输送至离心机组经过二次分离过滤处理，然后输送至储油罐储存，定期送至联合站进行加工利用；分离出来的硫化氢等可燃气体直接通过燃烧管线点火处理。离心机组通过转子高速旋转产生的强大离心力来实现出井原油的二次分离，从而进一步降低注入井内原油中的固相含量。

井下数据测量传输系统包括IMPulse随钻测量仪器（IMPulseMWD）和井下压力检测系统（verified pressure while drilling，VPWD）2部分。IMPulseMWD由随钻测量工具（MWD）和电阻率单元（Vision475系统）构成，可以为地质人员提供井斜、方位和电阻率等数据，起到地质导向的作用，有利于发现油藏^[13]；VPWD能够及时准确监测井底当量循环密度（ECD）和当量钻井液密度（EMW）等参数的变化情况，实时控制氮气注入排量，调节欠平衡钻进时的欠压值。

2.3   氮气注入排量的确定

在钻井液排量确定的情况下，选择合理的氮气注入排量对于欠平衡安全钻进至关重要。在井身结构、钻具组合、井眼轨迹等其他参数一定的情况下，存在一个最佳的氮气注入排量，既能满足井底压力的要求，又能够满足钻井液携岩的需要。为此，建立了井下ECD计算模型，根据VPWD实测井下压力和欠压值，可以计算出氮气注入排量。

充气欠平衡钻井压力控制方程为^[6]：

式中：Δp为欠压值，MPa；p_p为地层压力，MPa；p_bh为井底压力，MPa。

在钻杆外环空，p_bh与钻井液排量、氮气注入排量存在函数关系：

式中：$\xi \left({Q}_{\rm{g}},{Q}_{\rm{l}}\right)$为井底压力与钻井液排量、氮气注入排量的关系函数；Q_g为氮气注入排量，m³/min；Q_l为钻井液排量，L/s；p_a为井口回压，MPa；p_a1为环空压耗，MPa。

把式（2）代入式（1），可以得到：

根据式（3），欠压值与钻井液排量和氮气注入排量存在函数关系，由于钻井液排量需要满足携砂要求而相对固定，因此欠压值主要与氮气注入排量有关，可以初步设定井口回压的欠压值，通过监测的井底压力值，计算出氮气注入排量。

现场施工过程中，在原油密度、钻井液排量、地层压力确定的情况下，监测套压和节流压力，利用相关软件计算设定欠压值条件下的氮气注入排量^[14-15]，根据VPWD准确监测井底压力，对氮气注入排量和井口回压进行调整，实现设定欠压值情况下的欠平衡钻进，达到边钻进边生产的目的。

3.   现场应用

截至目前，A油田共有6口水平井应用了原油注氮欠平衡钻井技术，均顺利钻至设计井深，未发生井漏、井涌和井眼失稳等井下故障，与未应用该技术的水平井相比，机械钻速明显提高，单井产量提高了1～3倍，取得了良好的提速提产效果，具有较好的经济效益。

3.1   应用效果

1）机械钻速显著提高。A油田12口井ϕ152.4 mm井眼机械钻速统计结果如表1所示。由表1可见，应用原油注氮欠平衡钻井技术的6口井，ϕ152.4 mm井段的平均机械钻速9.60 m/h，与应用常规钻井技术的6口井相比提高了61.6%，钻井提速效果显著。

表  1  A油田12口井ϕ152.4 mm井眼机械钻速统计结果

Table  1.  ROP statistics from ϕ152.4 mm holes of 12 wells in Oilfield A

井号	机械钻速/（m·h–1）	平均机械钻速/（m·h–1）	钻井技术
T-41	5.12	5.94	常规
T-43	4.91
T-44	4.82
T-48	7.64
P-5	7.28
P-7	5.89
T-49	7.89	9.60	原油注氮欠平衡
T-52	8.08
T-54	9.01
T-55	11.08
T-56	10.86
T-58	10.70

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2）单井产量显著提高。目前，应用原油欠平衡钻井技术的6口水平井中，有5口井已经投产（T-49井、T-52井、T-54井、T-55井和T-56井），在主动控制产量的情况下，总产量超过12 000 桶/d，平均每口井2 400 桶/d，与采用常规钻井技术的T-48井（产量为1 200 桶/d）相比，产量提高了1倍。这表明，原油注氮欠平衡钻井技术能够充分保护油层、提高油井产量。

3）产出液含水率下降明显。据统计，A油田应用常规钻井技术的油井，开采半年左右时就会因地层出水使产出液的含水率达到25%以上，严重影响了A油田的产量。该油田应用原油注氮欠平衡钻井技术的5口油井与应用常规钻井技术的4口油井的产出液含水率统计结果见表2。从表2可以看出，应用原油注氮欠平衡钻井技术的5口油井产出液平均含水率为2.55%，而应用常规钻井技术的4口油井产出液平均含水率为89.00%，含水率下降幅度巨大。分析认为，应用常规钻井技术的油井，在井壁上形成的滤饼和侵入带对储层造成了一定程度的污染，开采过程中由于原油的界面张力大于水，水的流动性大于油，因此储层中的水更易于流入井筒，导致产出液的含水率逐渐上升，油井产量不断降低。而应用原油注氮欠平衡钻井技术的油井，原油有效保护了储层，减小了储层中原油的流动阻力，原油更容易流出，从而提高了原油产量，降低了产出液的含水率。

表  2  A油田9口井产出液含水率统计结果

Table  2.  Statistics of water cut from 9 wells in Oilfield A

井号	投产时间	含水率，%	平均含水率，%	钻井技术
T-41	2017-07	100	89.00	常规
T-43	2017-09	93.00
T-44	2017-11	85.00
T-48	2018-03	78.00
T-49	2018-11	0.03	2.55	原油注氮 欠平衡
T-52	2019-02	0.27
T-54	2019-04	5.00
T-55	2019-06	6.00
T-56	2019-08	4.00

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3.2   典型井例

T-56井是A油田的一口开发水平井，设计井深2 460 m，采用五开井身结构，五开ϕ152.4 mm井眼自井深2 050 m开始采用原油注氮欠平衡钻井技术钻进。该井应用的原油密度为0.89 kg/L，根据设计欠压值的要求，按照原油排量0.57 m³/min确定了合理的氮气注入排量，结果见表3。由表3可见，原油注氮欠平衡体系稳定后，井下环空循环当量密度保持在0.78～0.82 kg/L，地层压力当量密度为0.92 kg/L，达到了欠平衡钻进的要求。

表  3  A油田T-56井不同欠压值下的氮气注入排量

Table  3.  Nitrogen injection rate into Well T-56 in Oilfield A under different underpressure

欠压值/MPa	氮气注入排量/（m3·min–1）	实测ECD/（kg·L–1）
0.34	39.64	0.84
0.69	45.31	0.82
1.03	50.97	0.80
1.38	56.63	0.78

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该井钻至井深2 077 m时监测到油流，并点火成功，然后顺利钻至井深2 450 m完钻，平均机械钻速10.86 m/h，最高机械钻速超过21.00 m/h。该井储层钻进期间平均原油产量667.8 m³/d，实现了边钻进边生产的目的，且较常规井产油量提高3倍以上。

4.   结论与建议

1）原油注氮欠平衡钻井技术实现了在环空内注入氮气，氮气只参与上部井眼内钻井液的循环，并不循环至井底，在满足欠平衡钻进要求的同时，能避免氮气对钻井液脉冲随钻测量工具接收、传输信号的影响。

2）原油注氮欠平衡钻井时，因为循环介质为原油，所以对储层的损害程度很低，在充分保护储层的同时，边钻进边生产，能够在未完钻的情况下实现油井提前生产，有利于缩短投入成本的回收周期。

3）A油田6口井的现场应用结果表明，原油注氮欠平衡钻井技术在提高钻井速度、提高单井产量和降低产出液含水率方面效果显著。

4）建议通过计算油层不同井深条件下所产出的原油量，开展优质储层优选研究，为全面提升油藏采收率、提高勘探开发效益奠定基础。