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。20世纪90年代，由于勘探开发难度日益增加，国际石油市场竞争更加激烈，应用欠平衡钻井技术提高了产量、降低了成本。因此，成为国际上继水平井技术之后的第二个钻井技术发展热点，在90年代中、后期发展极快。
     采用欠平衡钻井技术，减少了压差，可以阻止滤液和固相进入储集层，因而能够最大限度地发现和保护中压、低压油藏，以获取比常规过压钻井高得多的经济效益；欠平衡钻井可以克服液柱的压持效应，提高破岩效率，解放钻速，缩短建井周期；减少钻井液对储集层的浸泡时间，可以安全钻过严重水敏性地层及漏失层，避免大量钻井液漏失，从而降低钻井成本；欠平衡钻井还具有防止压差卡钻和延长钻头使用寿命等优点。
     但是，由于欠平衡钻井设备多、井场面积大，钻井费用较高；采用注氮方式进行欠平衡钻井时，特别是在边远地区采用现场制氮设备制氮时，制氮设备的费用较高；存在井喷、并塌等安全隐患；如果完井作业期间不能保持连续的欠平衡状态，无泥饼的井壁无法阻止液相和固相对地层侵入，有更大的污染机遇。
     我国欠平衡钻井技术早在20世纪60年代已在四川油田磨溪构造进行过试验，当时只是用清水钻进。20世纪90年代以来，我国欠平衡钻井技术也在加速发展，尤其是塔里木油田解放128井欠平衡钻井的成功，给我国欠平衡钻井推向了一个新的阶段。据统计，中国石油天然气集团公司2000~2005年共钻各类欠平衡井187口。现在已经完成了流钻欠平衡钻井、充气钻井、空气或其他气体钻井以及全过程欠平衡钻井试验，并取得了突破。我国欠平衡钻井技术将迎来一个快速发展阶段。
一、欠平衡钻井的类型
     欠平衡钻井分为两种类型，即流钻和人工诱导欠平衡钻井。所谓流钻欠平衡钻井，就是用合适密度的钻井液(包括清水、混油钻井液、原油、柴油、添加空心固体材料钻井液等)进行的欠平衡钻井；而人工诱导欠平衡钻井，就是用充气钻井液、泡沫、雾，气体作为循环介质进行的欠平衡钻井。一般而言，当地层压力当量密度大于或等于1．109／cm3时，用流钻欠平衡钻井，否则可用人工诱导欠平衡钻井。这两类方法不是绝对的，实际应用时应根据具体情况进行选择。
     欠平衡钻井技术经过几十年的发展，至目前已经发展了空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井液钻井、边喷边钻等多种欠平衡钻井技术。
1．气体钻井技术
     气体钻井技术是指采用空气、天然气、废气和氮气钻井，密度适用范围为0～0．02g/cm3。采用空气欠平衡钻井可较大地节约钻井材料费用。采用氮气钻井，主要优点是氮气和烃气的混合物不易燃烧，可消除井下着火的可能性。采用天然气钻井，天然气排放到大气时，会形成易燃的混合物存在着火的潜在危险，对大气也有污染。
2．雾化钻井技术
     雾化钻井技术的密度适用范围为0．002～0．0409／cm3，气体体积为混合物体积的96．0％～99．9％。在空气钻井过程中，如出现少量的地层水，通常做法是将空气钻井转变成雾化钻井。雾化钻井的具体做法是，在压缩的空气流未注入钻柱之前，向其注入少量的含有起泡剂的水。注入的这种液体与地层产出的水就会分散成不连续的液滴。
3．泡沫钻井技术
     泡沫钻井技术的密度适用范围为0．04～0．609／cm3，井口加回压时可达到0．89/cm3以上，气体体积为混合物体积的55％～96％。泡沫用作钻井的循环流体，它具有静液柱压力低、漏失量小、携屑能力强、对油气层损害小等特点，适用于低压、易漏、水敏性地层。欠平衡泡沫钻井技术是应用较为广泛的一项钻井技术。
4．充气钻井液钻井技术
     充气钻井液钻井技术包括通过钻杆和井下注气两种方式。井下注气是通过寄生管、同心管在钻进的同时向钻井液中连续注气。其密度适用范围为0．7～0．99／cm3或更高，气体体积低于混合物体积的55％。充气钻井液的连续相通常为未稠化的液体，如水、盐水、柴油或原油等，气相为氮气、空气或其他气体。充气钻井液一般不含有表面活性剂，在井下具有较高的液体体积分数。
5．高压地层的欠平衡钻井技术
     随着欠平衡钻井技术的进一步发展成熟及能承受高压的旋转防喷器引入油田后，发展了使用液体钻井液对高压地层进行欠平衡钻井技术，这种技术国外称为“Flow Drilling”(国内译为“边喷边钻”)。
     欠平衡钻井作业的关键技术包括产生和保持欠平衡条件、井控技术、产出流体的地面处理和电磁随钻测量技术等。近年来，欠平衡钻井技术的进展主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。国外已经成熟运用新一代欠平衡钻井技术，即在钻进、接单根换钻头、起下钻等全部作业过程中始终保持井下循环系统中流体的静水压力小于目标油气层压力。欠平衡连续油管钻井技术与常规钻井技术相比，具有钻井效率高，在整个作业过程中因不连接钻杆，可始终保持负压条件，能有效地减少地层损害和钻井安全可靠等优点，适合其他欠平衡钻井方法不适合的高压和含H：S地层的钻井。同时，欠平衡钻井技术也越来越多地与水平井、开窗侧钻、多分支井及小井眼钻井技术相结合，有效地开发了一些新老油田，其应用范围日益广泛。
     欠平衡完井是欠平衡钻井的延伸，如欠平衡钻井后不能进行欠平衡完井，那么就不能充分发挥欠平衡钻井发现和保护油气层的优势。
二、欠平衡钻井的必备条件
1．准确掌握地层压力
     欠平衡钻井必须首先准确掌握所钻地层的三个压力系数(破裂、孔隙、坍塌)。只有准确掌握地层压力系数，特别是地层孔隙压力，才能有效确定井身结构、钻井流体密度、欠压值、所采用的井口装置及钻井施工措施，否则易使欠平衡钻井达不到预期目的。
2．所钻井或井段井壁稳定、储层适合欠平衡钻井
     经验认为，实施欠平衡井段以上地层应是稳定的，或对不稳定井段下入技术套管加以封隔。同时要掌握欠平衡井段层位的物化性能，判定是否可进行欠平衡钻井。
3．配备相应的地面装备
     除具有常规钻井井口井控装置和节流管汇外，井口还应增加一个相应尺寸的单闸板防喷器和旋转防喷器、液动闸阀及液气分离器、油水分离器、真空除气器、燃烧管线及火炬、安全可靠的点火系统、防回火装置、循环系统的各种电器防爆装置、流量计等。
当地层压力系数较小时，要实现欠平衡钻井还应另配充气(或雾化、泡沫、氮气)装置。
     在条件允许的情况下，应配备强行起下管串设备，以满足低压低渗产层欠平衡钻井作业不压井强行起下管柱的需要。
4．配备相应的监测仪器
     该种钻井需配备地质录井仪、套压表、立管压力表、环空压力测试仪、二氧化碳、硫化氢、天然气报警仪、天然气流量计等仪器仪表。
5．制定一套安全操作规程和因地制宜的施工措施
     该种钻井需制定行之有效的工艺技术措施、应急措施、井控操作规程和HSN规定等。
6．配齐训练有素的技术人员和熟练的操作人员
     在欠平衡井场，要求指令下达果断、准确和及时，人员操作熟练、持证上岗、态度端正、工作细致，组织分工明确、管理严格。
三、欠平衡钻井工艺技术
     欠平衡钻井技术与常规钻井技术不同之处主要在于它是允许地层流体进入井筒内，核心就是井底压力的研究与控制。井底负压值的大小直接影响到地层流体进入井筒内量的多少，关系到能否安全、快速钻进。井底压力控制是欠平衡钻井成功的关键，能否设计和保持一个理想的欠平衡状态会影响到整体勘探开发效果。
1．欠平衡钻井技术中井底的压力控制
     欠平衡钻井技术将平衡控制的概念应用于井筒压力体系中，采用控制环空井口回压的方法达到使井底环空压力低于地层流体压力，从而实现压力欠平衡。通常，对于地层压力系数在1．00～1．10的地层，采用常规钻井液欠平衡钻进；对于地层压力系数在0．50～1．00的地层，利用充气无固相钻井液实现欠平衡较好；而对于地层压力系数在0．5以下的地层，则可采用泡沫、空气等钻井流体钻进。因此，在对地层压力系数充分了解的前提下，通过对钻井液液柱压力的控制来对井底压力进行有效的控制，使欠平衡钻井的实施具备了可行性。
     受井口装置、地质条件等因素的制约，井口压力需保持在设计的范围内，井底负压值也不易过大，在实钻中需通过调节节流阀控制井口压力和井底负压差。在调节节流阀时需收集立压、套压、油(气)量、钻井液密度等相关参数，并制定相关操作规程。
1)油气侵量增大时的调节原则
     随着油气侵入量的增大，环空液柱压力减小，井底负压值增大，同时由于大量油气的侵入，套压随之升高。为了使井底负压差值稳定在设计范围内，应关小节流阀，使泵压升高(泵压升高值既为减少的井底负压值)。由于需要一个循环周才能将侵入的油气携带出来，控制效果只有在一个循环后才能有显示。因此，在这期间，绝不能因油气量的增加而继续增大回压，以免造成过平衡钻进或压漏、压死目的层。
2)排量不变，泵压下降时的调节原则
     在欠平衡钻进时，排量不变，如果泵压下降，在排除钻头水眼、钻具或泵等故障的前提下，可以判断为钻遇油气层，因为油气柱在环空中上升、膨胀而造成液柱压力降低。此时，应调节节流阀使泵压回升到原值以便控制井底压力不变。在此期间应随时注意泵压的变化，当泵压继续减少时，继续调节节流阀使泵压回升，避免欠平衡钻进过程中油气侵入量急剧增加而导致压力失控。
2．欠平衡钻井井控技术
1)欠平衡钻井井控
     由于欠平衡钻井井底存在负压，所以井控技术是欠平衡钻井安全实现的保证。实现欠平衡钻井，必须使用技术规定的井控设备，并保持设备完好、灵活。
     欠平衡钻井是通过旋转防喷器(或旋转控制头)和节流管汇控制井底压力，允许井涌和适度井喷。只有在井口回压(套压)超过一定值时，才采用常规井控技术来控制井底压力，以防止井喷失控。欠平衡钻井不存在一级井控阶段。
     欠平衡钻进过程中若套压升高，升高值至7MPa不再变化，可选用密度稍高的钻井液循环或采用回压控制。若套压逐渐升至7MPa以上，并且继续升高，应关井，适度放喷，进行压井作业。
2)井口装置
     目前，常用的欠平衡钻井井口可以归类为三级。
(1)一级井口装置
     一级井口装置自下而上分别是套管头、单闸板防喷器、钻井四通、双闸板、环形防喷器和旋转头。图1是最基本的一级井口装置。

图1 一级井口装置
     一级井口装置风险最大，对装备级别要求最高，地面环境要求高，适用于探井和含少量硫化氢或二氧化碳气井。可根据具体井下情况增加双闸板防喷器、单闸板防喷器和四通及高压排除管汇。
图2和图3均为一级井口装置。

图2 一级井口装置

图3 一级井口装置
(2)二级井口装置
     二级井口装置自下而上分别是套管头、钻井四通、双闸板、环形防喷器和旋转头，见图4。
     二级井口装置属中等装备级别，适用于风险不大，地层压力低于35MPa的井，适用于无硫化氢的生产井，以及对产层压力和流体性质资料掌握较好的油气藏。

图4 二级井口装置
(3)三级井口装置
     三级井口装置自下而上分别是套管头、钻井四通、双闸板和旋转头，见图5。
     三级井口装置装备级别最简单，适用于无大风险、低压油井、原油稠和溶解气少的生产井。
3．欠平衡钻井的钻具组合
     欠平衡钻井一般采用斜坡接头钻杆，如果在欠平衡状态下进行起下钻作业，钻具组合中严禁使用螺旋钻铤，不带顶驱的钻机应使用六方钻杆。为防止接单根、起下钻过程中钻柱内液气外溢或失控，在钻具组合中应安装内防喷工具。内防喷工具的连接主要考虑工作方便和不互相干扰，在保证安全的前提下，以少接为妥(内防喷工具安装的位置和数量没有固定的模式，应根据施工的具体需要而定)。

图5 三级井口装置
     常规钻具组合如下：’
①钻头+钻铤+回压阀+投入式止回阀+18°斜坡接头钻杆+下旋塞+六方钻杆+上旋塞。
②钻头+回压阀+钻铤+投入式止回阀+18°斜坡接头钻杆+下旋塞+六方钻杆+上旋塞。
     根据需要，还有在井内钻柱中适当位置接旁通阀的，也有接下旋塞的；下旋塞与箭形回压阀成对使用时，旋塞在上、回压阀在下。其中回压阀也有串接两只的，回压阀也可用阀瓣带小孔的浮阀。
     要求六方钻杆与钻杆接头外径接近，如88．9ram钻杆应与88．9mm或108mm六方钻杆相配，127mm钻杆应与133．4mm六方钻杆相配，下旋塞外径应与方保接头及钻杆接头外径相同。
     采用气体欠平衡钻井技术时，为防止在接单根时气液倒返，还要在钻进中每几个单根中加接一只回压阀(常闭式)。例如：钻头+回压阀+钻铤+投入式止回阀+18°斜坡接头钻杆+回压阀+几个单根18°斜坡接头钻杆+回压阀+几个单根18°斜坡接头钻杆+回压阀+下旋塞+六方钻杆+上旋塞