深層致密氣藏鉆井液技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

任文希，李皋，孟英峰 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （西南石油大學(xué)），四川 成都610500）

郭倡俊 （延長(zhǎng)油田公司定邊采油廠，陜西 榆林7190000）

汪傳磊 （中石油西南油氣田分公司采氣工程研究院 ，四川 德陽618300）

隨著非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入和發(fā)展，致密油氣已經(jīng)成為全球非常規(guī)石油與天然氣資源勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域［1，2］。深層致密氣資源作為致密油氣資源的一個(gè)重要分支，具有極大的勘探開發(fā)潛力。然而深層致密氣藏整體儲(chǔ)集物性差，具體表現(xiàn)為基質(zhì)孔滲特性差，儲(chǔ)集空間復(fù)雜多樣，非均質(zhì)性強(qiáng)，裂縫發(fā)育等特征。因此該類儲(chǔ)層在鉆井過程中極易遭受不可逆的儲(chǔ)層損害。此外深井水平井作業(yè)摩阻扭矩較大，易托壓，難以高效持續(xù)鉆進(jìn)，加之地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，井下復(fù)雜情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致鉆井周期延長(zhǎng)，儲(chǔ)層暴露時(shí)間增加，儲(chǔ)層損害程度進(jìn)一步加深。因此，針對(duì)深層致密氣藏的工程地質(zhì)特征，選擇適宜的鉆井液體系，并輔以正確的作業(yè)方式，形成配套的優(yōu)快鉆井技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)深層致密氣藏高效開發(fā)的關(guān)鍵。

1 深層致密氣藏鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1．1 儲(chǔ)層保護(hù)要求高

深層致密氣藏儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，孔滲特性差，儲(chǔ)集空間往往是孔隙、裂縫、孔洞的組合［3］，鉆井作業(yè)過程中極易遭受不易逆轉(zhuǎn)的儲(chǔ)層損害。因此深層致密氣藏的儲(chǔ)層保護(hù)甚為重要。其潛在儲(chǔ)層損害因素如下：

1）水鎖損害 在鉆井作業(yè)過程中，一旦打開儲(chǔ)層，水基工作液便與儲(chǔ)層接觸，外來液相在毛細(xì)管力和正壓差的雙重作用下侵入儲(chǔ)層，形成水相堵塞，最終影響儲(chǔ)層采收率，這種損害稱為水鎖損害［4］。由于致密氣藏儲(chǔ)層具有低孔、低滲且發(fā)育有微裂縫的特點(diǎn)，毛細(xì)管效應(yīng)強(qiáng)，滲流阻力大。侵入液相極易滯留于儲(chǔ)層中，難以返排出來，導(dǎo)致嚴(yán)重的水鎖損害。此外，在正壓差的作用下，液相將沿著裂縫網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)驅(qū)直入，侵入儲(chǔ)層深部，更加難以返排，同時(shí)使得裂縫失去滲流能力，大幅度降低油氣井產(chǎn)能。

2）固相侵入 當(dāng)井眼中液柱壓力大于儲(chǔ)層孔隙壓力時(shí)，工作流體中的固相顆粒會(huì)隨流體一起進(jìn)入儲(chǔ)層，進(jìn)而減小儲(chǔ)層流道尺寸，堵塞孔隙和裂縫，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降。對(duì)于裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層，當(dāng)固相顆粒粒徑與裂縫寬度分布不匹配或發(fā)生惡性漏失時(shí)［5］，正壓差將推動(dòng)固相顆粒侵入儲(chǔ)層深部，降低裂縫導(dǎo)流能力，甚至完全堵塞，進(jìn)一步加深儲(chǔ)層損害。

3）儲(chǔ)層流體敏感性 儲(chǔ)層流體敏感性是指外來工作液同儲(chǔ)層中的敏感性礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成影響流體運(yùn)移的阻礙物，引起儲(chǔ)層滲透率下降。

4）應(yīng)力敏感 在鉆井作業(yè)過程中，致密氣藏儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征和裂縫寬度會(huì)隨有效應(yīng)力的變化而變化，儲(chǔ)層滲透率受到影響，即產(chǎn)生應(yīng)力敏感損害。微裂縫在過平衡鉆井作業(yè)過程中趨向于張開，有利于固相和液相的侵入，在自吸和液相滯留機(jī)理的作用下，造成高含水飽和度，引發(fā)水鎖損害，還可能引起其他流體敏感性損害。而欠平衡作業(yè)過程中，巖石中的微裂縫雖然會(huì)因?yàn)閲鷫涸龃螽a(chǎn)生一定程度的閉合，但是在欠壓值控制合理的條件下應(yīng)力敏感性損害是完全可以避免的［6］。

1．2 井下復(fù)雜情況多發(fā)

對(duì)于深層致密氣藏，多采用水平井、多分支井等建井方式增大儲(chǔ)層段井眼接觸長(zhǎng)度以獲得盡可能大的儲(chǔ)層接觸面積，提高單井產(chǎn)能。然而深層致密氣藏地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在窄安全密度窗口，儲(chǔ)層段鉆進(jìn)過程中經(jīng)常發(fā)生井漏、井涌甚至漏噴同存等復(fù)雜情況。加之深井水平井作業(yè)的摩阻、扭矩問題，鉆井作業(yè)難度進(jìn)一步加大。具體表現(xiàn)為：

1）儲(chǔ)層埋藏深，溫度高，對(duì)鉆井液性能維護(hù)和井下工具的正常使用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2）鉆井液安全密度窗口窄，井漏、溢流現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，甚至存在災(zāi)變性漏失，鉆井液只進(jìn)不出，嚴(yán)重?fù)p害儲(chǔ)層，還可能引起井壁坍塌、卡鉆、井噴等一系列井下復(fù)雜情況和事故。

3）深井水平井作業(yè)過程中，隨著水平井眼的延伸，環(huán)空壓耗不斷增大，不利于井眼清潔，易形成巖屑床，還可能發(fā)生井漏等井下復(fù)雜情況。同時(shí)，鉆進(jìn)過程中摩阻、扭矩增加，托壓、鉆具阻卡現(xiàn)象頻繁發(fā)生，難以持續(xù)高效鉆進(jìn)，影響水平段的延伸。

2 鉆井液對(duì)策

深層致密氣藏儲(chǔ)層保護(hù)的重點(diǎn)是防止水鎖損害［7］，其次是防止漏失。因此應(yīng)當(dāng)避免將水基鉆井液引入地層，采用油基鉆井液或是氣基鉆井液可以有效避免氣層的水鎖損害。若是在作業(yè)過程中必須使用水基鉆井液，應(yīng)該盡量降低其濾失量并增強(qiáng)其封堵能力以減輕水鎖損害。對(duì)于裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層，應(yīng)當(dāng)選擇低密度鉆井液實(shí)施欠平衡鉆井技術(shù)鉆進(jìn)，防止因?yàn)槁┦г斐傻膬?chǔ)層損害。其次，針對(duì)深井水平井作業(yè)過程中的摩阻、扭矩問題，應(yīng)當(dāng)提高鉆井液的潤(rùn)滑性來解決該難題，例如采用高油水比的油基鉆井液，加入潤(rùn)滑劑材料等。綜上所述，深層致密氣藏儲(chǔ)層段作業(yè)過程中應(yīng)當(dāng)選擇一種低固相、低密度、低傷害，高潤(rùn)滑性的鉆井液。因此，水包油鉆井液成為了該類地層儲(chǔ)層段鉆進(jìn)作業(yè)的首要選擇［8］，水包油鉆井液由水相、油相、乳化劑和其他處理劑組成，其中油相是內(nèi)相，水相是外相，油相以高閃點(diǎn)、高燃點(diǎn)和高苯胺點(diǎn)的礦物油 （如柴油、原油和白油）為主。它既繼承了水基鉆井液的特點(diǎn)，還具備油基鉆井液的特性。因此其不但可以有效降低水平段作業(yè)過程中的摩阻、扭矩、環(huán)空壓耗，還可以滿足深層致密氣藏儲(chǔ)層保護(hù)的需要。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

X5井儲(chǔ)層埋深4000～5000m，溫度大于120°C，為典型的深層致密氣藏。儲(chǔ)層損害以漏失性損害和液相侵入造成的水鎖損害為主。鄰井資料顯示，儲(chǔ)層段作業(yè)過程中均出現(xiàn)了不同程度的漏失、溢流等井下復(fù)雜情況；施工過程中摩阻、扭矩較大，易托壓，鉆井效率低，甚至導(dǎo)致提前完鉆，難以鉆達(dá)設(shè)計(jì)的井深；部分井完井后測(cè)試僅產(chǎn)微氣。為了降低傷害，最大限度地保護(hù)儲(chǔ)層并提高水平段延伸能力，決定在儲(chǔ)層段采用低密度水包油鉆井液，并配合控壓欠平衡鉆井技術(shù)［9］鉆進(jìn)。

表1 五開水平段水包油鉆井液性能

3．1 潤(rùn)滑防卡

水包油鉆井液潤(rùn)滑性能好，摩阻因數(shù)低，大幅度降低了水平段作業(yè)過程中的摩阻、扭矩。X5井五開水平段作業(yè)過程中，起下鉆順利，無托壓、阻卡等井下復(fù)雜情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆井作業(yè)。五開152．4mm井眼不同工況下的大鉤載荷如圖1所示，五開鉆進(jìn)過程中不同鉆井液體系的井口扭矩如圖2所示?？梢钥闯觯彘_水平段作業(yè)過程中起鉆最大大鉤載荷為1495kN，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中井口最大扭矩為19kN·m，考慮10%的安全余量，仍遠(yuǎn)小于現(xiàn)有鉆機(jī)設(shè)備的額定載荷 （起鉆5000kN，持續(xù)頂驅(qū)扭矩50kN·m）。此外，現(xiàn)有水包油鉆井液較水基鉆井液 （密度1．2g／cm3，套管內(nèi)摩阻因數(shù)0．25，裸眼摩阻因數(shù)0．31）施工井口扭矩降低約20%，顯示出水包油鉆井液體系良好的潤(rùn)滑效果。

圖1 不同工況下的大鉤載荷

3．2 環(huán)空壓耗

圖2 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)不同鉆井液體系對(duì)井口扭矩的影響

3．3 儲(chǔ)層保護(hù)

X5井五開水平段作業(yè)過程中，點(diǎn)火15次，焰高0．5～6m，累計(jì)出氣量達(dá)9．9×104m3，共發(fā)現(xiàn)7層油氣顯示層。完井后采用5mm油嘴求產(chǎn)，日產(chǎn)油72．5m3，日產(chǎn)氣2×104m3。說明該水包油鉆井液具有優(yōu)異的儲(chǔ)層保護(hù)特性，較好地解決了儲(chǔ)層段鉆進(jìn)過程中因固相和液相侵入帶來的儲(chǔ)層損害問題。

圖3 不同鉆井液體系對(duì)環(huán)空壓耗的影響

4 結(jié)論

1）針對(duì)深層致密氣藏儲(chǔ)層損害的特殊性，應(yīng)當(dāng)選擇低密度、低固相、低濾失的鉆井液體系，可以有效避免或降低儲(chǔ)層損害。

2）抗高溫低密度水包油鉆井液體系在深層致密氣藏儲(chǔ)層段鉆進(jìn)過程中應(yīng)用效果良好，其體系流變性穩(wěn)定，環(huán)空壓耗低，潤(rùn)滑性好，儲(chǔ)層傷害小，不僅解決了深井水平段作業(yè)過程中的摩阻、扭矩較大和環(huán)空壓耗過高引起井漏的問題，還取得了優(yōu)異的儲(chǔ)層保護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆井的目標(biāo)。加之其低毒性、對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)，具有一定的推廣和應(yīng)用前景。

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