欠平衡鉆井技術(shù)在元壩121H井的應(yīng)用

張輝 ，劉功威 ，蘭凱 ，肖冠琦

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001）

1 元壩121H井概況

元壩121H井是中國石化西南油氣分公司部署的一口用于開發(fā)評價(jià)的超深水平井，位于四川盆地川東北巴中低緩構(gòu)造帶元壩Ⅰ塊長興—飛仙關(guān)組礁灘異常體南翼，設(shè)計(jì)垂深7 280.00 m，斜深8 158.00 m，目的層位為長興組灘相。

元壩區(qū)塊地層壓力梯度高，氣層多，特別是鉆至千佛崖、自流井、須家河地層，采用常規(guī)鉆井技術(shù)機(jī)械鉆速低［1-3］，從而影響了油氣勘探開發(fā)進(jìn)程，這就要求鉆井過程中需采用先進(jìn)的技術(shù)手段，提高鉆井效率和油氣勘探開發(fā)的成功率。欠平衡鉆井技術(shù)作為一種新興的鉆井技術(shù)［4］，在提高鉆井效率上優(yōu)勢顯著，已廣泛應(yīng)用于四川地區(qū)的鉆井實(shí)踐，并取得了良好效益。根據(jù)元壩121H井所處地層的地質(zhì)特點(diǎn)和施工條件，利用元壩地區(qū)的實(shí)鉆資料［5-6］，在不同井段采用相應(yīng)的欠平衡鉆井工藝，提高了鉆井速度，縮短了鉆井周期，為該地區(qū)的欠平衡鉆井施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2 欠平衡鉆井液體系設(shè)計(jì)

在欠平衡鉆井過程中，鉆井液的井底壓力要低于地層孔隙壓力，這就要求欠平衡鉆井液體系的密度在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的。特別需要注意的是，欠平衡鉆井液的最低密度要比給定的地層壓力系數(shù)低，以便實(shí)際地層壓力系數(shù)低于預(yù)測的地層壓力系數(shù)時(shí)，能夠降低鉆井液密度，保證欠平衡鉆井的實(shí)施［7-9］。因此，根據(jù)預(yù)測地層壓力系數(shù)合理地選擇鉆井液密度和類型，是安全快速進(jìn)行欠平衡鉆井的前提（見表1）。

表1 鉆井液類型選擇

3 欠平衡鉆井施工工藝

在研磨性較強(qiáng)的地層使用常規(guī)鉆井液鉆井時(shí)，機(jī)械鉆速較低，鉆井周期較長。為了有效地提高元壩121H井的機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，鉆進(jìn)過程中分別在一開、二開、三開井段使用了3種不同的欠平衡鉆井技術(shù)，機(jī)械鉆速提高到原來的1.2～6.0倍。

3.1 一開泡沫鉆井

一開井段32.00～702.00 m采用泡沫鉆井技術(shù)，分2趟進(jìn)行鉆進(jìn)。

1）第1趟鉆，井深32.00～76.00 m，鉆壓30～180 kN，轉(zhuǎn)速25～60 r/min，空氣排量140 m3/min，注氣壓力1.8～2.4 MPa。先采用泡沫基液鉆透水泥塞，磨合鉆頭，輕壓試鉆，再逐步加壓鉆進(jìn)。本次泡沫鉆井累計(jì)純鉆時(shí)間35.50 h，累計(jì)進(jìn)尺44.00 m，平均機(jī)械鉆速1.24 m/h。

2）第2趟鉆，井深 76.00～702.00 m，鉆壓160～260 kN，轉(zhuǎn)速50～60 r/min，空氣排量140 m3/min，注氣壓力2.0～3.8 MPa。在第1次泡沫鉆井結(jié)束后更換鉆頭，下入組合鉆具，進(jìn)行循環(huán)、劃眼，繼續(xù)泡沫鉆進(jìn)。當(dāng)鉆壓加到196 kN以上時(shí)，鉆速明顯提高。本次泡沫鉆井累計(jì)純鉆時(shí)間144.50 h，累計(jì)進(jìn)尺626.00 m，平均機(jī)械鉆速4.33 m/h。

3.2 二開空氣鉆井

二開井段702.00～3 066.70 m采用空氣鉆井［10-12］，分3趟進(jìn)行鉆進(jìn)。

1）第 1趟鉆，井深 702.00～1 644.02 m，鉆壓 60～130 kN，轉(zhuǎn)速 40～65 r/min，空氣排量 100～260 m3/min，注氣壓力1.6～2.2 MPa。本趟累計(jì)純鉆時(shí)間119.33 h，累計(jì)進(jìn)尺942.02 m，平均機(jī)械鉆速7.89 m/h。

2）第2趟鉆，井深1 644.02～2 756.87 m，鉆壓110～130 kN，轉(zhuǎn)速 65 r/min，空氣排量 240～300 m3/min，注氣壓力1.8～2.8 MPa。井底約有一根單根的沉砂，于是加大氣體排量，由275 m3/min加至300 m3/min，繼續(xù)空氣鉆進(jìn)，恢復(fù)正常。本趟累計(jì)純鉆時(shí)間90.50 h，累計(jì)進(jìn)尺1 112.85 m，平均機(jī)械鉆速12.30 m/h。

3）第3趟鉆，井深2 756.87～3 054.50 m，鉆壓 80～110 kN，轉(zhuǎn)速 65 r/min，空氣排量 300～320 m3/min，注氣壓力2.8～3.2 MPa。組合鉆具下鉆至2 686.82 m沉砂遇阻（井深2 756.87 m，沉砂29.95 m），于是加強(qiáng)循環(huán)繼續(xù)鉆進(jìn)，但是在接單根時(shí)仍有沉砂，故結(jié)束空氣鉆井，轉(zhuǎn)為鉆井液鉆進(jìn)。本趟累計(jì)純鉆時(shí)間40.08 h，累計(jì)進(jìn)尺297.63 m，平均機(jī)械鉆速7.43 m/h。

在本次二開空氣鉆井過程中，出現(xiàn)了幾次沉砂現(xiàn)象，分析認(rèn)為：當(dāng)使用空氣鉆井時(shí)，鉆速會比較快，稍一停泵，懸浮的巖屑就會下沉，堵死環(huán)空，埋住鉆頭與部分鉆具，形成卡鉆。

3.3 三開液相欠平衡鉆井

三開井段3 066.70～4 543.30 m采用鉆井液欠平衡鉆井技術(shù)。在鉆進(jìn)期間遇到自流井組井漏情況，隨即配重漿壓井作業(yè)，經(jīng)多次壓井在保證井控安全的前提下，繼續(xù)三開欠平衡鉆進(jìn)。在鉆遇地層交界破碎帶和礫巖層段時(shí)，均發(fā)生嚴(yán)重蹩跳鉆，提速效果不明顯，因此終止欠平衡鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)為常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)。本次鉆井過程累計(jì)純鉆時(shí)間1 318.39 h，累計(jì)進(jìn)尺1 476.60 m，平均機(jī)械鉆速為1.12 m/h。

4 效果分析

元壩121H井采用欠平衡鉆井技術(shù)后的分井段提速效果對比如表2所示。

表2 提速效果對比

由表2可知：

1）一開鉆井過程中，井很淺，使用泡沫鉆井技術(shù)可以有效提高鉆速。根據(jù)元壩地區(qū)實(shí)鉆資料統(tǒng)計(jì)，一開井眼尺寸大，常規(guī)鉆井液機(jī)械鉆速慢，平均鉆速只有0.76 m/h，本次一開泡沫鉆井的平均鉆速為3.72 m/h，是常規(guī)鉆井液鉆速的4.9倍。泡沫鉆井結(jié)果表明：元壩區(qū)塊屬于地質(zhì)圈閉構(gòu)造，一開階段利用泡沫鉆井井斜小，且地層穩(wěn)定，提速效果明顯，適合欠平衡泡沫鉆井。

2）二開鉆井過程中，使用空氣鉆井技術(shù)可以極大地提高鉆速。二開井段常規(guī)鉆井液鉆井平均鉆速1.57 m/h，使用空氣鉆井后鉆速可提升至9.41 m/h，是常規(guī)鉆井液鉆速的6.0倍。空氣鉆井結(jié)果表明：空氣鉆井能夠強(qiáng)化鉆進(jìn)參數(shù)，明顯提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期。對于易漏地層，它能很好地避免井下復(fù)雜情況。

3）三開鉆井過程中，在沙溪廟組、自流井組、須家河組使用鉆井液欠平衡鉆井技術(shù)并沒有有效地提高鉆速，常規(guī)鉆井液三開鉆速為0.92 m/h，而使用欠平衡技術(shù)中的鉆井液鉆速為1.12 m/h，鉆速僅為常規(guī)鉆井液鉆速的1.2倍，遠(yuǎn)沒有達(dá)到高效提速的效果。

由于三開井段為高壓低滲裂縫性氣層，地層壓力當(dāng)量密度窗口窄，沙溪廟組地層不穩(wěn)定，自流井組為地層高壓氣層，須家河組地層井壁不穩(wěn)定，容易垮塌，從而導(dǎo)致無法實(shí)施氣相欠平衡鉆井。當(dāng)使用液體欠平衡鉆井技術(shù)時(shí)，不僅鉆穿須家河組難度比較大，而且提速效果并不明顯。因此，實(shí)施液體欠平衡鉆井雖然是自流井組和須家河組地層提速的重要技術(shù)手段，可以通過優(yōu)化鉆井液性能從而提高鉆井液抑制井壁垮塌的能力，來實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆進(jìn)；但是，綜合考慮欠平衡鉆井成本、井控風(fēng)險(xiǎn)、井壁穩(wěn)定等因素，一旦提速效果不明顯或出現(xiàn)其他復(fù)雜情況，就應(yīng)該終止欠平衡鉆井，轉(zhuǎn)為常規(guī)鉆井液鉆井。

由本井三開井段的地層參數(shù)（見表3）可知，自流井組和須家河組大部分地層壓力系數(shù)都超過了1.30。根據(jù)表1，當(dāng)?shù)貙訅毫ο禂?shù)超過1.30時(shí)，應(yīng)該選擇常規(guī)水基鉆井液。

表3 元壩121H井三開地層參數(shù)

而本井三開階段實(shí)際選擇了鉆井液欠平衡鉆井體系，提速效果并不明顯，也從側(cè)面證明了計(jì)算結(jié)果的合理性，同時(shí)表明當(dāng)?shù)貙訅毫ο禂?shù)過高時(shí)不宜使用欠平衡鉆井技術(shù)。

5 結(jié)論

1）元壩地區(qū)地層條件相對穩(wěn)定，在保證其他技術(shù)條件可靠的前提下，在某些層段實(shí)施欠平衡鉆井技術(shù)，并配合復(fù)合鉆井等技術(shù)，合理匹配鉆井液和鉆進(jìn)參數(shù)，優(yōu)選鉆頭，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆進(jìn)的目標(biāo)。

2）當(dāng)使用空氣鉆井技術(shù)時(shí)，要縮短接單根時(shí)間，停泵前要將鉆具提離井底并隨時(shí)活動鉆具，避免發(fā)生沉砂卡鉆。

3）在欠平衡鉆井過程中，應(yīng)詳細(xì)研究、評估所測數(shù)據(jù)和相關(guān)資料，準(zhǔn)確預(yù)測各階段地層的壓力系數(shù)，優(yōu)選鉆井液類型。當(dāng)鉆遇高壓和井壁不穩(wěn)定地層，提速效果不明顯時(shí)，綜合考慮欠平衡鉆井成本、井控風(fēng)險(xiǎn)、井壁穩(wěn)定等因素，應(yīng)當(dāng)終止欠平衡鉆井，改為安全風(fēng)險(xiǎn)較小的鉆井液鉆井。

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