充氮氣欠平衡技術(shù)在柳108井深井鉆完井中的研究與應(yīng)用

劉曉敏

摘 要：玉門油田青西區(qū)塊存在油層埋藏深度大、地層可鉆性差、油藏孔隙壓力小等問題，常規(guī)鉆井不利于低能量小層的勘探發(fā)現(xiàn)，對儲層污染也較大，致使油氣井產(chǎn)量低、后期改造作業(yè)量大，同時壓持效應(yīng)嚴(yán)重影響鉆井機(jī)速，導(dǎo)致建井周期長、鉆井成本高。為了更準(zhǔn)確、及時地發(fā)現(xiàn)和評價青西凹陷柳溝莊構(gòu)造的含油氣性，提高區(qū)塊儲量整體動用程度，同時在鉆井過程中減少對儲層的污染、提高鉆井速度，玉門油田在青西區(qū)塊柳溝莊構(gòu)造帶上的柳108井率先開展了充氮氣欠平衡鉆完井試驗，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合，優(yōu)選鉆頭、鉆井參數(shù)、氮氣注入量，在確保井下及井口壓力控制安全的前提下最大限度的釋放儲層能量，起到了探明與保護(hù)儲層和鉆井提速的雙重功效。該井欠平衡作業(yè)井段機(jī)械鉆速同比提高85%，欠平衡鉆完井點火成功23次，投產(chǎn)后自噴采油，日產(chǎn)液約29 m3，日產(chǎn)油約27 m3。

關(guān)鍵詞：玉門青西 充氮氣 欠平衡 凍膠閥 儲層保護(hù)

中圖分類號：TE249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0088-02

本文針對勘探和鉆井中出現(xiàn)的新難題和新矛盾進(jìn)一步研究解決，從而推動該區(qū)域勘探開發(fā)過程中鉆井提速、探明儲層和油氣層保護(hù)步伐，提高勘探開發(fā)和鉆井的綜合效益，實現(xiàn)油藏可持續(xù)開發(fā)目標(biāo)。

1 儲集層地質(zhì)特征

1.1 巖性特征

上部為厚層深灰色白云質(zhì)泥巖與薄層淺灰色、灰白色泥質(zhì)白云巖互層，局部層段含黃鐵礦；下部為淺灰、雜色礫巖與淺灰、深灰、灰黑色泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖不等厚組合。礫巖成分以千枚巖、變質(zhì)砂巖為主。

1.2 儲層孔間類型

下溝組儲層埋藏深、壓實和成巖性好，巖性致密。已鉆井取心、鑄體薄片、熒光薄片、掃描電鏡、全直徑巖心X-CT掃描和成像測井資料反映，儲層儲集空間有孔隙和裂縫兩大類，孔隙主要包括溶蝕孔洞和微孔隙（如晶間微孔及粒間微孔隙等）兩類，溶蝕孔洞分為粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間溶孔及溶洞；裂縫包括構(gòu)造縫、構(gòu)造-溶蝕縫、壓溶縫及微裂縫等。

1.3 儲層物性

儲層儲滲空間類型主要是裂縫，其次是孔隙和孔洞。裂縫密度平均為5.52 m/條，裂縫寬度一般1 mm左右，裂縫性狀以水平縫為主，且大多未充填。地下宏觀裂縫寬度在16 mm左右，微觀裂縫寬度在1.6～6.3m左右?；|(zhì)孔隙度和滲透率很小，裂縫對滲透率貢獻(xiàn)在99%以上。儲集層孔隙度 4.6～12.6%，水平滲透率15～96.1×10-3μm2，垂直滲透率0.12～16.8×10-3μm2。

1.4 目的層壓力系統(tǒng)

根據(jù)地震資料及鄰井實測壓力數(shù)據(jù)分析，該區(qū)目的層地層壓力隨構(gòu)造位置的不同差別較大，鄰井測試結(jié)果表明，下溝組壓力梯度為0.97 MPa/100 m。預(yù)計青西區(qū)塊儲層段大部井屬于正常壓力系統(tǒng)。

1.5 儲層敏感性

速敏為中等，基質(zhì)對速度不敏感。水敏為中等偏強(qiáng)，滲透率損害程度達(dá)31%～75%。在礦化度升高情況下，其鹽敏程度為中等，滲透率損害為26%～43%；礦化度降低時，其鹽敏程度為中等偏強(qiáng)，滲透率損害為31%～71%。堿敏為中等偏強(qiáng)，滲透率損害為30%～62%。酸敏為弱到中等，滲透率損害在4%～63%。

1.6 油氣水層

依據(jù)鄰井鉆探成果及地質(zhì)綜合研究成果，預(yù)測本井油氣層位置為：中溝組K1z段：4055～4095 m；下溝組K1g2+3段：4200～4240 m，4295～4325 m，4375～4395 m；目的層段沒有夾層水和伴生氣。

2 常規(guī)技術(shù)鉆井現(xiàn)狀

2.1 可鉆性差，鉆速低

地層膠結(jié)比較致密，主要為致密的泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖及礫巖，富含線狀黃鐵礦，裂縫發(fā)育，并且地層在上覆地層壓力作用下變得非常致密，不僅硬度和密度增加，機(jī)械性能也向塑-脆性巖石或塑性巖石轉(zhuǎn)化，高圍壓下的巖石可鉆性變的很差，機(jī)械鉆速低，導(dǎo)致鉆井周期較長。

2.2 頻發(fā)井漏復(fù)雜

目的層由于裂縫發(fā)育豐富，連通性好，鉆井過程中存在嚴(yán)重滲漏現(xiàn)象。從統(tǒng)計資料看，已完鉆井中17口發(fā)生60次余井漏，累計漏失鉆井液9000 m3左右，損失時間近90天。

2.3 油氣層保護(hù)難度大

裂縫與孔、洞相結(jié)合的雙孔介質(zhì)儲層特征，存在裂縫應(yīng)力敏感性傷害、固相侵入傷害、外來液相侵入傷害、結(jié)垢傷害、儲層礦物敏感性傷害等因素引起的油氣層傷害，采用常規(guī)技術(shù)所鉆的井部分井小層表皮系數(shù)居高不下，部分井試油效果不佳，經(jīng)過油層改造如酸化壓裂后產(chǎn)量較高。

3 充氮氣欠平衡鉆完井技術(shù)優(yōu)勢

充氮氣欠平衡鉆井是通過鉆柱向井內(nèi)鉆井液連續(xù)注入一定量的高壓氮氣，以形成不穩(wěn)定的氣液兩相流體為鉆井循環(huán)介質(zhì)，達(dá)到降低全井筒液柱壓力的目的。充氮氣形成的氣液混合鉆井液為不穩(wěn)定兩相流體，全井筒基本上是以液體為連續(xù)相、氣體為分散相的兩相介質(zhì)，該混相流體的優(yōu)點是：地面脫氣較容易，脫氣后的基液可進(jìn)行常規(guī)的凈化處理、循環(huán)使用。

儲層上部的復(fù)雜常規(guī)地層段采用技術(shù)套管封固，儲層內(nèi)三開實施充氮氣欠平衡鉆井，通過合理調(diào)配氣液比來科學(xué)降低液柱壓力，有效減小井底壓持效應(yīng)，已達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的；同時在裸眼段環(huán)空內(nèi)形成負(fù)壓差，充分釋放儲集層能量，最大限度的減少鉆進(jìn)過程中外來物質(zhì)對儲層空間和儲層滲流通道的破壞，保護(hù)儲層，防止井漏。

完井階段優(yōu)選欠平衡完井配套工具，在井底欠壓狀態(tài)下完成下油層套管、下油管等作業(yè)，實現(xiàn)鉆完井階段全過程欠平衡作業(yè)，避免了儲集層二次傷害。

4 現(xiàn)場實施情況

4.1 井身結(jié)構(gòu)

與常規(guī)鉆井的井身結(jié)構(gòu)相比較，改進(jìn)后的欠平衡鉆井井身結(jié)構(gòu)節(jié)省了鉆井周期、節(jié)約了鉆井成本，同時降低了欠平衡鉆井的安全風(fēng)險，更有利于實施三開充氮氣欠平衡鉆井作業(yè)；懸掛篩管尾管的完井管柱不但縮短了完井作業(yè)步驟和周期，便于更早的投產(chǎn)，同時為油氣井后期改造提供了更多的選擇余地。endprint

4.2 鉆具組合

Ф152.4mmM1365PDC鉆頭+Ф121 mm雙母接頭×1只+Ф121 mm箭形單流閥×2只+Ф121 mm鉆鋌×9根+Ф89 mm加重鉆桿×15根+Ф120 mm柔桿×1只+Ф120 mm隨鉆震擊器×1只+Ф89 mm加重鉆桿×3柱+Ф89 mm斜坡鉆桿（至井口）+Ф127 mm旋塞閥×1只+Ф127 mm箭形單流閥×1只+Ф89 mm斜坡鉆桿（單根）+Ф121 mm方?！?只+Ф127 mm下旋塞×1只+Ф108 mm方鉆桿

4.3 工藝參數(shù)（見表1）（見表2）

4.4 欠平衡鉆進(jìn)

該井于2011年6月1日自井深4132 m開始充氮氣欠平衡鉆進(jìn)，最高注氣壓力26 MPa，穩(wěn)定注氣壓力22 MPa。欠平衡鉆井初期因井底造型、跑合鉆頭及井下U型循環(huán)系統(tǒng)氣液兩相未混合均勻等因素，鉆時不理想，鉆至井深4167 m時，鉆時穩(wěn)定在35 min/米左右。鉆至井深4379.49 m時，全烴值由0.03%左右突升至0.8%，停鉆循環(huán)一小時后全烴值升至52%，點火成功，火焰呈橘黃色、伴少量黑煙，高度1～2 m，泥漿循環(huán)池及振動篩上可見油花，后續(xù)混油、充氮氣鉆進(jìn)，地面循環(huán)系統(tǒng)混油量穩(wěn)定增長，單根后效明顯，均能點火成功。

充氮氣欠平衡作業(yè)井段4132～4434 m，進(jìn)尺302 m，純鉆時間304：37（h：min），機(jī)械鉆速0.99 m/h，鉆進(jìn)過程中點火成功13次，火焰高3～6 m，前為橙黃色伴少量黑煙，后帶藍(lán)色火焰，單次最長燃燒時間142 min，累計燃燒356 min，最高總烴100%。

4.5 欠平衡完井

（1）關(guān)井求壓。

充氮氣循環(huán)兩周后，采用基漿密度為1.09 g/cm3的泥漿脫氣循環(huán)一周半，起鉆至套管內(nèi)關(guān)井求壓，最高套壓2.6 Mpa，穩(wěn)定套壓2.5 Mpa，折算地層壓力系數(shù)1.15。下鉆至井底測后效，井筒靜止時間22：35，油氣上竄高度3107.25 m，上竄速度137.59 m/h。

（2）凍膠注入與頂替。

采用兩部水泥車同時注入基液和交聯(lián)劑，注入排量600 L/min和150 L/min，注入時間12 min，然后采用1.09 g/cm3的泥漿頂替凍膠閥至2560 m，累計注入泥漿9.65 m3，最高頂替壓力18 MPa。

（3）凍膠成膠與返排。

關(guān)井后套壓穩(wěn)定在3.2 MPa，5 h后放壓判斷凍膠閥成膠情況，泄壓為零后再次關(guān)井套壓3 min內(nèi)升至0.5 MPa；分析認(rèn)為凍膠閥上部氣體滑脫產(chǎn)生圈閉套壓，泄壓一小時后關(guān)井，套管上升幅度為0.6 MPa/5分鐘，最高壓力升至3.2 MPa，初步判斷凍膠閥未起到密封作用。下鉆至3000 m（凍膠閥底部）循環(huán)返排凍膠閥，從返排產(chǎn)物觀察凍膠閥與泥漿混合嚴(yán)重，測其密度分別為1.03、1.06、1.08 g/cm3；粘度為174 s，凍膠閥未有效成膠，在井筒內(nèi)未起到密封作用。

后續(xù)二次試驗凍膠閥未果，采用靜平衡壓井的方法完成下篩管、倒井口、下油管等作業(yè)。

5 應(yīng)用效果分析

5.1 提速效果明顯

該井三開采用Ф152.4 mm鉆頭鉆進(jìn)，其破巖能力比Ф215.9 mm鉆頭差，將該井欠平衡作業(yè)井段純鉆機(jī)械鉆速與鄰井同層位、同井深的Ф215.9 mm鉆頭常規(guī)鉆井機(jī)速對比發(fā)現(xiàn)，該井欠平衡段機(jī)速明顯提高，平均提速85 %，其中較Q2-4井提速量高達(dá)145 %。

5.2 探明和保護(hù)儲層成果突出

該井充氮氣欠平衡鉆完井過程中累計點火成功23次，火焰高度5～8 m，累計燃燒時間661 min；自井深4379.49 m開始欠平衡鉆進(jìn)過程中穩(wěn)定出油，出油量達(dá)2 m3/h；錄、測井資料證實：欠平衡鉆井成功揭開5套油層，其中3套為主力油層，油氣儲量客觀；投產(chǎn)后自噴采油，日產(chǎn)液約29 m3，日產(chǎn)油約27 m3，是鄰井的4～5倍。

5.3 保護(hù)鉆頭效果顯著

欠平衡作業(yè)層段地層壓力系數(shù)1.12～1.15 g/cm3，欠平衡鉆進(jìn)過程中裸眼段環(huán)空當(dāng)量密度最高0.9 g/cm3，井底保持著3～5 MPa的動態(tài)負(fù)壓差，減緩了井底壓持效應(yīng)，降低了井底巖石的強(qiáng)度；同時充氮氣泥漿對井底鉆屑清洗更加徹底，鉆頭周圍參與重復(fù)破碎與旋轉(zhuǎn)磨蝕鉆屑顆粒減少，從而大幅度降低了鉆頭非有效工作時間，有效提高了鉆頭壽命，該井三開1只鉆頭一趟鉆完成全部欠平衡井段，鉆頭進(jìn)尺達(dá)302 m，較鄰井φ215.9 mm鉆頭最大單只鉆頭進(jìn)尺提高375.67%，工作時間高達(dá)304：37（h：min），較鄰井平均指標(biāo)同比提高86%。

6 結(jié)論和認(rèn)識

（1）柳108井為玉門油田最深的一口充氮氣欠平衡井，海拔高達(dá)2500 m，充氣設(shè)備承壓高達(dá)26 MPa，該井成功試驗為玉門油田及類似油田高效勘探開發(fā)探索了一條新途徑；（2）該井欠平衡段使用1只鉆頭一趟鉆就完成了全部欠平衡進(jìn)尺，欠平衡鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)任何井下復(fù)雜，純鉆機(jī)速提高85%，充分說明充氮氣欠平衡鉆井技術(shù)在延長鉆頭壽命、節(jié)約鉆井周期和預(yù)防井漏復(fù)雜等方面的技術(shù)優(yōu)勢；（3）應(yīng)用欠平衡鉆井技術(shù)在柳溝莊構(gòu)造下溝組地層發(fā)現(xiàn)了3套好油層，欠平衡完井投產(chǎn)后自噴采油，且出油量樂觀，體現(xiàn)了充氮氣欠平衡鉆井與凍膠閥欠平衡完井相結(jié)合的全過程欠平衡鉆完井技術(shù)在儲層勘探和油氣層保護(hù)方面具有獨到的技術(shù)潛力。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊虎，王利國，等.欠平衡鉆井基礎(chǔ)理論與實踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[2] 胥思平.欠平衡鉆井氣體體積流量的計算[M].北京：中國石化出版社，2006.endprint