氣體鉆井技術研究與應用效果分析

周尊鵬

（勝利鉆井工程技術公司定向井公司,山東 東營 257000）

1 氣體鉆井技術應用的前期準備工作

面對低壓、低滲、低豐度、低產(chǎn)的“四低”油氣田開發(fā)，在工程技術應用上需要采用“非常規(guī)”方式，一是采用欠平衡方式打開氣層，最大限度的保護儲層；二是采用氣體鉆井方式提高機械鉆速，縮短鉆井周期。勝利油田鉆井工程技術公司開展了以天然氣為循環(huán)介質打開儲層的鉆井技術研究與實踐，取得了初步成果，進而又開展了提高機械鉆速的氣體鉆井實踐，通過研究與試驗，驗證了氣體鉆井是常規(guī)鉆井機械鉆速提高3-9倍，并初步形成了地層出水、穩(wěn)定性評價、井眼凈化技術以及天然氣鉆井HSE文件。

實施氣體鉆井技術要首先需要開展氣體鉆井地區(qū)進行儲層敏感性傷害評價，主要對其酸敏、速敏、鹽敏、水敏以及水鎖進行評價，評價結果的特點是：

（1）具有強水鎖、中偏弱速敏、弱水敏、無酸敏特征。

（2）巖心實驗證明：儲層遇水后，使得氣相滲透率急劇下降，當含水飽和度超過60%時，天然氣的滲透率降到原來的1/6～1/8,甚至為0，且很難恢復。

2 氣體欠平衡鉆井技術應用研究

2.1 井身結構的優(yōu)化研究

國外氣體鉆井實踐表明，當?shù)貙映鏊看蟆⒌貙硬环€(wěn)定都會造成施工無法完成，究竟是那些地層出水、出水量多大，那些地層不穩(wěn)定，井下是否安全這些都是實施天然氣鉆井需要考慮的問題。當?shù)貙映鏊啃?、井壁穩(wěn)定或有輕微坍塌可以用加大注氣量、霧化／泡沫鉆井解決。如果某段地層出水量大或井壁坍塌嚴重，解決的辦法就是改變井身結構，共該井段用水泥封固。因此，需要對地層進行綜合評價分析，優(yōu)化井身結構。

2.1.1 地層出水量和氣體攜水能力研究

（1）地層出水量的計算：根據(jù)不同井深的孔隙度、滲透率、地層壓力、密度以及地層流體的性質，計算出水量大小。經(jīng)預測計算延長組的出水量達到33.8m3/h，如此大的出水量應用氣體鉆井在經(jīng)濟上是不合算，而且地層水對泥巖的水化作用使得井下復雜。

（2）氣體攜水能力研究：純氣體有效攜水的流態(tài)是環(huán)霧流，其沉降速度為8m/s。當注氣量很大時，氣體上移，水被氣體繼續(xù)分割，即可帶出，當注氣量小時，液體會發(fā)生聚并，聚并大于分散，形成積液（塊狀攪動流），這為攜水極限。

（3）泡沫攜水能力：當氣體不能有效攜帶地層水時，就應轉換為霧化或泡沫鉆井。根據(jù)實驗初步估算，良好泡沫流體攜水量可達基液流入量的5～6倍(15-18 L/s),要求泡沫質量穩(wěn)定、良好。

2.2 井眼穩(wěn)定性研究

從鉆井液鉆井壁失穩(wěn)原因可知，泥巖被水化降低巖石本身強度是井壁失穩(wěn)的關鍵。增強泥頁巖穩(wěn)定性的關鍵點是如何減少泥頁巖與水的接觸機會，或減弱水對頁巖的水化作用。采用氣體做為循環(huán)介質，徹底解決了外來水對頁巖的“入侵”，由于沒有液相，頁巖中無任何液相侵入，無任何內部破壞應力增加，泥頁巖強度無任何降低，此時泥頁巖內的微裂隙也處于擠壓，閉合狀態(tài)，此時的井壁穩(wěn)定變成是純力學問題。

根據(jù)井壁穩(wěn)定理論及井壁失穩(wěn)原因分析，建立了氣體鉆井條件下，井壁穩(wěn)定性評價分析模型，并利用測井資料對油氣田的地層穩(wěn)定性進行了評價分析。當井壁上巖石受地應力作用產(chǎn)生的臨界崩落壓力大于或接近巖石本身的內聚力時，井壁有坍塌的趨勢。

2.3 井身結構的確定

根據(jù)地層出水、井眼穩(wěn)定性評價結果，以及井控安全等研究結果，確定合理的井身結構。從地層出水、井眼穩(wěn)定性評價計算結果得到如下結論及井身結構：

（1）干氣鉆井條件下，二開井段最薄弱地段（井深約3220m）的安全余量為5%；地層垮塌的可能性比較大，不適宜氣體欠平衡鉆井；其它井段墓本安全。

（2）地層出水量大時，不適宜氣體鉆井；延長組出水量不容忽視，要采用泡沫鉆井技術解決。

（3）如果考慮到泥頁巖水化對巖體的影響，泥巖地層可能會有輕微失穩(wěn)，要采取泡沫鉆井技術解決。

2.4 井眼凈化的試驗分析

（1）鉆桿內壓力隨井深增加、氣體受壓壓力隨之增加；環(huán)空內氣體在上返過程中不斷膨脹，壓力隨之減小。

（2）氣體在井底上返速度最低，巖屑運移速度也最低，氣體在上返過程中不斷膨脹，返速也不斷增大，巖屑運移速度也不斷增大，到達井口二者均增至最大。

（3）井底處巖屑濃度較高，是井眼凈化的重點區(qū)域，故必須有足夠大的傳輸比，較小的巖屑濃度，一般認為井眼良好凈化的標準是：巖屑傳輸比大于70-80%，環(huán)空巖屑濃度小于3‰。

（4）如果巖屑在地層水的作用下粘結，則巖屑團粒尺寸加大，巖屑滑沉速度增大，傳輸比降低，攜巖能力就會變差。

3 氣體鉆井技術應用效果

2011年～2013年，先后在勝利油田16口井上進行了氣體鉆井現(xiàn)場應用。

3.1 在保護儲層中的應用

新疆油田是以保護儲層為目的，因此，主要鉆進儲層段，鉆進過程中儲層有少量天然氣（850～1000m3/d)進入井筒，如此小的產(chǎn)氣量用鉆井液鉆井根本無顯示。由此可見，在天然氣鉆井條件下，能夠真實的反應儲層物性及產(chǎn)能，為正確評價儲層，提高勘探精度及勘探開發(fā)方案部署提供決策依據(jù)。

3.2 提高鉆井速度

新疆油田勘探開發(fā)中，由于儲層具有“低壓、低滲、低產(chǎn)”特點，用常規(guī)鉆井液相對鉆井成本高，經(jīng)濟效益差。主要原因是下部井段（約2170(3450m）機械鉆速比較慢，純鉆時間占全井的70%左右。

3.3 技術成果

通過3年來對氣體鉆井技術的系統(tǒng)研究及16口井的現(xiàn)場應用取得了以下技術成果：

（1）形成了一套適用勝利油田特征的儲層保護、提高鉆井速度、提高勘探開發(fā)效率的配套的工藝方法，初步形成了氣體鉆井配套技術，成為開發(fā)低壓、低滲、低豐度、低產(chǎn)的“四低”油氣田的重要技術之一。

（2）通過對氣體鉆井鉆頭冷卻機理、鉆頭破巖機理、鉆頭壽命分析研究，形成了鉆頭選型的理論基礎，結合現(xiàn)場試驗結果優(yōu)選出了氣體鉆井鉆頭。

（3）建立了地層出水、井眼穩(wěn)定性綜合評價、天然氣鉆井注入?yún)?shù)數(shù)學模型，并形成了計算軟件。

（4）現(xiàn)場應用不僅最大限度的保護了儲層，而且大幅度提高了機械鉆速，創(chuàng)造了全國氣體鉆井連續(xù)進尺1091.91m最高記錄。

（5）形成了防塌霧化液／泡沫液及優(yōu)質壓井液體系，對井壁穩(wěn)定起到了良好作用。

（6）形成了適合天然氣欠平衡鉆井、空氣鉆井的HSE文件及鉆井操作規(guī)程。

主要技術創(chuàng)新點：

（1）首次以天然氣為循環(huán)介質鉆開儲層，實現(xiàn)了正確評價儲層物性及真實產(chǎn)能，達到了保護儲層的目的。

（2）首次全井段應用天然氣鉆井技術提高鉆井速度，創(chuàng)造了氣體鉆井連續(xù)進尺1091.91m的全國記錄，機械鉆速提高3～9倍。

（3）首次系統(tǒng)地對地層出水預測、氣體鉆井井眼穩(wěn)定性評價、注氣參數(shù)計算進行了研究，并建立了數(shù)學模型。

4 幾點認識

（1）應用天然氣鉆井技術能夠最大限度地保護儲層，真實的反應儲層物性，正確評價儲層的真實產(chǎn)能，探明儲量，為部署勘探開發(fā)方案提供決策依據(jù)。

（2）應用氣體欠平衡鉆井技術可有效降低油氣田勘探開發(fā)綜合成本。

（3）應用氣體鉆井技術取得的成功，為高效開發(fā)油氣田提供了技術支撐，也為國內“低壓、低滲、低產(chǎn)”油氣田的勘探開發(fā)開辟了新的途徑。

（4）實踐證明，采用氣體鉆井技術既可以達到保護儲層，又可以提高鉆井速度降低綜合開發(fā)成本，其經(jīng)濟效益、社會效益都是巨大的，具有良好的推廣應用前景。

[1]王京龍.氣體鉆井安全監(jiān)控系統(tǒng)在勝利油田的應用[J].中小企業(yè)管理與科技,2011(06).

[2]劉合,楊智光,張書瑞,孔凡軍,姜玉芳,劉志煥.大慶油田氣體鉆井技術研究與應用[J].大慶石油地質與開發(fā),2009(05).