元壩氣田須家河組地層氮?dú)忏@井適應(yīng)性研究

胡大梁，朱化蜀，郭治良

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川　德陽　618000）

元壩氣田須家河組地層氮?dú)忏@井適應(yīng)性研究

胡大梁，朱化蜀，郭治良

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川德陽618000）

元壩氣田是國(guó)內(nèi)埋藏最深的海相大氣田，其主力氣藏長(zhǎng)興組埋深接近7 000 m。在上部，陸相地層采用氣體鉆井，海相地層采用復(fù)合鉆井，提速效果顯著。但是，深部的陸相須家河組地層巖性致密、硬度高，機(jī)械鉆速低，是制約元壩氣田鉆井提速的瓶頸。針對(duì)這一問題，先后探索了多種鉆井工藝，但提速效果有限。在普光、龍崗成功應(yīng)用氮?dú)忏@井的基礎(chǔ)上，開展了元壩須家河組氮?dú)忏@井提速潛力分析，從地層壓力特征、井壁穩(wěn)定性和地層產(chǎn)氣量、出水量以及經(jīng)濟(jì)性等方面論證了氮?dú)忏@井在須家河組的適應(yīng)性。研究表明，元壩氣田須家河組屬于高壓、低產(chǎn)地層，測(cè)試基本不產(chǎn)水，大部分井段的巖石內(nèi)聚力大于氣體鉆井臨界值，井壁穩(wěn)定性較好，氮?dú)忏@井預(yù)計(jì)可提速6倍以上，具有巨大的提速潛力和經(jīng)濟(jì)效益。建議選擇適當(dāng)?shù)木婚_展氮?dú)忏@井試驗(yàn)，為元壩鉆井提速提供新的技術(shù)手段。

鉆速；氮?dú)忏@井；適應(yīng)性；須家河；元壩氣田

0　引言

元壩氣田已探明儲(chǔ)量1 834.2×108m3，是國(guó)內(nèi)埋藏最深的海相大氣田，也是川氣東送工程資源接替的重要陣地。該氣田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜［1-6］，自上而下鉆遇12套地層。

陸相上部的劍門關(guān)至上沙溪廟組地層井壁穩(wěn)定性好，地層不產(chǎn)水且不含氣，適合采用氣體鉆井技術(shù)提速，平均機(jī)械鉆速達(dá)到11 m/h以上［7-8］；下沙溪廟和千佛崖組地層可鉆性較好，采用PDC鉆頭配合扭力沖擊器/螺桿鉆井，平均鉆速高達(dá)3m/h以上；但陸相深部的須家河組，地層壓力系數(shù)最高達(dá)1.95，巖石抗壓強(qiáng)度為68.8～350.0 MPa，平均157.0 MPa，屬極硬地層，巖石可鉆性7級(jí)以上，內(nèi)摩擦角平均40.27°，研磨性5～6級(jí)，總體評(píng)價(jià)屬于高研磨性極硬難鉆地層［9-10］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，須家河組地層平均厚度約570 m，僅占總井深的7.6%，但由于地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，平均鉆井時(shí)間長(zhǎng)達(dá)77d，占總鉆井周期的19.7%。單只鉆頭進(jìn)尺僅40 m，平均機(jī)械鉆速0.65 m/h，一般需要14只鉆頭才能鉆穿該段地層，導(dǎo)致起下鉆頻繁，鉆井效率低。

1　氮?dú)忏@井提速潛力分析

針對(duì)須家河組地層可鉆性差、機(jī)械鉆速低的問題，先后嘗試了進(jìn)口孕鑲鉆頭+高速渦輪鉆具、國(guó)產(chǎn)孕鑲鉆頭+高速螺桿、高效PDC鉆頭+大扭矩螺桿等鉆井工藝，平均鉆速達(dá)到1.50 m/h，與常規(guī)鉆井相比，鉆速提高了1倍以上，但相比氮?dú)忏@井在川東北相鄰地區(qū)的成功應(yīng)用，機(jī)械鉆速仍有待提高。例如：普光氣田氮?dú)忏@井累計(jì)應(yīng)用10口井，鉆遇千佛崖、自流井和須家河等組地層，總進(jìn)尺3 912.52 m，平均機(jī)械鉆速4.61 m/h，機(jī)械鉆速同比提高5～7倍；龍崗1、龍崗6、龍崗11井等采用氮?dú)忏@井鉆穿須家河組，平均機(jī)械鉆速達(dá)到8.00 m/h以上，相比常規(guī)鉆井，提高5倍以上［11-15］。

鑒于須家河組存在高壓氣層，空氣鉆井存在井下燃爆風(fēng)險(xiǎn)，因此主要考慮采用氮?dú)忏@井提速的可能性。影響機(jī)械鉆速的主要因素是地層巖石的可鉆性、鉆井參數(shù)和水力參數(shù)，為了對(duì)氮?dú)忏@井的提速潛力進(jìn)行評(píng)估，本文利用這些參數(shù)建立鉆速預(yù)測(cè)方程［16］：

式中：Vm為鉆速，m/h；Kv為與地層巖石可鉆性級(jí)值Kd有關(guān)的鉆速系數(shù)（Kd≤3.5時(shí)，Kv為130～135；3.5＜Kd≤6.0時(shí)，Kv為110～125；Kd＞6.0時(shí)，Kv為100～105）；W為鉆壓，kN；Wp為比鉆壓，kN/cm2；R為轉(zhuǎn)速，r/min；Np為比水功率，kW/cm2；ρm，ρd分別為鉆井液密度和地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Db為鉆頭直徑，cm；Qm為鉆井液排量，L/s；de為鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑，cm。

系數(shù)A，B，C，D與地層可鉆性級(jí)值Kd有關(guān)，計(jì)算方法為：A=0.53+0.2 Kd；B=0.9-0.03 Kd；C=0.7-0.05 Kd；D=-7.0+0.9 Kd。

根據(jù)元壩氣田須家河組鉆井參數(shù)，鉆頭尺寸選為314.1mm，地層壓力系數(shù)取1.8，鉆壓取200kN，計(jì)算在不同轉(zhuǎn)速條件下的理論鉆速，（見圖1，鉆井液密度2.0 g/cm3）?？梢钥闯觯阢@井液密度一定的條件下，單靠增大鉆壓或提高轉(zhuǎn)速，提速比例一般在3.5倍以內(nèi)。這說明在不改變鉆井方式的條件下，僅通過選用井下動(dòng)力鉆具，難以從根本上提高鉆速，即便使鉆頭轉(zhuǎn)速達(dá)到600 r/min，理論鉆速也難以超過4.00 m/h。

圖1　不同轉(zhuǎn)速條件下理論機(jī)械鉆速

而在氮?dú)忏@井條件下，理論鉆速達(dá)到10.00 m/h以上，比過平衡鉆井鉆速提高6倍以上（見圖2）。這是因?yàn)椋涸诰浊穳簵l件下，解除了鉆井液對(duì)破碎鉆屑的壓持作用，使巖屑迅速離開井底，避免重復(fù)破碎；同時(shí)地層壓力被釋放，對(duì)地層巖石顆粒之間的結(jié)構(gòu)力有減弱作用，產(chǎn)生推離效應(yīng)。因此，在須家河組地層采用氮?dú)馇菲胶忏@井，具有最大的提速潛力。

圖2　不同鉆井方式鉆速對(duì)比

2　須家河組氮?dú)忏@井適應(yīng)性研究

2.1須家河組地層巖性及壓力特征

須家河組埋深一般在4100～4900m，具體埋深隨區(qū)域分布有所不同，平均厚度570m。須五段巖性為深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾灰質(zhì)細(xì)砂巖、細(xì)砂巖。須四段巖性以灰色含礫砂巖、細(xì)砂巖、灰質(zhì)細(xì)砂巖為主，夾深灰色、灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。須三段為深灰色泥巖、黑色碳質(zhì)泥巖夾煤線與灰色細(xì)砂巖、粉砂巖不等厚互層。須二段上部以灰色細(xì)砂巖、中砂巖為主，夾薄層深灰色粉砂質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)泥巖及煤線；中部以深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)泥巖為主，夾薄層灰色細(xì)砂巖、石英砂巖；下部以灰白色石英砂巖、灰色中砂巖、細(xì)砂巖為主，夾深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖［17］。

元壩陸相地層上沙溪廟組及以淺地層屬常壓；下沙溪廟組和千佛崖組地層屬高壓；進(jìn)入自流井組后呈異常高壓特征，且地層壓力梯度隨深度逐漸增加。根據(jù)測(cè)試井的實(shí)測(cè)地層壓力系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，須家河組地層壓力系數(shù)一般不超過1.9，其中低于1.9的占67%，1.9～2.0的占22%，高于2.0的僅有2口井，占11%，總體上具有異常高壓特征（見圖3）。

圖3　須家河組實(shí)測(cè)地層壓力系數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2須家河組井壁穩(wěn)定性分析

對(duì)于氣體鉆井而言，環(huán)空內(nèi)氣體密度近似0，井壁的穩(wěn)定性主要取決于地層巖石內(nèi)聚力的臨界值，計(jì)算公式為

式中：Coh為內(nèi)聚力，MPa；λ為應(yīng)力非線性修正系數(shù)；σh1， σh2分別為最大、最小水平主應(yīng)力；α為有效應(yīng)力系數(shù)；θ為內(nèi)摩擦角，（°）；pp為地層孔隙壓力，MPa。

氣體鉆井井壁穩(wěn)定性判斷依據(jù)：當(dāng)?shù)貙訋r石自身內(nèi)聚力高于氣體鉆井內(nèi)聚力臨界值時(shí)，表示氣體鉆井井壁穩(wěn)定；否則，氣體鉆井井壁將出現(xiàn)垮塌失穩(wěn)。當(dāng)高壓產(chǎn)氣層被揭開后，由于井眼內(nèi)壓力很低，氣體在高壓力勢(shì)差作用下快速流出地層，在流出過程中，氣體會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，將近井壁巖石推向井眼，減弱了井眼內(nèi)氣體對(duì)井壁的有效支撐力，有可能引起產(chǎn)氣層段垮塌失穩(wěn)［18-20］。地層坍塌密度計(jì)算公式為

式中：Em為地層坍塌密度，g/cm3；φ為地層孔隙度。

利用本文建立的井壁穩(wěn)定模型對(duì)須家河組地層穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析得出須家河組4 280～4 900 m井段氣體鉆井內(nèi)聚力對(duì)比（見圖4）和地層坍塌密度分布（見圖5）。

從圖4和圖5可以看出，須家河組大部分井段的巖石內(nèi)聚力大于氣體鉆井臨界值，井壁穩(wěn)定性較好，但部分薄層原始地層坍塌密度普遍較高，接近1.0 g/cm3，這些薄層在氣體鉆井過程中垮塌較為嚴(yán)重，制約了該井段氣體鉆井的實(shí)施。因此，在須家河組實(shí)施氮?dú)忏@井應(yīng)避開此類地層。

圖4　須家河組氣體鉆井巖石內(nèi)聚力對(duì)比

圖5　須家河組坍塌密度分布

2.3須家河組地層產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量分析

元壩陸相地層縱向普遍含氣，天然氣成藏受巖性控制明顯，且非均質(zhì)性強(qiáng)，氣層分布狀態(tài)較為復(fù)雜，各套層系之間存在較大差異。其中須家河組氣層主要分布于須家河組二段、四段，須三段次之。須四段儲(chǔ)層厚度多為15～30 m，縱向上儲(chǔ)層主要分布在須四上、下亞段；須二段下亞段砂體厚大，儲(chǔ)層厚度大，物性好。

目前須家河組氣藏已測(cè)試34口井共計(jì)67層，測(cè)試產(chǎn)量低于1.00×104m3/d的有25層，1.00×104～5.00× 104m3/d的有24層，產(chǎn)量低于5.0×104m3/d的占總數(shù)的73%。由于須家河組為裂縫性儲(chǔ)層，巖性致密，儲(chǔ)層滲透率低，天然氣產(chǎn)能衰減快，目前投產(chǎn)9口井，產(chǎn)氣量低于2.00×104m3/d有7口，占78%；YL12井產(chǎn)量最高，為7.99×104m3/d（見表1）。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，9口井中有5口井產(chǎn)水，但量不大，均在0.50 m3/d以內(nèi)，其余井不產(chǎn)水。

表1　須家河組生產(chǎn)井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

2.4氮?dú)忏@井地質(zhì)適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果

元壩氣田須家河組雖然地層壓力較高，但屬于高壓低產(chǎn)儲(chǔ)層，產(chǎn)氣量一般都在2.00×104m3/d以內(nèi)，產(chǎn)水量?。淮蟛糠志蔚膸r石內(nèi)聚力大于氣體鉆井臨界值，裸眼井段井壁穩(wěn)定性較好，地層流體不含硫化氫，滿足Q/SH0010—2009《川東北氣體鉆井技術(shù)規(guī)范》對(duì)氮?dú)忏@井適應(yīng)條件的要求。

3　須家河組氮?dú)忏@井經(jīng)濟(jì)性分析

應(yīng)用盈虧平衡理論，建立氮?dú)忏@井經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算公式：

式中：Sni為氮?dú)忏@井節(jié)省費(fèi)用，萬元；Ds為相對(duì)常規(guī)鉆井方式所節(jié)約的時(shí)間，d；Cr為鉆機(jī)日費(fèi)，萬元；Cl為錄井服務(wù)日費(fèi)，萬元；Cm為鉆井液技術(shù)服務(wù)日費(fèi)，萬元；Cb為鉆頭費(fèi)用，萬元；Cni為氮?dú)忏@井技術(shù)服務(wù)費(fèi)，萬元；L為進(jìn)尺，m；v為常規(guī)鉆井平均鉆速，m/h；η為純鉆時(shí)效，%；n為氮?dú)忏@井天數(shù)，d。

根據(jù)鉆機(jī)作業(yè)日費(fèi)、錄井、鉆井液等費(fèi)用及氮?dú)忏@井技術(shù)服務(wù)費(fèi)，計(jì)算在須家河組地層采用常規(guī)鉆井和氮?dú)忏@井的直接鉆井成本［22］，并進(jìn)行對(duì)比分析。按照元壩完鉆井平均指標(biāo)，須家河組地層常規(guī)鉆井單只牙輪鉆頭進(jìn)尺40 m，平均機(jī)械鉆速0.65 m/h，純鉆利用率40%。按照以上數(shù)據(jù)計(jì)算，得出氮?dú)忏@井與常規(guī)鉆井經(jīng)濟(jì)成本變化曲線（見圖6）。由圖可以看出，平均鉆速1.75 m/h是氮?dú)忏@井經(jīng)濟(jì)性的臨界鉆速，在低于該鉆速的情況下，實(shí)施氮?dú)忏@井不具有經(jīng)濟(jì)效益。隨著鉆速的提高，氮?dú)忏@井經(jīng)濟(jì)進(jìn)尺也隨之縮短，平均鉆速2.00 m/h時(shí)，氮?dú)忏@井應(yīng)用進(jìn)尺需達(dá)到190 m以上才具有經(jīng)濟(jì)效益；但鉆速達(dá)到3.00 m/h以上時(shí)，氮?dú)忏@井的效益更加突出，若進(jìn)尺達(dá)到500 m，可以節(jié)約鉆井成本約450萬元以上。

圖6　不同鉆速時(shí)的進(jìn)尺成本

4　結(jié)論

1）元壩氣田須家河組屬于高壓、低產(chǎn)地層，測(cè)試基本不產(chǎn)水，大部分井段的巖石內(nèi)聚力大于氣體鉆井臨界值，井壁穩(wěn)定性較好，預(yù)測(cè)氮?dú)忏@井可提速6倍以上，具有巨大的提速潛力。

2）氮?dú)忏@井的最低經(jīng)濟(jì)鉆速為1.75 m/h，預(yù)計(jì)進(jìn)尺達(dá)到500 m時(shí)經(jīng)濟(jì)效益與牙輪鉆頭持平。隨著鉆速的提高，對(duì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)尺的要求隨之降低，鉆速達(dá)到5.00 m/h以上時(shí)，預(yù)計(jì)可降低成本400萬元以上。

3）須家河組地層工程地質(zhì)條件滿足氮?dú)忏@井要求，經(jīng)濟(jì)性可行，適合采用氮?dú)忏@井提速，建議選擇適當(dāng)?shù)木婚_展氮?dú)忏@井試驗(yàn)。

4）盡管須家河組地層產(chǎn)氣量不高，但地層壓力高，因此在實(shí)施氮?dú)忏@井時(shí)需做好井控安全措施。

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（編輯高學(xué)民）

Adaptability research of nitrogen drilling in Xujiahe Formation，Yuanba Gas Field

Hu Daliang，Zhu Huashu，Guo Zhiliang
（Engineering Technology Research Institute，Southwest Oil and Gas Company，SINOPEC，Deyang 618000，China）

Yuanba Gas Field is rich in natural gas with the main formation buried nearly 7，000 m.The air drilling and compound drilling technology are applied in terrestrial and marine strata respectively which improve the rate of penetration greatly.But Xujiahe Formation is buried deeply and the geological conditions are quite complicated such as high density and hardness，strong heterogeneity，which lead to low penetration rate and long drilling period.Several drilling techniques such as impregnated bit with high speed turbo and downhole motor，PDC bit with high torque motor are tested but the ROP are lower than Pugang and Longgang.In order to improve the ROP，the paper analyzed the speed increasing potential of nitrogen drilling，formation pressure，wellbore stability，gas and water production rate.The result shows that Xujiahe Formation is suitable for nitrogen drilling because of the formation characteristics with high pressure，low production of gas and water，good wellbore stability.The ROP may be improved six times with nitrogen drilling which should be tested in the suitable area.

penetration rate；nitrogen drilling；adaptability；Xujiahe Formation；Yuanba Gas Field

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”課題“低滲氣藏復(fù)雜地層高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)”（2011ZX05022-005）

TE142

A

10.6056/dkyqt201505027

2015-03-10；改回日期：2015-07-15。

胡大梁，男，1982年生，高級(jí)工程師，碩士，主要從事超深井鉆井工程設(shè)計(jì)和鉆井提速技術(shù)方面的研究。E-mail：pechdl@126.com。

引用格式：胡大梁，朱化蜀，郭治良.元壩氣田須家河組地層氮?dú)忏@井適應(yīng)性研究［J］.斷塊油氣田，2015，22（5）：668-672.

Hu Daliang，Zhu Huashu，Guo Zhiliang.Adaptability research of nitrogen drilling in Xujiahe Formation，Yuanba Gas Field［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（5）：668-672.