川西須家河組平落壩構造鉆井地質特征及提速研究

符 攀　孟英峰　李 皋　王 良　劉 星　付 強

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)國家重點實驗室， 成都 610500；

2.中石油云南銷售昆明分公司， 昆明 650000；

3.中石油西南油氣田分公司采氣工程研究院， 四川 廣漢 618300)

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川西須家河組平落壩構造鉆井地質特征及提速研究

符 攀1孟英峰1李 皋1王 良1劉 星2付 強3

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)國家重點實驗室， 成都 610500；

2.中石油云南銷售昆明分公司， 昆明 650000；

3.中石油西南油氣田分公司采氣工程研究院， 四川 廣漢 618300)

摘要：針對川西須家河組氣藏埋藏深、巖石致密、壓力高，須二段儲層基質物性差，非均質性強，須四段和須二段石英、砂巖含量高等因素所導致的地層研磨性強、可鉆性差等問題，系統(tǒng)剖析其鉆井的難點，并對其機械鉆速現狀進行分析。計算結果表明，嚴重的過平衡狀態(tài)造成機械鉆速大幅度降低；在近平衡、液體欠平衡條件下機械鉆速提高不明顯；使用氣體欠平衡鉆井井內液柱壓力較低，對巖石產生圍壓較小，能顯著提高機械鉆速。

關鍵詞：地質特征； 機械鉆速； 提速潛力； 欠平衡鉆井

平落壩潛伏構造從區(qū)域構造來說屬于四川盆地川西中 — 新生界沉積坳陷帶，龍門山山前斷褶構造帶的平落壩 — 灌口潛伏斷褶構造亞帶，向東與區(qū)域內的邛西潛伏構造正鞍相接。該地區(qū)具有斷層較發(fā)育，構造背景好、沉積相特征明顯、靠近烴源巖、儲層發(fā)育、蓋層有效等有利的成藏條件。從成藏條件及已開發(fā)氣井都證實須家河組氣藏具有廣闊的開發(fā)前景。但是平落壩構造須二段儲層基質物性差，表現出低孔、低滲、高含水、小喉道，非均質性強，并且須家河組產層埋藏深，噴、漏、塌、卡等井下復雜事故時有發(fā)生，特別是裂縫性氣藏儲層在橫向上變化較大，往往同一井場2口井的地層特性都有很大差異。復雜的地質情況為鉆井施工和設計帶來了困難[1-3]。

1須家河組工程地質特征

1.1地層及巖石學特征

須家河組平落壩構造地層以砂巖和泥頁巖為主。須五段和須六段巖性以黑色頁巖和石英砂巖為主，并且頁巖累計厚度較大、為良好烴源層；須四段和須二段是主要的含氣層段，主要以石英砂巖為主，但須四段地層易出水，因此在鉆井過程中應注意鉆井液性能的優(yōu)選；須一段的上亞段相當于小塘子組，主要為淺海陸棚相沉積，巖性為黑色頁巖、砂質頁巖與淺灰、灰色巖屑石英砂巖，底部常為乳白色純石英砂巖。

1.2巖石滲流空間與物性特征

1.2.1砂巖和泥頁巖滲流空間

須家河組砂巖儲層在埋藏成巖過程中，主要經歷了壓實作用、壓溶作用、膠結作用、溶蝕作用、交代作用和構造破裂作用。經成巖演化其原生孔隙大部分被破壞，僅剩少量原生粒間殘余孔隙，主要以次生孔隙為主。

1.2.2巖石物性特征

平落壩構造須二段儲層基質物性差，表現低孔、低滲、高含水、小喉道，非均質性強，但裂縫發(fā)育，屬于裂縫 — 孔隙型儲層。須二段儲層的儲集性受裂縫影響大，發(fā)育的裂縫系統(tǒng)能使孔隙度不高的儲層具有較好的滲透性，裂縫是單井獲得高產的主要因素。為更好地研究須家河組地層的巖石物性特征，應用壓力脈沖滲透率測量裝置，對須家河組地層泥頁巖的孔隙度和滲透率進行測量。測量結果表明：泥頁巖由于有大量層間縫的存在，在3 MPa圍壓下具有相對較高的孔隙度，并具有一定的滲透率。該類巖石的孔隙度和滲透率對孔隙壓力的敏感性較強，在地層條件下孔隙度和滲透率會隨孔隙壓力的降低和壓實作用的增強而大幅度下降。

1.3地層壓力特征

完井測試壓力和生產測試壓力數據表明：須三段以上地層的地層壓力系數大于1.2，屬超壓地層；須二和須一段地層壓力系數大部分在0.8~1.2，但關井測試數據表明由于長期開采，須二段目前地層壓力大部分已下降，壓力系數已低于0.8，屬于典型的低壓層。

1.4儲層敏感性特征

川西深層須家河組各氣層儲層應力敏感性均屬中等，酸敏均較弱，堿敏總體表現為弱 — 中等；速敏在須五、須二段表現為弱 — 中等，在須四段表現為中等 — 強；水敏在須五、須四段表現為中等 — 強，在須二段表現為較弱；鹽敏在須五段表現為強，須四、須二段表現為中偏強[4]。

2須家河組鉆井難點分析

2.1構造復雜，非均質性強，可鉆性差

平落壩潛伏構造具有斷層較發(fā)育、構造背景好、沉積相特征明顯、靠近烴源巖、儲層發(fā)育、蓋層有效等有利的成藏條件。平落壩主要儲集層為須二段，以淺灰色細 — 中粒長石石英砂巖、巖屑長石砂巖為主，次為長石巖屑砂巖、巖屑砂巖和長石砂巖夾少量薄層黑色泥頁巖、碳質條紋，其中砂巖層厚占須二段總厚的89%以上。儲層基質物性差，表現為低孔、低滲、高含水、小喉道，非均質性強，但裂縫發(fā)育，屬于裂縫 — 孔隙型儲層。須二段的裂縫主要以張性、張扭性縫為主，且多數為張開縫和半充填縫。裂縫的發(fā)育程度是氣井獲得高產的主要因素。巖石物性和裂縫發(fā)育程度受多種因素制約，造成了須二段儲層的非均質性。

平落壩氣田須二氣藏無明確的氣水界面，目前氣藏產地層水是由于氣藏在開發(fā)過程中形成較大的壓降漏斗，導致外圍的地層水沿高滲帶竄入氣藏內而造成的。

2.2井漏問題嚴重

平落壩構造中已鉆井在錄井、測井、中途測試、試油施工過程中基本正常，但在鉆井過程中在表層的灌口組和夾關組發(fā)生井漏。有些井井漏比較嚴重，如PL012-2井在灌口組(井段13.07 — 21.00 m)漏失清水179 m3，在夾關組(井段55.70 — 88.00 m)漏失清水783 m3；在蓬萊鎮(zhèn)組(井段772.95 — 780.00 m)漏失密度為1.13 gcm3，黏度為41 mPa·s的充氣鉆井液102.50 m3等等。該井在須三段底部(井段3 405.63 — 3 425.84 m)因裂縫比較發(fā)育而連通了須二段，在鉆井過程中發(fā)生惡性井漏。處理過程中關井套壓為14.5～21.6 MPa，放噴出口點火焰高5～10 m，判斷為純氣，漏失鉆井液、堵漏橋漿約800 m3且井漏失返無法壓井，造成該井處理困難而不得不非常規(guī)完井后接管線試生產。整個平落壩地區(qū)須五 — 須三段地層壓力系數比須二段氣層高，因此在鉆進須二段頂部時易發(fā)生井漏。

3川西須家河組機械鉆速現狀分析

針對川西須家河組機械鉆速慢的問題，對影響因素進行分析。L1井鉆進過程中，在3 300 — 4 000 m鉆進中，機械鉆速僅為0.7~0.8 mh，鉆井液密度為1.61~1.65 gcm3，全井平均機械鉆速1.27 mh。P005-1井鉆進過程中，隨著井深的增加，機械鉆速下降。當鉆至3 000 m時機械鉆速顯著下降到2.0 mh以下，在后來的鉆進中平均機械鉆速一直在1.1~1.7 mh，在3 450 — 3 662.45 m時機械鉆速為1.37~1.38 mh，在3 662 — 3 970 m時采用聚磺鉆井液的機械鉆速在1.07~1.11 mh。L1井和P005-1井機械鉆速剖面如圖1所示。

圖1　L1井和P005-1井機械鉆速剖面

從圖1可以看出采用常規(guī)鉆井方式鉆進時，在2 700 m以下鉆進中機械鉆速明顯下降，分析其主要原因為：進入須家河組地層壓力逐漸加大，鉆井液密度增加，所鉆巖石性質主要為砂巖和頁巖，或者砂巖頁巖交替出現。在井深逐漸增加的情況下，巖石的可鉆性較差，高圍壓情況下，巖石的強度增加、硬度增加、塑性增加，可鉆性變差，使用高密度鉆井液使產生的壓持效應明顯加大。此外鉆進工藝與鉆井參數選擇不合理成為影響機械鉆速的主要因素。

相比較而言P005-1機械鉆速快于L1井，主要是因為P005-1井地層壓力系數小于L1井，而且在鉆進過程中使用的鉆井液密度較小，在1.0~1.2 gcm3之間，而在L1井使用的鉆井液密度較高，在壓力系數較高的地層甚至達到1.8 gcm3，嚴重的過平衡狀態(tài)造成了機械鉆速大幅度降低。

4欠平衡與氣體鉆井提速潛力分析

一直以來，人們都把由于液柱壓力增加而導致鉆速降低的原因，簡單地歸結為“壓持效應”，但是，機械鉆速降低的主要原因還在于液柱壓力的增加，使得井底巖石的強度和塑性大大增強。

Bourgoyne等人對大量試驗數據，以零壓差時的鉆速作標準化處理后指出，壓差與鉆速之間的關系在半對數紙上可以直線表示[5]，其關系式為：

(1)

式中：Vm— 鉆速；

V0 — 零壓差時的鉆速；

ph— 井內液柱壓力；

pp— 地層孔隙壓力；

m— 與巖性有關的常數。

應用公式(1)對川西須家河組欠平衡條件下提速潛力進行預測。圖2和圖3分別為L000-1井和P005-1井進入須家河組后在不同條件下，機械鉆速預測剖面。

圖2　L000-1井不同鉆井條件下機械鉆速預測對比

圖3　P005-1井不同鉆井條件下機械鉆速預測對比

圖2和圖3的實際機械鉆速曲線為錄井資料提供的數據。由于L000-1井進入須家河組后地層壓力系數較高，使用的泥漿密度一般在1.5 gcm3以上，造成井內液柱壓力較大，巖石可鉆性變得極差，實鉆機械鉆速一般在1.0 mh左右。從圖中可以看出采用不同的鉆井方式能使機械鉆速不同程度地得到提高：使用近平衡鉆進，泥漿密度與地層壓力系數相當時，對機械鉆速預測結果顯示機械鉆速略微提高；使用液體欠平衡鉆進，當泥漿密度調整到1.1~1.3 gcm3之間時，則機械鉆速可提高到2.0 mh左右；使用氣體欠平衡鉆進，井內壓力控制在1.5 MPa時，預測結果顯示機械鉆速顯著提高，一般在6~8 mh。在P005-1井的預測中呈現出相近趨勢，但是由于平落壩構造地層壓力系數較低一般在1.25 gcm3左右，使用泥漿液體密度一般在1.3 gcm3左右，井內液柱壓力較低，對巖石產生的圍壓較小，因此機械鉆速相對較高。

5結語

(1)須家河組平落壩構造地層以砂巖和泥頁巖為主，局部發(fā)育裂縫。該構造地層砂巖膠結致密，可鉆性級值高，屬于中硬 — 硬地層；泥頁巖成分以伊利石為主，屬硬脆性泥頁巖，可鉆性較差。

(2)巖石物性和裂縫發(fā)育程度受多種因素制約，造成了須二段儲層的非均質性。過平衡鉆井面臨低鉆速和井漏2大主要問題。

(3)使用高密度鉆井液使產生的壓持效應加大和液柱壓力的增加是川西須家河組機械鉆速慢的主要原因。使用氣體欠平衡鉆井可以顯著提高機械鉆速。

參考文獻

[1] 楊志彬,張國東,黃建林,等.川西新場地區(qū)須家河組工程地質特征及優(yōu)快鉆井對策研究[J].石油天然氣學報,2009,30(6):278-281.

[2] 原梅香,杜文全,楊志彬.川西坳陷致密碎屑巖鉆井故障及對策[J].中外能源,2008,13(2):30-33.

[3] 劉偉,李麗,吳建忠,等.川西地區(qū)須家河組致密氣藏鉆井提速新思路[J].天然氣技術,2009,3(2):34-36.

[4] 黃輝,譚明文,張紹彬,等.川西深層須家河組氣藏壓裂改造難點和工藝技術對策[J].鉆采工藝,2004,27(5):27-30.

[5] Bourgoyne A T, Young F S. A Multiple Regression Approach to Optimal Drilling and Abnormal Pressure Detection[J]. Society of Petroleum Engineers Journal, 1974, 14(4): 371-384.

Study on Engineering Geological Characteristics and Fast Drilling Methods

of Xujiahe Formation Pingluoba Structure in West Area of Sichuan Basin

FUPan1MENGYingfeng1LIGao1WANGLiang1LIUXing2FUQiang3

(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University,

Chengdu 610500, China; 2.Petrochina Yunnan Marketing Company Kunming Branch,

Kunming 650000, China; 3.Gas Production Engineering Research Institute,

Southwest Oil and Gas Field Company, Guanghan Sichuan 618300, China)

Abstract:Xujiahe gas reservoir in the west of Sichuan basin has been buried deep and has dense rock and high pressure and poor matrix property in the 2nd member with low porosity and permeability, high content of quartz and sandstone in the 4th and 2nd member, lead to strong abrasive property and poor drillability. In this paper, it systematically analyzed the drilling difficulties and the current situation of the rate of penetration. The results show that the serious overbalance state significantly reduced the rate of penetration. Under the condition of near balance and liquid under balance, the rate of penetration did not receive obvious improvement. At the state of fluid injection with low pressure in gas underbalanced wells, it can increase the rate of penetration significantly with less confining pressure on rock.

Key words:geological characteristicts; rate of penetration; potential of enhancing drilling speed; underbalanced drilling

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1980(2015)03-0063-04

中圖分類號：TE249

作者簡介：符攀(1988 — )，男，成都人，西南石油大學在讀碩士研究生，研究方向為油氣井工程。

基金項目：國家科技重大專項“低滲氣藏復雜地層高效鉆井關鍵技術”(2011ZX05022-005)

收稿日期：2014-08-09