氮氣鉆井技術(shù)在吉林油田德惠區(qū)塊的應(yīng)用

鄭雙進(jìn)，張立春，李俊鋒，周 峰長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢中石油吉林油田鉆井工藝研究院，吉林 松原

氮氣鉆井技術(shù)在吉林油田德惠區(qū)塊的應(yīng)用

鄭雙進(jìn)1,2，張立春3，李俊鋒3，周 峰3
1長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢2長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢3中石油吉林油田鉆井工藝研究院，吉林 松原

吉林油田深層天然氣藏存在埋藏深、鉆速慢、成本高、儲層敏感性強(qiáng)且易污染等問題，嚴(yán)重影響了儲層的及時發(fā)現(xiàn)和單井產(chǎn)能發(fā)揮，同時制約了勘探開發(fā)步伐。為解決該技術(shù)難題，在分析吉林油田德惠區(qū)塊巖性特點、物性特征、地層壓力、地層流體及井壁穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，評價了在該區(qū)塊實施氮氣鉆井的可行性，詳細(xì)闡述了氮氣鉆井施工方案設(shè)計，包括注氣參數(shù)設(shè)計、轉(zhuǎn)換鉆井液設(shè)計、風(fēng)險應(yīng)對措施等，并介紹了氮氣鉆井技術(shù)在德深35井的應(yīng)用情況，對于后續(xù)推廣應(yīng)用該技術(shù)具有良好的借鑒意義，有助于加速吉林油田深層天然氣藏的高效勘探開發(fā)。

氮氣鉆井，注氣參數(shù)，可行性，施工方案，吉林油田

Received: Sep. 10th, 2015; accepted: Jan. 8th, 2016; published: Mar. 15th, 2016

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1. 引言

吉林油田德惠斷陷位于松遼盆地南部東部斷陷帶中部，是上古生界變質(zhì)巖系基底之上發(fā)育起來的斷拗復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)的沉積斷陷，面積3553 km2，基底最大埋深7000 m，發(fā)育斷陷層和坳陷層兩套沉積地層。營城組、沙河子組和火石嶺組為斷陷沉積，地層最大厚度達(dá)4250 m，白堊系嫩江組-登婁庫組為拗陷沉積。該區(qū)塊的主要目的層為泉一段、登婁庫組、營城組、沙河子組，儲層物性較差，屬低孔、低滲、低壓氣藏。隨著埋深增加，黏土礦物由伊利石-蒙脫石轉(zhuǎn)變含量增多，巖性膨脹率逐漸增大，敏感性逐漸增強(qiáng)。另外，部分層段巖石可鉆性差，常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速慢，鉆井液浸泡時間長，儲層易污染，難以準(zhǔn)確評價地層的真實產(chǎn)能。因此，優(yōu)選鉆井方式，提高機(jī)械鉆速，并有效保護(hù)儲層是開發(fā)吉林油田深層天然氣藏亟待解決的技術(shù)難題。

氮氣鉆井技術(shù)是目前提高機(jī)械鉆速、保護(hù)儲層和提高單井產(chǎn)能最直接有效的手段，國內(nèi)外應(yīng)用已越來越廣泛[1]。為提高氣藏開發(fā)效益，開展了氮氣鉆井技術(shù)攻關(guān)研究，并通過現(xiàn)場試驗取得了良好的應(yīng)用效果，為吉林油田低壓敏感性氣藏及深層天然氣的高效開發(fā)探索了新途徑。

2. 氮氣鉆井可行性評價

為保證氮氣鉆井順利施工，在分析該氣藏巖性特點、物性特征、地層壓力、地層流體及井壁穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了氮氣鉆井可行性評價。

2.1. 巖性特點分析

德惠斷陷暗色泥巖發(fā)育，具備良好的生烴能力，從上至下依次為嫩江組(底深 100 m)、姚家組(底深240 m)、青山口組(底深663 m)、泉頭組(底深1324 m)、登婁庫組(底深1507 m)、營城組(底深3000 m)。該區(qū)塊主要目的層為泉一段、登婁庫組和營城組。泉一段、登婁庫組沉積以河流相沉積為主，發(fā)育邊灘、辮狀河道等砂體，單層厚度5～10 m。泉一段巖性主要以暗紫色泥巖與灰、灰綠色粉砂巖組呈不等厚互層，局部夾薄層灰白色細(xì)砂巖、含鈣砂巖。登婁庫組巖性為紫紅、深紫、紫灰、灰、綠色泥巖與紫灰色泥質(zhì)粉砂巖，灰色粉砂巖，淺灰、灰色細(xì)砂巖，灰色含礫粗砂巖及雜色砂礫巖組成不等厚互層，與下伏地層呈不整合接觸，屬于巖構(gòu)造-巖性氣藏。

營城組為湖相沉積，發(fā)育濱湖相礫巖體，巖性以灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、雜色砂礫巖、綠色砂礫巖為主，間夾灰色、紫紅色泥巖層以及灰、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，間夾煤層，屬于斷層巖性氣藏。

2.2. 物性特征分析

據(jù)鄰井合5井巖心分析，泉一段、登婁庫組孔隙度為8%～14.6%，一般為8%～11%；滲透率為0.01～16.1 mD，一般為0.5～4 mD，屬中-低滲氣藏，孔隙結(jié)構(gòu)以粒間孔和溶蝕孔為主，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)低(10%左右)，儲層敏感性較弱。

營城組孔隙度為6%～12.6% (一般為7%～10%)，滲透率為0.01～1.39 mD (一般為0.1～0.5 mD)，屬低滲透氣藏；孔隙結(jié)構(gòu)以次生孔為主，微裂隙發(fā)育，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)平均為18.6%，儲層敏感性為中等。

2.3. 地層壓力分析

德惠區(qū)塊的地層孔隙壓力因數(shù)為0.8～1.0 (表1)，屬欠壓至正常壓力系統(tǒng)，滿足氮氣鉆井的壓力要求。在進(jìn)入氣層前控制鉆速、逐步揭開氣層，同時選擇相應(yīng)的井控裝備，井控風(fēng)險可控。

2.4. 地層出油、水、氣情況

通過德深2井、德深12井等鄰井的施工情況分析，鉆井過程中未見油顯示，地層產(chǎn)水量小，地層水總礦化度平均為8153.5 mg/L，鉀和鈉離子平均質(zhì)量濃度為2542 mg/L，鎂、鈣離子質(zhì)量濃度較少(平均為18 mg/L和21 mg/L)，碳酸氫根離子質(zhì)量濃度平均為3615 mg/L，水型以NaHCO3型為主。分析德深35井目的層出油出水可能性小，即使地層出水，可及時轉(zhuǎn)換成霧化鉆井，以滿足攜巖的要求。

通過德深2井、農(nóng)101井等已鉆井的天然氣組分分析，該區(qū)塊天然氣氣藏主要是以甲烷為主的烴類氣體，天然氣相對密度為0.6912～0.7215，平均為0.7025；烴類氣體甲烷體積分?jǐn)?shù)80.10%～82.56%，平均為81.33%，乙烷體積分?jǐn)?shù)平均為7.60%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)平均為1.25%，氮氣體積分?jǐn)?shù)平均為3.27%，不含硫化氫等有毒氣體，為德深35井實施氮氣鉆井創(chuàng)造了良好的條件。鄰井天然氣組分如表2所示。

2.5. 井壁穩(wěn)定性分析

氮氣鉆進(jìn)井段以砂巖、火山碎屑巖、火山熔巖的地層為主，巖石壓實性、膠結(jié)性均較好，強(qiáng)度高。已鉆鄰井德深11井、德深15井、德深16井等井徑擴(kuò)大率均較小，泥漿鉆井期間未發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，表明該區(qū)塊井壁相對穩(wěn)定，滿足實施氣體鉆井的條件。

2.6. 可行性評價

吉林油田德惠區(qū)塊泉頭組、登婁庫組、營城組屬于中-低滲氣藏，儲層敏感性為弱-中等，地層壓力屬欠壓至正常壓力系統(tǒng)，不產(chǎn)油，產(chǎn)水可能性小，不含硫化氫等有毒氣體，且井壁相對穩(wěn)定，因此可以在該區(qū)塊開展氮氣鉆井技術(shù)。

Table 1. Measured formation pressure of adjacent wells表1. 鄰井產(chǎn)層實測地層壓力

Table 2. Natural gas composition analysis of adjacent wells表2. 鄰井天然氣組分分析表

3. 氮氣鉆井施工方案設(shè)計

3.1. 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

氮氣鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計在遵循常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，還要綜合考慮氮氣鉆井施工安全和鉆井成本。在鉆井安全方面，保證技術(shù)套管在全掏空條件下的抗擠強(qiáng)度達(dá)到安全要求，將技術(shù)套管下至目的層頂部，封隔上部水層、易垮塌煤層等復(fù)雜層段，實現(xiàn)儲層專打。德深 35井的井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表3所示，三壓力(坍塌壓力、孔隙壓力、破裂壓力)剖面圖和井身結(jié)構(gòu)圖分別如圖1和圖2所示。

3.2. 注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

氮氣鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計首先必須滿足巖屑正常上返出井筒，并避免高速巖屑對井口設(shè)備造成沖蝕。在氮氣鉆井時，井筒環(huán)空內(nèi)為氣體和巖屑，巖屑主要受氣體上返時高速流動產(chǎn)生的推力而實現(xiàn)攜巖。因此，在設(shè)計氣體注入量時，應(yīng)綜合考慮井眼凈化需要、鉆具與井壁沖蝕、出水出油處理、井壁垮塌處理、保證氣體純度防爆炸等因素的影響。另外，在滿足巖屑正常上返和井眼清潔的情況下，應(yīng)根據(jù)地層及地面設(shè)備情況，合理控制排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速等施工參數(shù)，減少對鉆井設(shè)備的沖蝕[2] [3]。

為了保證氣體鉆井施工的安全和高效，提高注氣參數(shù)設(shè)計的科學(xué)性和便捷性，基于Visual Basic 6.0程序設(shè)計語言及Access 2003數(shù)據(jù)庫環(huán)境開發(fā)了一套氣體鉆井注氣參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件。結(jié)合德深35井的地質(zhì)條件和施工工況，對三開氮氣鉆井注氣參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，設(shè)計條件：① 環(huán)空介質(zhì)為氮氣；② 井口回壓為0.1 MPa；③ 巖屑直徑為2 mm；④ 井深為1302～3000 m；⑤ 井眼為215.9 mm；⑥ 機(jī)械鉆速6～11 m/h。設(shè)計方案如表4所示。

3.3. 轉(zhuǎn)化常規(guī)鉆井液設(shè)計

如果氮氣鉆井無法繼續(xù)實施，需替入鉆井液。由于井壁巖石表面呈親水性，氣體鉆井后如果直接替入常規(guī)水基鉆井液極易造成井壁失穩(wěn)、井漏及儲層污染。因此，應(yīng)先注入專用的前置液潤濕反轉(zhuǎn)劑，改變巖石潤濕性，再注入轉(zhuǎn)換鉆井液。具體步驟如下：

1) 氮氣鉆井需轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井時，首先采用最大氣體排量清洗井眼2～3周，將鉆頭起到技術(shù)套管以

上，先注入白油，然后再注入轉(zhuǎn)換鉆井液；當(dāng)鉆井液返至井口后，分段下鉆循環(huán)鉆井液至井底正常后起鉆。

Table 3. Casing program data of Deshen35表3. 德深35井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

Table 4. Design of gas injection parameters for three open nitrogen gas drilling of Deshen35表4. 德深35井三開氮氣鉆井注氣參數(shù)設(shè)計表

Figure 1. Formation pressure profile of Deshen35圖1. 德深35井地層壓力剖面圖

Figure 2. Casing program of Deshen35圖2. 德深35井井身結(jié)構(gòu)圖

2) 轉(zhuǎn)化為常規(guī)鉆井過程中，若壓力上升快則關(guān)閉封井器，用壓井液壓井。

3) 完成鉆井液置換后的入井鉆井液性能要達(dá)到設(shè)計要求，應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制性、潤滑性和造壁性，防止轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生井漏和井塌。若入井鉆井液密度不能壓穩(wěn)地層，則用儲備壓井液進(jìn)行壓井。

3.4. 井控風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

儲層氮氣鉆井與常規(guī)欠平衡鉆井相比，井控風(fēng)險主要為：壓力沖擊、設(shè)備沖蝕和可燃?xì)怏w泄漏燃爆。為了確保氮氣鉆井安全，在滿足欠平衡鉆井井控要求的前提下，應(yīng)結(jié)合儲層氮氣鉆井特點和地質(zhì)情況，進(jìn)行井控風(fēng)險分析，制定相關(guān)應(yīng)急方案和技術(shù)保障措施。

1) 設(shè)備沖蝕集中在地面設(shè)備拐彎變向處和節(jié)流變徑處。技術(shù)措施：做好沖蝕監(jiān)測和沖蝕預(yù)防。

2) 井口和排砂管線沿途可能出現(xiàn)可燃?xì)怏w的泄漏。技術(shù)措施：做好旋轉(zhuǎn)防噴器瞬時刺漏和返出通道振松或刺漏處可燃?xì)怏w的防火防爆工作。

3) 成立現(xiàn)場施工領(lǐng)導(dǎo)小組，明確各組人員組成及職責(zé)，統(tǒng)一指揮，協(xié)調(diào)配合，執(zhí)行有力，精心施工。

4) 制定應(yīng)急措施：① 鉆遇高壓高產(chǎn)油氣應(yīng)急處理；② 地層出液應(yīng)急處理；③ 井壁失穩(wěn)應(yīng)急處理；④ 排砂管線刺壞應(yīng)急處理；⑤ 膠芯刺漏應(yīng)急處理；⑥ 接單根困難應(yīng)急處理；⑦ 起下鉆遇阻卡應(yīng)急處理；⑧ 內(nèi)防噴失效應(yīng)急處理。

4. 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2014年在吉林油田德惠區(qū)塊的德深 35井登婁庫組儲層應(yīng)用氮氣鉆井技術(shù)，取得重大發(fā)現(xiàn)，中途測試獲得日產(chǎn)7.6 × 104m3的高產(chǎn)氣流，為吉林油田德惠區(qū)塊敏感性氣藏高效勘探開發(fā)提供了有效的技術(shù)手段。

三開氮氣鉆井施工井段1308～1480 m，進(jìn)尺172 m，平均機(jī)械鉆速10.75 m/h。注氮氣排量100 m3/min，氮氣純度 95%；后期鉆遇天然氣層，為了預(yù)防井下燃爆，降低氮氣排量至 80 m3/min，氮氣純度提高到97%。科學(xué)合理的設(shè)計為氮氣鉆井安全實施提供了有效的技術(shù)保障。

后期由于層產(chǎn)氣量較大，考慮到繼續(xù)實施氣體鉆井存在較大風(fēng)險，轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井液鉆井。完井經(jīng)測試產(chǎn)氣量為1.5 × 104m3/d，但是常規(guī)鉆井液鉆井對氣層污染嚴(yán)重，建議今后在敏感性氣藏采用氮氣鉆井的方式打開儲層并裸眼完井，最大程度地發(fā)現(xiàn)并保護(hù)油氣藏[4]。

5. 結(jié)論與認(rèn)識

1) 氮氣鉆井有利于及時發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣藏、提高鉆井速度，為快速勘探、評價投產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

2) 德深35井氮氣鉆井現(xiàn)場試驗成功，為吉林油田低壓敏感氣藏規(guī)模高效勘探、評價探索了新途徑。

3) 地質(zhì)與工程有機(jī)結(jié)合，加強(qiáng)氮氣鉆井理論研究，制定科學(xué)合理的鉆井方案及各種工況下的應(yīng)急措施，為現(xiàn)場安全順利施工提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

4) 建議氮氣鉆井采用全過程欠平衡、裸眼完井方式，最大程度保護(hù)油氣藏。

References)

[1] 趙業(yè)榮, 孟英峰. 氣體鉆井理論與實踐[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

[2] 曾義金. 空氣和氣體鉆井手冊[M]. 樊洪海, 譯. 北京: 中國石化出版社, 2006.

[3] Guo, B., Ghalambor, A. 欠平衡鉆井氣體體積流量的計算[M]. 胥思平, 譯. 北京: 中國石化出版社, 2006.

[4] 劉偉, 李麗, 胥宏圖. 氮氣欠平衡鉆井技術(shù)在定向深探井中的應(yīng)用[J]. 石油鉆采工藝, 2007, 29(2): 18-20.

The Application of Nitrogen Drilling Technology in Dehui Block of Jilin Oilfield

Shuangjin Zheng1,2, Lichun Zhang3, Junfeng Li3, Feng Zhou3
1Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas, Yangtze University, Wuhan Hubei2School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei3Research Institute for Drilling Technology, Jilin Oilfield Company, PetroChina, Songyuan Jilin

The deep gas reservoir in Jilin Oilfield was characterized by deep burial, slow drilling rate, high cost, strong reservoir sensitivity and easy pollution, which seriously affected the finding of reservoirs and single well production, and restricted the pace of oil exploration and development. In order to solve the problem, on the basis of analyzing the characteristics of lithology, physical property, formation pressure, fluid in formation, and borehole stability, the feasibility of nitrogen drilling in the block was evaluated; the design of nitrogen drilling scheme, including gas injection parameters, drilling fluid transferring, risk control measures, etc., was expounded; and the application of nitrogen drilling technology in Well Deshen35 was introduced. It provides good reference for applying the technology in the future, and it is beneficial for speeding up oil exploration and development of deep gas reservoir in Jilin Oilfield.

Nitrogen Drilling, Gas Injection Parameters, Feasibility, Construction Plan, Field Application

鄭雙進(jìn)(1983-)，男，講師，博士，現(xiàn)主要從事油氣井鉆井完井技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。

2015年9月10日；錄用日期：2016年1月8日；發(fā)布日期：2016年3月15日

文章引用： 鄭雙進(jìn), 張立春, 李俊鋒, 周峰. 氮氣鉆井技術(shù)在吉林油田德惠區(qū)塊的應(yīng)用[J]. 石油天然氣學(xué)報, 2016, 38(1): 33-39. http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.381005

國家油氣重大專項(2011ZX05021-006)。