頁巖欠平衡鉆進可行性探討

吳昊晟，郭東明，倪朋勃

中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司，天津

頁巖欠平衡鉆進可行性探討

吳昊晟，郭東明，倪朋勃

中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司，天津

隨著地層孔隙壓力較高的頁巖氣的開發(fā)，在確保頁巖井壁穩(wěn)定的同時，如何提高頁巖層的鉆井效率和確保井下工具的正常運轉(zhuǎn)，成為降本增效的關(guān)鍵，其中措施之一就是在保證井下安全的情況下降低鉆井液密度。由于品質(zhì)均一的頁巖層本身具有低孔低滲的特點，頁巖層內(nèi)地層流體靠負(fù)壓差進入井筒的能力有限，故在欠平衡狀態(tài)下也很難造成溢流和井涌的風(fēng)險，這一點在研究區(qū)塊的探井實鉆中得到證實。同時，利用實鉆數(shù)據(jù)及科研成果對井壁穩(wěn)定性加以分析，認(rèn)為在欠平衡模式下該區(qū)的水平段高壓頁巖層依然可以保持良好的井壁穩(wěn)定性，使得使用欠平衡模式進行水平段鉆進具有了一定的可行性。

高壓頁巖，地層流體，侵入，井壁穩(wěn)定性，欠平衡鉆進

AbstractWith the development of shale gas reservoirs with higher pore pressure, how to improve the drilling efficiency in the shale layer and ensure normal operation of downhole tools at the same time has become the key of lowering cost. One of the measures was to reduce the drilling fluid density while ensuring drilling safety. Because the uniform shale bed itself was of low porosity and low permeability, the ability of formation fluid in the shale bed getting into the wellbore under negative pressure difference was limited, therefore it was difficult to induce the risk of overflow and well kick under the underbalanced condition, which was confirmed in the drilling of exploration wells in the study block. The borehole stability is analyzed based on the real drilling data and research results; the result indicates that in the horizontal section with high pressure shale in underbalanced condition can still maintain the borehole stability, so it is feasible to drill the horizontal sections in underbalanced mode.

KeywordsHigh Pressure Shale, Formation Fluid, Invasion, Borehole Stability, Underbalanced Drilling

1. 引言

地層壓力評價技術(shù)可以獲得井筒內(nèi)地層的孔隙壓力，同時提出調(diào)整鉆井液密度的作業(yè)建議。最合理的鉆井液密度應(yīng)該是在順利完成鉆井進尺情況下的最小密度值，此值與地層孔隙壓力有關(guān)，但未必就由孔隙壓力決定，若較小的鉆井液密度也能保證井壁穩(wěn)定和地層流體可控，則此密度值也同樣實現(xiàn)了鉆井液應(yīng)起的作用，且有利于鉆頭破巖。鉆探作業(yè)中保證井壁穩(wěn)定不垮塌是作業(yè)的前提，可控狀態(tài)下有限的地層流體進入井筒，在本質(zhì)上與近平衡鉆井時隨著井深的增加地層背景氣也在不斷地增加的情況具有相同的內(nèi)在原因，只是這種情況的誘因不同：一個是壓差引起，另一個是與井深有關(guān)的含烴量增多，若均在可控的條件下，二者必然都是可行的方案。

使用低密度鉆井液時必須對地層流體侵入井筒的程度和井壁能否保持穩(wěn)定做出明確的判斷。頁巖的孔隙度較小，喉道窄，當(dāng)缺少有效裂縫時，其內(nèi)部的地層流體以束縛流體為主，逃逸能力差，鉆進時的地層流體將以巖屑破碎氣和靠近井壁有限距離內(nèi)的地層流體為主，后者形成具有一定增幅的地層背景氣，而形成規(guī)模性侵入井筒的可能性較低，在兩口直井的實鉆中已經(jīng)得以印證；同時，在頁巖氣的開發(fā)階段通常是要有壓裂工藝，也說明了頁巖層內(nèi)的地層流體侵入井筒能力的有限。對于井壁穩(wěn)定性而言，由于鉆后分析可知，兩口直井在鉆進時，實際使用的鉆井液密度已經(jīng)低于地層孔隙壓力卻沒有形成井壁垮塌的情況，說明此鉆井液密度足以應(yīng)對坍塌壓力?？蒲谐晒砻?，定向井的坍塌壓力與同區(qū)塊的直井的坍塌壓力有一定的對比關(guān)系[1][2][3][4]，由此可以預(yù)測水平井井段的坍塌壓力情況，從而判斷在水平段可以使用的最小鉆井液密度，這個密度將既低于地層孔隙壓力，又可實現(xiàn)安全的欠平衡鉆進。

2. 地質(zhì)背景

T區(qū)塊是開發(fā)頁巖氣的區(qū)塊，目的層頁巖為古生代志留紀(jì)時期沉積的巨厚頁巖體，埋深為2200～2500 m，該區(qū)塊已鉆探了若干口探井(直井)和開發(fā)井(水平井)，部分井進行了鉆井取心，巖心顯示該套頁巖較致密，均一性較好，肉眼可見的裂縫為方解石全充填。在水平井鉆探過程中有隨鉆測井工具進行地質(zhì)導(dǎo)向服務(wù)，當(dāng)鉆進中使用密度較高的鉆井液時，測井儀器的作業(yè)穩(wěn)定性在一定程度上會受到高密度鉆井液的影響，因此，以一個合適的鉆井液密度鉆進，既能滿足提高鉆井效率的要求，也是隨鉆測井工具工作窗口的需要。本案通過對已鉆井的地層壓力分析，結(jié)合井壁穩(wěn)定性研究的成果，對T區(qū)塊水平段鉆進過程中的高密度鉆井液提出調(diào)整方案。

T區(qū)塊的頁巖層為接受陸源碎屑沉積為主的深水陸棚相沉積體，可應(yīng)用欠壓實模式的地層壓力分析方法對其進行地層壓力評價[5][6][7]。根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)情況，在評價過程中分別使用dc指數(shù)、地層電阻率、地層聲波時差這3條曲線進行地層孔隙壓力的量化。

3. 地層孔隙壓力分析

以T區(qū)塊的3口井T1井、T2井、T3井對T區(qū)塊的地層孔隙壓力狀況進行分析，分析數(shù)據(jù)情況如表1所示。

Table 1. The statistics of parameter analysis表1. 分析參數(shù)統(tǒng)計表

3.1. T1井地層孔隙壓力分析

T1井為T區(qū)塊上的一口探井，井型為直井，地層孔隙壓力分析結(jié)果見圖1。從鉆穿井深2240 m處的薄層碳酸鹽巖后進入頁巖目的層。從壓力分析情況來看，地層在井深1880 m之前為靜水壓力，在井段1880～2250 m地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)總體呈上升趨勢，局部呈現(xiàn)跳躍狀的壓力高值判斷為巖性和壓力共同作用所致；在井段2250～2365 m地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)趨于穩(wěn)定，其梯度范圍為1.50～1.60 g/cm3，在井段2365～2510 m地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)升至本井最高壓力，梯度范圍為1.93～2.03 g/cm3，在井深2510 m地層孔隙壓力開始下降。

該井實鉆中未進行隨鉆地層壓力監(jiān)測作業(yè)，因此鉆井液密度的選擇依據(jù)主要為鉆前設(shè)計，并依據(jù)實鉆情況進行調(diào)整。實鉆中使用的鉆井液最大密度為1.43 g/cm3，頁巖井段井壁穩(wěn)定無掉塊，由此判斷T1井目的層頁巖段最大坍塌壓力(當(dāng)量密度)為1.43 g/cm3。鉆進過程中目的層全烴背景值較高，為3%～10%，局部達(dá)到60%～90%。最終順利鉆至設(shè)計井深完鉆。

3.2. T2井地層孔隙壓力分析

T2井也為T區(qū)塊上的一口探井，井型為直井，地層孔隙壓力分析結(jié)果見圖2。從鉆穿井深2080 m處的砂巖層后進入頁巖目的層。從壓力分析情況來看，地層在井深 1700 m之前為靜水壓力，在井段1700～2110 m地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)總體呈上升趨勢，梯度值最高升至1.35 g/cm3；在井段2110～2320 m地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)穩(wěn)定上升，其梯度值最高升至1.94 g/cm3，之后地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)在高位波動，最高升至2.00 g/cm3。

Figure 1. The diagram of formation pore pressure analysis in Well T1圖1. T1井地層孔隙壓力分析圖

Figure 2. The diagram of formation pore pressure analysis in Well T2圖2. T2井地層孔隙壓力分析圖

該井實鉆中未進行隨鉆地層壓力監(jiān)測作業(yè)，因此鉆井液密度的選擇依據(jù)主要為鉆前設(shè)計，并依據(jù)實鉆情況進行調(diào)整。實鉆中目的層頁巖段使用的鉆井液最大密度為1.42 g/cm3，頁巖井段井壁穩(wěn)定無掉塊，由此判斷T2井目的層頁巖段最大坍塌壓力(當(dāng)量密度)為1.42 g/cm3。最終順利鉆至設(shè)計井深完鉆。

3.3. T3井地層孔隙壓力分析

T3井為T區(qū)塊上的一口水平井，地層壓力分析結(jié)果見圖3。從井深2080 m開始側(cè)鉆，在垂深2120 m進入頁巖目的層。分析表明地層從垂深1570 m處開始出現(xiàn)壓力異常，至垂深1880 m地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)梯度升至1.50 g/cm3。在井段1880～2080 m地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)梯度穩(wěn)定在1.46～1.52 g/cm3。從垂深2040 m至井底地層孔隙壓力(當(dāng)量密度)逐漸升高，在最大垂深2416 m梯度值達(dá)到最大的2.01 g/cm3。

Figure 3. The diagram of formation pore pressure analysis in Well T3圖3. T3井地層孔隙壓力分析圖

該井實鉆中未進行隨鉆地層孔隙壓力監(jiān)測作業(yè)，因此鉆井液密度的選擇依據(jù)主要為鉆前設(shè)計，并依據(jù)實鉆情況進行調(diào)整。實鉆中目的層頁巖段使用的鉆井液最大密度為2.04 g/cm3，頁巖井段井壁穩(wěn)定無掉塊，由此判斷T3井目的層頁巖段最大坍塌壓力(當(dāng)量密度)為2.04 g/cm3。最終順利鉆至設(shè)計井深完鉆。

4. 鉆井過程安全分析及技術(shù)措施建議

4.1. 地層流體侵入風(fēng)險分析

在頁巖段目的層，地層巖性為一大套巖性較為均一的頁巖，地層流體侵入井筒的風(fēng)險較小，原因包括：①從頁巖的核磁共振結(jié)果看，頁巖的孔隙度為5%～8%，其中的地層流體以束縛流體為主，可動流體占比很小(見圖4)；②連續(xù)的鉆井取心證實目的層頁巖段缺少有效裂縫，肉眼可見裂縫均為方解石脈充填；③頁巖滲透率低，開發(fā)頁巖氣時一般均采用壓裂工序以提高采收率；④實鉆中，T1井、T2井均以大大低于孔隙壓力的鉆井液密度完鉆，并無溢流事件發(fā)生，只是背景氣較高，在T3井水平段實鉆過程中，鉆井液密度為2.01 g/cm3時觀察到一次液面上漲0.61 m，關(guān)井未見壓力，表明氣體能量較低，之后提高密度至 2.03 g/cm3卻發(fā)生井漏，表明鉆井液密度窗口較小，過高的鉆井液密度對鉆井造成了較大的井下風(fēng)險。綜上所述，判斷在目的層頁巖段地層流體侵入井筒風(fēng)險較小。

Figure 4. The NMRτ2spectra of shale圖4. 頁巖實測核磁共振τ2譜圖

4.2. 井壁穩(wěn)定性分析

實鉆表明T1井、T2井的最大坍塌壓力(當(dāng)量密度)為1.43 g/cm3。而相同區(qū)塊下直井與水平井之間的坍塌壓力有著一定的關(guān)聯(lián)，水平段坍塌壓力值比直井段塌壓力值大[1][2][3][4]，最大差值為0.30 g/cm3(見圖5)。由此計算T區(qū)塊目的層水平段頁巖的最大坍塌壓力(當(dāng)量密度)為1.73 g/cm3，考慮到可能的誤差，將此值附以10%的安全系數(shù)，得到頁巖層在水平段的最大坍塌壓力(當(dāng)量密度)為1.90 g/cm3。

Figure 5. The sloughing pressure changing with well deviation angle and azimuth圖5. 坍塌壓力隨井斜角與方位角的變化規(guī)律

4.3. 技術(shù)措施建議

鉆后分析表明直井T1井和T2井是以欠平衡方式完成了鉆井作業(yè)，直井坍塌壓力(當(dāng)量密度)最大值為1.43 g/cm3，由此判斷水平井段的坍塌壓力(當(dāng)量密度)最大值為1.90 g/cm3，考慮到之前的水平井段實鉆鉆井液密度均為2.0 g/cm3左右，因此，為安全起見，在對水平井段已經(jīng)附加了10%安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，再與實鉆鉆井液密度為2.0 g/cm3的相比較，取二者中間值，即1.95 g/cm3作為鉆探T區(qū)塊水平段頁巖建議使用的鉆井液密度，該密度比孔隙壓力(當(dāng)量密度)梯度低約0.05 g/cm3，同時實鉆中應(yīng)用此密度時應(yīng)配制部分高密度鉆井液備用，并做好井況監(jiān)測、井場通風(fēng)及熱工作業(yè)控制等。

5. 結(jié)語

在鉆井作業(yè)中，安全鉆進無疑是重中之重，但若能以現(xiàn)有的技術(shù)為基礎(chǔ)，在確保井下安全的同時盡可能地提高鉆井效率，同時降低鉆探成本，則這種作業(yè)方法是值得去嘗試的。筆者通過對T區(qū)塊頁巖層的地層孔隙壓力和坍塌壓力的狀況進行深入的分析，找到了使用欠平衡方法進行鉆進的理論和實踐依據(jù)，并對井下安全進行了分析，是一個兼顧鉆井效率和井下安全的作業(yè)方案。

References)

[1]譚強, 鄧金根, 張勇, 等. 各向異性地層定向井井壁坍塌壓力計算方法[J]. 斷塊油氣田, 2010, 17(5): 608-610.

[2]劉之的. 不同地應(yīng)力條件下定向井地層坍塌壓力變化規(guī)律分析[J]. 天然氣地球科學(xué), 2010, 21(1): 107-111.

[3]張文波, 周鵬高, 李亞雙, 等. 不同地應(yīng)力場對大斜度井井壁穩(wěn)定規(guī)律的影響[J]. 天然氣技術(shù), 2010, 4(1): 58-60.

[4]袁俊亮, 鄧金根, 李大華, 等. 頁巖儲層微小井眼鉆井坍塌壓力計算方法[C]. 全國博士生學(xué)術(shù)年會, 2012.

[5]王志戰(zhàn), 陸黃生. 異常高壓隨鉆預(yù)測理論與方法[J]. 錄井工程, 2011, 22(3): 37-41.

[6]廖茂林, 武衛(wèi)鋒. 隨鉆地層壓力錄井技術(shù)在鶯瓊盆地的應(yīng)用[J]. 錄井工程, 2005, 16(4): 54-58.

[7]毛敏, 郭東明. 隨鉆地層壓力錄井技術(shù)在高溫高壓井中的應(yīng)用[J]. 錄井工程, 2011, 22(3): 42-46.

[編輯]帥群

The Feasibility Study of Underbalanced Drilling in Shale

Haosheng Wu, Dongming Guo, Pengbo Ni
China-French Bohai Geoservices Co. Ltd., Tianjin

吳昊晟(1975-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事錄井綜合管理工作。

2017年5月30日；錄用日期：2017年6月7日；發(fā)布日期：2017年8月15日

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: May 30th, 2017; accepted: Jun. 7th, 2017; published: Aug. 15th, 2017

文章引用: 吳昊晟, 郭東明, 倪朋勃. 頁巖欠平衡鉆進可行性探討[J]. 石油天然氣學(xué)報, 2017, 39(4): 168-174.

10.12677/jogt.2017.394051