塔里木迪北區(qū)塊深層致密碎屑巖氣損害機理與鉆開方式選擇策略

李 寧， 康毅力， 郭 斌， 閆霄鵬， 晏智航， 王藝鈞， 羅 威

(1中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司油氣工程研究院 2油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué))

近年來，隨著世界范圍內(nèi)油氣勘探的不斷推進(jìn)，深層油氣資源的開發(fā)已成為許多國家擴大油氣儲量的重要途徑[1-3]。其中，對深層碎屑巖油氣藏的勘探，已成為我國油氣工業(yè)未來最重要的發(fā)展方向之一[4]。而深層裂縫性致密油氣藏已成為塔里木盆地油氣勘探開發(fā)的重要對象[5-6]。在塔里木盆地迪北發(fā)現(xiàn)了典型的深層裂縫性碎屑巖氣藏，工區(qū)已完鉆井曾使用水基、油基、氮氣鉆以及氮氣鉆轉(zhuǎn)液體等多種鉆開液體系和工藝，尚未探索出一條適合工區(qū)有效開發(fā)的工程技術(shù)體系，使得區(qū)塊合適的鉆開方式及工藝不明確。迪北區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造運動活躍，煤系地層、深井、高應(yīng)力、高地層壓力條件下，對勘探工程技術(shù)體系與開發(fā)工程技術(shù)體系要求差異顯著，并對當(dāng)前各類先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用提出更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文以工區(qū)工程地質(zhì)特征為基礎(chǔ)，深化認(rèn)識了鉆井及完井過程儲層損害機理。并從油氣勘探開發(fā)技術(shù)要求出發(fā)，考慮全過程儲層保護(hù)觀、工程作業(yè)系統(tǒng)工程觀，明確了不同鉆開方式優(yōu)缺點與技術(shù)關(guān)鍵，形成了適用于工區(qū)的鉆開方式選擇策略。

一、鉆井及完井過程儲層損害機理

1.水相圈閉損害

因損害儲層巖石孔喉致密、毛管壓力高，使得水相圈閉損害成為制約氣藏高效開發(fā)最為嚴(yán)重的儲層損害類型之一。為了進(jìn)一步明確工區(qū)水相圈閉損害程度，開展了水相圈閉損害評價實驗，實驗操作步驟詳見參考文獻(xiàn)[7]。水相圈閉損害評價實驗結(jié)果表明，基塊巖樣液相返排率5.9%～7.4%，水相圈閉損害率93.47%～97.16%，水相圈閉損害強。迪北區(qū)塊儲層孔喉細(xì)微、毛管壓力高、混合潤濕特性以及局部超低含水飽和度，在正壓差或者負(fù)壓差作業(yè)過程中液相極易進(jìn)入儲層。進(jìn)入儲層的液相會繼續(xù)通過自吸作用進(jìn)入儲層的深處。返排時，由于排驅(qū)壓力高，使得侵入孔喉的液相難以返排出來[8]。

2.儲層流體敏感性損害

迪北阿合組共計13塊巖樣流體敏感性評價結(jié)果表明，速敏中等偏弱～強，水敏中等偏弱～中等偏強，鹽敏中等偏強，酸敏中偏弱，堿敏弱～中等偏強。阿合組巖樣黏土礦物中伊利石平均含量高于60%，伊利石的產(chǎn)狀以毛發(fā)狀為主，主要分布在粒間孔、粒間縫等滲流通道的關(guān)鍵位置。流體流動過程中，較大孔隙中的伊利石可能被沖斷，脫落堵塞細(xì)微吼道，誘發(fā)速敏損害。黏土礦物中綠泥石含量較高，易誘發(fā)酸敏損害。迪北阿合組儲層屬煤系地層，酸性沉積環(huán)境，易與堿性工作液發(fā)生反應(yīng)，誘發(fā)堿敏損害。

3.應(yīng)力敏感性損害

采用應(yīng)力敏感系數(shù)法[8]，獲取迪北阿合組基塊巖樣與裂縫巖樣的應(yīng)力敏感性，結(jié)果表明，阿合組巖樣中基塊應(yīng)力敏感性系數(shù)0.64～0.67，應(yīng)力敏感性中等偏強，原地條件下(30 MPa有效應(yīng)力)滲透率0.014 0～0.016 0 mD；裂縫巖樣應(yīng)力敏感程度中等偏強，原地條件下裂縫開度3.2～8.5 μm。

工區(qū)存在正壓差與負(fù)壓差兩種工況，其中正壓差作業(yè)主要包括水基或油基鉆開液鉆進(jìn)過程、壓井過程，負(fù)壓差作業(yè)有氣體揭開儲層過程以及氣井生產(chǎn)過程[9]。正壓差作業(yè)過程中儲層的有效應(yīng)力會進(jìn)一步減小，巖石的滲透率會增大；而負(fù)壓差作業(yè)條件下儲層巖石壓實作用增強，滲透率會進(jìn)一步降低。

水基或油基正常鉆進(jìn)，濾液主要沿基塊孔喉與天然微裂縫濾失；由于工區(qū)巖石應(yīng)力敏感性較強，在壓力激動、正壓差過大或天然微裂縫防漏效果不佳條件下，會誘發(fā)應(yīng)力敏感引起的漏失性的深部損害[10]，因而形成高質(zhì)量濾餅以及裂縫封堵層是水基和油基鉆開儲層的重中之重。

4.固相侵入損害

工區(qū)現(xiàn)場用水基鉆開液固相粒度進(jìn)分析表明，鉆開液D90為39.8 μm。巖心造縫模擬原地有效應(yīng)力實驗法得到的原地條件下裂縫開度在0.001～0.005 mm之間，依據(jù)測井與試井?dāng)?shù)據(jù)獲得的裂縫寬度分布范圍0.06～0.30 mm，根據(jù)漏失數(shù)據(jù)反算出的裂縫寬度可達(dá)1 mm。根據(jù)裂縫封堵的D90原則，原鉆開液D90遠(yuǎn)小于儲層裂縫寬度，無法有效封堵裂縫，將導(dǎo)致鉆井液中的固相在漏失時沿裂縫侵入儲層，引起固相堵塞損害。

鉆開液裂縫封堵層承壓能力評價結(jié)果顯示，鉆開液對縫寬100 μm及以下的裂縫具有較好的封堵能力，對150 μm縫寬的裂縫在7 MPa下失去封堵能力，對縫寬大于200 μm無封堵能力。裂縫封堵層承壓能力不足帶來的重復(fù)性漏失和水泥漿漏失同樣將造成嚴(yán)重的固相侵入損害。此外，氣體鉆井揭開儲層后，近井地帶隨著氣體產(chǎn)出會產(chǎn)生壓力虧空[11]，氣體轉(zhuǎn)液體壓井過程工作液更易發(fā)生漏失損害。

二、工區(qū)的鉆開方式選擇策略

從油氣勘探開發(fā)技術(shù)要求(高效、安全、綠色)出發(fā)，考慮全過程儲層保護(hù)觀、工程作業(yè)系統(tǒng)工程觀，形成了以下適用于工區(qū)的鉆開方式技術(shù)路徑選擇策略：①“戰(zhàn)略層次”，從油氣勘探開發(fā)技術(shù)要求角度出發(fā)，一個好的工程技術(shù)需要滿足安全、高效、綠色的原則；②“戰(zhàn)役層次”，一個好的工程技術(shù)需要遵循全過程儲層保護(hù)觀：必須同時滿足有利于油氣層及時發(fā)現(xiàn)，有利于油氣層準(zhǔn)確評價，有利于油氣層高效開發(fā)；③“戰(zhàn)術(shù)層次”，一個好的工程技術(shù)需要考慮工程作業(yè)系統(tǒng)工程觀：首先必須將本環(huán)節(jié)作業(yè)高質(zhì)量、安全、經(jīng)濟地完成好，不能把上一個環(huán)節(jié)作業(yè)已取得的功效削弱、甚至徹底消除，盡可能為下一個環(huán)節(jié)作業(yè)創(chuàng)造良好的施工(井眼及井周地層)條件，至少不設(shè)置明顯障礙，導(dǎo)致后續(xù)作業(yè)難度增加。

基于鉆開方式技術(shù)路徑選擇策略，從工區(qū)前期鉆井、完井、增產(chǎn)改造及試油試氣工程實踐出發(fā)，系統(tǒng)分析了不同鉆開方式下鉆開液體系的適用性(表1)。

表1 不同鉆開方式下鉆開液體系的適用性

備注：√—有利；○—末涉及或不考慮；×—不利。

氮氣鉆開有利于油氣層及時發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確評價，可預(yù)防固相、液相損害，預(yù)防泥頁巖水化失穩(wěn)，大幅度提高鉆速。氮氣鉆開適用于裂縫發(fā)育的儲層，高壓氣體沖蝕帶來的井控風(fēng)險大，高壓氣體的產(chǎn)出也會誘發(fā)巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[12]。氣體鉆井完井配套工藝有待完善，與后續(xù)作業(yè)銜接困難。氣井安全管理、井下巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性管理、完井及生產(chǎn)管柱完整性管理是氮氣鉆開儲層的技術(shù)關(guān)鍵。

氮氣鉆進(jìn)鉆遇不可控高壓氣層或遇到井下負(fù)責(zé)事故時，需轉(zhuǎn)換為液體完井。氣體鉆開過程會帶來井筒干化，近井地帶含水飽和度較低。且氣體鉆開揭開儲層后，隨著氣體的產(chǎn)出會造成近井地帶壓力虧空。當(dāng)氣體轉(zhuǎn)液體完井時，工作液更易發(fā)生漏失，井筒干濕交替更易失穩(wěn)。氣體鉆開轉(zhuǎn)液體完井儲層損害方式與液體鉆開相同，但損害程度有進(jìn)一步加劇的趨勢。氣體鉆開轉(zhuǎn)液體完井難以為下一個環(huán)節(jié)作業(yè)創(chuàng)造良好的施工(井眼及井周地層)條件，導(dǎo)致后續(xù)作業(yè)難度增加。氣體鉆開轉(zhuǎn)液體完井徹底抵消了氣體鉆開儲層已取得的功效。

油基鉆開液適用儲層類型多樣，預(yù)防泥頁巖水化失穩(wěn)，儲層保護(hù)能力好，利于順利鉆進(jìn)，技術(shù)較為成熟。其缺點為易于發(fā)生漏失性儲層損害，影響固井質(zhì)量，環(huán)保壓力較大。與水基鉆開儲層相同，油基鉆開儲層的技術(shù)關(guān)鍵也是防漏堵漏。

水基鉆開儲層適用儲層類型多樣，成本可控，安全性好，技術(shù)成熟與后續(xù)技術(shù)作業(yè)環(huán)節(jié)銜接緊密。水基鉆開儲層的不足為潛在泥頁巖水化失穩(wěn)，易于漏失，致儲層損害。其技術(shù)關(guān)鍵為形成高質(zhì)量濾餅以及裂縫封堵層，防漏堵漏是水基鉆開儲層的重中之重。水基鉆開儲層以其環(huán)境友好性、低成本以及與后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)優(yōu)良的配伍性，已經(jīng)成為裂縫性碎屑巖氣層鉆開方式的一種可行的選擇。

三、結(jié)論

(1)氣體鉆井有利于油氣層的及時發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確評價，但其配套完井技術(shù)制約了油氣層的高效開發(fā)。

(2)氮氣鉆遇高壓氣層后氣體產(chǎn)出會在近井帶造成壓力虧空，氮氣轉(zhuǎn)液體鉆開過程壓井液漏失引發(fā)的固相、液相損害將嚴(yán)重削弱、破壞甚至徹底消除氣體鉆開已取得的功效。

(3)油基鉆開儲層帶來的高環(huán)保壓力、高成本以及其與后續(xù)測錄井、固井等的不配伍性制約了油基鉆開液的廣泛使用。

(4)水基鉆開儲層以其環(huán)境友好性、低成本以及與后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)優(yōu)良的配伍性，已經(jīng)成為裂縫性碎屑巖儲層鉆開方式的一種可行的選擇。