充氮?dú)忏@井技術(shù)在長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣井的應(yīng)用

曾 光， 代 鋒, 顏 海

1中國(guó)石油西南油氣田分公司開(kāi)發(fā)事業(yè)部 2中國(guó)石油西南油氣田分公司四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 3中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

四川長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，但井漏問(wèn)題突出是制約該區(qū)塊鉆井提速的瓶頸，嚴(yán)重影響了該區(qū)塊頁(yè)巖氣資源的高效開(kāi)發(fā)。相關(guān)學(xué)者針對(duì)井漏形成機(jī)理及解決措施開(kāi)展了大量研究，李大奇等[1]基于井漏動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了井漏機(jī)理分析，賈利春等[2- 3]探究了誘導(dǎo)性裂縫止漏堵漏機(jī)理，提出誘導(dǎo)裂縫止漏和止裂臨界條件。康毅力等[4- 7]分析了低承壓能力地層致漏機(jī)理，建立了不同理論指導(dǎo)下的地層承壓能力強(qiáng)化模型。孟英峰[8- 9]等在把氣體鉆井理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上，建立了一套有效的氣體鉆井適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系，并且開(kāi)發(fā)了與之相應(yīng)的評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)。

目前，長(zhǎng)寧區(qū)塊的井漏研究主要集中在表層嘉陵江組[10- 11]，缺少二開(kāi)飛仙關(guān)-韓家店段井漏嚴(yán)重問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和研究，且上述研究大多不能適用于長(zhǎng)寧區(qū)塊飛仙關(guān)至韓家店組井段的漏層特征。因此，本文基于頁(yè)巖工程地質(zhì)特征，分析了長(zhǎng)寧區(qū)塊?311.2 mm井眼段鉆井技術(shù)難點(diǎn)及相應(yīng)井段漏層特征；研究了適應(yīng)該區(qū)塊鉆井要求的鉆井液配方，通過(guò)軟件開(kāi)展了氮?dú)庾⑷雲(yún)?shù)設(shè)計(jì)，形成了長(zhǎng)寧區(qū)塊?311.2 mm井眼段充氣鉆井的技術(shù)方案。該研究為頁(yè)巖氣藏開(kāi)展氣體鉆井以及防漏治漏研究提供了參考。

1 ?311.2 mm井眼段漏失特征分析

隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)移，地理地貌愈發(fā)復(fù)雜，井下地質(zhì)條件橫向差異較大，井漏損失呈上升趨勢(shì)，長(zhǎng)寧區(qū)塊?311.2 mm井眼長(zhǎng)興組-韓家店頂部鉆井井漏呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化的特點(diǎn)。

1.1 總體表現(xiàn)漏失次數(shù)多，漏失量大

統(tǒng)計(jì)表明，長(zhǎng)寧區(qū)塊109口井?311.2 mm井眼共發(fā)生334次井漏,累計(jì)漏失15.32×104m3，平均單井漏失量1 405.61 m3，平均單井損失時(shí)間7.95 d，累計(jì)損失時(shí)間866.54 d。其中N216H14- 3井采用密度1.32 g/cm3的鉆井液在茅口組段鉆進(jìn)井漏4次，處理復(fù)雜時(shí)間達(dá)到162 h,如圖1所示。

圖1 N216H14- 3井漏失情況圖

1.2 漏失層段多、跨度大

從飛仙關(guān)中下部到韓家店頂部各個(gè)層段均有不同程度的漏失。其中，三疊系飛仙關(guān)組、二疊系茅口組及棲霞組為井漏層段，如表1所示。

表1 長(zhǎng)寧區(qū)塊二開(kāi)各層位井漏情況統(tǒng)計(jì)表

1.3 漏層和氣層并存，復(fù)雜處理難度大

茅口組、棲霞組地層為裂縫-溶洞性特征，是川渝地區(qū)主要的產(chǎn)氣層，長(zhǎng)寧區(qū)塊個(gè)別井在此兩個(gè)層段存在氣層顯示。另外，長(zhǎng)寧區(qū)塊龍?zhí)督M夾煤層，在低密度鉆井液條件下易垮塌。在N209H43- 3井、N209H43- 5井曾經(jīng)嘗試進(jìn)行常規(guī)欠平衡鉆井治漏試驗(yàn)，但由于鉆井液性能不能完全滿足井壁穩(wěn)定要求、部分氣層存在井控風(fēng)險(xiǎn)、相關(guān)配套工藝不夠完善等原因，復(fù)雜局面并未得到根本扭轉(zhuǎn)，效果欠佳。防塌、井控、井漏沖突，致長(zhǎng)寧區(qū)塊?311.2 mm井眼段復(fù)雜處理難度大，漏失問(wèn)題突出尚未形成一套有效解決該地區(qū)井漏問(wèn)題的方法。

2 井漏機(jī)理分析

井漏的發(fā)生與地層漏失壓力、地層破裂壓力和鉆井液動(dòng)壓力有關(guān)，同時(shí)地層中存在著漏失通道和較大的足夠容納漏失液體的空間，此通道的開(kāi)口尺寸應(yīng)大于外來(lái)工作液中固相顆粒的粒徑。影響地層漏失壓力的因素有：地層孔隙壓力、地層天然漏失通道的大小、形態(tài)及漏層厚度、鉆井液的流變性能、漏失層泥餅的質(zhì)量。其中，漏失壓力隨著地層孔隙壓力的增大而增高；地層天然漏失通道的大小及形態(tài)影響鉆井液在漏失通道中的流動(dòng)阻力；鉆井液進(jìn)入漏失通道的阻力隨著鉆井液塑性粘度和動(dòng)切力的增加而增大；漏失壓力隨泥餅質(zhì)量的改善而增高。從圖2長(zhǎng)寧區(qū)塊漏失類型圖可以看出，長(zhǎng)寧區(qū)塊?311.2 mm井眼漏失復(fù)雜中滲透性漏失和失返性漏失差異不大，滲透性漏失共計(jì)144次，失返性漏失共計(jì)115次，主要漏失層為茅口組，其次為飛仙關(guān)組和棲霞組。N216H27- 3井成像測(cè)井結(jié)果顯示該區(qū)塊茅口、飛仙關(guān)、棲霞組發(fā)育有大量的天然裂縫，如圖3所示。由此表明，天然裂縫的良好發(fā)育是造成該區(qū)塊漏失的主要原因。

圖2 長(zhǎng)寧區(qū)塊漏失類型圖

圖3 N216H27- 3井成像測(cè)井圖

另外，長(zhǎng)寧區(qū)塊?311.2 mm井段的龍?zhí)督M含有煤層，而且裂縫發(fā)育，屬于易垮塌層位，地層承壓能力低，堵漏成功率幾率小，復(fù)漏幾率大?，F(xiàn)有橋塞堵漏材料大多由天然植物類材料復(fù)合而成，且易崩解破碎、封門或淺層封堵。同時(shí)，天然植物類堵漏材料易在高溫環(huán)境下發(fā)生高溫變質(zhì)(如碳化、降解等)失去其力學(xué)性能，如核桃殼、麥殼以及纖維等常規(guī)堵漏材料在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下易發(fā)生不同程度的碳化降解軟化的變質(zhì)特征。

采用常規(guī)堵漏方式難以有效治理井漏，堵漏作業(yè)周期長(zhǎng)，鉆井時(shí)效低，因此考慮選用治漏效果更好的充氣鉆井工藝進(jìn)行井漏治理。

3 鉆井工藝技術(shù)研究

針對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊?311.2 mm井眼惡性井漏問(wèn)題，2019年在N216H27- 3井進(jìn)行充氣鉆井治漏，解決了?311.2 mm井眼惡性井漏鉆進(jìn)難題，但充氣鉆井應(yīng)用過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題：充氣鉆井接單根中斷循環(huán)后，恢復(fù)循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，井筒壓力波動(dòng)大，影響治漏和提速效果；循環(huán)罐液面波動(dòng)大，難以判斷井漏、溢流情況；測(cè)斜作業(yè)前需循環(huán)排氣、短起下鉆，耗時(shí)多?；谏鲜鲈?，N216H27- 3井充氣鉆井周期偏長(zhǎng)，達(dá)到了25 d。

3.1 充氣連續(xù)循環(huán)鉆井側(cè)向閥設(shè)計(jì)

側(cè)向閥采用“曲面結(jié)構(gòu)+橡膠密封”方式，具體設(shè)計(jì)思路：閥座具有第一通孔，第一通孔與閥體的中心通道連通，閥座安裝在閥體上，閥板可以通過(guò)回轉(zhuǎn)軸與閥座鉸接，扭簧套裝在回轉(zhuǎn)軸上，扭簧的一端抵壓于閥體上，另一端將閥板抵壓在閥體上，閥板與閥體之間可以形成環(huán)狀密封面，密封效果好，密封性能穩(wěn)定，閥板表面設(shè)置的橡膠層進(jìn)一步增強(qiáng)了閥板與閥體的密封性能(圖4)。該設(shè)計(jì)突破了氣液兩相介質(zhì)高壓密封難題，解決了國(guó)外連續(xù)循環(huán)閥只能用于鉆井液鉆井的局限性。

圖4 充氣鉆井連續(xù)循環(huán)側(cè)向閥密封設(shè)計(jì)示意圖

3.2 充氣連續(xù)循環(huán)鉆井工藝

連續(xù)循環(huán)鉆井工藝主要通過(guò)連續(xù)循環(huán)閥和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，連續(xù)循環(huán)閥安裝在鉆桿間隨鉆具入井，地面控制系統(tǒng)接在流體注入設(shè)備與立管之間，連續(xù)循環(huán)鉆井工藝主要通過(guò)連續(xù)循環(huán)閥和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，連續(xù)循環(huán)閥安裝在鉆桿間隨鉆具入井，地面控制系統(tǒng)接在流體注入設(shè)備與立管之間，氣相和液相作為循環(huán)介質(zhì)分別通過(guò)注氣設(shè)備和泥漿泵進(jìn)入地面控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主循環(huán)通道端口通過(guò)硬管連接至立管，形成控制系統(tǒng)正循環(huán)通道；側(cè)循環(huán)通道端口通過(guò)軟管連接至鉆臺(tái)面，與接入鉆具上的連續(xù)循環(huán)閥相連接，形成控制系統(tǒng)側(cè)循環(huán)通道；控制系統(tǒng)泄壓端口通過(guò)軟管連接至泥漿循環(huán)罐，構(gòu)成控制系統(tǒng)泄壓通道。在鉆井接立柱、起下鉆過(guò)程中通過(guò)倒換正循環(huán)和側(cè)循環(huán)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)不中斷鉆井流體注入，維持井筒連續(xù)循環(huán)狀態(tài)，保持井底及環(huán)空壓力恒定，環(huán)空流體狀態(tài)穩(wěn)定和返出連續(xù)平穩(wěn)，從而極大提高了溢流、卡鉆等復(fù)雜問(wèn)題的應(yīng)對(duì)能力。在鉆井接立柱、起下鉆過(guò)程中通過(guò)倒換正循環(huán)和側(cè)循環(huán)通道實(shí)現(xiàn)不中斷鉆井流體注入，維持井筒連續(xù)循環(huán)狀態(tài)，保持井底及環(huán)空壓力恒定，環(huán)空流體狀態(tài)穩(wěn)定和返出液體連續(xù)平穩(wěn)，極大提高了溢流、卡鉆等復(fù)雜問(wèn)題的應(yīng)對(duì)能力。

3.3 充氣鉆井EM-MWD測(cè)斜工藝

同液相鉆井相比，充氣鉆井大幅加劇了鉆具的振動(dòng)，易造成測(cè)量工具損壞、測(cè)量數(shù)據(jù)失真甚至無(wú)法監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)。因此從徑向、軸向和測(cè)量探管三個(gè)方面對(duì)充氣鉆井用EM-MWD系統(tǒng)進(jìn)行了減振設(shè)計(jì)。

3.3.1 軸向減振壓簧

壓簧配套懸掛器設(shè)計(jì)有二種尺寸。因懸掛短節(jié)內(nèi)部空間有限，壓簧采用矩形彈簧設(shè)計(jì)，以提高其剛度。?165.1 mm壓簧裝入后預(yù)壓縮15 mm，壓緊力420 kg，有效行程±10 mm，壓并力700 kg；?120.7 mm壓簧裝入后預(yù)壓縮15 mm，壓緊力360 kg，有效行程±10 mm，壓并力600 kg。

3.3.2 徑向減振扶正器

扶正器在儀器串中起到徑向扶正減振、各儀器間的機(jī)械結(jié)構(gòu)連接、電氣連接等多重功能，兩端均為4頭美制公螺紋，內(nèi)置公、母滑環(huán)各一個(gè)，可實(shí)現(xiàn)三路電氣連接。中間安裝三片銅基橡膠扶正翅，直徑與殼體相同，不減小流道面積。易沖刷的部分用橡膠保護(hù)，并可方便更換。

3.3.3 高抗振測(cè)量探管

測(cè)量探管內(nèi)部裝有三個(gè)加速度傳感器、三個(gè)地磁傳感器、一個(gè)溫度傳感器、三個(gè)振動(dòng)傳感器，用于角度和振動(dòng)的測(cè)量。為了應(yīng)對(duì)氣體鉆井工況探管增加了振動(dòng)板，上面包括三軸振動(dòng)傳感器、振動(dòng)采集處理電路。電源板改為與之相配的MWD電源板。探管測(cè)量數(shù)據(jù)以FSK制式對(duì)外發(fā)送，幅度±3V，有效距離5 000 m，測(cè)量探管的電氣原理框圖如圖5。

圖5 EM-MWD高抗振測(cè)量探管原理圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況與效果分析

4.1 應(yīng)用井基本情況

N216H14- 5井是長(zhǎng)寧區(qū)塊N216H14平臺(tái)的一口開(kāi)發(fā)井，?311.2 mm井眼段設(shè)計(jì)井深為510～1 568 m，層位從飛仙關(guān)四段至韓家店組頂部。該平臺(tái)前期已完成了N216H14- 3井、N216H14- 4井兩口井的?311.2 mm井眼鉆井作業(yè)。從兩口井?311.2 mm井眼鉆井作業(yè)情況來(lái)看，飛仙關(guān)組采用密度1.05～1.22 g/cm3鉆井液可以正常鉆進(jìn)；長(zhǎng)興-龍?zhí)督M考慮防止煤層垮塌，鉆井液密度提升至1.30～1.38 g/cm3后井下正常；而茅口組—韓家店頂部在2口井中均有不同程度的井漏顯示，其中3井采用密度1.32 g/cm3的鉆井液在茅口組段鉆遇4次井漏，處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)162 h，4井在降低密度至1.2～1.25 g/cm3后，井漏程度有所緩解。根據(jù)2口井實(shí)鉆顯示情況，即井漏嚴(yán)重、井壁穩(wěn)定且地層無(wú)強(qiáng)油氣顯示，N216H14- 5井在?311.2 mm井眼開(kāi)展充氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具備井控條件和必要性。

4.2 漏層壓力與充氣鉆井注入?yún)?shù)設(shè)計(jì)

從已完成了的兩口井N216H14- 3、N216H14- 4實(shí)施情況來(lái)看，井漏集中在茅口組-棲霞組(井段1 100～1 500 m)，對(duì)2口已鉆井實(shí)測(cè)漏層壓力系數(shù)擬合得到的N216H14- 5井的漏層壓力曲線如圖6所示。

圖6 N216H14- 5井預(yù)測(cè)漏層壓力曲線

通過(guò)Signa氣體鉆井鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)軟件，分別以預(yù)測(cè)漏層壓力曲線上限0.85和下限1.10為目標(biāo)循環(huán)當(dāng)量密度進(jìn)行模擬計(jì)算(圖7)，得到了N216H14- 5井推薦注入?yún)?shù),如表3所示。

圖7 N216H14- 5井充氣鉆井模擬計(jì)算

表3 N216H14- 5井推薦注入?yún)?shù)表

4.3 充氮?dú)忏@井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況及效果

4.3.1 井漏程度得到遏制

N216H14- 5井?311.2 mm井眼充氮?dú)忏@井井段1 451～1 742.27 m，進(jìn)尺291.27 m，同N216H14- 3井相比，盡管整體漏失量未減少，但在平臺(tái)漏層壓力系數(shù)最低(0.62)的地質(zhì)條件下，本井實(shí)施充氮?dú)忏@井后漏失速度從24～30 m3/h降低至5～10 m3/h(平均7.9 m3/h)，同比降低67%，復(fù)雜損失時(shí)效降低65%，達(dá)到了預(yù)期的治漏效果(圖8)。

圖8 N216H14- 5井?311.2 mm井眼治漏效果對(duì)比圖

4.3.2 提升了充氣鉆井的時(shí)效

連續(xù)循環(huán)和EM-MWD的應(yīng)用大幅減少了接立柱和測(cè)斜時(shí)間，提升了充氣鉆井時(shí)效。連續(xù)循環(huán)鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)了接立柱、起下鉆連續(xù)循環(huán)，持續(xù)清潔井底，避免因循環(huán)中斷引發(fā)的井下復(fù)雜和事故，同時(shí)避免了充氣鉆井接立柱壓力波動(dòng)，減少了接立柱恢復(fù)鉆進(jìn)的時(shí)間(圖8)，EM-MWD的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)井眼軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保了井身質(zhì)量，分別按照單次接立柱節(jié)約0.5 h(共計(jì)11柱)和單次短起下節(jié)約3 h(共計(jì)3次)計(jì)算，本井分別節(jié)約接立柱和測(cè)斜時(shí)間5.5 h和9 h，充氣鉆井的時(shí)效得到了提升。

4.3.3 初步形成防漏治漏鉆井模式

通過(guò)本井的試驗(yàn)初步形成了上段快速鉆井+中段防塌+下段井漏治理的防漏治漏鉆井模式,即：飛仙關(guān)組采用密度1.2 g/cm3鉆井液進(jìn)行快速鉆進(jìn)，龍?zhí)督M防煤層垮塌提高密度至1.3 g/cm3進(jìn)行鉆井液鉆進(jìn)，進(jìn)茅口組以后逐漸降密度至1.06 g/cm3鉆遇井漏后轉(zhuǎn)為充氣鉆進(jìn)，以確保充氣鉆井能達(dá)到茅一b～棲一a段0.62～0.83壓力系數(shù)的治漏要求。

5 結(jié)論與建議

(1)長(zhǎng)寧區(qū)塊?311.2 mm井眼茅口組-棲霞組井壁穩(wěn)定，不含硫化氫，具備實(shí)施充氣鉆井的實(shí)施條件，下步可在層段繼續(xù)推廣充氣鉆井治漏試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證該區(qū)塊的上段快速鉆井+中段防塌+下段井漏治理的防漏治漏鉆井模式。

(2)EM-MWD和連續(xù)循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用可以大幅提高充氣鉆井時(shí)效，減少井下漏失，減少沉砂卡鉆帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的井眼軌跡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井參數(shù)和鉆具組合的及時(shí)調(diào)整，確保井身質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，建議該兩項(xiàng)技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)配套技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提升充氣鉆井的防漏治漏效果。

(3)長(zhǎng)寧區(qū)塊茅口組-棲霞組漏層壓力系數(shù)還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化充氣鉆井參數(shù)和環(huán)空鉆井流體循環(huán)當(dāng)量密度，確保更好的治漏效果，提高鉆井作業(yè)時(shí)效。