王文立

(中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101）

松南深層火成巖儲層的損害分析與保護技術(shù)

王文立

(中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101）

松南火成巖的儲層特征中石英發(fā)育裂隙,發(fā)育構(gòu)造微裂縫,由于天然氣氣層存在易于移動、易被壓縮,且存在束縛水含量高、低壓敏感性強、高毛管力等特點,導(dǎo)致氣層更容易受到損害,從鉆井取心、測井解釋和有關(guān)的地質(zhì)描述看,深層儲氣層普遍存在著裂隙。在對松南深層儲層物性的認(rèn)識以及實施常規(guī)鉆井技術(shù)下儲層潛在損害方式、損害程度研究的基礎(chǔ)上,研究分析了鉆井、完井等各個階段保護技術(shù)的作用原理,制定了針對性的儲層保護方案。研究實踐表明,同時采用欠平衡鉆井工藝,實施屏蔽暫堵的承壓堵漏方案,采用優(yōu)質(zhì)非滲透鉆井液完井液體系,改善侵入儲層濾液性質(zhì),基本滿足深層勘探鉆井完井過程中保護儲層的技術(shù)需求?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,各項儲層保護措施的實施在保護儲層、地質(zhì)資料需求和勘探發(fā)現(xiàn)等方面取得了良好的效果。

松南火成巖;損害分析;儲層保護;裂縫;承壓堵漏;欠平衡鉆井;低傷害鉆井液;完井

中國石化在松遼盆地南部登記區(qū)(主要是長嶺斷陷和十屋斷陷）有良好的油氣發(fā)育層系,主要由斷陷和坳陷2套地層組成。其深層主要是指登婁庫組(K1d）、營城組(K1yc）、沙河子組(K1sh）和火石嶺組(J3hs）,在深層儲層類型比較豐富,不同層位存在致密砂巖、砂礫巖、火山巖、花崗巖及變質(zhì)巖風(fēng)化殼等多類儲層。隨著中國石化在東北地區(qū)勘探的深入與發(fā)展,以儲層發(fā)現(xiàn)與保護為重點的提高深井鉆井速度技術(shù)成為勘探迫切需要發(fā)展的鉆井技術(shù),隨著深層天然氣的勘探發(fā)現(xiàn)和儲層保護技術(shù)不斷深入,特別是欠平衡鉆井技術(shù)和低傷害鉆井液技術(shù)在松南氣田探井產(chǎn)能上的突破,揭示了長嶺斷陷和十屋斷陷探明天然氣儲量的潛力,保護儲層的鉆井完井技術(shù)對勘探發(fā)現(xiàn)與保護起到了十分重要的作用。

1 火成巖儲層區(qū)域巖石學(xué)特征及儲層特征

1.1 火成巖儲層區(qū)域巖石學(xué)特征

從有關(guān)的地質(zhì)描述、鉆井取心和測井解釋看,松遼盆地南部深層火成巖分布在東西2個斷裂帶上,縱向上主要分布在下白堊系地層的登婁庫組、營城組、沙河子組和侏羅系的火石嶺組?；鹕饺蹘r以玄武巖為主,其次是安山巖和流紋巖,火山碎屑巖以凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r為主,局部有火山灰凝灰?guī)r。其火成巖、致密砂巖存在良好油氣勘探前景。從腰深1井火成巖儲層巖心外觀看,全直徑巖心有長幾厘米至1 m左右的裂縫,基本沿垂直方向伸展,縫內(nèi)半充填或全充填方解石及粘土礦物等(圖1、圖2）。

1.2 火成巖儲層特征分析

通過對長嶺斷陷查干花-達(dá)爾罕構(gòu)造上腰深1井、DB11井,長嶺斷陷東嶺構(gòu)造上SN109井火成巖巖性分析,腰深1井火成巖屬凝灰?guī)r結(jié)構(gòu),DB11井營城組主要巖性為輝綠巖,還有部分安山巖、黑色泥巖。屬于低孔特低滲儲層,用核磁共振儀測試了目的層段內(nèi)巖心的可動流體飽和度12.26%～18185%,可動流體孔隙度0131%～0162%,滲透率為(0104～0125）×10-3μm2。SN109井深3500 m,火成巖巖性為灰色流紋巖,巖石呈斑狀結(jié)構(gòu),斑晶為石英、長石。地層溫度>113℃,地層壓力系數(shù)在0.92～1114之間,地層破裂壓力系數(shù)在1.40～1.95之間。可動流體飽和度13146%,可動流體孔隙度0163%,滲透率為(0.04～0.26）×10-3μm2。如何保證既能平衡壓力系數(shù),又能防止鉆井液大量滲漏污染儲層,是探井迫切解決的技術(shù)難題。

圖1 巖石全貌:發(fā)育構(gòu)造微裂縫,與層大角度斜交或垂直,被鐵質(zhì)全充填

圖2 巖石全貌:發(fā)育構(gòu)造微裂縫,與層大角度斜交或垂直,裂縫中含粘土

2 松南深層儲層的潛在損害因素

2.1 儲層損害潛在因素分析

松南火成巖的儲層特征中由于石英發(fā)育裂隙,發(fā)育構(gòu)造微裂縫,由于天然氣氣層存在易于移動、易被壓縮,且存在束縛水含量高,低壓敏感性強、高毛管力等特點,導(dǎo)致氣層更容易受到損害[4]。

(1）裂縫性儲層的鉆井液綜合損害。液相在氣藏中聚集或滯留是造成氣層損害的主要因素,隨著裂縫寬度的減小,液相損害程度增大;隨著裂縫寬度的增大,固相侵入深度和損害程度增大,鉆井液綜合損害程度增大。從腰深1井FM I圖像上看到了存在的鉆井張性誘導(dǎo)縫;在裂隙性氣藏中,天然氣與地層水對巖石表面潤濕性差異很大,天然氣作為非潤濕相極易流動,而作為潤濕相的水則更易吸附,使得水極易進人大孔道的喉道通道,破壞氣流的連續(xù)性,造成氣體滲透率的嚴(yán)重下降。氣藏滲透率愈低,損害氣層愈嚴(yán)重,應(yīng)將其作為防止儲層傷害的重要方面來考慮。使用水基鉆井液體系,在常規(guī)鉆井條件下,進行的裂縫性儲層損害結(jié)果表明,裂縫性儲層滲透性綜合損害在31.07%～80.47%,其中固相損害在0.08%～64.7%。固相侵入深度在5.2 cm。結(jié)果見表1。

降低常規(guī)鉆井條件下裂縫性損害的主要途徑是提高濾液抑制性、降低濾液表面張力、降低鉆井壓差來降低微裂縫儲層的損害;對于裂縫>50μm的儲層,采用屏蔽暫堵或非滲透鉆井液技術(shù),減小固相損害;采用欠平衡鉆井技術(shù),消除所有因鉆井壓差引起的損害。

(2）普遍存在的漏失性損害。漏失性損害是指在鉆井完井過程中,由于發(fā)生井漏對儲層造成的損害。數(shù)據(jù)表明,中深部儲層地溫梯度在3.0～3.4℃/100m,壓力系數(shù)在0.92～1.14之間,屬正常壓力偏負(fù)壓,鉆井過程中鉆井液漏失較為頻繁,松南地區(qū)固井水泥漿密度一般為1.35～1.64 g/cm3,要大于泥漿密度,注水泥時易發(fā)生漏失,因此鉆井液和水泥漿漏失是儲層潛在的污染因素。

表1 裂縫性氣層鉆井液分項、綜合損害數(shù)據(jù)

腰深1井自青山口發(fā)生漏失,累計漏失44 m3;腰深101井在營城組火山巖地層正常鉆進時,鉆井液密度為1.21 g/cm3,共發(fā)生井漏2次,累計漏失鉆井液119 m3。下完油層套管循環(huán)時,兩次漏失鉆井液80 m3。在處理堵漏過程中,錄井隊儀器顯示全烴值最高達(dá)到飽和狀態(tài)。消除漏失性損害的主要對策是提高鉆井液承壓封堵性、降低鉆井壓差,采取控制起下鉆速度等工藝措施。

(3）在以往探井的勘探過程中,鉆井液柱與地層壓差過大,不利于機械鉆速的提高,從而延長了鉆進時間,因而增加油氣層的浸泡時間,正壓差過大,進入地層的濾失量增加,泥餅增厚,摩擦力增大,容易引起壓差卡鉆等復(fù)雜事故的發(fā)生,這樣既增加了鉆井成本又延長了鉆井液對油氣層的浸泡時間,使油氣層損害程度加深。因此提高鉆井、完井速度對油氣層保護非常有利。

(4）氣井完井方式選擇對儲層保護的影響。氣井壓力損失主要集中在井底附近,氣井完井在選擇完井方式上較油井完井而言要求更高,選擇不當(dāng)將對其損害的影響比油井更大。

2.2 保護油氣層技術(shù)的主要思路

(1）對于該區(qū)域火成巖儲層的油氣層保護要以預(yù)防為主,不該進入的工作液、外來流體和固相,要使之不進入或少進入儲層。必要時采用屏蔽暫堵技術(shù)等,施工作業(yè)時力爭減少井下復(fù)雜情況[5]。

(2）依據(jù)地質(zhì)及儲層物性資料,通過敏感性試驗、流體滲透率評價實驗等優(yōu)選低傷害鉆井液體系。在鉆井液中加入暫堵材料,提高裂縫儲層封堵承壓能力,減少鉆井液侵入氣層的深度,控制污染深度在射孔范圍內(nèi)。進入的流體應(yīng)是與地層配伍性好的、良性的流體。

(3）采用低密度水泥和/或雙級固井工藝技術(shù)可降低環(huán)空液柱壓力與儲層壓力差,實現(xiàn)近平衡壓力固井,可防止注水泥漿和降低水泥漿污染。

3 保護儲層的鉆井完井技術(shù)

3.1 強化油氣層保護的鉆井工藝設(shè)計,使保護儲層貫穿鉆井施工的全過程[1]

從上述油氣層損害的原因和機理來看,鉆井工藝及鉆井完井液技術(shù)對保護油氣層至關(guān)重要,對于探井的油氣層保護要以預(yù)防為主?？碧焦驹诠こ淘O(shè)計的審查中始終將保護油氣層、提高鉆井速度放在重要位置。在施工的所有探井中,欠平衡鉆井工藝、低傷害鉆井液、承壓堵漏系列工藝、低密度固井技術(shù)等保護儲層的措施在各階段得到實施,由于松南深層的復(fù)雜性,通過加強現(xiàn)場監(jiān)督管理,各項措施貫穿鉆井施工的全過程。

3.2 采用欠平衡鉆井工藝技術(shù),發(fā)現(xiàn)與保護儲層

3.2.1 松南深層實施欠平衡鉆井的可行性

在以往松遼盆地的火成巖儲層中,用常規(guī)鉆井方法打開儲層,不但鉆速低、經(jīng)常發(fā)生漏失和卡鉆等事故,更容易造成嚴(yán)重的儲層傷害,開展欠平衡鉆井工藝是一種理想的解決方案。而儲氣層主要成分為甲烷,單層厚度大,且地層較為穩(wěn)定,適合低密度欠平衡鉆井工藝的實施。同時負(fù)壓鉆進,使井底巖石三相應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化,減少了壓持效應(yīng),縮短鉆井周期,從而有效地保護儲氣層。

3.2.2 低傷害鉆井完井液體系的應(yīng)用

針對松南深層地質(zhì)特點,應(yīng)用了多套滿足欠平衡工藝鉆井液體系:低密度聚合醇防塌鉆井液(最低密度1.03 g/cm3,在腰深1井應(yīng)用）,有效降低鉆井液濾失量,提高了滲透率恢復(fù)率;穩(wěn)定性強的水包油鉆井液(最低密度0.90 g/cm3,在梨深1井應(yīng)用）,改變了濾液和連續(xù)相的性質(zhì),可實現(xiàn)活度平衡,消除了敏感性礦物的損害;低密度非滲透防塌鉆井液(最低密度1.03 g/cm3,在腰深102井、腰南1井應(yīng)用）,在裂縫性儲層,由于無滲透鉆井液在井壁快速形成的無滲透膜能有效封堵不同滲透性地層和微裂縫地層,從而避免了鉆井液、固相和濾液對油氣層的損害,保持了油氣層原始物性,該技術(shù)有利于對地下情況不了解的探井的油氣發(fā)現(xiàn)和保護。

3.2.3 欠平衡鉆井的完井保護措施

欠平衡鉆井最終的效果如何,完井保護至關(guān)重要,有關(guān)研究表明,完井方式選擇不當(dāng),所造成的儲層傷害比用常規(guī)鉆井方式還要嚴(yán)重。所以完鉆后,起鉆前要注入完井保護液對儲層進行保護。對于水基鉆井液應(yīng)結(jié)合非滲透完井壓井液等裂縫保護工藝技術(shù),通過在地層裂隙表面形成滲透率近于零的封堵性濾餅,以阻止過平衡條件下入井流體連續(xù)地反向吸人地層效應(yīng)。

3.3 采用優(yōu)質(zhì)鉆井完井液體系[5],實現(xiàn)對儲層的保護

3.3.1 鉆井液改性及保護油氣層措施

鉆井液是儲層保護系統(tǒng)工程的第一個重要環(huán)節(jié)。保護油氣層的鉆井液及濾液改性的措施途徑方法:(1）選用對油氣層損害小的鉆井液處理劑,調(diào)整鉆井液無機離子種類,使之與地層水離子種類相似,提高礦化度達(dá)到臨界礦化度以上;(2）降低鉆井液中固相含量,特別是亞微米粒子含量[6];(3）調(diào)整固相粒子級配,根據(jù)油層孔喉半徑選擇粒徑與之相當(dāng)?shù)膭傂粤Ｗ幼鳂蛉Ｗ?配合使用非滲透材料;(4）改善泥餅質(zhì)量,降低鉆井液濾失量,特別是高溫高壓濾失量。

3.3.2 鉆井液體系的儲層保護分析

目前,油田主要使用聚合物鉆井液體系、兩性復(fù)合離子聚合物及正電膠鉆井液等鉆井液體系,應(yīng)該說這些鉆井液體系在松南地區(qū)鉆井中發(fā)揮了重要作用。但也應(yīng)指出,這些鉆井液體系均有不足。兩性復(fù)合離子聚合物鉆井液穩(wěn)定井壁能力較差,巖心滲透率恢復(fù)值不高;油基鉆井液成本高且污染環(huán)境,同時需要高成本的固井洗井液。對松南深層勘探使用的幾種鉆井液體系的損害模擬評價數(shù)據(jù)表明:普通兩性離子鉆井液由于固相含量容量高,特別是亞微米粒子含量大,對儲層的滲透性損害較大,滲透率恢復(fù)率達(dá)55.07%,油包水鉆井液對儲層的滲透性損害較小,滲透率恢復(fù)率達(dá)89.94%;非滲透鉆井液在井壁快速形成的無滲透膜能有效封堵不同微裂縫,有利于井眼穩(wěn)定,并降低了鉆井壓差,對儲層的滲透性損害較小,滲透率恢復(fù)率達(dá)88.9%,可有效提高近平衡鉆井對儲層的綜合保護效果。

3.3.3 使用低密度鉆井液實現(xiàn)近平衡鉆井,有利于發(fā)現(xiàn)和保護油氣層

3.3.3.1 鉆井壓差與保護儲層損害的關(guān)系

不同鉆井壓差對儲層的侵入深度損害結(jié)果見圖3。實驗數(shù)據(jù)表明,在其它條件不變情況下,隨著壓差的增大,損害深度增加。外推至1600 h,5.0 MPa壓差的損害深度比1.0 MPa的損害深度增加27～31 cm,比3.0 MPa的損害深度增加9～12 cm,由此可見平衡鉆井對減少鉆井液損害深度是十分必要的。

圖3 鉆井壓差對儲層巖心損害深度實驗曲線

3.3.3.2 近平衡鉆井與保護儲層的關(guān)系

在腰深102井進行的鉆井液密度與氣測后效值關(guān)系試驗結(jié)果表明,在鉆至3769.7 m的儲層時,鉆井液密度為1.19 g/cm3,氣測全烴值由0.354%上升至1.369%,至溢流發(fā)生前,共起下鉆3次,每次下鉆到底測后效,后效全烴值均在90%以上,鉆遇井深3793.5～3798 m顯示層后,3797～3810 m井段氣測全烴值多在0.154%～0.323%之間,下鉆循環(huán)觀測,全烴最高達(dá)70%,降低鉆井液的密度有利于氣層的發(fā)現(xiàn)。

3.4 優(yōu)化無污染的儲層防漏堵漏技術(shù)

3.4.1 現(xiàn)場應(yīng)用采取的防漏措施

松南深層的儲層井漏制約著鉆探正常施工,若產(chǎn)層存在噴漏同層時,則鉆探施工難度更大,找出井漏的原因,提出防漏堵漏的承壓堵漏工藝,達(dá)到保護油氣層的目的。

(1）在地層壓力較穩(wěn)定的淺井,采取平衡壓力鉆井,使用好泥漿固控設(shè)備,控制泥漿的固相含量,防止壓差井漏的發(fā)生。

(2）在中深井使用不分散低固相聚合物鉆井液配合使用隨鉆堵漏工藝,鉆井液流變性能要穩(wěn)定,防止因粘切過高壓漏產(chǎn)層,控制鉆井液的密度,提高鉆井液對泥頁巖抑制性,防止壓漏產(chǎn)層。

(3）一旦發(fā)生油、氣水浸,壓井時要把所需的鉆井液密度計算準(zhǔn)確,防止人為壓漏地層。

(4）對火山巖裂縫性產(chǎn)層的漏失,鉆進到界面前,最好采用下技術(shù)套管保護下部的油氣層。對有可能發(fā)生裂縫性漏失的產(chǎn)層應(yīng)使用低密度的非滲透完井液,固井施工前通過承壓堵漏工藝提高地層的流體承載能力,既保證了井下安全和固井質(zhì)量,又保護了儲層不受大的傷害。

3.4.2 現(xiàn)場承壓堵漏實例

3.4.2.1 腰深1井流體承載能力的抗壓防漏

腰深1井自青山口-營城組頂部油氣異常地層36層均具有漏失風(fēng)險隱患。在井深2360～2362 m坐崗觀察發(fā)現(xiàn)泥漿罐液面下降10 m3,發(fā)生井下漏失,在鉆井液中加入2 t隨鉆屏蔽暫堵劑,鉆井液密度由1.22 g/cm3降至1.21 g/cm3,漏失得到基本控制,在以后的鉆井中始終保持屏蔽暫堵劑的有效含量,在鉆至儲層也是漏層時,未發(fā)現(xiàn)漏失現(xiàn)象。為保護儲層不受傷害,提高固井質(zhì)量,固井前作低壓、低滲、低孔儲層的流體承載能力的抗壓防漏試驗,在現(xiàn)有鉆井液中加入復(fù)合暫堵劑達(dá)到性能后:調(diào)整密度由1.26→1.28→1.30→1.32→1.34→1.36 g/ cm3,按循環(huán)周加重,直至達(dá)到鉆井液密度為1.37 g/ cm3不漏為止。直至完井順利,固井質(zhì)量合格。該井加入復(fù)合防漏材料后,既保證了井下安全和固井質(zhì)量,又保護了儲層不受大的傷害,值得推廣應(yīng)用。

3.4.2.2 腰深101井井下漏失及預(yù)堵情況

腰深101井分別在井段3704.33、3839.46 m發(fā)生井漏,漏速32.53 m3/h,起鉆至套管內(nèi)靜堵(加入堵漏劑8 t、靜堵漏失41 m3、漏速3.94 m3/h）下鉆循環(huán)堵漏,配好高粘度泥漿20～30 m3封閉井底及裸眼井段,同時配制4%堵漏泥漿進行全井隨鉆堵漏。及時配膠液來補充鉆井液量的減少和漏失,這樣在裂縫性漏失也起到了更好的封閉暫堵作用,按上述步驟采取綜合治理,堵漏成功。由于地層壓力不能滿足固井施工的需要,在開始固井前,做好預(yù)堵漏工作,配制10%的堵漏漿40 m3,加堵漏材料4 t,注入堵漏漿30 m3封閉裸眼井段進行靜止承壓預(yù)堵,再次進行承壓測試,通過采用綜合承壓堵漏治理,固井施工順利進行。對于探井的裂縫型滲透性漏失,綜合承壓堵漏工藝是比較合適的方法,既能保護儲層不受永久性傷害,又能防止固井作業(yè)對產(chǎn)層的損害,也保證了固井質(zhì)量。

4 認(rèn)識與建議

(1）松南深層火成巖裂縫性儲層的鉆井液綜合損害、液相在氣藏中聚集或滯留是造成氣層損害的主要因素。

(2）松南深層的儲層井漏制約著鉆探正常施工,找出井漏的原因,提出防漏堵漏的承壓堵漏工藝,達(dá)到保證井下安全和固井質(zhì)量,又保護了儲層不受大的傷害。

(3）鉆井完井保護技術(shù)應(yīng)用類別應(yīng)兼顧勘探目的的實現(xiàn)、資料的需求以及勘探投資承受能力選擇,建議重點發(fā)現(xiàn)井選擇欠平衡保護技術(shù),一般預(yù)探井和評價井選擇應(yīng)用近平衡保護技術(shù),并根據(jù)環(huán)保要求和鉆井液體系的密度適用范圍,選擇相應(yīng)的鉆井液體系。

[1] 樊世忠,鄢捷年,周大晨,等.鉆井液完井液及保護油氣層技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1993.

[2] 賈鎖紅.石油鉆井工程現(xiàn)場監(jiān)督工作淺談[J].西部探礦工程, 2006,(12）.

[3] 孔凡,等.松遼盆地北部深層天然氣勘探鉆井技術(shù)[J].中國石油勘探,2004,34(4）:38-42,60.

[4] 沈宗約,等.大慶油田鉆井過程油氣層保護研究及應(yīng)用[A].大慶油田發(fā)現(xiàn)40年論文集[C].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[5] 趙素麗,常連玉,肖超,等.超低侵害油氣層保護劑NPL-2的研制及應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2009,26(6）:13-16.

[6] 王尤富,付利琴,賴必智.注入水中的固相顆粒與儲層損害關(guān)系的試驗研究[J].石油天然氣學(xué)報,2009,31(9）:143-151.

Analysis on the Deep Igneous Reservoir Damage in Songnan and the Protection Technology

WANGW en2li(Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100101,China）

Based on the knowledge for deep reservoir physical property in Songnan and the potential damage pattern&de-gree with conventional drilling technology,analysiswasmade on action principles of protection technologies ofwell drilling and completion in each stage and the corresponding reservoir protection schemeswere made.Research practices show that the technology requirement of reservoir protection are satisfied in well drilling and completion through the pressure sealing with temporary shieldingplugging by underbalanced drilling and the improvementon the property of filtrate invaded reservoir with high quality non2invasive drilling fluid and completion fluid system.

Songnan igneous;damage analysis;reservoir protection;fracture;pressure sealing;underbalanced drilling; low damage drilling fluid;well completion

TE242;TE258

:A

:1672-7428(2010）05-0005-05

2010-03-18

中國石化科技部項目“松遼盆地南部斷陷層勘探目標(biāo)與技術(shù)研究(P06020）”部分研究成果

王文立(1966-）,女(漢族）,山東濟南人,中國石化石油工程技術(shù)研究院高級工程師,石油工程專業(yè),碩士,從事石油工程科技管理工作,北京市朝陽區(qū)北辰東路8號北辰時代大廈10層1016-1。