陶 冶 廖新偉

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 （北京 100083）

2.中國石油西部鉆探工程有限公司部 鉆井工藝研究院 （新疆 克拉瑪依 834000)

火山巖氣藏全過程欠平衡鉆井技術(shù)

陶 冶1廖新偉2

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 （北京 100083）

2.中國石油西部鉆探工程有限公司部 鉆井工藝研究院 （新疆 克拉瑪依 834000)

針對(duì)石炭系火山巖氣藏在勘探開發(fā)過程中遇到的鉆井難題，結(jié)合2007～2008年新疆油田欠平衡鉆井取得的成果，提出在石炭系火山巖地層采用全過程欠平衡鉆井技術(shù)，能有效利用全過程欠平衡鉆井技術(shù)優(yōu)勢解決石炭系火山巖氣藏地層采用常規(guī)鉆井技術(shù)出現(xiàn)的井漏、儲(chǔ)層保護(hù)難度大、機(jī)械鉆速低、井控風(fēng)險(xiǎn)大等開發(fā)難題，并針對(duì)石炭系火山巖地質(zhì)特征提出相應(yīng)全過程欠平衡鉆井技術(shù)措施。

全過程欠平衡鉆井 不壓井起下鉆 井下套管閥 火山巖氣藏

近幾年來,先后在新疆準(zhǔn)噶爾盆地陸東-五彩灣地區(qū)石炭系、滴南凸起石炭系獲得系列重大勘探發(fā)現(xiàn)。彩55井獲工業(yè)油氣流。滴中1井、陸東1井在石炭系地層獲良好油氣顯示,天然氣勘探獲重大突破。

陸東-五彩灣地區(qū)主要地質(zhì)特征為：石炭系大量發(fā)育中、基性火山巖。陸東-五彩灣地區(qū)火山巖地層不僅裂縫發(fā)育，且受沉積環(huán)境的影響，各種孔洞也較發(fā)育，存在有裂縫--孔隙雙重儲(chǔ)集空間的特點(diǎn)。

1 準(zhǔn)噶爾盆地石炭火山巖氣藏勘探開發(fā)難點(diǎn)

1.1 儲(chǔ)層保護(hù)困難

石炭系火山巖地層多為低壓低滲，且地層本身裂縫、孔洞較為發(fā)育，對(duì)鉆井過程中影響儲(chǔ)層傷害程度的工程因素更加敏感。

采用常規(guī)鉆井技術(shù)，在正壓差作用下，鉆井濾液以及固相顆粒一旦進(jìn)入儲(chǔ)集層中，會(huì)對(duì)本身低壓低滲且裂縫、孔洞發(fā)育的石炭系火山巖地層造成嚴(yán)重的儲(chǔ)層傷害(見圖1)。進(jìn)入儲(chǔ)層孔道和裂隙的固相顆粒堵塞會(huì)導(dǎo)致侵入帶地層滲透率降低，影響油氣發(fā)現(xiàn)以及油氣產(chǎn)量，增加后期地層改造費(fèi)用；鉆井濾液與儲(chǔ)層巖石不配伍會(huì)誘發(fā)水敏、鹽敏、堿敏、潤濕反轉(zhuǎn)、表面吸附等儲(chǔ)集層潛在傷害，鉆井濾液與地層流體不配伍會(huì)誘發(fā)儲(chǔ)層油氣通道的無機(jī)鹽沉淀、水鎖、乳化堵塞等。且石炭系火山巖地層壓力與漏失壓力十分接近，當(dāng)鉆井液柱壓力超過地層破裂壓力或鉆井液在儲(chǔ)集層中的流動(dòng)阻力時(shí)，就有井漏的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 儲(chǔ)層傷害示意圖

1.2 非生產(chǎn)時(shí)率高

2004年以來，對(duì)陸東已完井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，事故時(shí)率為1.1%，復(fù)雜時(shí)率為5.6%。其中井漏損失時(shí)間占全部事故、復(fù)雜時(shí)間的79%。隨著火山巖勘探井?dāng)?shù)量的增多，井漏問題在鉆井過程中尤顯突出。造成井漏因素很多，其主要原因有：一是同一地層本身地層壓力與漏失壓力十分接近，安全鉆井密度窗口窄；二是地層本身裂縫、孔洞較為發(fā)育，在準(zhǔn)噶爾盆地鉆井的漏失問題，尤其以陸東-五彩灣地區(qū)最為突出，嚴(yán)重制約了鉆井速度，影響了勘探進(jìn)程。

1.3 井控風(fēng)險(xiǎn)大

采用常規(guī)鉆井井口裝置,在氣井中進(jìn)行起下鉆作業(yè),起鉆過程中井控風(fēng)險(xiǎn)大。若進(jìn)行壓井作業(yè),易對(duì)裂縫性-孔洞發(fā)育的石炭系儲(chǔ)層造成極大地傷害。

1.4 機(jī)械鉆速低

準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起克-烏斷裂帶石炭系地層機(jī)械鉆速低，火成巖類，包括安山巖、玄武巖等巖石堅(jiān)硬，機(jī)械鉆速極低（最低0.4m/h），鉆頭損壞嚴(yán)重；陸東地區(qū)已鉆井石炭系地層埋深2 722～4 310m，巖性主要由火山巖和火山碎屑巖、安山巖、玄武巖組成，可鉆性級(jí)值在8級(jí)以上。石炭系地層鉆進(jìn)速度慢，鉆頭損壞嚴(yán)重。

2 全過程欠平衡鉆井技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢

針對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地石炭火山巖氣藏勘探開發(fā)過程中出現(xiàn)的以上鉆井難點(diǎn)，可采用全過程欠平衡鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣藏、防止井漏、降低井控風(fēng)險(xiǎn)、有限提高機(jī)械鉆速的目的。全過程欠平衡鉆井是指從鉆井到完井的各個(gè)環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)欠平衡的一種鉆完井方式。該技術(shù)的優(yōu)勢：

（1）實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆進(jìn)過程中“邊噴邊鉆”，降低了鉆井過程中鉆井液對(duì)地層的傷害，有效的防止鉆井過程中井漏的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣藏的目的。

（2）實(shí)現(xiàn)全過程欠平衡鉆井，以往欠平衡鉆井起下鉆需壓井后方能進(jìn)行起下鉆作業(yè)，而全過程欠平衡鉆井在起下鉆過程中無需進(jìn)行壓井作業(yè)，與以往欠平衡鉆井相比，減少了起下鉆過程中鉆井液對(duì)地層的傷害。

（3）實(shí)現(xiàn)了欠平衡完井，常規(guī)欠平衡鉆井后若仍采用傳統(tǒng)方法壓井、固井完井，勢必對(duì)產(chǎn)層造成一定程度的傷害，導(dǎo)致產(chǎn)能下降，從而降低欠平衡鉆井的綜合效益。而全過程欠平衡鉆井可進(jìn)行不壓井下入完井管柱，降低完井過程中鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。目前，全過程欠平衡完井方式包括裸眼完井、帶壓射孔完井以及利用套管閥下篩管完井。

針對(duì)石炭系火山巖氣藏，采用全過程欠平衡鉆井技術(shù)解決常規(guī)鉆井過程中出現(xiàn)的難點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其地質(zhì)概況、儲(chǔ)層物性了解的基礎(chǔ)上優(yōu)化技術(shù)措施，提出解決準(zhǔn)噶爾盆地石炭火山巖氣藏勘探開發(fā)過程中出現(xiàn)的鉆井難點(diǎn)的全過程欠平衡鉆井技術(shù)對(duì)策。

3 火山巖氣藏全過程欠平衡鉆井技術(shù)對(duì)策

3.1 選擇合理欠壓值是欠平衡鉆井的核心

根據(jù)石炭系地層的三壓力分布情況，設(shè)計(jì)欠壓值。然后對(duì)井口旋轉(zhuǎn)防噴器壓力進(jìn)行校核，并對(duì)地面處理設(shè)備處理能力進(jìn)行分析，確定預(yù)設(shè)欠壓值設(shè)計(jì)合理性。并根據(jù)設(shè)計(jì)欠壓值確定合理的欠平衡鉆井液密度。

3.2 井下套管閥（DDV）的應(yīng)用是全過程欠平衡作業(yè)的硬件基礎(chǔ)

該裝置是一個(gè)隨上一層套管下入井下的可根據(jù)需要進(jìn)行開關(guān)控制從而將井筒分割成上下兩部分的閥體。當(dāng)其在開啟狀態(tài)時(shí)，其通徑與套管一致，可進(jìn)行正常的作業(yè)；當(dāng)其在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，它把井筒分成了上下兩部分，欠平衡狀態(tài)時(shí)地層壓力不會(huì)傳到井口，井口可以敞開進(jìn)行正常作業(yè)。其開關(guān)是在地面由液壓進(jìn)行控制的。在起下鉆施工前，先進(jìn)行循環(huán)洗井，盡量減少環(huán)空鉆井液柱中的天然氣含量，使井底壓力達(dá)到近平衡狀態(tài)（見圖2）。

圖2 井下套管閥壓力控制原理圖

3.3 全過程欠平衡鉆井技術(shù)措施

3.3.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

石炭系地層上部石炭系頂部存在風(fēng)化殼、破碎帶等不穩(wěn)定地層，要求實(shí)施欠平衡鉆井井段的上層套管下入目的層頂界，封固上部不穩(wěn)定地層。

3.3.2 全過程欠平衡鉆井技術(shù)措施

（1）鉆遇氣層：應(yīng)及時(shí)確定實(shí)際的地層壓力，并依據(jù)實(shí)測地層壓力確定合理的鉆井液密度，并密切關(guān)注氣測全烴值、返出口情況以及立壓、套壓、出口液量、氣量等值變化，合理控制好節(jié)流閥的開啟度，燃燒管線出口保持常明火源，以保證儲(chǔ)層段欠平衡鉆進(jìn)的安全順利實(shí)施。

（2）鉆遇破碎帶：可能帶來卡鉆的危險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)上、下活動(dòng)鉆具循環(huán)觀察，同時(shí)這種情況下將導(dǎo)致井筒內(nèi)巖屑增加，增加節(jié)流管匯堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)監(jiān)視節(jié)流管匯以及返出情況，及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，鉆穿破碎帶后，可考慮采用注水泥或是下入膨脹管等技術(shù)措施封固不穩(wěn)定地層，以便于下部井段欠平衡鉆井安全順利進(jìn)行。

（3）鉆遇高壓水層：應(yīng)先鉆穿含水地層后，采取注水泥或是下入膨脹管等技術(shù)措施封固含水地層，保證下部欠平衡鉆井安全順利實(shí)施。

（4）由于全過程欠平衡鉆井技術(shù)采用井下封井器配合欠平衡鉆井井口控制裝置，提鉆前，首先節(jié)流循環(huán)，進(jìn)一步減少井底壓力與地層壓力差值，實(shí)現(xiàn)井底壓力近平衡狀態(tài)。

（5）目的層段起下鉆要平穩(wěn)，防止抽汲引發(fā)壓力激動(dòng)等復(fù)雜情況，當(dāng)鉆頭起下至套管鞋、井下封井器及井口時(shí)，應(yīng)注意提下鉆速度。

（6）盡可能縮短關(guān)井時(shí)間。

4 全過程欠平衡鉆井技術(shù)推廣應(yīng)用及效果分析

近年來，圍繞“油氣發(fā)現(xiàn)和保護(hù)、提高鉆井速度、解決鉆井難題”的目的，積極開展欠平衡鉆井適應(yīng)性分析，在陸東、五彩灣和紅車探區(qū)火山巖地層探索應(yīng)用了包括液相全過程欠平衡、泡沫流體欠平衡、空氣鉆井等多種形式的欠平衡鉆井技術(shù)。2007～2008年總計(jì)實(shí)施欠平衡鉆井31口，其中液相欠平衡20口，液相欠平衡鉆井保護(hù)發(fā)現(xiàn)效果顯著，五彩灣地區(qū)石炭系地層成功實(shí)現(xiàn)“邊噴邊鉆”，達(dá)到探井發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣藏的目的。

4.1 全過程欠平衡鉆井技術(shù)在彩551井的應(yīng)用

彩551井三開石炭系地層儲(chǔ)層預(yù)測地層壓力系數(shù)1.16，平均孔隙度為7.59%，平均滲透率為7.94× 10-3μm2，屬于裂縫-微裂縫發(fā)育低壓低滲儲(chǔ)層，可鉆性差，為實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井及最大程度保護(hù)儲(chǔ)層的目標(biāo)，本井三開實(shí)施全過程欠平衡鉆井。

4.1.1 施工參數(shù)（見表1）

表1 彩551井施工參數(shù)

4.1.2 施工簡況

彩551井欠平衡施工采用鉀鹽聚磺鉆井液體系，2008年10月23日凌晨開始欠平衡施工,始鉆井深3 319.80m，密度為1.06g/cm3；鉆至井深3 327m，地質(zhì)錄井氣測顯示全烴71%，峰值達(dá)90%，欠平衡點(diǎn)火成功,火焰高度2～10m，錄井顯示油氣層位置3 322～3 325m，實(shí)現(xiàn)了“邊噴邊鉆”。鉆至井深3 335.28m，鉆時(shí)異常加快，返出鉆井液經(jīng)分離器后氣測值維持在30%以上，火焰高度未下降，油氣顯示好（見圖3）。11月10日鉆至設(shè)計(jì)井深3 800m完鉆。彩551井三開鉆進(jìn)、起下鉆、取心等各工況井底均處于欠平衡狀態(tài)，完成了設(shè)計(jì)要求的全過程欠平衡作業(yè)。

4.1.3 取得的成果

（1）彩551井在欠平衡鉆進(jìn)過程中，成功地實(shí)現(xiàn)了“邊噴邊鉆”，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣藏的目的，與常規(guī)鉆井相比，極大的降低了鉆井液對(duì)地層的傷害。彩551井鉆至井深3 327～3 335.28m，氣測油氣顯示好，全烴峰值達(dá)90%，點(diǎn)火火焰高2～10m；在井深3 335.28～3 800m井段油氣顯示良好。

圖3 彩551井“邊噴邊鉆”效果圖

（2）采用欠平衡氣測裝置，用于引出未被除氣的泥漿，以滿足地質(zhì)錄井原始泥漿錄井的需要。保證了欠平衡鉆井錄井氣測值的準(zhǔn)確性。

（3）采用了我院研制的井下套管封井器與欠平衡鉆井設(shè)備配合，完全實(shí)現(xiàn)了不壓井起下鉆。井下套管封井器開關(guān)、關(guān)閉動(dòng)作性能穩(wěn)定、可靠，保證了全過程欠平衡鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行。與常規(guī)欠平衡鉆井相比，節(jié)約了泥漿調(diào)整的費(fèi)用，減少儲(chǔ)層傷害，保護(hù)了儲(chǔ)層，為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供了有力的保障。

4.2 應(yīng)用效果分析

2007～2008年全過程欠平衡鉆井在新疆油田應(yīng)用井?dāng)?shù)為8口，其中大多數(shù)井均取得了良好應(yīng)用效果（見表2）。

4.2.1 油氣藏發(fā)現(xiàn)與保護(hù)效果分析

2007～2008年，全過程欠平衡鉆井8口，占全部欠平衡鉆井井?dāng)?shù)的40%。該項(xiàng)技術(shù)在石炭系勘探開發(fā)中，均未發(fā)生井漏，發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣藏效果顯著。以五彩灣區(qū)塊彩55井為例（見圖4），中途測試，日產(chǎn)天然氣5.9×104m3/d，實(shí)際投產(chǎn)后，日產(chǎn)天然氣達(dá)到12×104m3/d，有效的保護(hù)和開采油氣藏。

表2 2007～2008年全過程欠平衡鉆井效果分析

圖4 彩55井石炭系地層邊噴邊鉆效果圖

4.2.2 提速效果分析

欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井相比，由于環(huán)空液柱壓力的降低，壓持效應(yīng)降低，機(jī)械鉆速有一定的提高，但是提速幅度有限（見圖5），在五彩灣區(qū)塊液相欠平衡井較鄰近的常規(guī)井機(jī)械鉆速提高20%～40%。

圖5 提速效果分析圖

在提高欠平衡鉆井機(jī)械鉆速方面，可有效結(jié)合常規(guī)鉆井在提高機(jī)械鉆速方面的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行鉆頭優(yōu)選，選擇適合石炭系火山巖地層的鉆頭，如：參照莫深1井在石炭系使用鉆頭的成功經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選HF系列鉆頭及PDC鉆頭。強(qiáng)化如泵壓等鉆井參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)提高機(jī)械鉆速的目的。

5 結(jié)論與建議

2007～2008年全過程欠平衡鉆井技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地石炭系地層勘探開發(fā)中的應(yīng)用情況，表明該項(xiàng)技術(shù)在有效防止井漏，發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣藏方面有其技術(shù)優(yōu)勢。

由于全過程欠平衡鉆井技術(shù)應(yīng)用井型大多為探井，地層資料不準(zhǔn)確，也導(dǎo)致部分井施工終止。因此，在石炭系火山巖氣藏地層應(yīng)用過程中，應(yīng)充分了解石炭系火山巖氣藏地層的地質(zhì)狀況，包括地層巖性、儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層孔隙壓力、儲(chǔ)層流體類型等，并結(jié)合所用鉆井設(shè)備的特點(diǎn)，制定出詳細(xì)的全過程欠平衡鉆井施工方案，如合理壓差的設(shè)計(jì)、多相流在井筒的分布規(guī)律、井壁穩(wěn)定分析等。并在施工中加強(qiáng)隨鉆監(jiān)測的力度和手段，確保該項(xiàng)技術(shù)在石炭系火山巖氣藏的應(yīng)用取得新的突破。

According to some difficult drilling problems existing in the exploration and development of the carboniferous volcanic rock gas reservoirs,coupled with the achievements of underbalance drilling technology made in Xinjiang oilfields between 2007 and 2008, it is presented that the integrated underbalance drilling technology should be applied to the carboniferous volcanic rock reservoir.In this way,the advantages of the integrated underbanlance drilling technology can be used effectively so as to solve some difficult problems such as the lost circulation,the large degree of difficulties about reservoir protection,the low rate of penetration,and the big risk of well control,which usually appear when the routine drilling technology is used in the exploration of the carboniferous volcanic rock reservoir.Meanwhile,some corresponding measures about the integrated underbalance drilling technology are put forward according to the geological characteristics of carboniferous volcanic rock.

integrated underbalance drilling technology;pressure balance round trip/snubbing round trip;downhole casing valve; volcanic rock gas reservoirs

陶冶（1964-），男，高級(jí)工程師，從事系列欠平衡鉆井技術(shù)研究和工程技術(shù)服務(wù)工作。

張簫鈴

2011-05-23