鐘顯祿（中石化西南石油局廣西石油基地服務中心，廣西 南寧 530023）

胡挺（中石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838202）

隨著氮氣欠平衡鉆井技術(shù)水平的提升和應用效果的展現(xiàn)，氮氣欠平衡鉆井技術(shù)已成為勘探開發(fā)的前沿技術(shù)手段，其主要優(yōu)越性在于對地層無污染，可提高單井產(chǎn)能，提高機械鉆速和有效評價儲層。而氮氣欠平衡鉆井與水平井鉆井結(jié)合則是高效勘探開發(fā)難動用儲層的更有效方式。隨著勘探開發(fā)的深入，氮氣欠平衡鉆井技術(shù)與水平井技術(shù)結(jié)合應用將是鉆井技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。但氣體水平井鉆井中經(jīng)常出現(xiàn)地層出水、井壁失穩(wěn)等技術(shù)難點，是制約氮氣水平井鉆進技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。因此，加強相關(guān)難點技術(shù)的研究，制定相應的對策顯得尤為重要。

1 氮氣水平井鉆井難點分析與處理對策

1.1 地層出水

吐哈油田實施氮氣欠平衡鉆井已達15余井次，通過實踐表明，氮氣欠平衡鉆井實施成功的關(guān)鍵在于井壁穩(wěn)定、地層含水少或不含水和有效的現(xiàn)場組織。為此進行氮氣欠平衡鉆井設計前首先需要做地層適應性論證，準確掌握地層含油、氣、水情況。并制定合理的施工措施，確保氮氣欠平衡鉆井的施工成功率。

1.1.1 地層出水的預測方法

目前預測水層的主要方法是依靠地震、地質(zhì)和測井等資料，其中對測井資料進行詳細分析是精準預測水層的最佳方法，當前常規(guī)鉆井預測水層的主要測井方法有最小電阻率交會法、儲層與泥漿電阻率交會法等對出水層進行有效識別，但氣體鉆井識別水層較常規(guī)鉆井要困難的多，經(jīng)常出現(xiàn)水層漏判現(xiàn)象。為此，結(jié)合氣體鉆井的實際情況利用阿爾奇公式以及束縛水含水飽和度計算模型，通過計算、優(yōu)選出能反映地層出水的敏感性參數(shù)（表1），形成一套氣體鉆井水層預測技術(shù)，以便對氣體鉆井提供指導。

表1 氮氣水平井鉆井出水層位判斷標準

1.1.2 地層出水地面現(xiàn)象分析

結(jié)合吐哈油田氮氣欠平衡鉆井現(xiàn)場應用時遇到的實際情況，通過分析總結(jié)，將地層出水分為3個級別：微量出水（0～2m3／h），一般出水（2～5m3／h），大量出水（5m3／h以上）。地層出水主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤扭矩、立管壓力、注氣壓力、鉆井速度等地面參數(shù)上，因此密切關(guān)注地面各項鉆井參數(shù)的變化，是準確判斷井下情況的最佳依據(jù)。表2給出了地層出水時的地面現(xiàn)象。

表2 地層出水地面現(xiàn)象分析及處理對策

1.1.3 地層出水的處理對策

氮氣水平井鉆井技術(shù)成敗的關(guān)鍵之一在于地層是否出水，施工中若鉆遇到地層出水，那么首先應增加氣量進行循環(huán)；若增大氣量后不能保持井下正常，則應視地層出水情況轉(zhuǎn)換成泡沫鉆井、充氣鉆井或液相欠平衡鉆井。具體處理對策見表2。

1.2 井壁穩(wěn)定性

導致井壁失穩(wěn)的原因主要有力學因素和物理化學因素兩種。物理化學因素是指鉆井液與泥頁巖地層發(fā)生物理化學作用引起水化膨脹和分散，致使近井壁巖屑強度下降，導致井壁失穩(wěn)。但氮氣水平井鉆井過程中不存在鉆井液對井壁的物理化學作用，因此影響氮氣水平井井壁穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學性質(zhì)。

1.2.1 氮氣水平井井壁穩(wěn)定性評價方法

目前對氮氣水平井井壁穩(wěn)定性評價主要采用庫侖－莫爾強度理論和剪切破壞理論，利用測井資料結(jié)合這兩個理論公式可以計算出影響氮氣水平井井壁穩(wěn)定性的固有內(nèi)聚力和臨界崩落內(nèi)聚力，當固有內(nèi)聚力大于臨界崩落內(nèi)聚力時，表明井壁比較穩(wěn)定，井壁出現(xiàn)坍塌的可能性較小。當固有內(nèi)聚力小于臨界崩落內(nèi)聚力時，則表明井壁不穩(wěn)定，出現(xiàn)坍塌的可能性較大。圖1以牛東平8－13井為例，繪制出了氮氣水平井鉆井的固有內(nèi)聚力和臨界崩落內(nèi)聚力兩條關(guān)系曲線，以評價該井水平段的井壁穩(wěn)定性。由圖1可知，在1500～1950m井段巖石的內(nèi)聚力大于臨界崩落內(nèi)聚力，說明該井段井壁比較穩(wěn)定。但在1950～2100m井段巖石的內(nèi)聚力與其臨界崩落內(nèi)聚力比較接近，因此在實施氮氣欠平衡鉆井施工作業(yè)過程中，應密切關(guān)注轉(zhuǎn)盤扭矩、立管壓力、注氣壓力、鉆具活動情況等地面現(xiàn)象，并做好井壁坍塌的處理預案。

圖1 牛東平8－13井水平段井壁穩(wěn)定性評價

1.2.2 氮氣水平井鉆井井壁失穩(wěn)地面現(xiàn)象分析

井壁穩(wěn)定研究的重要性等同于地層出水，同樣是關(guān)系到氮氣水平井鉆井成敗的關(guān)鍵因素，因此在實施氮氣水平井鉆井之前，首先應做好地層適應性論證，以確保氮氣水平井鉆井的成功率。井壁失穩(wěn)性按照失穩(wěn)程度可分為井壁掉塊和井壁坍塌兩種，主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤扭矩、立管壓力、注氣壓力、巖屑返出情況等地面現(xiàn)象上，因此氮氣水平井鉆井施工作業(yè)過程中應密切關(guān)注地面各項鉆井參數(shù)的變化（表3），對井下情況進行準確的認識與判斷。

表3 氮氣水平井井壁失穩(wěn)地面現(xiàn)象分析及處理對策

1.2.3 氮氣水平井鉆井井壁失穩(wěn)處理對策

井壁穩(wěn)定性是順利進行氮氣水平井鉆井的先導性條件，因此在實施氮氣水平井鉆井作業(yè)過程中，一旦出現(xiàn)井壁失穩(wěn)，導致井下掉塊或坍塌，應立即停止鉆進，加大氣量循環(huán)，盡量將鉆具提離井底到較高位置［1］，判斷井下失穩(wěn)程度，根據(jù)判斷結(jié)果制定下一步措施。具體對策見表3。

1.3 水平段巖屑攜帶

氮氣水平井鉆井水平段較垂直段攜巖要困難得多，巖屑易在水平段沉積形成巖屑床，若地層出液可能使巖屑黏結(jié)成團，如果不加以處理，巖屑團會越結(jié)越大，大尺寸巖屑團會沉降在水平段的下井壁［2］，導致井眼凈化不良、環(huán)空堵塞或卡鉆等井下復雜事故。

1.3.1 水平段巖屑攜帶難點

氮氣水平井鉆井水平段巖屑攜帶難點主要體現(xiàn)在3個方面：①巖屑一旦被破碎、脫離井底后，很難再次回到井底被鉆頭重復破碎，而是以小顆粒形式被氣流帶走，大顆粒則可能會滯留在水平段某處的下井壁處。②巖屑的重力方向與氣體流動方向相垂直，氣體流動不能像在垂直井筒內(nèi)那樣直接克服重力沉降而使巖屑運移［3］。③重力使鉆具躺在下井壁處，這種偏心環(huán)空會造成下井壁處的低速區(qū)，而這些低速區(qū)恰好是巖屑在重力作用下的滯留區(qū)［4］。

1.3.2 提高水平段巖屑攜帶的處理對策

結(jié)合氮氣水平井鉆井的現(xiàn)場應用經(jīng)驗，通過分析，總結(jié)和提煉得出了5項提高氮氣水平井鉆井水平段巖屑攜帶的綜合措施：①足夠的氣量是氮氣水平井鉆井巖屑攜帶出井筒的保證，同時也是當井下出現(xiàn)復雜情況時及時處理復雜情況的重要保證。②采用變徑短節(jié)、扶正器等器具使鉆柱抬升，脫離下井壁，消除下井壁處偏心環(huán)空造成的低速區(qū)，以免造成巖屑堆積。③保持水平段鉆柱旋轉(zhuǎn)，以改善水平段的巖屑滯留、堆積現(xiàn)象［5］。④經(jīng)常短距離地上提下放鉆具，使鉆頭提離井底后再回到井底，將鉆頭附近大顆粒巖屑推回井底重復破碎。⑤限制鉆速，采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速方式鉆井，使鉆頭第1次破碎產(chǎn)生的巖屑不至于過大［6］。

1.4 井眼軌跡監(jiān)測與控制

氮氣水平井鉆井是以氮氣作為循環(huán)介質(zhì)，MWD（LWD）（隨鉆測量／隨鉆測井）在氣體中無法傳輸脈沖信號；因此，無法進行無線隨鉆監(jiān)測。有線隨鉆監(jiān)測井口高壓循環(huán)頭位置只對具有較高黏度和稠度的泥漿進行密封，對清水密封都會發(fā)生泄漏；它對氣體幾乎沒有密封作用，因此不能使用于氣相鉆井體系鉆井。

1.4.1 氮氣水平井井眼軌跡監(jiān)測與控制難點

在充氣或純氣體欠平衡鉆井作業(yè)中，MWD（LWD）無法傳輸脈沖信號。無法對井眼軌跡進行隨鉆監(jiān)測，不能保證井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量，難以確保中靶目標。由于氮氣水平井鉆井改變了井底巖石的結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)，使得地層各向異性明顯增加，極易發(fā)生井斜，致使氮氣水平井鉆井中井眼軌跡控制難度加大。氮氣水平井鉆井中狗腿度難以控制，加之氮氣水平井鉆井本身巖屑攜帶難度就比較大，雙重難度加劇了發(fā)生卡鉆的可能。

1.4.2 提高氮氣水平井鉆井的井眼軌跡監(jiān)測與控制的處理對策

用于氮氣水平井鉆井的井眼軌跡監(jiān)測與控制的儀器主要有EM－MWD地質(zhì)導向系統(tǒng)和可投撈式軌跡測量工具兩種，通過在牛東平1井和牛東平8－13井兩口氮氣水平井的現(xiàn)場試驗，證明兩種儀器均能較好地對氮氣水平井鉆井的井眼軌跡進行監(jiān)測與控制。

EM－MWD地質(zhì)導向系統(tǒng)在進行氣體鉆井作業(yè)時，可實時獲取井斜角、方位角等工程參數(shù)，掌控井下增斜或降斜情況，根據(jù)要求可及時調(diào)整鉆具組合、鉆進參數(shù)以及注氣量。同時可隨鉆監(jiān)測井下鉆具的振動，以便施工人員隨時了解井下鉆具的情況，預防井下復雜情況的發(fā)生。

針對利用EM－MWD地質(zhì)導向系統(tǒng)服務費用高的難題，研發(fā)了一種用于氮氣水平井鉆井井眼軌跡控制的投撈式軌跡測量工具。但是在現(xiàn)場施工過程中不能對井眼軌跡進行隨鉆監(jiān)測與控制，在測量的時候需要將鉆具起至垂直井段或井斜小于45°的井段，完成投放過程，下鉆至井底完成測量后再起鉆至垂直井段完成打撈過程。通過地面數(shù)據(jù)分析，確定下步鉆井參數(shù)、注氣量及鉆具組合，階段性調(diào)整井斜和方位，達到對井眼軌跡的有效監(jiān)測與控制。

2 氮氣水平井鉆井現(xiàn)場試驗

2.1 牛東平1井

牛東平1井是吐哈油田部署的第1口氮氣水平井，井眼直徑152.4mm。水平井段純氮氣鉆進井段為1666.66～1702.34m；充氮氣鉆進井段為1702.34～1947.17m。施工中結(jié)合巖屑運移機理及氮氣鉆水平段攜巖的難點，開始氮氣注入量為80～90m3／min；但鉆進2個單根后，鉆具下放不到井底；循環(huán)劃眼時間較長，出于安全施工考慮，后將氮氣注入量提高至90～120m3／min，有效地解決了巖屑攜帶問題，恢復正常氮氣鉆井。在鉆至1702.34m時因地層出水，鉆具遇卡，排砂口無氣體返出，氮氣注入量提高至150m3／min，排砂口排出大量灰塵，并伴有大量塊狀巖屑團；為了防止井下復雜情況進一步惡化，轉(zhuǎn)化為充氮氣欠平衡鉆井。該井在用氮氣鉆水平段的過程中井眼軌跡的監(jiān)測與控制采用可投撈式軌跡測量工具，對水平段井眼軌跡的控制提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

2.2 牛東平8－13井

牛東平8－13井，井眼直徑152.4mm，水平井段純氮氣鉆進井段為1587.25～1807.09m；充氮氣鉆進井段為1807.09～2087m。該井在分析總結(jié)了牛東平1井氮氣水平井鉆井過程中出現(xiàn)的問題，水平段氮氣鉆井過程中氮氣注入量為90～120m3／min，在水平段增加變徑短節(jié)、扶正器等，再次破碎大顆粒巖屑并使之變小，以有效滿足水平段巖屑攜帶要求，循環(huán)時間大大縮短，機械鉆速達12.78m／h，是鄰井常規(guī)鉆井機械鉆速的3～7倍。

牛東平8－13井在水平井段氮氣鉆井井眼軌跡監(jiān)測與控制采用EM－MWD測量工具，鉆井過程中隨時的調(diào)整井斜和方位，依據(jù)地層伽馬、電阻率兩個地質(zhì)參數(shù)，有效地控制了井眼軌跡，并在鄰井常規(guī)地質(zhì)解釋為干層的情況下，分別在1701m和1736m時鉆遇低產(chǎn)油層，達到了發(fā)現(xiàn)和保護油氣層的目的，后鉆至1807.09m在起下鉆過程中遇阻嚴重，出于井下安全考慮，將氮氣鉆井轉(zhuǎn)為充氣鉆井，EM－MWD水平段監(jiān)測及控制段長499.75m。牛東平8－13井在完井后直接投產(chǎn)較鄰井產(chǎn)量提高了5～8倍。

3 認識與建議

1）地層出水、井壁失穩(wěn)是直接關(guān)系到氮氣水平井鉆井成功與否的關(guān)鍵因素，因此在優(yōu)選氮氣水平井鉆井的井位時，必須對其進行精準、嚴密的可行性論證。

2）氮氣水平井鉆井過程中，應保持鉆具旋轉(zhuǎn)，經(jīng)常的短起下鉆，控制鉆速，還要采用抬升鉆具的方法避免鉆具重力造成偏心環(huán)空，同時在變徑短節(jié)、扶正器等處的外側(cè)面鑲硬質(zhì)合金，在水平段增加重復破碎功能，以提高水平段的攜巖能力。

3）由于氮氣鉆水平井改變了水平段巖石的結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)，使得地層各向異性明顯增加，極易發(fā)生井斜，因此氮氣水平井鉆井的井眼軌跡極難控制。

［1］楊令瑞，楊玻，肖潤德，等 .四川天然氣欠平衡鉆井完井技術(shù)研究與應用 ［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（3）：105～108.

［2］孟英峰，練章華，李永杰，等 .氣體鉆水平井的攜巖研究及在白淺111井的應用 ［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（8）：50～53.

［3］莫躍龍，王華 .欠平衡水平井技術(shù)探討 ［J］.西部探礦工程，2008，20（6）：55～57.

［4］周英操，翟洪軍 .欠平衡鉆井技術(shù)與應用 ［J］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.

［5］竇金勇，陸鳳德 .氣體鉆井常見問題分析 ［J］.西部探礦工程，2010，22（12）：73～75.

［6］陳方遠，胡挺，孫新江，等 .稠油油藏氮氣欠平衡鉆完井技術(shù)研究與應用 ［J］.鉆采工藝，2010，33（1）：11～13.