秦 疆

（中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司，北京100029）

欠平衡井底欠壓值設(shè)計(jì)新方法研究及應(yīng)用

秦 疆*

（中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司，北京100029）

在欠平衡鉆井設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，井底欠壓值的設(shè)計(jì)和控制是決定欠平衡鉆井成敗的關(guān)鍵因素，在目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和常規(guī)設(shè)計(jì)中考慮了地層3個(gè)壓力剖面、井眼的力學(xué)穩(wěn)定性、地面設(shè)備的控制能力以及儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感特性，基本上滿足了現(xiàn)場(chǎng)需求，但對(duì)于一些低滲且水敏性強(qiáng)的地層、凝析氣井僅僅考慮上述約束條件還難以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種欠平衡井底欠壓值設(shè)計(jì)的新方法，在綜合考慮以上條件的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮了毛細(xì)管壓力對(duì)儲(chǔ)層傷害的影響、凝析油反凝析對(duì)儲(chǔ)層傷害的影響，并給出了欠壓值的設(shè)計(jì)流程。應(yīng)用此方法在B區(qū)塊油田MKSR-0002高溫高壓凝析氣井進(jìn)行了實(shí)際的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，施工完成后測(cè)試表皮系數(shù)-3.4，取得了良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

欠平衡鉆井；欠壓值；毛細(xì)管壓力；凝析氣井；儲(chǔ)層傷害

欠平衡井底欠壓值是指在欠平衡鉆井過(guò)程中井底壓力與井底地層孔隙壓力的差值，其設(shè)計(jì)值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到能否安全、快速的完成欠平衡鉆進(jìn)。如果設(shè)計(jì)值過(guò)小，易造成井底壓力過(guò)平衡，引起儲(chǔ)層污染，失去欠平衡鉆井的意義和目的；若設(shè)計(jì)值過(guò)大，易造成井口設(shè)備過(guò)載甚至失控，從而引起重大鉆井事故[1-4]。

目前常規(guī)的欠平衡井底欠壓值設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[5-9]：

（1）為保持井眼穩(wěn)定，欠壓值小于地層孔隙壓力與坍塌壓力之差。

（2）應(yīng)根據(jù)地層產(chǎn)液(氣)量的大小，并結(jié)合地面設(shè)備能力進(jìn)行欠壓值設(shè)計(jì)，主要包括旋轉(zhuǎn)防噴器的控制能力、節(jié)流管匯的控制能力、液氣分離器的處理能力等。

（3）根據(jù)儲(chǔ)層類(lèi)型和巖性特點(diǎn)確定欠壓值的大小，避免儲(chǔ)層發(fā)生應(yīng)力損害。

（4）對(duì)于長(zhǎng)水平段水平井，應(yīng)考慮水平段的環(huán)空壓耗，避免在鉆頭處形成過(guò)平衡。

以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則基本上滿足了現(xiàn)場(chǎng)欠平衡鉆井的設(shè)計(jì)要求，但對(duì)于一些低滲且水敏性強(qiáng)的地層、凝析氣井，僅僅考慮上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則依然會(huì)在欠平衡鉆井過(guò)程中引起比較嚴(yán)重的儲(chǔ)層傷害。本文在此基礎(chǔ)上，提出了一種欠平衡井底欠壓值設(shè)計(jì)的新方法，在綜合考慮以上條件的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮了毛細(xì)管壓力對(duì)儲(chǔ)層傷害的影響、凝析油反凝析對(duì)儲(chǔ)層傷害的影響，并給出了設(shè)計(jì)流程和應(yīng)用實(shí)例。

1 毛細(xì)管吸入壓力的影響

在鉆井過(guò)程中，即使井底循環(huán)壓力等于地層孔隙壓力，由于毛細(xì)管吸入壓力的影響井筒中的液體也會(huì)進(jìn)入地層，形成一定的損害，尤其對(duì)高含粘土礦物的水敏性地層而言，更要盡量避免這種狀況。因此在進(jìn)行欠壓值設(shè)計(jì)時(shí)，井底欠壓值要大于毛細(xì)管吸入壓力。

油藏巖石的流動(dòng)孔隙可看做一系列大小不同的毛細(xì)管，因此油藏中的水油、氣水不是一個(gè)平面，而是一個(gè)過(guò)渡帶。從理論上，講過(guò)渡帶的高度取決于最細(xì)毛細(xì)管中水（油）柱的上升高度。

對(duì)于水油界面：

對(duì)于水氣界面：

式中：Pcwo、Pcwg——水油、水氣界面毛管力，MPa；

σwo、σwg——水油、水氣表面張力，N/m；

θwo、θwg——水油、水氣界面接觸角，（°）；

r——孔喉半徑，μm。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量巖石毛管力的方法主要有半滲隔板法、壓汞法和離心法，這3種方法的基本原理相同，即巖芯飽和濕相流體，當(dāng)外加壓力克服毛管喉道的毛管力時(shí)，非濕相進(jìn)入該孔隙，將其中的濕相驅(qū)出，最常用的是壓汞法。

2 凝析氣反凝析帶來(lái)的油鎖傷害

對(duì)于凝析氣藏而言，隨著地層壓力的下降，凝析氣可能會(huì)以凝析油的形式在地層中析出，堵塞地層孔隙，形成油鎖傷害。圖1表明了B區(qū)塊凝析氣田巖芯滲透率的實(shí)測(cè)情況，凝析油飽和前后巖芯的滲透率發(fā)生了明顯的變化，大約降低了80%左右，說(shuō)明該巖芯存在明顯的油鎖傷害。因此在對(duì)凝析氣藏進(jìn)行欠平衡欠壓值的設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮凝析氣藏的露點(diǎn)壓力，井底壓力要大于露點(diǎn)壓力，避免凝析油在地層中的析出，圖2是B區(qū)塊凝析氣藏的PVT相圖，由圖可知，該氣藏地層溫度167.8℃，在該溫度下凝析氣露點(diǎn)壓力為22.68MPa，因此在欠平衡鉆井過(guò)程中要保持井底壓力不低于22.68MPa。

圖1 B區(qū)塊凝析氣藏油飽和前后滲透率的變化情況

圖2 B區(qū)塊凝析氣藏PVT包絡(luò)圖

3 井底欠壓值的設(shè)計(jì)流程

具體的欠壓值設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖3。

圖3 井底欠壓值的設(shè)計(jì)流程

此外井底欠壓值的設(shè)計(jì)還受井的深度、井隊(duì)技術(shù)素質(zhì)、操作水平的影響等。通過(guò)對(duì)各因素的綜合分析，一般把設(shè)計(jì)的欠壓值控制在1.0～5.0MPa之間，多口井的實(shí)踐證明，欠壓值控制在這一范圍是合理的。

4 設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例

B區(qū)塊油田MKSR-0002井是一口高溫高壓凝析氣井，設(shè)計(jì)井深5472m。主要目的層為底部奧陶系Sarah組，巖性為厚—薄層的深—褐灰色中至細(xì)粒巖屑石英砂巖，夾粗粒巖屑石英砂巖，屬于低孔、低滲、高壓致密性砂巖儲(chǔ)層。

室內(nèi)巖芯水敏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)采用SY/T5358-2002標(biāo)準(zhǔn)，選取FRAS-0001井SAHRA組巖芯4986～5096m深度巖芯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4，結(jié)果表明巖芯水敏程度為中等偏弱，水敏指數(shù)32.4%～49.3%。

圖4 水敏測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線

采用毛管自吸裝置進(jìn)行水鎖評(píng)價(jià)。根據(jù)敏感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用5%的KCl鹽水作為自吸液體，以排除堿敏、水敏、鹽敏對(duì)水鎖結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)步驟如下：先測(cè)定氣體滲透率及孔隙度，然后巖芯吊在KCl溶液上方，巖芯端面進(jìn)入溶液1～2mm，在毛管力的作用下，自吸24h，然后返排24h，測(cè)定返排壓力及氣測(cè)滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 巖芯水鎖試驗(yàn)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，B區(qū)塊致密巖芯水鎖后滲透率恢復(fù)值從25%～62.6%，屬于中等程度水鎖。

通過(guò)室內(nèi)煤油對(duì)巖芯的驅(qū)替試驗(yàn)，采用SY/ T6540-2002標(biāo)準(zhǔn)，選取FRAS-0001井SAHRA組巖芯（4986～5096m），測(cè)量污染前后煤油滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表明滲透率恢復(fù)率為77.6%左右，存在較為明顯的油鎖傷害。因此在欠平衡設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中要盡量防止油鎖和水鎖的發(fā)生。

表2 巖心油鎖試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)該地區(qū)已鉆井的井壁穩(wěn)定性分析表明，該地區(qū)井壁穩(wěn)定性較好，在井底承受15MPa以內(nèi)的欠壓值情況下不會(huì)發(fā)生井壁垮塌現(xiàn)象。

巖芯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得在Sarah組的毛細(xì)管吸入壓力為：水氣界面毛細(xì)管吸入壓力0.737～1.48MPa，油氣界面毛細(xì)管吸入壓力0.48～0.96MPa。為了防止由于毛細(xì)管吸入壓力引起的儲(chǔ)層損害，在欠平衡鉆井過(guò)程中應(yīng)盡可能保持井底的欠壓值大于毛細(xì)管的吸入壓力，因此在欠平衡壓差取值時(shí)欠壓值應(yīng)保持在1.5MPa以上。

為了防止鉆井過(guò)程中產(chǎn)生油鎖，必須避免凝析油在地層中析出，即在鉆井施工過(guò)程中，尤其是欠平衡鉆井施工時(shí)，必須控制井底壓力大于露點(diǎn)壓力，通過(guò)鄰井已取樣的PVT試驗(yàn)可知，該地層在地層溫度下露點(diǎn)壓力為22.68MPa，由于該井使用水基鉆井液的鉆井施工中液柱壓力都在50MPa以上，一般不會(huì)產(chǎn)生油鎖現(xiàn)象。但在測(cè)試過(guò)程需控制上部井段掏空的長(zhǎng)度，防止出現(xiàn)凝析油堵塞儲(chǔ)層孔隙現(xiàn)象的發(fā)生。

流動(dòng)控制矩陣建立的流動(dòng)控制起到了井涌和井口流動(dòng)不同狀態(tài)下的回壓控制作用（見(jiàn)表3），建立可調(diào)區(qū)域是為了有充足的安全反映時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)到可控條件下，關(guān)閉鉆機(jī)防噴器意味發(fā)生井控事件。

表3 欠平衡鉆井流動(dòng)控制矩陣

通過(guò)上述約束條件的綜合分析，井底欠壓值的范圍是1.5～15MPa，考慮到井控安全，初步確定鉆進(jìn)時(shí)井底欠壓值的選取在2.5～10MPa，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆情況進(jìn)行調(diào)整。

MKSR-0002井Sarah組鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液密度在1.69～1.71g/cm3，正常鉆井過(guò)程井底均保持了2.58MPa以上的欠壓值；取芯作壓井底欠壓值為2.80～3.12MPa；起鉆過(guò)程中井底欠壓值在3.80MPa以上；下鉆過(guò)程中由于激動(dòng)壓力的存在和回壓值稍大，短時(shí)間欠壓值較小，為1.78MPa；接立柱過(guò)程，井底壓力有一定的波動(dòng)，總體都保持了2.80MPa左右的井底欠壓值；整個(gè)施工過(guò)程中共溢流40.3m3，證明整個(gè)鉆井過(guò)程中未造成地層過(guò)壓。

測(cè)試后sarah組表皮系數(shù)S=-3.4，說(shuō)明MKSR-0002井鉆井液取得了良好的保護(hù)油氣層效果，施工過(guò)程中鉆井液未對(duì)地層造成污染。

5 結(jié)論和建議

（1）本文在常規(guī)欠平衡井底欠壓值設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，引入了毛細(xì)管吸入壓力、凝析氣井反凝析對(duì)欠壓值設(shè)計(jì)的影響，并考慮了儲(chǔ)層的水鎖以及油鎖等特性，從而使得該設(shè)計(jì)方法能最大限度地防止儲(chǔ)層傷害，解放油氣井產(chǎn)能，提高了油氣的發(fā)現(xiàn)率。

（2）通過(guò)MKSR-0002井實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)方法能有效地防止儲(chǔ)層污染并保證井控安全，鉆井過(guò)程中有溢流發(fā)生，但在可控范圍之內(nèi)，測(cè)試后表皮系數(shù)-3.4，說(shuō)明儲(chǔ)層沒(méi)有受到污染，欠平衡鉆井取得了預(yù)期效果。

[1]蘇勤，侯緒田.窄安全密度窗口條件下鉆井設(shè)計(jì)技術(shù)探[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39（3）：62-65.

[2]陳永明.全過(guò)程欠平衡鉆井中的不壓井作業(yè)[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34（2）：22-25.

[3]Bennion D Brant．Screening Criteria Help Select Formations for Underbalanced Drilling[J].Oil&Gas Journal，1996（01）.

[4]Wilson J.Optimizing Drilling of Underbalanced Wellbores with Data Acquisition Systems[C]//Paper Presented at the 1995 1st International Underbalanced Drilling Conference,October 2-4.

[5]楊順輝.UBD/MPD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2011(7)：38-40.

[6]Taylor J，McDonald C，F(xiàn)ried S.Underbalanced Drilling Total Systems Approach[C]//Paper Presented at the 1995 1st International Underbalanced Drilling Conference，October 2-4.

[7]Iain Sutherland，Brain Grayson.DDV Reduces Times to Round-trip Drilling by Three Days，Saving 400,000 Pounds [R].SPE/IADC 92595，2005.

[8]趙向陽(yáng)，孟英峰，李皋，等.充氣控壓鉆井氣液兩相流流型研究[J].石油鉆采工藝，2010，32（2）：6-10.

[9]Dharma Nyoman，Toralde Julmar Shaun S.Combining MPD with Downhole Valve Enables High Rate Gas Wells[J].World Oil，2008，229(3)：10-12.

TE24

A

1004-5716(2015)12-0055-04

2015-07-30

2015-07-31

秦疆（1968-），男（漢族），新疆阿克蘇人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事海外勘探開(kāi)發(fā)工作。