尹 建 周長虹 李 剛

1. 中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室

0 引言

氮氣鉆井是以氮氣作為鉆井循環(huán)介質的一種欠平衡鉆井方式，由于氮氣密度遠低于泥漿密度，能夠有效避免外來流體對儲層的污染，便于及時發(fā)現(xiàn)和保護油氣層，最大限度地獲得儲層的原始產(chǎn)能，因此氮氣鉆井技術是實現(xiàn)氣井獲產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有效手段[1-7]。國外自1990年開始，就將該技術大量應用于低滲、致密油氣藏等難動用油氣資源的開發(fā)，并拓展到擴大勘探發(fā)現(xiàn)率、提高氣井產(chǎn)能和氣藏采收率。目前氮氣鉆井成為主流鉆井技術中的重要組成部分，氮氣鉆井的年最高進尺占年總鉆井進尺的30%[8-9]。盡管我國低滲、致密油氣藏資源豐富，但普遍埋藏較深、地質條件復雜、開發(fā)難度較大[10-13]。為有效開發(fā)這些難動用油氣資源，國內(nèi)自2005年，吐哈油田紅臺2-15井開始進行儲層氮氣鉆井的研究與應用[14]。歷經(jīng)10余年的持續(xù)研究與攻關，已逐步完善形成了一系列儲層氮氣鉆井與完井配套技術和裝備，目前已在四川、新疆地區(qū)多個低滲油氣藏完成了氮氣鉆井與完井技術應用，并取得了良好效果[14-16]。

1 儲層氮氣鉆井技術

氮氣鉆井的工藝流程為[17-19]：首先將氮氣增壓后通過立管三通注入鉆具，氮氣通過鉆頭時會對鉆頭進行冷卻，同時完成攜帶巖屑的任務，然后氮氣和巖屑通過井中進入排砂管線，排砂管線上安裝一個巖屑取樣器便于取樣，最后到巖屑池，在排砂管線末端設置長明火用于氣體檢測（圖1）。

圖1 儲層氮氣鉆井工藝流程示意圖

為有效保障氮氣鉆井的順利實施，形成了較為完善的儲層氮氣鉆井工藝和配套裝備，擁有8項特色技術。

1.1 地層適應性評價技術

建立了地質目標層氮氣鉆井可行性、安全性評估手段，形成了一套用于氣體鉆井選區(qū)、選層、選井的地質適應性評價技術[20]。

1.1.1 地層油氣水分布評價

包括地質水文資料分析、利用測井資料預測油氣水層，及間接定量，通過鄰井的鉆井、測試等資料來作分析。

1.1.2 井壁穩(wěn)定性評價技術

利用泥漿鉆井條件下的測井資料，通過去水化反演技術獲得氣體鉆井條件下井周巖石力學參數(shù)及應力狀態(tài)，進而評價氣體鉆井井壁穩(wěn)定性。

1.1.3 儲層傷害評價

儲層傷害評價可以量化常規(guī)鉆井、欠平衡鉆井方式對儲層造成的影響，分為液相鉆井條件下的固液相傷害、完井投產(chǎn)過程中的儲層傷害及產(chǎn)能恢復程度、應力敏感性評價。

1.1.4 安全性評價技術

安全性評價技術通過計算套管強度以及鉆具上頂力來判斷能否開展氮氣鉆井，套管強度校核是對氣體鉆井上一層套管抗外擠強度按全掏空進行校核，計算抗外擠安全系數(shù)不小于1.0則滿足氮氣鉆井需求；鉆具上頂風險分析考慮極限條件下、儲層鉆遇高產(chǎn)油氣時產(chǎn)生的最大上頂力，若小于鉆具總重量，則可實施氮氣鉆井，若大于鉆具總重量，則無法開展氮氣鉆井。

1.1.5 經(jīng)濟性評估

經(jīng)濟性評估是根據(jù)作業(yè)目的、內(nèi)容以及評估的方式不同，評估應用氣體鉆井產(chǎn)生的預期經(jīng)濟效益與氣體鉆井成本的大小關系，總體原則是應用氣體鉆井產(chǎn)生的預期經(jīng)濟效益大于氣體鉆井成本。其中，若以提速治漏為目的，那么主要考慮應用氣體鉆井節(jié)約鉆井周期和節(jié)省泥漿帶來的預期效果；而以儲層開發(fā)為目的，則主要考慮應用氣體鉆井提升單井產(chǎn)量帶來的預期效果。

1.2 鉆井優(yōu)化設計技術

從目的層地層壓力系數(shù)和地層流體物性出發(fā)，對井身結構、鉆井方式、鉆井參數(shù)、地面裝備配置、鉆井安全等內(nèi)容進行全面優(yōu)化設計，形成了較為完善的儲層氮氣鉆井參數(shù)優(yōu)化設計技術。

1.3 井斜控制技術

采用EM-MWD（Electromagnetic Wave-Measure While Drilling，縮寫為“EM-MWD”，意為無線隨鉆測量儀器，或無線隨鉆測量技術）隨鉆監(jiān)測井斜、方位，實時調整鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆具組合，實現(xiàn)氮氣鉆水平井段、大斜度井段井斜的有效控制。其中增斜組合為鉆頭 + 彎螺桿 + 常閉式回壓閥2只 + 定向接頭 + 無磁鉆鋌 + 鉆鋌 + 斜坡鉆桿；穩(wěn)斜組合為鉆頭 + 扶正器 + 常閉式回壓閥2只 + 無磁鉆鋌×1根 + 測量總成懸掛短節(jié) + 扶正器 + 斜坡鉆桿 + 發(fā)射總成懸掛短節(jié) + 絕緣短接 + 斜坡鉆桿。

1.4 一體化集中監(jiān)控技術

一體化集中監(jiān)控技術集出口返出流體監(jiān)測、地面設備監(jiān)控為一體，為氮氣安全鉆進提供保障?？蓪Ψ党隽黧w中可燃氣體、硫化氫、濕度、鉆井參數(shù)等進行實時監(jiān)測和記錄，同時可對設備的運行狀態(tài)的進行實時監(jiān)測和遠程緊急關斷。

1.5 氮氣鉆井井控技術

以實施積極井控為理念，從提高發(fā)現(xiàn)油氣顯示快速關井、放噴的角度出發(fā)，建立了一套以監(jiān)測發(fā)現(xiàn)、崗位分工、關井程序、遠程關斷等為主的井控制度和規(guī)范，為儲層氮氣安全鉆井提供保障。氮氣鉆井井控技術是一種有效的地層流體返出監(jiān)測技術，有迅速的井口控制程序：“發(fā)、停、開—關、提、關、看”，具體井口控制程序如下。

①發(fā)：發(fā)出信號；

②停：停轉盤或頂驅（氣體鉆井操作人員觀察并記錄注氣壓力變化，并根據(jù)注入壓力調節(jié)泄壓撬體針閥開度或停止注氣）；

③開—關：開啟液動平板閥，關閉環(huán)形防噴器；

完成以上動作后，迅速報告值班干部，確認安全的條件下再執(zhí)行下步動作。

④提：上提方鉆桿（頂驅上提鉆具調整接頭位置）；

⑤關：關閉半封閘板防噴器；

⑥看：觀察、記錄立管和套管壓力，并向隊長或鉆井工程師（技術員）及鉆井監(jiān)督、安全監(jiān)督報告。

1.6 不壓井起下鉆技術

不壓井起下鉆技術是配套了不壓井起下鉆裝置，以不同地層產(chǎn)氣量、套壓為依據(jù)的安全施工技術，該技術為后期完井方式及工藝的選擇提供技術支撐，分為無套壓和有套壓兩種情形，在無套壓時，防噴器配合旋轉控制膠芯不壓井起下鉆；在有套壓時，綜合鉆具上頂力大小，配合使用不壓井起下鉆裝置處理。

1.7 氮氣鉆儲層完井技術

為避免氮氣鉆井結束后轉換泥漿污染地層，形成了裸眼下篩管完井及油鉆桿完井技術。裸眼下篩管完井采用篩管 + 定壓接頭，已在大塔場構造規(guī)模使用，而油鉆桿完井技術采用投球蹩通旁通閥或帶壓射孔，可以在地層壓力近90 MPa、氣產(chǎn)量高達100×104m3/d的情況下安全實施。

1.8 井下復雜處理技術

針對儲層氮氣鉆井可能出現(xiàn)的鉆遇油層攜砂困難等問題，發(fā)展完善了油分散泡沫體系，形成了氮氣鉆儲層防堵卡工藝技術及油層攜砂工藝技術，為儲層氮氣鉆井的安全實施提供技術支撐。

2 現(xiàn)場應用效果

近年來，中國石油川慶鉆探工程有限公司氣體鉆井在川渝大塔場、荷包場、廣安地區(qū)、新疆塔里木、青海柴達木以及吉林英臺等區(qū)塊，實施儲層氮氣鉆井80余井，有效提高了單井測試產(chǎn)量，實現(xiàn)了難動用油氣藏的效益開發(fā)（表1）。

表1 川慶鉆探公司氣體鉆井實施氮氣鉆井施工統(tǒng)計表

2.1 塔里木高壓低滲敏感性儲層獲得突破

新疆塔里木迪西構造侏羅系阿合組儲層埋深4 708～5 000 m，屬高壓、低孔、低滲、致密砂巖儲層（地層壓力85 MPa、地層壓力系數(shù)1.78、平均孔隙度5.2%，平均滲透率0.69 mD）。該地區(qū)在1998年之前常規(guī)鉆井5口，改造后的測試產(chǎn)氣量最高為14.14×104m3/d（依南2井），因產(chǎn)量低使得該區(qū)塊沉寂多年。為避免儲層液相傷害、獲取地層原始產(chǎn)能，2011年實施4井次的氮氣鉆井作業(yè)，取得重大勘探突破。

迪西1井在阿合組第四次開鉆215.9 mm井眼4 708.50～4 811.38 m井段、第五次開鉆149.2 mm井眼4 880.10～5 000.00 m井段開展了氮氣鉆井作業(yè)，前一井段獲測試產(chǎn)氣量57.19×104m3/d、產(chǎn)油量58.3 m3/d，后一井段獲測試產(chǎn)氣量24.11×104m3/d、產(chǎn)油量42.5 m3/d，這兩個井段共獲測試產(chǎn)氣量81.30×104m3/d、產(chǎn)油量 100.8 m3/d（表 2），由于環(huán)空帶壓被迫轉換成鉆井液完井，在鉆井液壓井酸化改造后，這兩個井段的測試產(chǎn)氣量12×104m3/d、產(chǎn)油量7.5 m3/d，同比分別下降85%、93%。

表2 迪西1井和迪北104井氮氣鉆井統(tǒng)計表

迪北104井在阿合組168.3 mm井眼4 768.00～4 794.81 m儲層段采用氮氣鉆井獲得高產(chǎn)，測試產(chǎn)氣量48.00×104m3/d，產(chǎn)油量48.0 m3/d，并首次采用油鉆桿完井，實現(xiàn)了高壓高產(chǎn)井全過程欠平衡氮氣鉆完井（表2）。

2.2 大塔場低壓低滲儲層效益開發(fā)

四川大塔構造沙一段儲層埋深1 400～1 500 m，屬低壓、低滲儲層（地層壓力系數(shù)0.90、孔隙度5%～13%、滲透率0.1～1.5 mD），常規(guī)鉆井獲產(chǎn)低（單井測試產(chǎn)氣量低于0.5×104m3/d），經(jīng)濟效益差（表 3）。

表3 大塔區(qū)塊常規(guī)鉆井獲產(chǎn)情況表

為保護和提高儲層產(chǎn)量，該構造大斜度井應用氮氣鉆井與完井技術，在大斜度井段采用氮氣鉆進，使用雙扶正器 + PDC鉆頭的穩(wěn)斜鉆具組合，有效延長儲層砂體暴露井段，氮氣鉆完儲層段并預留20 m口袋后，采用不壓井裸眼下篩管完井投產(chǎn)。

該技術應用顯著成效，2009年至今，該構造已完成30余口氮氣鉆大斜度井，部分井獲氣情況如表4所示，單井測試產(chǎn)氣量介于0.99～11.05×104m3/d，平均測試產(chǎn)量為常規(guī)鉆井的6倍以上。目前氮氣鉆井與完井技術已成為大塔場構造開發(fā)的必用技術。

表4 近年大塔區(qū)塊氮氣鉆完井獲產(chǎn)情況表

3 結論與建議

1）研究并試驗了儲層氮氣鉆井技術，擁有了地層適應性評價技術、鉆井優(yōu)化設計技術、井斜控制技術、一體化集中監(jiān)控技術等8項特色技術。

2）2005年以來實施儲層氮氣鉆井80余井，有效提高了單井產(chǎn)量，實現(xiàn)了難動用油氣藏的效益開發(fā)。

3）目前受多種因素的影響和制約，儲層氮氣鉆井技術的應用范圍遠小于常規(guī)泥漿鉆井。因此，還需要進一步開展氮氣鉆井工藝、裝備的研究，重點解決在進行氮氣鉆井時鉆遇地層出油氣的攜砂和地面處理問題，充分發(fā)揮氮氣鉆井在保護儲層方面的優(yōu)勢。