库车东部致密砂岩气藏氮气欠平衡钻井技术.pdf

9 4 石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 3 年 1 1 月 第 3 5 卷 第 1 1 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I N o v ． 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 1 1 库 车东部致密砂岩气藏氮气欠 平衡钻井技术 李洪 ，汪海阁 中国 石油集团 钻井工 程技术研究院， 北京1 0 o 1 9 5 杨成新 ，周波 中 石油 塔里 木油田分 公司， 新疆库尔勒8 4 1 o o o [ 摘要]库车东部地 区致 密砂岩 气藏是塔里木油 田发展 的重 点攻 坚区块，该 区块常规钻 井不仅 钻速低 ，且 不能很好地保护和发现油气藏 ，产量 也低。为 了解 决上述 问题 ，采用 了氮气欠平衡 钻井。针对该地 区的 异常高压 、酸性腐蚀、冲蚀及地层 出水等技术难题 提 出了有 效对 策，在模拟 计算 氮气注入 量与环 空最 大 岩屑浓度 、注气压力及井底压力 的关系基础 上，优选氮 气注入量 ，并优 化井身结 构、钻具组 合等 ，以提 高机械钻速 ，避免井漏而保护储层 ，同时能最 大程 度地释放储 层 能量，获得原始 产量并探 明储量。将 所 形成 的技术成功地应用于该 区 D井，与邻 井同构造 同层位 的采 用钻 井液 钻井 的井相 比，氮气钻 井机械钻 速和单只钻头进尺分别是 它们 的 8 ． 8 倍 和 2 ． 4倍。环空测试 日产天然气是邻井最高产 井的 4 ． 2倍。库车东 部致 密砂岩气藏应用氮气欠平衡钻井 ，开发效果显著，可进 一步推广 应用 。 [ 关键词]致 密砂岩 气藏；氮气钻井 ；欠平衡钻井 ；注气量 ；注入压 力；库车东部地 区 [ 中图分类号]T E 2 4 9 [ 文献标 志码]A [ 文章编号]i 0 0 09 7 5 2 2 0 1 3 1 1 0 0 9 4 0 4 致密砂岩气也称 “ 深盆气” ，作为一种非常规气藏 ，在世界范 围内已受到人们的高度关注 ，是未来 重要 的勘 探增储 领 域u j 。塔里木 盆 地库 车东部侏 罗 系致 密砂岩 气藏 天然气 资源量 丰 富 ，勘探 开发 前景 广 阔 。但 因其埋 藏深 度大 、储层 物性 差 、非均 质性 强 ，常规钻井 难 以达到 勘探 开发 目的 ，加 上钻井 液对 储 层 的伤 害大 ，过去 该地 区 1 0口采 用 常 规 方法 钻 井 的井 ，开 发 效果 均 较 差 。为 了及 时发 现 和保 护 储 层 ， 避免储层液相伤害 ，获得储层原始产量 ，并探索致密砂岩气藏的有效开发方式 ，在库车东部致密砂岩储 层 尝试采 用 氮气欠 平衡技 术 钻井 。 1 氮气欠平衡钻井主 要设备及原理 氮气欠平衡钻井是以氮气 作 为循环 介 质 ，将 井底 岩屑及 流人井筒 的液体循环到地 面。 首 先空气 经压 缩机 压缩后 在 制 氮 气设 备 中分 离 出高纯 度 的氮 气 ，然 后增 压设 备将分 离 出的 氮气进 行增 压 ，并 以一定排 量 通 过钻 柱将 氮气 注入井 底 ，维 持井底 压力 低于地 层压 力一 定 表 1 氮气钻井地面主要设备及性能参数 范围即欠平衡状态。通过对氮气注入量、注入压力及井 口回压等参数的调节 ，将井底岩屑和地层流体以 一 定 速度 带到井 K I ，并通过 旋转 控制 头将 返 出的 固液 气 导人排 砂管 线放 喷至岩 屑排放 池 。在钻井 过程 中 地面监测设备对返 出岩屑及地层 流体进行 实时监 测 ，确保氮气 钻井安全。氮气钻井地 面主要设 备如 表 1 所 示 。 [ 收稿日期]2 o 1 3一 o 1 2 7 [ 基金项 目]中国石油天然气股份有 限公司重大专项 2 0 1 0 E 一 2 1 0 9 。 [ 作者简介]李洪 1 9 8 1 一 ，男 ，2 0 0 4年大学毕业 ，硕士 ，工程师 ，现主要从事钻井提速新技术 、钻井工程方案及设计 工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 5卷第 1 1期 李洪 等 库车东部 致密砂岩气藏氮气欠平衡钻井技术 2 钻井技术难点及对策 2 ． 1 异 常 高压 根据库车东部 已钻井在侏罗系获得的温压数据，分析认为该地区致密砂岩储层具有异常高压，压力 系数高达 1 _ 8 ，采用氮气欠平衡钻井若遇高产 ，即属于典型的致密、高压、高产气藏。常规高压气井完 井方 式无 法实 施完 井作 业 ，针对 这 种情 况 ，改进 多功 能 四通 ，研制 油钻 管挂 。油 钻管 直接 坐挂 在改 进后 的多功能 四通上 ，实施光油钻管开发生产作业。异常高压高产条件下也容易引发井壁失稳 ，并可能诱发 一 些次生风险，因此必须优化氮气钻井参数 、加强钻井参数监测 ，并合理控制机械钻速。 2 ． 2酸 性腐蚀 该地区储层 C O 体积分数高达 2 ． 4 ，井 口分压高、温度高达 6 0 C，属典型的 C O 。高腐蚀环境 ， S 1 3 5钻杆及普通碳钢套管无法满足酸性气体的长期生产。为 了满足抗腐蚀性能，采用高抗腐蚀 的油钻 管 和 油套 管 。 2 ． 3 冲蚀 严重 在氮气钻井过程中，多功能 四通及其他井 口装备直接经受高速气 固两相流的冲蚀 。经模拟计算得出 产气量为 3 0 1 0 m。 ／ d以上时 ，上部井筒特别是井 口装置面临严重 的冲蚀 。为了降低 冲蚀带来 的影响 ， 研 制 了氮气 钻井 专用 双 通道 大通 径排 砂 四通 、双直 通排 砂管 线 ，并对 氮气 钻井 多功 能 四通关 键部 位做 特 殊处理 ，保 证 直 接 采 用 油 钻 管 完 井 投 产 时 井 口 的可 靠 性 和 井 筒 的完 整 性 。钻 遇无 阻 流 量 大 于 1 5 1 0 m。 ／ d 天然气产量的储层时，在满足携砂的条件下根据情况控制一定套压 ，将环空气体的流速控 制在 l O 5 0 m／ s 之间 ，减小对井 口及地面装置的冲蚀 ，确保井 口安全。 2 ． 4储 层 出水 根 据邻 井钻 探情 况 ，氮 气钻 井所 遇地 层 可能 出水 。在氮 气钻 进过 程 中应加 强钻 井参 数 和返 出岩 屑 的 监测 ，若发现地层出水，应停止氮气钻井 ，上提钻具循环观察 ，加大注气量。若通过增加注气量仍不满 足氮 气 钻井 条件 ，则 应及 时转 化 为常规 钻 井液 钻进 。 3 氮气注入参数设计 氮 气钻 井 中环空 的岩 屑 主要 是通 过气 体上 返 时高速 流动 产生 的动 量对 其产 生 的向上 推力 而实 现携 岩 的。因此氮气钻井 的首要问题就是如何确定合理 的氮气排量以满足井内携岩及携水的需要 。 在设 计氮 气 注人量 时 ，首 先要 能够 满 足井 眼净 化 的需 要 ，这 就要求 环空 岩 屑浓度 要 足够低 ，特别是 一 些 环 空携岩 的关 键 点 。井底 、裸 眼 与前 层套 管 的交接 点 、钻 杆 与钻 铤 交 接点 均 是 井 眼净 化 的 关键 点 。 在这 些关 键点 处 因气 固流 速 的改 变 ，环 空 局 部 岩 屑浓 度 高 ，环 空 的最 大 岩 屑浓 度 往 往 就 在 这 些 关 键 点 处 ，容易造成岩屑聚集而堵塞环空。因此需要确定合理的氮气注入量、注气压力及井 口回压等参数，控 制氮气在环空的上返速度 ，使环空岩屑浓度维持在合理范 围内，特别核算和控制这些关键点的岩屑浓 度 ，避免环空堵塞 。另外 ，气体注入量要能够充分冷却钻头 ，充分降低井底压力 ，并尽可能对动力和设 备 要 求低 些 ] 。氮气 注 入参 数设 计 以库 车东 部致 密砂 岩气井 D井 为例 ，假 设地 层 均 匀 出气 ，用 欠 平衡 钻井分析软件对氮气注入参数进行模拟计算 。 3 ． 1 计算 条 件 D井设计井身结构 一开用j 2 『 6 6 0 ． 4 mm钻头钻至 2 0 0 m 下 5 0 8 mm套管固井 ；二开用 4 4 4 ． 5 mm 钻头 钻 至 2 6 0 0 m 下 3 3 9 ． 7 mm 套 管 固 井 ；三 开 用 3 1 1 ． 2 mm 钻 头 钻 至 储 层 顶 部 4 6 9 2 m 下 2 4 4 ． 5 ram 2 5 0 ． 8 ram复合套管 ；四开用 2 1 5 ． 9 mm 钻头采用 氮气钻井技术 钻至设计井深 4 9 0 0 m。 其他计算条件 ①循环介质为氮气 ； ②井 口回压为 0 ． 1 MP a ；③岩屑直径为 3 mm；④地面温度为 2 O ℃； ⑤ 钻头 位 于 4 9 0 0 m 处 ，从 4 7 0 8 ． 5 m 开始 实施 氮气 钻井 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然气工程 2 O 1 3 年 1 1 月 3 ． 2计 算 结果及 参数设 计 模 拟计算 环空 最大 岩屑 体积分 数及 井底 压力 随氮气 注气 量 的变化 关 系 ，计 算 结果 见 图 1 。模 拟 计算 地面注气泵压随氮气注气量的变化关系，计算结果见图 2 。 出 世 米 一 环空最大岩屑体积分数 * ． ． } ～ ，1 _ ， ／J ． ， ， ； 一 ， 1／ | ． ■／ ． ． ／ i 『． ． ； 1 L 上 L L U L1 I 0 2 5 5 O 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 1 7 5 2 0 0 氮气注入量／ m rai n 。 图 1 注气量 与环 空岩屑体 积分 数、井底压 力的关系 3 5 0 0 3 0 0 0 凸- 姜2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 ．／ ⋯ 注气泵压 ／ 一 井底压力 ．／ ， ● ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ．／ ． L I ‘ l 4 一 4 - - - I 4 ⋯ 一 ‘ ～ ‘ l 4 ⋯ ． 4 0 2 5 5 0 7 5 1 O O l 2 5 1 5 O 1 7 5 2 0 0 氮气注入 量／ m’ mi n 。 1 图 2注 气 量 与 注 气 泵 压 、井 底 压 力 的 关 系 当环空关键点处最大岩屑岩屑体积分数小于 0 ． 1 5 时 ，一般环空不会 出现岩屑聚集造成堵塞。从 图 1中可 以看 出 ，注 气量 保持 在 1 4 0 m。 ／ rai n以上 时 ，环空 最 大 岩屑 体 积分 数 小 于 0 ． 1 5 ，能满 足 环 空 携岩要求 ；但是满足携岩的情况下注气量也不宜过大 ，应控制在 1 4 0 ． 0 ～2 0 0 ． O m。 ／ rai n ；如果考虑井壁 不稳 定掉 块 和地层 出水 等 因素 对携 岩 的影 响 ，应 控 制 注入 量 在 1 6 0 ． 0 ～2 0 0 ． O m。 ／ mi n 。因此 在 四开 氮 气 钻进 井段设 计 氮气 注气量 为 1 6 0 ． 0 2 0 0 ． O m。 ／ rai n ，从 图 2可 以看 出达 到设 计 氮 气 注气 量 时 ，地 面 注 气 泵 压需要 设计 在 2 ． 4 ～3 ． 9 MP a 之 间 ，环空气 体 返速将 在 1 8 ～5 l m／ s 之 间 。 4 D井钻井实践 4 ． 1 钻 具 组合 钻 具组 合 2 1 5 ． 9 ram 牙轮钻 头 双母 接头 1 5 8 。 8 mm 箭 型 回压 阀 2只 1 5 8 ． 8 ram 光钻 铤 7柱 1 2 7 ram 1 8 。 斜 坡 钻 杆 1 6 8 ram 下旋 塞 1 6 8 mm 箭 型 回压 阀 十 1 2 7 mm 1 0 斜 坡钻 杆 十 1 6 8 ram下 旋塞 方保 1 3 3 mm六 方 钻杆 方 钻杆上 旋塞 。 4 ． 2 钻 进情 况 1 4 7 0 8 ． 5 4 7 6 6 m 井 段 氮 气 钻 井 参 数 注 气 量 1 7 0 m。 ／ rai n 考 虑 井 壁 掉 块 的影 响 ，钻 压 2 5 ～ 5 0 k N，转 速 6 0 r ／ mi n ，立压 3 ． 2 ～3 ． 4 MP a ，套 压 0 ． 1 MP a 。 从 4 7 0 8 ． 5 m 钻 进 至 井 深 4 7 6 4 m，期 问 气 测 显 示 活 跃 ，平 均 机 械 钻 速 8 ． 6 m／ h 。 钻 进 至 井 深 4 7 6 4 ． 6 4 m，井壁 不稳 定掉 块 ，造成 环空 堵塞 而 卡 钻 ，经 划 眼后 复 杂 解 除 。继续 钻进 立 压 从 3 ． 4 MP a上 升至 1 0 MP a ，活 动钻具 无 明显阻卡 ，强 行 钻 进 2 m，立 压 居 高 不 降 ，起 钻 发 现 钻 头堵 塞 ，堵 塞 物 为 细一 中砂 岩 ，岩屑 湿度 3 O ～ 9 1 ，地层 微 量 出水 。钻 头 堵 塞原 因分 析 为机 械 钻速 过 快 ，高 压 高 产条 件 下 引发井壁失稳 ，环空堵塞 ，以及气流反灌，从而造成钻头堵塞。为了避免井壁掉块卡钻 、钻头堵塞及地 层出水给作业带来影响 ，下部地层钻进将降低机械钻速，提高氮气注入量 、降低钻压和转速，以提高氮 气 的携 岩能力 ，确 保环 空清 洁 ，避 免复 杂事 故情 况发 生 。 2 4 7 6 6 4 8 1 1 ． 3 8 m井段氮气钻进参数 注气量 1 8 0 m。 ／ rai n ，钻压 1 5 ～3 0 k N，转速 5 0 r ／ mi n ，立 压 3 ． 6 ～3 ． 8 MP a ，套压 0 ． 1 MP a 。调整钻进参数后 ，钻进顺利 ，钻至 4 8 1 1 ． 3 8 m获高产天然气 ，平均机 械钻速 6 ． O m／ h 。因环空中气 固返速快 ，上部钻杆表面产生 了一定程度的冲蚀坑。 避蠼噢 蝤 薛 5 O 0 如∞如∞如∞如∞ 如 加“ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 5卷第 1 1 期 李洪 等 库车 东部致密砂岩气藏氮气欠平衡钻井技术 5 氮气钻井效果 D井在侏 罗系致 密砂岩 阿合组 4 7 0 8 ． 5 ～4 8 1 1 ． 3 8 m 采用 全氮气欠平 衡钻 井 ，进 尺 1 0 2 ． 8 8 m，用 R 3 0 AMP DH钻头 2只，平均机械钻速 7 ． 2 5 m／ h ，单只钻头进尺 5 1 ． 4 4 m。相邻的同构造同层位常规钻 井液井的平均机械钻速为 0 ． 8 2 m／ h ，单只钻头进尺 2 1 ． 4 m。D井氮气钻井 的机械钻速是邻井 的 8 ． 8倍 ， 单只钻头进尺是邻井的 2 ． 4 倍 ，提速效果明显 。氮气钻井期间油气显示活跃 ，多次成功点火 ，焰高 5 m。 环空测试 ，用 1 0 mm油嘴求产 ，日产天然气 5 9 1 0 m。 ，日产油 6 9 ． 6 m。 ，天然气 日产量是邻井最高 产井的 4 ． 2倍 。氮气钻井的成功实施使该地区致密砂岩气藏的勘探开发获得 了重大突破 。 6 结论与建议 1 针对库车东部致密砂岩地层异常高压、酸性腐蚀、冲蚀 和地层出水等问题采取 了有效对策 ，确 保了氮气钻井在该地层的安全实施 。实践表明氮气钻井中环空气固流速快 ，井 口装置冲蚀严重 ，需进一 步 提高 多功 能 四通 、节流 管汇 及钻 杆 的抗 冲蚀 能力 ，避免 发 生穿刺 等安 全 问题 。 2 模拟计算环空最大岩屑浓度 、井底压力 、注气泵压随氮气注入量 的变化关 系，并根据地层情况 优选氮气注入参数 。氮气注入参数设计既要满足井底携岩要求 ，控制环空岩屑浓度 ，也要满足井壁稳定 需求 ，避免环空岩屑浓度过高或井壁掉块 造成环空堵塞 。氮气钻井参数 的合理设计能有效 提高机械钻 速 ，缩短钻井周期 ，增加单只钻头进尺 ，并且储层能量也得到充分释放 ，提高了单井油气产量 ，减少完 井增 产措 施 。 3 异 常 高压 高产 条件 下 ，特别 是在 高机 械钻 速 下 ，氮气 钻 井 易导 致 井 壁失 稳 ，并 可 能 诱发 次 生 风 险，如环空堵塞、气流反灌 、地面管线的稳定等。不能盲 目追求高钻速 ，合理控制机械钻速 ，并优化氮 气注入量 、钻压、转速等钻井参数 ，钻井过程 中加强氮气钻井参数和地层返出岩屑的实时监测，发现异 常时及时调整氮气钻井参数 ，确保井壁稳定及环空清洁，避免复杂事故发生。 4 实践表明库车东部致密砂岩气藏氮气欠平衡钻井技术对气藏 的保护和发现有着显著的效果 ，最 大程度地减少储层伤害 ，获得储层 的原始产量 ，可进一步在该地区的开发中推广应用 。 [ 参考文献] [ 1 ]罗诗薇 ．致密砂岩气藏 [ J ]．国外 油田工程 ，2 0 0 7 ，2 3 2 3 1 ～3 6 ． [ 2 ]赵页荣 ，孟英峰 ，雷桐 ，等 ．气体钻井理论与实践 [ M]．北京 石油工业出版社 ，2 0 0 7 ． 2 5 ～3 4 ． [ 3 ]陶谦 ，柳贡慧 ，毕胜宇，等 ．气体循环钻 井注气量 计算与 影响 因素分 析 [ J ] ．石油 天然气 学报 江汉石 油学 院学报 ，2 0 1 0 ，3 2 1 9 7 ～ 1 00 ． [ 编辑 ] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m