通南巴地区充气欠平衡钻井技术应用.pdf

8 钻 采 工 艺 DRI U_ J I NG ＆ PR0DUCT 1 0N T ECHNOL 0GY 2 0 0 9年 7月 J u l y 2 O 0 9 通南巴地 区充气欠平衡钻井技术应用 黄 明 中石化石油工程西南有限公司钻井工程研究院 黄明． 通南巴地区充气欠平衡钻井技术应用， 2 0 O 9 ， 3 2 4 8一l 0 摘要通南巴地区地层可钻性差， 地层复杂， 井漏、 井塌严重， 常规钻井液机械钻速在 O ． 8 n s以下， 个别井 漏失钻井液近21 0 m 。近年来气体钻井技术迅速发展 ， 先后在通南巴地区进行 了1 0余口井的气体钻井、 泡沫钻 井， 上部地层机械钻速大幅度提高。但气体钻井遇到了地层应力垮塌、 地层出水量大等工程地质难题， 导致 了下沙 溪庙组 一须家河组近 2 0 o O m的井段无法使用气体钻井提速。文章提出通过充气钻井方式应对上述难题 ， 并详细介 绍了充气钻井的工艺特点及现场实验应用， 将进一步提高河坝地区复杂地层的钻井效率。 关键词空气钻井； 应力；垮塌；出水；负压钻井 中图分类号 T E 2 4 2 ． 6 文献标识码 B D 0 I 1 O ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 o o 67 6 8 x． 2 o o 9 ． 0 4 ． 0 0 3 一 、地质特征及井身结构 根据河坝地区 1 0 余 口已完钻井的实钻资料和 地震地层预测结果， 通南巴河坝构造须家河组以上 地层压力低， 浅部地层水发育， 以河嘉 2 0 3 H为例， 地层岩性和油气水分布见表 1 。常用井身结构及钻 井方式见表 2 。 表 1 河嘉 2 0 3 H井地质剖面 地质分层 地层压力 垂深 垂厚 梯度 油气水显示 岩性 主要工程 组 段 故障提示 m m MP a ／ m 遂宁组 l 8 1 1 8 1 O ． 0 0 9 0 0 ． 0 l 0 l 棕红色泥岩夹细粒岩屑砂岩 上沙溪庙组 1 9 3 1 1 7 5 O 0 ． O 0 9 5～ 0 ． 0 1 1 0 1 2 7 5 1 2 7 8 m水层 上部砂岩 、 中部、 下部泥岩 下沙溪庙组 2 3 8 1 4 5 O 0 ． 0 1 l 0～ 0 ． O 1 2 0 2 2 8 1 ～ 2 2 8 3 m水层 砂、 泥岩不等厚互层 千佛崖组 2 6 8 1 3 0 o O ． 0 1 2 0～ 0 ． 0 1 2 8 2 3 2 2 2 3 8 0 m水层 泥岩与细砂岩呈不等厚互层 2 8 5 O ～ 2 8 6 4 m水层 防漏 自流井组 3 0 7 l 3 9 0 0 ． O 1 2 8～ 0 ． 0 1 3 5 2 9 0 0 ～ 2 9 0 1 m气层 泥岩与砂岩呈不等厚互层， 与下伏 防斜 2 9 9 4 ～ 2 9 9 5 m气层 地层呈整合接触关系 防卡 五段 3 1 5 1 8 O 3 1 1 8 ～ 3 1 4 3 m水层 页岩与砂岩不等厚互层 防塌 四段 3 1 8 6 3 5 3 1 7 0 ～ 3 1 8 5 m水层 岩屑石英砂岩问夹黑色页岩 防水侵 须家 三段 3 3 1 6 1 3 0 质岩与泥质粉砂岩、 粉砂岩 0 ．0 1 3 5～0 ． 01 4 0 河组 二段 3 3 6 6 5 0 砂岩、 岩屑石英砂岩夹黑色页岩 黑色页岩与下伏地层呈不整合接 一 段 3 4 2 6 6 0 触关 系 二、 钻井现状与分析 1 ． 钻井液钻井 主要存在的问题是机械钻速低、 严重井漏等复 杂情况及 建井 周期 长。如河 坝 l井 一 开 4 4 4 ． 5 m m， l 5 0 2 2 0 0 m 平均机械钻速0 ． 6 1 In ／ h ； 发生漏 失 3次 ， 发生断钻具 4次。二开 3 1 1 ． 5 mm， 2 2 0 0～ 收稿 日期 2 0 0 90 4一 O 2； 修 回 日期 2 0 o 9一 o 6 2 3 作者简介黄明 1 9 7 O一 ， 工程师， l 9 9 0 年 7 月毕业于重庆石油学校钻井专业， 现任中石化石油工程西南公司钻井工程研究院副总工程 师 、 欠 平衡钻井所所 长。地址 6 1 8 o o 0 四川省德 阳市天韵大酒店钻井工程 院， Ema i 】 g c y h m 6 9 s j n a ． c 0 脚 第 3 2卷第 4期 Vo 1 ． 3 2 No ． 4 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆ P R 0D U C T 1 0N T E C HN 0 L 0 G Y 9 3 3 o 0 m 平均机械钻速 0 ． 5 5 n ／ h ， 发生 1 1 次井漏， 共漏 失 钻 井 液 6 7 6 ．1 3 m 。 。河 坝 l 0 1井 一 开 4 4 4 ． 5 m m， 9 o 0～ 1 6 o 0 m 平均机械钻速 0 ． 9 5 m ／ h ， 二开 3 1 1 ． 5 m m， 2 2 0 0～ 3 3 0 0 m 平 均机械钻速 0 ． 9 8 I n ／ h ， 漏失钻井液 2 0 0 0 0 m 以上。 2 ． 气体钻井 目 前通南巴构造已进行了 1 O 余 口井的空气、 泡 沫钻井 ， 在上部高陡构造地层机械钻速取得 大幅度 提高， 最高机械钻速 9 ． 1 9 ln ／ h 。见表 3 。 但大部分井实际气体钻进深度不超过2 0 0 0 m， 而设计气体钻井井深为2 0 0～ 3 8 0 0 m， 主要原因是 地层垮塌和出水量大。 表 2 河嘉 2 0 3 H井井身结构及钻井方式 开钻 钻头程序 套管程序 井段 备注 铂升力 程序 m m mm m 封地表 一 开 6 6 0 ． 4 5 0 8 0～1 5 O 常规钻井 水层 上沙水层 二开 4 4 4 ． 5 3 4 6 ． 1 0～1 5 0 0 空气钻井 以上地层 封雷口 空气、 氮气、 三开 3 1 4 ．1 2 73． 1 0～4 00 0 坡组 常规钻井 1 9 3． 7 0～3 0 0 四开 2 4 1 ． 3 常规钻井 1 7 7 ．8 3 0 o一 5 9 r7 3 注 水 泥返高至地 面。 表 3 通南巴构造部分井气体钻井的机械钻速统计表 井段 钻头尺寸 平均机械钻速 出水量 井号 层位 钻井介质 结束原因 m m m In ／ h m ／ h 河坝 l 叭 3 O 2 ． 3 1～ 8 2 6 ． 3 6 4 4 4 ． 5 上沙 5 ． 4 2 5 泡沫 出水量大 1 4 8 ～2 1 0 5 4 4 4 ． 5 遂宁组 ～上沙 4 ． 7 5 1 0～1 5 钻达深度 河坝 1 0 2 空气 2 2 1 2～ 3 1 6 8 3 l 1 ． 2 下沙 一自流井组 9 ． 0 2 地层严重垮塌 1 5 8 ． 6～l 5 O 2 4 4 J4 ． 5 上沙 4 ． 5 8 2 5 钻达深度 嘉 2 0 3 H 泡沫 1 5 0 2～l 8 2 2 3 1 6 上沙 4 ． 8 0 地层严 重垮塌 河飞 3 0 2 1 5 5～l 1 4 3 ． 4 8 4 4 4 ． 5 上沙 9 ． 1 9 1 5 泡沫 地层严重垮 塌 河坝 2井 6 l 5 ． 0～ 1 2 7 3 ． 5 7 3 1 6 ． 5 上 沙 8 ． 2 9 5 空气 地层 出水 马 1 井 7 4 2～ 1 3 4 9 ． 6 0 3 1 6 ． 5 上沙 8 ． 6 5 1 0 空气 地层出水 马2井 8 0 2～ 1 8 1 6 ． 6 3 3 1 4 ． 1 上沙 3 ． 2 9 1 0 空气 地层出水 3 ． 地层垮塌和出水情况分析 通南巴构造上部地层为常压地层 ， 但在气体钻 井条件下， 形成的负压差， 仍然是导致井壁应力失稳 的主要原因， 通过取样进行稳定性分析 ， 存在应力垮 塌 的可能 ， 在环空介质当量密度大于 0 ． 5时 ， 就可 以 防止地层 出现应力垮塌。水层压力低 ， 采用密度为 1 ． o 51 ． 1 0 c m 钻井液钻井 时未发现地层 出水 ， 虽然在气体 、 泡沫钻井情况下 出水量大 ， 但如果环空 循环介质具有一定 的密度 ， 地层 出水量完全 可以得 到控制甚至不出水。 三、 欠平衡钻井技术思路及对策 通过以上分析 ， 要进一步利用欠平衡钻井提速 ， 需要选择一种环空循环介 质当量密度大 于 0 ． 5 ， 低 于 0 ． 9 5， 同时密度又具有较大调节范 围以控制地层 出水 的欠平衡钻井 方式 ， 设计选择 大气量 的充气欠 平衡钻井方式可以满足要求， 以河嘉 2 0 3井 3 1 6 ， 2 0 0 0 m 井深， 使用多相流软件计算结果见表4 。 表 4 河嘉 2 0 3井充气钻井计算结果 井深 钻井液排量 气体排量 钻井液密度 立压 井底循环压力 循环当量密度 最小环空流速 m I ／ s m ／ m i n c m MP a MP a g ／ c m I n ／ s 4 0 1 0 o 1 ． 0 5 5 ． 9 1 6 0． 8 3 0 ． 5 3 2 0 o 0 3 5 1 5 0 1 ． 0 5 5 ． 7 1 3 0 ． 71 0 ． 5 9 1 0 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ P R0DUC TI ON TEC HN0L 0GY 2 o 0 9年 7月 J u l v 2 o o 9 四、 充气欠平衡钻井工艺特点 1 ． 充气量大 ， 环空当量密度调节范围大 充气钻井技术， 能够有效地降低钻井液密度， 过 去主要用于发现和保护油气层。在 国外 ， 美 国和加 拿大是最早进行 充气钻井 实践 的 国家 ； 在 国内， 充气钻井在大庆 、 辽河 、 新疆 、 胜利、 中原等油 田都应 用过 J 。但基本上都 是采用泡沫钻井 液钻井或在 低密度钻井液 中小量充气钻进 ， 动态井底当量密度 在 0 ． 9 g ／ c m 以上 ， 主要 以发现和保 护油气层为 目 的 J 。要在河坝构造复 杂地层使用充 气钻井达到 提速 的 目的 ， 要求充气量达到 8 0～1 5 0 m ， 环空 当 量密度在 0 ． 6～ 0 ． 9 5调节 。 2 ． 充气钻井环空当量密度确定原则 1 地层不发生应力垮塌 ； 2 抑止地层出水 、 出气不影响正常施工 。 在满足上述条件 的基础上 ， 尽量降低密度 以最 大限度 的提高机械钻速。 3 ． 充气钻井当量密度控制方法 1 调整气体流量控制当量密度 调节气量是 最主要的一种手段。 2 调整液体流量控制当量密度 在不影响携 岩的前提下才能调整液体排量。 3 调整套压控制 当量密度 在特殊情况下 ， 如 地层突然 出气 、 出水、 可通过节 流管汇适 当控压循 环 ， 求取能够钻进的环空循环当量密度。 4 ． 地面设备配置 主要是施转防喷器， 节流管汇台， 大处理量的气 体分离设备及供气配套设备。 5 ． 钻井液性能要求． 1 钻井基 液密度小于 1 ． O 8 c m ， 抗温能力 达到所钻井深的要求 。 2 充气钻井液的膨润土含量控制在 l 0 ． 0一l 3 g ／ L ， 以便于钻井液的脱气。 3 充气钻井液基液应具有较好的质量， 较低 的切力 ， 易于充气或脱气。塑性黏度控制在 1 5～ 2 5 m P a s ， 动切应用控制在 2 0～ 2 8 P a 。 4 应具有 良好 的携屑能 力和流变性能 ， 在不 太高的漏斗黏度下有较强的携屑能力， 确保井底清 洁。 6 ． 适应范围 充气钻井用于空气 、 泡 沫钻井时地层 出现应力 垮塌或出水量太大， 同时地层流体压力较低不适应 进行液体欠平衡钻井 的地层 ， 目的是提高机械钻速 或发现保护油气层 。 五 、 现场实验 通南 巴地区某井 ， 一开 4 J 4 4 ． 5 m m井眼， 空气钻 井钻至井深 5 7 ． 5 m时地层大量 出水 3 5 m ／ h ， 采 用密度 1 ． 0 2 g ／ c m 的钻井基液进行充气钻井 ， 注液 量 2 3 L ／ s ， 注气量 l 0 0 m ／ n ， 环空最低返速 0 ． 5 2 3 Ⅱ s ， 循环压 力 1 ． 3 5 M P a， 循 环 时环 空 当量 比重 0 ． 4 6 ， 从井深 5 7 ． 5 m钻到 3 4 5 ． 3 3 m， 平均机械钻速 8 ． 2 1Ⅱ s ， 比常规钻井液钻井机械钻速提高 1 0倍以 上 ， 同时也有效控制了地层 出水 ， 取得了良好的经济 效益。 六 、结论 ／ ＼ 、耋 日 匕 充气钻井的实验应用进一步完善了欠平衡钻井 技术体系， 解决了气体钻井、 泡沫钻井过程中地层应 力失稳 、 地层大量出水等工程地质难题 ， 进一步扩展 了欠平衡钻井提速的应用范 围， 将大大提高通南 巴 地区复杂地层钻井效率 ， 缩短钻井周期 。 作为一种新兴的提速技术 ， 其地面设备及工艺 流程需进一步完善； 在不同气／ 液比例， 气液固混合 相在环空不同井深的流态需进一步探索。 参考文献 [ 1 ] wi u i a m c ．L y o n s ．A i r a n d G a s D r i u i n g M a n u a l[ M] ． Mc G r a w Hi l l P r o f e s s i o n a l ， 2 e d i t i o n ， De c e mb e r 7， 20 0 0． [ 2 ] 周英操．充气钻井技术在大庆油 田的应用 [ J ] ．探矿 工程 ， 2 0 0 6 ． 9 ． [ 3 ] 余晟．充气欠平衡钻井环空气液固三相流动力学分析 [ J ] ．钻采工艺 ， 2 0 0 7 ， 3 0 2 ． 编辑 黄晓川 温 馨 提 示 钻采工艺 现已入编“ 万方数据数字化期刊群” 、 “ 中国核心期刊 遴选 数据库” 、 中国石油文献数据库、 中文科技期 刊数据库和 c N K I系列数据库 ， 作者著作权使用费与本刊稿酬一次给付， 不再另行发放。作者如不同意将文章入编， 投稿时敬 请说 明 ， 我们将 另作 处理 。