氮气水平井钻井难点、处理对策及现场试验.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年6 月 第3 6 卷 第6 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 J u n ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 6 氮气水平井钻井难点、处理对策及现场试验 钟显禄 中石化西南石油局广西石油基地服务中心， 广西南宁5 3 0 0 2 3 胡挺 中石油西部钻探钻井工 程技术研究院， 新疆鄯善8 3 8 2 0 2 [ 摘要]氮气欠平衡钻井技术是保护、发现油气层和提高单井产量 的有效工 艺技术手段之 一，将氮气 欠平 衡钻 井技术 与水平 井钻 井技术结合应用 ，既能提 高储 层钻 遇率 ，又 能对 油气 藏进行 精细评 价 ，是 解决勘 探开发难 动用储层 的一种有效技术 手段 。但是 氮气水平 井钻 井 中经 常遇见 地层 出水、 井壁 失 稳、水平 段 岩屑堆 积、井眼轨迹 不易监测 与控 制等技术难题 ，针 对这 些难 点展 开 了论 证 ，同时结 合三塘 湖 油 田牛 东 平 l井和牛东 8 1 3井两 口氮气水平井 的现场应用 与试 验 ，通过认 真分 析、 总结 ，形成 了一套氮 气水平 井 钻 井复杂情况 的处理对策 ，可 以对 氮气水平 井钻 井提供借 鉴作用 。 [ 关键 词] 氮气欠平衡钻井；水平井钻井；地层 出水；井壁失稳；岩屑 堆积 [ 中图分类号]TE 2 4 3 ． 1 [ 文献标志码]A [ 文章编 号] 1 0 o o 一9 7 5 2 2 0 1 4 0 6 0 0 8 7 一O 4 随着氮气欠平衡钻井技术水平的提升和应用效果的展现，氮气欠平衡钻井技术已成为勘探开发的前 沿技术手段 ，其主要优越性在于对地层无污染，可提高单井产能，提高机械钻速和有效评价储层 。而氮 气欠平衡钻井与水平井钻井结合则是高效勘探开发难动用储层的更有效方式 。随着勘探开发的深入 ，氮 气欠平衡钻井技术与水平井技术结合应用将是钻井技术发展的必然趋势。但气体水平井钻井中经常出现 地层出水 、井壁失稳等技术难点 ，是制约氮气水平井钻进技术发展的主要瓶颈 。因此 ，加强相关难点技 术 的研究 ，制 定相应 的对 策显 得尤 为重 要 。 1 氮气水平井钻井难点分析与处理对策 1 ． 1 地 层 出水 吐哈油 田实施氮气欠平衡钻井已达 1 5 余井次 ，通过实践表明，氮气欠平衡钻井实施成功的关键在于 井壁稳定 、地层含水少或不含水和有效的现场组织。为此进行氮气欠平衡钻井设计前首先需要做地层适应 性论证 ，准确掌握地层含油、气、水情况。并制定合理的施工措施，确保氮气欠平衡钻井的施工成功率。 1 ． 1 ． I地层 出水 的预测 方法 目前预测水层的主要方法是依靠地震、地质和测井等资料 ，其中对测井资料进行详细分析是精准预 测水层的最佳方法 ，当前常规钻井预测水层的主要测井方法有最小电阻率交会法、储层与泥浆电阻率交 会法等对出水层进行有效识别 ，但气体钻井识别水层较常规钻井要 困难的多 ，经常 出现水层漏判现象 。 为此，结合气体钻井的实际情况利用阿尔奇公式 以及束缚水含水饱和度计算模型 ，通过计算 、优选出能 反映地层出水的敏感性参数 表 1 ，形成一套气体钻井水层预测技术 ，以便对气体钻井提供指导。 表 1 氮气水 平井钻 井出水层位判断标准 1 ． 1 ． 2 地层 出水地 面 现象分 析 结合吐哈油田氮气欠平衡钻井现场应用时遇到的实际情况 ，通过分析总结 ，将地层 出水分为 3个级 [ 收稿日期]2 0 1 4一O 41 8 [ 作者简介]钟显禄 1 9 7 1 一 ， 男 ，1 9 9 5年江汉石油学院毕业 ， 工程师 ，长期从事油气田开发与开采技术管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油 天然 气工程 2 0 1 4年 6月 别 微量 出水 O 2 m。 ／ h ，一般出水 2 5 m。 ／ h ，大量 出水 S in。 ／ h以上 。地层 出水主要体现在转 盘扭矩、立管压力 、注气压力 、钻井速度等地面参数上 ，因此密切关注地面各项钻井参数的变化 ，是准 确判断井下情况的最佳依据。表 2给出了地层出水时的地面现象 。 表 2 地层 出水 地面现象分析及处理对策 1 ． 1 ． 3 地 层 出水 的 处理对 策 氮气水平井钻井技术成败的关键之一在于地层是否出水，施工 中若钻遇到地层 出水 ，那么首先应增 加气量进行循环 ；若增大气量后不能保持井下正常 ，则应视地层出水情况转换成泡沫钻井 、充气钻井或 液相欠平衡钻井。具体处理对策见表 2 1 ． 2井壁 稳定性 导致 井壁失稳 的原 因主要有 力学 因素和物理化 学因素两种 。物理化学 因素是 指钻井 液与 泥页 岩地层 发 生物理化学作用引起水化膨胀和分散，致使近井壁岩屑强度下降，导致井壁失稳 。但氮气水平井钻井过程 中不存在钻井液对井壁的物理化学作用，因此影响氮气水平井井壁稳定性的主要因素是岩石的力学性质。 1 ． 2 ． 1 氮 气水 平 井井壁 稳定 性评 价方 法 目前对氮气水平井井壁稳定性评价主要采用库仑一 莫尔强度理论和剪切破坏理论 ，利用测井资料结 合 这 两个 理 论 公 式 可 以计 算 出影 响 氮 气 水 平井 井 壁 稳 定 性 的 固 有 内聚 力 和 临 界 崩 落 内 聚力 ，当 固 有 内聚 力大于临界崩落 内聚 力 时 ，表 明 井 壁 比较 稳 定 ，井 壁 出现 坍 塌 的 可 能性 较 小 。 当 固 有 内聚 力 小 于 临界 崩． 落 内 聚 力 时 ，则 表 明 井 壁 不 稳 定 ，出现 坍 塌 的 可 能 性 较 大 。 图 1 以牛 东平 8 1 3井 图 1 牛东平 8 一 l 3井水平段井壁稳定性评价 为例 ，绘制 出了氮气水平井钻井的固有 内聚力和临界崩落 内聚力两条关系曲线，以评价该井水平段的井 壁 稳定 性 。 由图 1 可 知 ，在 1 5 O 0 ～ 1 9 5 0 m 井 段 岩 石 的 内 聚力 大 于 临界 崩 落 内聚 力 ，说 明该 井段 井 壁 比 较 稳定 。但 在 1 9 5 0 2 1 0 0 m 井 段岩 石 的 内聚 力 与其 临界 崩 落 内 聚力 比较 接 近 ，因 此在 实施 氮 气 欠平 衡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 6期 钟显禄 等 氮气水平井钻井难点 、处理对策及现场试验 8 9 钻井施工作业过程中，应密切关注转盘扭矩、立管压力、注气压力 、钻具活动情况等地面现象 ，并做好 井壁坍塌的处理预案 。 1 ． 2 ． 2 氮气 水 平井钻 井 井壁失 稳地 面现 象分析 井 壁稳 定研 究 的重要性 等 同于地 层 出水 ，同样是 关 系到氮 气水平 井 钻井成 败 的关键 因素 ，因此在 实 施氮气水平井钻井之前 ，首先应做好地层适应性论证 ，以确保氮气水平井钻井 的成功率 。井壁失稳性按 照失稳程度可分为井壁掉块和井壁坍塌两种，主要体现在转盘扭矩、立管压力 、注气压力 、岩屑返出情 况等地面现象上 ，因此氮气水平井钻井施工作业过程中应密切关注地面各项钻井参数 的变化 表 3 ， 对井下情况进行准确的认识与判断。 表 3 氮气 水平井井壁失稳地面现象分析及处理对策 1 ． 2 ． 3 氮气水平井钻井井壁失稳处理对策 井壁稳定性是顺利进行氮气水平井钻井的先导性条件 ，因此在实施氮气水平井钻井作业过程 中，一 旦出现井壁失稳，导致井下掉块或坍塌 ，应立 即停止钻进，加大气量循环 ，尽量将钻具提离井底到较高 位置L 1 ] ，判断井下失稳程度，根据判断结果制定下一步措施 。具体对策见表 3 。 1 ． 3 水 平段岩 屑携 带 氮气水平井钻井水平段较垂直段携岩要困难得多 ，岩屑易在水平段沉积形成岩屑床 ，若地层出液可 能使岩屑黏结成团，如果不加以处理，岩屑团会越结越大 ，大尺寸岩屑团会沉降在水平段的下井壁 引， 导致井眼净化不 良、环空堵塞或卡钻等井下复杂事故。 1 ． 3 ． 1 水 平段 岩屑 携带 难点 氮气水平井钻井水平段岩屑携带难点主要体现在 3 个方面①岩屑一旦被破碎、脱离井底后 很难 再次 回到井 底被 钻头 重复 破碎 ，而是 以小 颗粒 形式 被气 流带走 ，大颗粒 则可 能会 滞 留在水 平段 某处 的下 井壁处。②岩屑的重力方向与气体流动方 向相垂直 ，气体流动不能像在垂直井筒 内那样直接克服重力沉 降而使岩屑运移[ 3 ] 。③重力使钻具躺在下井壁处 ，这种偏心环空会造成下井壁处的低速区，而这些低速 区恰好是岩屑在重力作用下 的滞 留区【_ 4 ] 。 1 ． 3 ． 2 提高水平段岩屑携带的处理对策 结合氮气水平井钻井的现场应用经验，通过分析，总结和提炼得出了 5 项提高氮气水平井钻井水平段岩 屑携带的综合措施①足够的气量是氮气水平井钻井岩屑携带出井筒的保证 ，同时也是当井下 出现复杂情况 时及时处理复杂情况的重要保证。②采用变径短节、扶正器等器具使钻柱抬升，脱离下井壁，消除下井壁处 偏心环空造成的低速区，以免造成岩屑堆积。③保持水平段钻柱旋转，以改善水平段的岩屑滞 留、堆积现 象[ 5 ] 。④经常短距离地上提下放钻具，使钻头提离井底后再回到井底，将钻头附近大颗粒岩屑推回井底重复 破碎。⑤限制钻速，采用低钻压、高转速方式钻井，使钻头第 1 次破碎产生的岩屑不至于过大E 。 1 ． 4井 眼轨 迹 监测与 控制 氮气水平井钻井是以氮气作为循环介质，MWD L wD 随钻测量／ 随钻测井在气体中无法传输脉冲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然 气工程 2 0 1 4 年 6 月 信号；因此，无法进行无线随钻监测。有线随钻监测井 口高压循环头位置只对具有较高黏度和稠度的泥浆进 行密封，对清水密封都会发生泄漏；它对气体几乎没有密封作用，因此不能使用于气相钻井体系钻井。 1 ． 4 ． 1 氦气 水平 井井 眼轨 迹监 测与控 制 难点 在充气或纯气体欠平衡钻井作业中，MWD L wD 无法传输脉冲信号。无法对井眼轨迹进行随钻 监测 ，不 能保 证井 身结 构质 量 ，难 以确保 中靶 目标 。 由于氮气 水平 井钻 井改 变 了井 底 岩石 的结构 应力 状 态 ，使得地层各向异性 明显增加 ，极易发生井斜 ，致使氮气水平井钻井中井眼轨迹控制难度加大。氮气 水平井钻井中狗腿度难 以控制，加之氮气水平井钻井本身岩屑携带难度就比较大 ，双重难度加剧了发生 卡钻 的可能 。 1 ． 4 ． 2 提 高氮气 水 平井钻 井 的井 眼轨迹 监测 与控 制的 处理对 策 用 于氮气 水 平井钻 井 的井 眼轨迹 监测 与控制 的仪器 主要有 E M MWD地 质导 向系统 和可 投捞 式轨 迹 测量工具两种 ，通过在牛东平 1井和牛东平 8 ～ 1 3井两 口氮气水平井的现场试验，证明两种仪器均能较 好 地对 氮气水 平 井钻 井 的井 眼轨 迹进 行监 测 与控制 。 E M MwD地质导向系统在进行气体钻井作业时 ，可实时获取井斜角、方位角等工程参数，掌控井 下增斜或降斜情况 ，根据要求可及时调整钻具组合 、钻进参数以及注气量。同时可随钻监测井下钻具的 振 动 ，以便施 工 人员 随 时 了解井 下 钻具 的情况 ，预防井 下复 杂情 况 的发生 。 针 对利 用 E M MW D地 质导 向系统服 务 费用高 的难题 ，研 发 了一种 用 于氮气 水平 井钻 井井 眼轨 迹控 制的投捞式轨迹测量工具 。但是在现场施工过程中不能对井眼轨迹进行随钻监测与控制 ，在测量的时候 需 要将 钻具 起至 垂直 井段 或井斜 小 于 4 5 。 的井 段 ，完成 投放 过 程 ，下钻 至 井底 完 成 测量 后再 起 钻 至 垂直 井段完成打捞过程。通过地面数据分析 ，确定下步钻井参数 、注气量及钻具组合，阶段性调整井斜和方 位 ，达 到对 井 眼轨迹 的有 效监 测与 控制 。 2 氮气水平井钻井现场试验 2 ． 1 牛 东平 1井 牛东平 1 井是吐哈油 田部署的第 1口氮气水平井 ，井眼直径 1 5 2 ． 4 mm。水平井段纯氮气钻进井段 为 1 6 6 6 ． 6 6 ～1 7 0 2 ． 3 4 m；充氮气钻进井段为 1 7 0 2 ． 3 4 ～1 9 4 7 ． 1 7 m。施工中结合岩屑运移机理及氮气钻水 平段携岩的难点 ，开始氮气注入量为 8 O ～9 0 m。 ／ rai n ；但钻进 2个单根后 ，钻具下放不到井底 ；循环划 眼时间较长，出于安全施工考虑，后将氮气注入量提高至 9 O ～1 2 0 m。 ／ mi n ，有效地解 决了岩屑携带问 题 ，恢复 正常 氮气 钻井 。在 钻至 1 7 0 2 ． 3 4 m 时 因地层 出水 ，钻 具遇 卡 ，排 砂 口无 气体 返 出 ，氮 气 注入量 提高 至 1 5 0 m。 ／ rai n ，排砂 口排 出大 量灰 尘 ，并 伴有 大 量 块 状 岩 屑 团 ；为 了 防止 井 下 复 杂情 况 进 一 步 恶 化 ，转化 为充 氮气 欠平 衡钻 井 。该井 在用 氮气钻 水平 段 的过程 中井 眼轨 迹 的监 测 与控制 采用 可投 捞式 轨 迹测量工具 ，对水平段井眼轨迹的控制提供了重要的参考数据 。 2 ． 2 牛 东平 8 0 1 3井 牛东平 8 ～ 1 3井 ，井眼直径 1 5 2 ． 4 mm，水平 井段纯氮气钻进井段为 1 5 8 7 ． 2 5 ～1 8 0 7 ． 0 9 m；充氮气钻 进井段为 1 8 0 7 ． 0 9 2 0 8 7 m。该井在分析总结 了牛东平 1 井氮气水平井钻井过程中出现的问题 ，水平段 氮气钻井过程 中氮气注入量为 9 o ～1 2 0 m。 ／ rai n ，在水平段增加变径短节 、扶正器等，再次破碎大颗粒岩 屑并使之变小 ，以有效满足水平段岩屑携带要求 ，循环时间大大缩短，机械钻速达 1 2 ． 7 8 m／ h ，是邻井 常规 钻井 机械 钻速 的 3 ～7 倍 。 牛东平 8 1 3井在水平井段氮气钻井井 眼轨迹监测与控制采用 E M MWD测量工具，钻井 过程 中随 时的调整井斜和方位 ，依据地层伽马、电阻率两个地质参数 ，有效地控制了井眼轨迹 ，并在邻井常规地 质解释为干层的情况下 ，分别在 1 7 0 1 m 和 1 7 3 6 m 时钻遇低产油层 ，达到了发现和保护油气层 的 目的 ， 后钻至 1 8 0 7 ． 0 9 m 在 起 下 钻 过 程 中遇 阻严 重 ，出 于井 下 安 全 考 虑，将 氮 气 钻 井 转 为 充 气 钻 井 ， E M MWD 水平段监 测及 控制 段 长 4 9 9 ． 7 5 m。牛 东平 8 1 3井在 完 井后 直 接投 产 较邻 井 产量 提 高 了 5 ～8 倍 。 下 转 第 9 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 石 油天 然 气工程 2 0 1 4 年 6 月 4 结论 1 通过水泥浆的稳定性和 自由液的室内评价结果 ，可见韧性胶乳水泥浆具有较好 的浆体稳定性， 水泥浆 自由液能够得到较好的控制 ，能够满足水平井封固要求 。 2 水泥浆具有极低的滤失量，滤液侵入岩心的深度较浅 ，能够保证具有较好 的胶结面 。 3 韧性 胶乳 水泥 浆强 度发 展较 快 ，养护 2 4 h后水 泥 石 的抗 冲击 强度 和 弹 韧性 均 较 常规 水 泥 石 有着 很 大 的改善 ，水 泥浆 优 良的柔 韧性 为满 足页岩 气井 增产 措施施 工 的需要 提供 了必 要 的基础 。 4 韧性 胶乳 水 泥浆具 有较 快 的稠化 转化 时 间 ，水 泥浆 的静凝 胶 强度 由 4 8 ～ 2 4 0 P a发展 速 度 能 够控 制在 2 0 mi n以内，能够有效地防止水平井眼发生流体窜 ，保证气层的封固效果。 5 韧性胶乳水泥浆在建页 2 井 固井应用的成功，说明该水泥浆能够很好地适应页岩气水平井固井 作 业 ，其 在页 岩气 水平井 固井 作业 中具 有广泛 的应用空 间 。 [ 参考文献] [ 1 ] 王毅，彭 志刚 ，徐浩然 ．水平井复合水泥浆体系研究及应用 E J ]．钻采工艺 ，2 0 0 9 ，3 4 2 l o 3 ～1 0 5 ． [ 2 ]姜伟 ．渤海大位移水平井固井关 键技术研究及其应用 [ J ]．中国海上油气 工程 ，2 0 0 2 ，1 4 4 2 8 3 4 ． E 3 3许 明标 ，彭雷 ，张春阳 ，等 ．聚合物胶乳水泥浆的流体阻隔性能研究 [ J ]．油田化学 ，2 0 0 9 ，2 6 1 1 5 1 7 ． [ 编辑] 帅群 上接 第 9 0页 3 认识与建议 1 地层 出水 、井壁失稳是直接关 系到氮气水平井钻井成功与否的关键 因素 ，因此在优选氮气水平 井钻井的井位时 ，必须对其进行精准、严密的可行性论证。 2 氮气 水平 井 钻井过 程 中 ，应 保持 钻具旋 转 ，经 常 的短 起下 钻 ，控制 钻 速 ，还 要采 用抬 升 钻 具 的 方法避免钻具重力造成偏心环空，同时在变径短节 、扶正器等处的外侧面镶硬质合金，在水平段增加重 复破碎功能 ，以提高水平段的携岩能力 。 3 由于氮气钻水平井改变了水平段岩石的结构应力状态，使得地层各 向异性明显增加 ，极易发生 井斜 ，因此氮气水平井钻井的井眼轨迹极难控制 。 ’ [ 参考文献] ’ [ 1 ]杨令瑞 ，杨玻 ，肖润德 ，等 ．四川天然气欠平衡钻井完井技术研究与应用 [ 刀 ．天然气工业 ，2 0 0 5 ，2 5 3 l O 5 l O 8 ． E 2 7孟英峰 ，练章华 ，李永杰 ，等 ． 气体 钻水平井 的携岩研究及在 白浅 1 1 1井的应用 口]．天然气工业 ，2 0 0 5 ，2 5 8 5 0 5 3 ． E 3 ]莫跃龙 ，王华 ．欠平衡水平 井技术探讨E J 3．西部探矿 工程 ，2 o 0 8 ，2 0 6 5 5 5 7 ． E 4 3周英操 ，翟洪军 ．欠平衡钻井技术与应用 U- 1．北京 石油 工业 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 5 ]窦金勇 ，陆风德 ．气体钻井 常见问题 分析 E J ]．西部探 矿工程 ，2 o l o ，2 2 1 2 7 3 7 5 ． [ 6 ]陈方远 ，胡挺 ，孙新江 ，等 ．稠油油藏氮气欠平衡 钻完井技术研究与应用 E J ]．钻采工艺 ，2 O l O ，3 3 1 1 1 ～1 3 ． [ 编辑] 黄鹂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m