火山岩复杂地层控压钻井技术应用.pdf

第17卷第6期2010年11月 随着石油勘探开发的深入和钻井技术的提高，火 山岩油气藏已成为重要的勘探开发领域， 但是火山岩 地层存在地层硬、研磨性强、岩石可钻性差和裂缝性漏 失等客观条件，严重制约了火山岩的勘探开发［1］。 以准 噶尔盆地火山岩地区钻井为例， 钻井过程中经常钻遇 多套不同的压力层系，给钻井工程带来极大困难。 控压钻井具备解决诸如地层漏失、压差卡钻、钻杆 脱扣、 地层孔隙压力及地层破裂梯度间压力窗口狭窄 造成涌、漏等问题的技术优势［2-4］。 实践证实该方法在 操作过程中迅速有效，能实时监测地层实际压力，为后 续勘探开发作业提供更为准确的数据资料。同时，它具 有费用低、设备简单、井控风险较小等优势。 火山岩复杂地层控压钻井技术应用 杨世军 1 樊朝斌 2 彭刚 2 肖云峰 1 王海波 1 （1.长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北 荆州434023；2.西南油气分公司重庆钻井公司，重庆400042） 摘要火山岩地层存在地层硬、研磨性强、岩石可钻性差和裂缝性漏失等客观条件，严重制约了火山岩的勘探开发。 KLML气田前期钻探工作中，钻井遇到了3个突出难题频繁井漏、机械钻速低、井壁容易失稳。 常规钻井工艺已不能解决 这些复杂情况同时存在的情况，造成钻井工艺在油气勘探上的极大制约。控压钻井利用专用井口控制设备在井口产生一个 回压，根据地层孔隙压力和地层坍塌压力等因素，精确调节节流阀的开启程度来改变井口回压的大小，从而改变井内钻井 液当量密度的压力剖面。它具备防漏、防喷、提高机械钻速和防止井壁失稳等问题的技术优势，应用于KLML气田钻井实践 证实该方法在实践过程中有效防止了漏失和井壁不稳，同时较大幅度地提高了机械钻速。在复杂地层钻井中，控压钻井将 成为不可缺少的重要手段。 关键词火山岩地层；复杂地层；控压钻井；窄窗口；井漏；机械钻速 中图分类号TE249文献标志码A 文章编号1005-8907（2010）06-769-04 Application of managed pressure drilling technique in complex volcanic rock ation Yang Shijun1Fan Chaobin2Peng Gang2Xiao Yunfeng1Wang Haibo1 1.Key Laboratory of Oil and Gas Drilling and Production Engineering of Hubei Province, Yangtze University, Jingzhou 434023, China； 2.Chongqing Drilling Company, Southwest Oil and Gas Company, SINOPEC，Chongqing 400042, China Abstract The exploration and development of volcanic rock ation are greatly restricted by some objective conditions, such as hard ation, strong abrasive porperty, poor drillability and fractured leakage. Three problems, i.e. frequent circulation loss, low ROP and borehole wall instability, are encountered during early drilling operation in KLML Gas Field. Because conventional drilling technology can not solve these complex simultaneous problems, the drilling technology of oil and gas exploration has been greatly restricted. According to the pore pressure and collapse pressure of reservoir, a backpressure can be produced during managed pressure drilling through the use of special well head controlling equipments and the well head backpressure can be changed by adjusting the opening degree of choke valve, which can change the pressure profile of equivalent circulating density of drilling fluid within well. It has the technical advantages of leak protection, blowout control, improving ROP and preventing borehole wall instability. The drilling practice in KLML Gas Field proves that the is effective in leakage protection and preventing borehole wall instability and ROP has been greatly improved at the same time. With the complex conditions, the managed pressure drilling will become an indispensable . Key words volcanic rock ation, complicated ation, managed pressure drilling, narrow density windows, circulation loss, ROP. 引用格式杨世军，樊朝斌，彭刚，等.火山岩复杂地层控压钻井技术应用［J］.断块油气田，2010，17（6）769-772. Yang Shijun，Fan Chaobin，Peng Gang，et al. Application of managed pressure drilling technique in complex volcanic rock ation［J］. Fault- Block Oil Gas Field，2010，17（6）769-772. 断块油气田 FAULT-BLOCK OIL GAS FIELD 769 2010年11月断块油气田 1施工难点 A井位于准噶尔盆地腹部陆梁隆起东南部的滴南 凸起西端KLML气田X井区，是新疆油田部署的一口 控压水平井，钻井目的是高效开发气田石炭系气藏，设 计井深4 496.7 m（斜深），垂深3 700 m，目的层位石炭 系。 该区自1993年勘探至今，已钻成70余口井。 由于 地质条件复杂，勘探开发始终尚未很好解决，严重阻碍 了该区的勘探开发进度。 1.1自上而下频繁发生井漏 由于该区地层裂缝发育，漏失压力低且漏失严重， 井壁稳定性差。 火山岩地层裂缝比较发育，以网状缝、 斜交缝、直劈缝为主，裂缝不仅是油气运移成藏的主要 通道，也是钻进中造成钻井液漏失的重要原因。本区钻 井中，主要存在漏失频率高、漏失量大等问题，严重制 约了钻井速度，影响了勘探进程。 X井区漏失资料统计表明，该区钻井漏失普遍，25 口井发生216次漏失，平均每口井8.6次，至本井施工 为止，所有井均发生不同程度的漏失。 钻井过程中，各 种因素造成井内压力波动，易形成诱导性裂缝，或使地 层原有的微裂缝贯通，导致井漏升级。 同时，主产层石 炭系顶部存在风化壳、破碎带，裂缝发育，为漏失主要 层位，如果不能有效控制，对产层伤害也较为明显。 1.2钻头选型难，机械钻速低 火山岩种类多，岩性复杂，就同一岩性而言结构也 十分复杂。 准噶尔盆地部分地区火山岩地层主要分布 于石炭系地层及二叠系佳木河组的下亚组， 岩性主要 为火山熔岩（玄武岩和安山岩等），其次为火山碎屑岩。 其岩性表征为结构复杂、地层硬度高、研磨性强、岩石 可钻性差、岩性不均质等不利因素，导致本区火山岩地 层钻井机械钻速普遍很低，钻头磨损、损坏严重，容易 出现井内钻具事故。 1.3井壁坍塌压力较高，井壁稳定问题较为突出 测井资料显示该区井径极不规则，钻井过程中返 屑常伴大量岩块； 起下钻过程中易出现下钻不到底的 情况，划眼时伴随大量岩块返出井内。 1.4密度窗口窄，需确定钻井过程中合理的井底压差 本区地层坍塌压力梯度和漏失压力梯度较为接 近，属于典型的窄密度窗口区域，使得在预测压力剖面 准确性和实际操作过程中的精细程度要求增加， 同时 这也是施工成败的关键。 1.5油气层发现和保护的客观要求 工区原始地层压力资料表明， 本区地层原始压力 为39.57～46.90 MPa，地层压力系数为1.16～1.33。 取心分析化验资料及试油表明，X井区石炭系火 山岩储层岩性以凝灰质砂砾岩、玄武岩，凝灰岩、凝灰 质角砾岩和酸性花岗斑岩、凝灰岩等为主，储层裂缝较 发育，具有水敏、酸敏、水锁、无机物沉淀、应力敏感等 伤害特征， 储层保护的重点是控制钻井液和水泥浆滤 液的抑制性、高矿化度、低滤失量和高裂缝封堵能力， 传统的过平衡钻井会严重伤害储层。 2KLML气田火山岩地层钻井技术 2.1前期调研 为了高效开发和保护油气层，新疆油田针对KLML 气田开展了诸如钻井提速、控压钻井、欠平衡钻井适应 性分析（其包含了全过程液相欠平衡、泡沫欠平衡、空 气钻井等多种形式的欠平衡钻井技术， 地层出水预 测）、井身结构优化、井壁稳定性及保护、火山岩地层水 平井产能影响因素分析等一系列工作，为欠平衡、控压 钻井提供了有力的配套技术和理论依据， 并为本区成 功开展控压钻井打下了坚实基础。 同时针对火山岩地 层开展了钻头选型与结构改进、强化钻井参数等研究。 2.2控压钻井配套技术 控压钻井技术主要通过对回压、流体密度、流体流 变性、 环空液位、 水力摩阻和井眼几何形态的综合控 制， 使整个井筒的压力剖面维持在地层孔隙压力和破 裂压力之间，进行平衡或近平衡钻井，有效控制地层流 体侵入井眼，减少井涌、井漏、卡钻等多种钻井复杂情 况， 非常适合于孔隙压力和破裂压力窗口较窄的地层 作业。 2.2.1控压钻井分类 目前国外已形成了较为系统的工艺理论［4-6］，按照 应用方式可将控压钻井分为3种 1）井底压力恒定控压钻井，也称为“当量循环密度 控制”； 2）泥浆帽控压钻井，也称“加压泥浆帽钻井”； 3）双梯度控压钻井。 2.2.2控压钻井技术优势 1）通过较为精确地人为控制，使井内钻井液压力 剖面处于一个合理的区间范围， 能最大程度上避免薄 弱地层的漏失和易喷地层的井控问题， 而且井内钻井 液密度梯度接近地层压力梯度， 井口控制能做到迅速 有效。 2）控压钻井井内钻井液压力梯度与地层压力梯度 接近， 避免了其他作业时必须提高钻井液密度导致地 770 第17卷第6期 层压力波动较大而产生的一系列钻井问题。 3）可使井底钻井液液柱压力小于地层压力，使地 层流体在可控的状态下进入井筒， 实现及时准确地发 现、描述油气藏，获得流体存在类型和油气藏采收率等 有价值的数据；在提高单井产能方面，控压钻井能在一 定程度上减小或降低地层损害， 同时获得更大的单井 产能。 4）本区火山岩地层为中孔中渗、中小孔喉的火山 碎屑岩储集层。研究表明渗透性地层井底液柱压力从 平衡变为欠平衡，机械钻速可以极大提高，有效解决火 山岩机械钻速低的普遍问题。 2.2.3KLML气田火山岩地层控压技术 1）研究、分析已钻井情况，总结实钻井中引起复 杂、事故的地质条件，建立一套较逼真的地质模型，为 钻井方案的选取提供地质依据。开展地层特性研究，分 析已钻井的工程、地质、测井、测试等资料，建立了钻井 岩石力学特性剖面及地层压力剖面。 2）针对本区容易出现的漏失问题，对控压钻井的 防漏效果进行可行性分析、论证。总结实钻井的漏失地 层特性、漏失规律，提出控压防漏模型及控压防漏配套 技术。 3）开展本区地层的地应力、井眼稳定性评价和钻 井完井方式优化研究，结合已钻井的井身结构，提出合 理、经济、安全的适合控压钻井的井身结构。 4）以保护油气层为原则，开展控压钻井适应性评 价、控压钻井欠压值设计与控制技术、控压安全钻井技 术研究，形成控压水平井钻井技术。 3X井区控压钻井技术应用 3.1井底欠压值及钻井液密度设计 3.1.1井底欠压值模拟 根据邻井地质资料， 预测该井石炭系地层孔隙压 力系数为1.28～1.33，平均1.30，预测地层坍塌压力系 数为1.17～1.50，初步选定井底动压差为0.7～1.4 MPa。 考虑其存在的风险和地层压力系数的不确定性， 分别 模拟不同钻井液密度条件下的井底静态和动态欠压值 设计（见表1）。 石炭系地层孔隙压力梯度当量密度一般在0.899～ 1.301 gcm－3变化，波动范围较大，该层位地层孔隙压 力异常。 3.1.2井口节流压力值校核 按照地层流体进入井筒前与地层流体持续进入井 筒2种状态，分析井底压差情况（见表2）。 根据上述结果校核各种状态下井口节流压力值， 井口节流控制所需压力值及停止循环后作用于井口设 备上的压力如图1所示。 表1A井不同钻井液密度A、B点欠压值设计 注A、B点为水平井靶点，A点地层孔隙压力为46.74 MPa，B点地层孔 隙压力为47.2 MPa。 表2A井地层出气前、后井底动、静态压力模拟 图1井口控压值与井内出气量关系 从上述结果可知，在预测地层压力、地层随钻产气 量条件下，使用密度为1.20 gcm－3的钻井液实施欠平 衡钻进，作用在旋转防喷器上的压力应小于额定的动、 静压力。 3.1.3井底欠压值确定 根据已有资料及三压力剖面预测， 确定控制井底 动欠压0.7～1.4 MPa。 当地层孔隙压力系数为1.28～ 1.33时，综合考虑地层随钻产气量、钻井液性能控制， 控制合理的井底欠压值等因素， 实钻中可根据实测地 层压力、油气产出情况及井底差值，对钻井液密度进行 合理调整。 4 86047.1843.5646.56 3 62045.5042.0143.20 地层产出气前 井深/ m 地层压力/ MPa 井底动态压力/MPa 地层产出气后 38.91 40.96 井底静态 压力/MPa 静止-5.39-5.45-3.62-1.81 钻进-3.79-3.85-0.621.89 A点B点B点B点 1.15 gcm－3工况 不同钻井液密度下井底欠压值/MPa 1.20 gcm－3 A点 -3.59 -1.29 -1.797 1.203 A点 1.25 gcm－3 杨世军，等火山岩复杂地层控压钻井技术应用771 2010年11月断块油气田 3.2现场施工 3.2.1A井井身结构 A井井身结构如表3所示。 表3A井井身结构设计数据 3.2.2控压钻井过程 A井三开全段采用控压钻井方式， 开始采用密度 为1.20 gcm－3的钻井液， 井口回压1 MPa， 井底压力 44.60 MPa，当量循环密度1.26 gcm－3，井底预测压力 45.50 MPa， 井底欠压值0.9 MPa， 但在实际钻井过程 中， 由于接单根等辅助操作需要停泵， 后效气测值较 高，点火高度8～10 m，每次循环排气时间较长。 逐步提 高钻井液密度至1.25 gcm－3，井口加压0.7 MPa，气体 产出量有所减小， 保持正常钻进时气测值为一合理区 间，火焰高度1～3 m。 钻至井深3 850 m，井内出现大量 岩块，将密度提至1.28 gcm－3，井口岩块现象消除，气 测值有所减小。 3.2.3应用效果 A井自三开3 584.00 m钻至井深3 969.00 m完 钻，进尺385.00 m，平均机械钻速0.87 mh－1。单只钻头 最高平均机械钻速达到2.36 mh－1，比先前同层位开发 的直井平均机械提高40。 由于本井为水平井，控制 方位和井斜在整个钻井过程中降低了机械钻速； 牙轮 钻头的平均使用时间为95.8 h， 比同等地层条件下邻 直井钻头使用时间提高2倍以上， 且钻头出井评价钻 头磨损量均未超过20，同时也减少了起下钻次数和 时间，保证了钻井纯钻时间，提高了钻井效率。 三开控压钻井段井内仅一次出现大量掉岩块，现 场及时调整钻井液密度并迅速解决，三开无井漏情况， 也无其他复杂情况。 4结论 1）对于火山岩破碎带地层，需建立针对不同区域 火山岩地层井壁稳定性的评价方法和指标， 预测加实 时监测评价的手段在实际应用中对生产更有效合理。 2）控压钻井在钻水平井，尤其是长水平段水平井 时， 更应就水平段的特殊形态对压力剖面的影响做更 深入细致的研究。 3）在复杂地层及地质条件尚未完全掌握的地区， 欠压值不宜过大。欠压值过大，可能产生井壁不稳定和 停泵后钻井液气侵严重，循环处理反而耗费大量时间。 4）考虑接单根时使用钻井液连续循环装置，减少 辅助循环时间。 5）实践证明，井底欠压可提高牙轮钻头在火山岩 地层的机械钻速，还可以延长钻头的使用时间。 6）在处理复杂情况，尤其是井口控制方面，控压钻 井比欠平衡钻井更迅速有效，使用范围更加广泛。 参考文献 ［1］杨明合，夏宏南，蒋宏伟，等.火山岩地层优快钻井技术［J］.石油钻 探技术，2009，37（6）44－57. 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