欠平衡钻井可行性论证与设计.pdf

第3 3 卷第6 期V 0 1 3 3N o 6钻采工艺D R I L l U N G P R O D U C T I O NT E C H N O L O G Y2 1 欠平衡钻井可行性论证与设计朱忠喜1，李军1，刘颖彪3，雷万能4，蒋记伟1(1 中国石油大学石油工程教育部重点实验室北京2 中国石油集团公司钻井重点实验室长江大学研究室3 新疆油田公司勘探开发研究院4 塔里木油田勘探事业部)朱忠喜等欠平衡钻井可行性论证与设计钻采工艺，2 0 1 0，3 3(6)：2 1 2 5摘要：虽然欠平衡钻井技术作为油气勘探开发的重要工程手段，但是并非所有的地层条件和油藏类型和施工单位都适合应用。目前国内外研究的重点主要集中在地层压力剖面预测一个层面上。文章从地层可行性和工程可行性两个大的方面分不同指标给出了一套欠平衡钻井可行性评价方法，给出了各种指标在评价中的作用和获取方法。同时结合新疆油田一口风险探井应用提出的欠平衡钻井可行性评价方法进行了实例评价，评价结果能够为选用何种欠平衡钻井方式提供依据，也能够指导欠平衡钻井工程设计中的钻井方式转换和应急预案制定工作。关键词：欠平衡钻井；气体钻井；可行性；敏感性；地层压力中图分类号：T E2 2文献标识码：AD O I：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 7 6 8 X 2 0 1 0 0 6 0 0 8欠平衡钻井技术可有效控制漏失，发现和保护油气藏，并对某些硬地层可大幅度提高机械钻速，减少钻井时间和钻井成本。但是欠平衡钻井也是一项具有高风险、高成本、高回报的钻井技术，并非适用于所有的地层条件和施工队伍，在进行欠平衡钻井工程设计和施工之前需要对其可行性进行评价。国内外有许多研究机构和服务商针对欠平衡钻井可行性评价进行了研究2 J，但多数将研究重点都放在地层压力剖面预测上，欠平衡钻井决策依据过于薄弱，这也是欠平衡钻井施工在有些地区和施工方不能顺利进行的原因。为了更加全面地评价欠平衡钻井可行性，可以从地层可行性和工程可行性两个方面进行研究。一、欠平衡钻井地层可行性评价!1。地层岩性和敏感性地层岩性主要指欠平衡钻井更适合在坚硬稳固的地层内进行，如碳酸岩、灰岩胶结强度较高的砂岩地层。地层敏感性通常指速敏、水敏、盐敏、碱敏和酸敏，以及在这五种敏感性基础上叠加产生的应力敏感。黏土矿物中主要含有蒙脱石、高岭石、伊利石和绿泥石。蒙脱石具有强亲水性和高阳离子交换容量性质使其具有强烈的水敏性，蒙脱石遇水后体积可膨胀6 一1 0 倍，高岭石在储层中比较常见，高岭石晶格间的结合力很弱，颗粒的附着力较差，且容易转变成其他黏土矿物。由于黏土矿物在原始地层条件下曾与一定矿化度的水相接处过，当矿化度较低的淡水与其接触时，黏土矿物尤其是蒙脱石就会发生膨胀、分散和运移。在欠平衡钻井中尤其要对水敏和应力敏感做全面的分析和判断，其判断的基础就是地层中的黏土矿物含量及其组成。目前的主要手段就是通过已有钻井资料中分析所要实施欠平衡井段地层的黏土矿物含量，而黏土矿物含量可以通过岩石中泥质含量的高低来进行评价，因此可用自然伽马测井数据来间接评价地层的水敏性强弱，一般来说泥质含量高，则黏土矿物含量高，地层的水敏性强。在水敏性较强的地层使用欠平衡钻井时要特别注意钻井方式的选择，通常采用纯气体或泡沫钻井方式较为理想。2 地层孔隙压力和坍塌压力2 1 地层孔隙压力在欠平衡钻井时，对地层压力的掌握准确程度直接影响欠平衡状态能否真正实现。只有准确掌握地层孔隙压力才能有效地确定钻井液密度、设计合理井底欠压值和选择井控装置。目前有关地层压力计算方法和模型较多，现只选用较为简单的模型进收稿日期：2 0 1 0 一仇一1 8：修回日期：2 0 1 0 1 0 一l l基金项目：国家重点基础研究发展计划(9 7 3)课题(2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 4)，国家油气重大专项课题(2 0 0 8 Z x 0 5 0 2 l 一0 0 3)。作者简介：朱忠喜(1 9 7 8 一)。中国石油大学(北京)在读博士生，2 0 0 4 年毕业于长江大学石油工程学院并获硕士学位，从事油气井压力控制方面的研究和教学工作。地址：(1 0 2 2 4 9)北京市昌平区府学路1 8 号2 4 4#，电话：0 1 0 8 9 7 3 1 2 2 5，1 3 4 0 1 1 0 8 4 8 7，E m a r l：z h u z h o n g x i 1 2 6 嗍万方数据2 2 钻采工艺D m U N G P R O D U C 玎O NT E C H N O L O G Y2 0 1 0 年1 1 月N o v 2 0 l O行说明。对于新探区的地层压力通常由地质部门通过地震层速度或速度谱分析来获得。对已有实钻资料的井，通过实钻的钻井液密度、密度和声波时差测井等数据结合异常高压欠压实理论来获得，这种方法对泥岩为主的砂泥岩剖面适用性较良好，计算公式如(1)所示。匕=口+纫。一6 e 一瓴(1)式中：匕一岩石纵波速度；a，k，b，d L 与地层有关的经验系数；p。一岩石有效应力。2 2 地层坍塌压力在实施欠平衡钻井时钻井液环空当量密度要比常规钻井低，如当量密度低于地层坍塌压力当量密度时，井壁就会发生垮塌，因此在进行欠平衡钻井时必须保证环空压力不低于坍塌压力。通常地层坍塌压力受力学和化学两个方面的因素综合影响，在不考虑化学影响因素时，可用弹性力学理论来描述钻井后井壁周围岩石的应力状态。井眼任一截面可视为一个无限大平面上的圆孔，在圆孔周围会产生应力集中，如果岩石所受的最大剪应力超过其抗剪强度，井壁就会出现剪切破坏。利用邻井测井、压裂及钻井数据，可以计算井壁岩石所受的最大切应力对应的当量钻井液密度，即坍塌压力当量密度：对于直井有P。：岛。(2)t2F 7 cL z，对于水平井有P。：莩哞。(3)t2 霄eL j 式中：P。一井壁坍塌当量密度，g c m 3；仇一岩石有效应力当量密度，g c m 3；旷岩石泊松比，无量纲。当然，岩石属于不均匀弹塑性体，内部的结构比较复杂，上面的计算公式只能进行简单的计算，有关井壁稳定性的研究很多，相应的理论也在不断改进和完善中。由于目前使用钻井液还是以水基为主，测井都是在井眼钻完以后进行，此时井壁已经受钻井液的浸泡，所得数据都已经是钻井液与井壁发生化学作用及水化应力作用以后得到的结果。有研究表明，在含泥质地层经水基钻井液浸泡吸水后强度比没有钻井液浸泡下降心，并且随着浸泡时间的加长坍塌压力下降越多。因此，在纯气体、雾化和泡沫钻井时应充分考虑此因素的影响。3 地层出水油气情况地层出水是影响气体钻井的重要因素，地层出水过多会引起纯气体钻井岩屑携带困难，甚至无法继续进行，所以对出水层位以及出水量的大小进行预测是选择何种钻井方式以及做好钻井方式转换的应急预案的重要指标。在地层中水层位置的判断问题上，应用测井资料已经能够很好地得到了解释。但是在欠平衡钻井尤其是气体钻井中，地层出水量的大小是决定采用何种欠平衡钻井方式以及如何在即将钻遇的层位实施钻井方式转换的必要条件。目前对地层出水量大小的预测理论已有相关的研究H。】，主要是从测井资料解释、渗流力学理论、区域性实钻资料统计的方法进行相关研究。针对目前的研究现状，采用区域性实钻录井和地层测试或试油资料来进行统计是比较切实可行的方法，但是对于新区探井却无法进行，还有待于更加深入细致的研究。油气钻井的最终目标就是发现油气，目前大部分的地层测试资料都是围绕油气层来进行的，地层出油气的预测，通常可参照已有测试资料，但是对新区探井要以最恶劣情况进行考虑为宜。4 其他方面从地层适应性的角度来看，还应该从岩石硬度、可钻性、地层流体性质和地层伤害等方面进行评价，这里不做细致分析。二、欠平衡钻井工程可行性1 气体钻井装备评价气体钻井装备从两个方面入手，一是气体钻井所需气量大小，二是气体钻井时所需注气压力的大小。根据所需气量选择压缩机和增压机的配套，若现场需要的台套过多甚至无法满足或受场地限制不能摆放所需数量，就应该考虑其他钻井方式。在气体钻井中相同井眼条件下，纯气体钻井需要的气量最大，注气压力最小，而充气钻井与之相反。1 1 纯气体钻井的相关计算在气体钻井施工中，保持充足的气体流量是其顺利进行的关键。若气体流量过低将导致携岩能力不足，甚至导致卡钻，而过高既会造成设备、能量的浪费，又有可能使井壁、套管和钻具受到过度冲蚀降低强度和稳定性。目前常用G u o 修正的A n g e l 模型计算最小气体流量。A n g e l 模型认为井眼中有效携带固体颗粒所需大气条件下气体最小环空流速是1 5 2 4m s。但是由于气体钻井的井眼比较深，不同深度处压力和温度不同，所以要将A n g e l 标准条件下的速度转换成最小动能表示，单位体积的最小动能不变(1 4 3 6 5J m)。现场实践比较发现，引入的N i k u r a d s e 的摩擦系万方数据第3 3 卷第6 期V 0 1 3 3N o 6钻采工艺D R I U L I N G P R O D U C n O NT E C H N O L O G Y2 3 数修正的A n g e l 模型计算的气量比实际所需要的低2 0 多悼1。因此在气体钻井设计时要予以考虑。1 2 雾化、泡沫钻井的相关计算雾化钻井是作为纯气体钻井的一个补充形式，一般是在地层有少量出水时为了防止岩屑在环空内堆积，向注入的气体中加入一定的表面活性剂，来抑制水滴和岩屑团结。通常雾化钻井只是作为纯气体钻井和泡沫钻井之间的一个过渡方式。泡沫钻井和纯气体钻井之间的最大差别就是前者能够更好地适应地层出水的情况，因为泡沫自身的携岩能力较强，所需气量较小。但是在进行泡沫钻井时，必须保证全环空内都处于泡沫状态，也就是泡沫质量必须在0 5 5 0 9 6 的范围，否则在井底低于O 5 5 会气液分离出现段塞流，其携岩能力迅速下降，在井口高于0。9 6 会出现环雾流导致钻屑迅速下沉、携岩不畅等问题。就目前的研究情况来看，泡沫钻井的难点主要是如何在井筒内保持泡沫的稳定性，影响因素较多，相关计算较为复杂。通常评价泡沫钻井的指标是基液用量，由于泡沫基液在到达地面重复利用时要进行消泡和净化处理，目前泡沫基液回收利用的研究工作正在深入，这里不作详细讨论。当在泡沫钻井时，环空压力相对较低(当量密度在0 6g e r a 3 以下o)，若出现水层尤其是高产水层，出水量过大，容易造成泡沫性能稳定性达不到，或者是地面处理地层的出水能力受到限制，而导致无法进行。1 3 充气钻井相关计算充气钻井通常采用常规钻井液充入气体降低环空当量密度(0 7 0 9g c m 3)隅J，是处理地层出水和井涌井漏等复杂地层的较好的钻井方式。充气钻井的环空内液柱压力相对泡沫较高，通常采用气液两相流相关计算，所需注入压力较高，通常需要配备增压机。2 套管抗挤强度在实施欠平衡钻井时，环空压力较低，尤其是在纯气体钻井时，甚至可以将井筒视为全掏空状态。欠平衡钻井设计，尤其是针对常规设计完成后进行欠平衡设计，必须要考虑实施欠平衡时，上层套管的抗外挤强度是否可以达到安全标准。3 地面控制设备3 1 欠平衡施工井段的上层套管和防喷器配套问题一般来讲，防喷器的压力等级越高，其通径的最大型号越小，比如目前常用的闸板防喷器3 5M P a、7 0M P a 的最大通径D 3 4 6 m m(F Z 3 5 3 5 或F Z 3 5 7 0)。如果情况比较特殊，当套管是0 5 0 8 m m，而地层压力较高，井控要求井口防喷器压力等级要达到3 5M P a，而目前没有与彩0 8m m 套管相配套的防喷器，此时采用欠平衡钻井将加剧井喷失控的风险。3 2 地面撇油罐、液气分离器处理能力及排污池容积问题在充气钻井时，若产油量过大超过地面撇油罐的处理能力，或产气过多超过液气分离器处理能力，或者在泡沫钻井时地层出水过多，超过排污池容积时，都必须做好相关的预防措施和应急预案。4 其他方面从工程的角度来看，还应该从经济成本、施工人员素质等因素进行评价，由于这方面的内容过于复杂，在这里不做细致分析。三、应用实例新疆油田一口风险探井X 为例进行可行性分析。设计井深63 5 0m，采用四开井身结构。三、四开二叠系夏子街组、风城组和佳木河组地层可钻性差，决定采用欠平衡钻井技术，既能实现提高机械钻速，又能发现保护油气层。因此分别对三、四开地层进行欠平衡钻井可行性分析。1 X 井欠平衡钻井地层可行性分析1 1 地层岩性及敏感性岩性特征：夏子街组主要为砂砾岩夹透镜状泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩。风城组以泥质白云岩、含白云质泥岩夹层状细一粗粒砂岩的不等厚互层，裂缝相对较发育。佳木河组主要为灰、灰绿、灰黑色砂岩、泥岩互层夹薄层火山熔岩(安山岩、玄武岩)。岩石坚硬，可钻性较差。地层敏感性：三开段夏子街下部和风城组，四开段佳木河组上部地层，泥质含量较高，水敏性较强(具体参考已钻井的资料分析得知各层段泥质含量)，如图1 所示。1 2 地层出油气水情况选取6 口已钻井试油资料，对该所钻遇的夏子街组、风城组和佳木河组地层进行了出油、气、水情况统计，统计结果见表1。从表1 试油情况分析，可预计欠平衡条件下夏子街组平均产油量为5 9 3 3t d，产水量为8 4 6m 3 d，风城组平均产油量为2 4 4 1t d，产水量为2 5 3 8m 3 d。气层较少，平均产气量小于1 0 1 0 4 m 3 d。根据现场施工经验知，稳定泡沫可抗油污染高达3 0(体积百分数)，该井出油气能力小于泡沫流体和水基钻井液的处理能力。但是应该做好地层出油气的应急措施及工艺转换的预备方案。万方数据2 4 钻采工艺D R I L L I N G P R O D U C T I O NT E C H N O L O G Y2 0 1 0 年1 1 月N o v 2 0 1 0泥质含量，小数00 10 2 0 3 0 40 5图1已钻井泥质含量曲线表l试油成果地层出油气水统计厚度日产油日产气E t 产水井号层位mt1 0 4 m 3m 3风城3 8“3 5l夏子街3 35 0 6 30 1 3 1 59 7 72风城3 783 43风城9 1O 5 8 41 8 4 24风城4 81 4 3 39 0 5 3夏子街l l2 1 1 2O 1 l5风城1 8一4 66风城1 84 2 7 90 3 2 3夏子街2 8 5 64 9 3 30 1 28 4 6平均值风城4 1 6 72 4 4 10 7 52 5 3 8引钏引乙上圈2 井壁稳定性分析1 3 地层三压力剖面采用常规钻井技术，二叠系地层使用钻井液密度均高于坍塌压力系数。实钻井径情况反映出夏子街组井径不规则，风城组井径较为规则。地层坍塌压力反映出夏子街组坍塌压力系数稍高(0 6 _0 8)，风城组坍塌压力系数较低(0 2 0 7)o 分析认为夏子街组、风城组地层可采用泡沫流体进行欠平衡钻井，环空当量密度(o 3 5 0 5 5)略高于地层坍塌压力(见图2)。2 X 井欠平衡钻井工程可行性分析2 1 气体钻井装备配套能力按照最小动能法计算得三开、四开最小注气量(图3 和图4)，三开需要的气量较大，若按气体压缩机额定排量2 5m 3 m i n 计算，需要气体压缩机1 0 台以上(至少2 台备用)。四开要5 台以上(1 台备用)。若采用泡沫钻井，按环空压力系数维持为0 40 6 之间，则三开需要的基液量为0 5n 1 3 m i n(见图5)。四开为泡沫钻井，在井筒内无法保证泡沫质量维持在0 6 5 0 9 7 的范围内，井筒内底部呈泡状流、顶部呈雾状流，中部呈泡沫状态。目1 5 0鬈1 0 0一5 0O注气量m m i l l l图3三开气体钻井注气量6 0 0 暑5 4 0 0羹翥堪1 0 01 5：l勺饕卿万方数据第3 3 卷第6 期V 0 1 3 3N o 6钻采工艺D R I U U N G P R O D U C T I O NT E C H N O L O G Y2 5 2 2 套管强度按套管全掏空计算，对三开四开钻进时对应的技术套管数据强度系数进行校核，校核数据见表2。各层套管抗外挤强度安全系数都大于1 0，均满足每次开钻实施欠平衡钻井要求。表2 技术套管强度校核外径壁厚抗外挤套管层序钢级m mm m强度M P a安全系数3 3 9 7 1 2 1 9P 1 1 01 6 01 1 5二开技套3 4 6 11 5 4 0T P l 4 0 V3 1 21 1 l三开技套2 4 4 51 1 9 9S M l 2 5 T I 5 3 91 1 02 3 井控风险三开采用2 F Z 3 5 7 0+f z 3 5 7 0+F H 3 5 3 5+B O P，四开采用2 F z 2 8 1 0 5+F z 2 8 1 0 5+F H 2 87 0+B O P，井控设备都能够满足欠平衡钻井施工要求。3 欠平衡钻并可行性综合评价对以上计算结果采用表格的形式，取个项指标的权重都相同来进行综合评价(如表3 所示)。根据表3 综合评价结果来选择钻井方式，应该是以三开泡沫欠平衡钻井，四开充气水基欠平衡钻井比较理想。表3 各种钻井方式对比综合评价开次钻井方式敏感性出油气水孔隙、坍塌压力装备配套套管强度井控风险综合评价纯气体好差中差中中1 好3 中2 差三开泡沫中中中好中中1 好5 中0 差充气差好好中好好4 好1 中1 差纯气体差差中好审中1 好3 中2 差四开泡沫由中中差中中0 好5 中1 差充气好好好中好好5 好1 中0 差四、结论和建议(1)欠平衡钻井可行性评价可分为地层可行性和工程可行性两个方面，给出每个方面各个指标定量计算或定性描述的方法。(2)结合工程设计实例和专家经验，对所提出的评价方法进行了应用，并且给出了简单的定量评定结果，方便作出实施何种钻井方式的决策。(3)气体钻井中地层出水量预测至关重要，采用深浅双侧向电阻率测井和渗流力学知识预测出水量是一个重要发展方向。地层出水量决定了采用何种欠平衡钻井方式以及钻井方式转换的应急预案的制定。参考文献 1 黄林栋，王永吉，李瑞营，等欠平衡钻井设计中若干问题的考虑 J 钻采工艺，2 0 0 2，2 5(1)：7 一l O 2 S a a dE A a j i m i，J e r o m eJ S c h u b e r t O p t i m u ms e l e c t i o no fu n d e r b a l a n e e dt e c h n i q u e s C S P E I A D C 8 5 3 2 2 2 0 0 3 3 雍世和，张超漠测井数据处理与综合解释 M 山东东营：石油大学出版社，1 9 9 6 9 4 黄荣樽，陈勉，邓金根，等泥页岩井壁稳定力学与化学的耦合研究 J 钻井液与完井液，1 9 9 5，1 2(3)：1 52 1 5 邹灵战，邓金根，汪海阁气体钻井地层出水定量预测技术 J 石油钻探技术，2 0 0 9，3 7(3)：3 0 3 3 6 蒋宏伟空气钻井地层出水评价方法研究 D 北京：中国石油大学(北京)石油天然气工程学院，2 0 0 7 7 邹灵战，邓金根，曾义金，等气体钻井钻前水层预测与井壁稳定性研究 J 石油钻探技术，2 0 0 8，3 6(3)：4 6 4 9 8 周英操，翟洪军，等欠平衡钻井技术与应用 M 北京：石油工业出版社，2 0 0 3 1 1(编辑：黄晓川)万方数据欠平衡钻井可行性论证与设计欠平衡钻井可行性论证与设计作者：朱忠喜，李军，刘颖彪雷万能，蒋记伟，ZHU Zhong-xi，LI Jun，LIU Ying-biao，LEI Wan-neng，JIANG Ji-wei作者单位：朱忠喜,ZHU Zhong-xi(中国石油大学石油工程教育部重点实验室北京;中国石油集团公司钻井重点实验室长江大学研究室)，李军,蒋记伟,LI Jun,JIANG Ji-wei(中国石油大学石油工程教育部重点实验室北京)，刘颖彪,LIU Ying-biao(新疆油田公司勘探开发研究院)，雷万能,LEI Wan-neng(塔里木油田勘探事业部)刊名：钻采工艺英文刊名：DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY年，卷(期)：2010,33(6)被引用次数：4次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.黄林栋;王永吉;李瑞营 欠平衡钻井设计中若干问题的考虑期刊论文-钻采工艺 2002(01)2.Saad E.Alajimi;Jerome J.Schubert Optimum selection of underbalanced techniques.SPE/IADC8532220033.雍世和;张超谟 测井数据处理与综合解释 19964.黄荣樽;陈勉;邓金根 泥页岩井壁稳定力学与化学的耦合研究期刊论文-钻井液与完井液 1995(03)5.邹灵战;邓金根;汪海阁 气体钻井地层出水定量预测技术期刊论文-石油钻探技术 2009(03)6蒋宏伟 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