泡沫鉆井在大牛地氣田盒1氣層的應用

陳曉華，鄧紅琳，閆吉曾，牛萌萌

(中石化華北分公司工程技術研究院，河南鄭州 450006)

泡沫鉆井在大牛地氣田盒1氣層的應用

陳曉華，鄧紅琳，閆吉曾，牛萌萌

(中石化華北分公司工程技術研究院，河南鄭州 450006)

為有效解放氣層，且對應用欠平衡技術開發(fā)大牛地氣田盒1氣藏進行經(jīng)濟技術評價，在盒1氣層開展了氮氣泡沫欠平衡鉆井試驗，實現(xiàn)了全過程欠平衡，有效保護了儲層，機械鉆速較常規(guī)水平井大幅度提高，為大牛地低滲氣田的開發(fā)提供了技術儲備。

泡沫鉆井;欠平衡鉆井;鉆井工藝;機械鉆速;大牛地氣田;盒1氣層

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部，儲層孔隙度、滲透率低，地層壓力低，有效應力高、基塊毛管壓力高，易產(chǎn)生水鎖傷害。因此，大牛地氣田從2002年開始嘗試水平井提高單井產(chǎn)量和儲量動用率的可行性試驗，DP1、DP35－1井證實了氣層存在一定的自然產(chǎn)能，但整個水平井試驗未取得預期成果。為解放氣層，實現(xiàn)自然建產(chǎn)，先后試驗了漂珠低密度欠平衡鉆井、無土相充氮氣欠平衡鉆井、氮氣泡沫欠平衡鉆井。在山1氣層部署實施的分支井DF1井按預案實施了負壓鉆進，循環(huán)介質(zhì)為氮氣泡沫，3120～3720 m井段產(chǎn)氣量達1.2×104m3/d，欠平衡技術在山1氣層取得了初步成效，積累了寶貴經(jīng)驗，但沒完全達到預期試驗效果［1］。因此，在山1氣層和盒3氣層分別實施了DF2、DP3井，分別以4×104m3/d、3×104m3/d配產(chǎn)，獲經(jīng)濟自然產(chǎn)能，結(jié)束了大牛地氣田靠后期改造才能建產(chǎn)的歷史［2］。

1 盒1儲層地質(zhì)特征

對于盒1儲層尤為明顯，屬于典型的三類儲層，該儲層為辮狀河沉積，橫向變化大，夾帶分布不穩(wěn)定、無規(guī)律的泥巖薄層，其平均孔隙度10.27%，平均滲透率1.36×10－3μm2，原始地層壓力系數(shù)為0.85～0.9。該氣層占探明儲量的近1/3，至2009年動用率約為12%。為了有效動用盒1氣層探明未動用儲量，實現(xiàn)自然建產(chǎn)，在盒1氣層實施了欠平衡鉆井。

2 實施泡沫鉆井的原因

截止2010年底，大牛地盒1氣層實施了5口井的欠平衡鉆井，DP4、DP5充氣欠平衡鉆井，DP14、DP19、DP22泡沫欠平衡鉆井。盒1儲層屬于低滲致密氣層，對應力敏感，毛管壓力高，毛管壓力曲線陡峭，臨界水飽和度高，氣水界面模糊［3］。相關實驗研究證明盒3、盒1、山2和山1段4個層位毛管自吸速率呈盒3＞山2＞盒1＞山1段［4］。因此，盒1氣藏易發(fā)生毛細管自吸，誘發(fā)水相圈閉損害。盒1氣層毛管壓力3.5 MPa，DP4井充氣量50 m3/min，計算循環(huán)當量密度0.82 g/cm3左右，計算欠壓值1.24～2.74 MPa，在盒1氣層水平段實施欠平衡鉆井過程中后效明顯，7次點火，其中一次持續(xù)140 min，火焰高達 3～9 m［5］。欠平衡取得初步效果。但欠壓值不能有效克服毛管自吸力，實現(xiàn)真正意義的欠平衡。因此，在前期欠平衡施工的基礎上，在難動用儲量層盒1氣層進行泡沫鉆井試驗，DP14、DP19、DP22井欠壓值可以有效克服毛管自吸力(見表1)。

表1 泡沫鉆井參數(shù)統(tǒng)計表

3 現(xiàn)場實施

3.1 泡沫基液處理劑的優(yōu)選

在泡沫鉆井過程中，鉆速較快，巖屑不容易被及時帶出，為了徹底攜帶巖屑，清洗井底，需要依據(jù)盒1氣層的地質(zhì)情況對泡沫基液處理劑進行優(yōu)選。

3.1.1 發(fā)泡劑的優(yōu)選

AC－Ⅱ發(fā)泡劑的發(fā)泡高度和泡沫半衰期隨著發(fā)泡劑濃度增加而增大，當濃度＞0.5%時，發(fā)泡劑的發(fā)泡高度、泡沫半衰期增大不多，見圖1。

3.1.2 處理劑的優(yōu)選

為了滿足盒1氣層鉆井要求，需要優(yōu)選一種抑制性好、且與發(fā)泡劑配伍的處理劑。選用了YJB－1的井壁穩(wěn)定保護劑，可在井壁周圍形成憎水保護膜，防止泥頁巖因吸水膨脹垮塌，同時可與泡沫有效配伍，提高泡沫液的整體性能，以解決井壁失穩(wěn)問題。

3.1.3 防水鎖劑優(yōu)選

為了避免盒1儲層水鎖傷害，優(yōu)選了防水鎖劑。選用氣測滲透率在1～10 μm2的大牛地山1組巖心，用一定礦化度的鹽水真空飽和，先用煤油測滲透率，然后用配制的防水鎖劑鹽水溶液驅(qū)替，再用煤油測其滲透率，再計算出滲透率恢復值(表2)。可見，防水鎖劑5具有較高的滲透率恢復值，有效地保護了氣藏。

圖1 發(fā)泡劑的發(fā)泡高度和泡沫半衰期隨濃度的變化曲線

對發(fā)泡劑的耐溫性、抗鹽、抗原油污染等性能進行了評價，結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，AC－Ⅱ發(fā)泡劑具有良好的抗鹽抗鈣能力，在實驗濃度范圍內(nèi)的鹽和鈣對發(fā)泡能力的影響很小，另外發(fā)泡劑還有良好的抗原油污染能力。

表2 防水鎖劑優(yōu)選表

圖2 不同介質(zhì)及溫度對發(fā)泡能力的影響

針對盒1氣層的地質(zhì)及氣藏特點，確定了由發(fā)泡劑+井壁穩(wěn)定保護劑+穩(wěn)泡劑+防水鎖劑組成的泡沫液基液體系。

泡沫基液配方:清水+0.5% ～2%發(fā)泡劑+1%～2%井壁穩(wěn)定保護劑+1%～2%穩(wěn)泡劑+1%～2%防水鎖劑。

泡沫基液性能:發(fā)泡體積600 mL，半衰期6 min，pH 值6.5。

其中半衰期隨水平段的井深增加而調(diào)整，確保水平段攜巖。

3.2 水平段鉆具組合優(yōu)選

在較長的水平段鉆進過程中，為了達到穩(wěn)斜、快速鉆進，并實現(xiàn)“少滑動，多復合”鉆進目的，在水平段優(yōu)選了“PDC鉆頭+1.25°單彎螺桿(扶正塊)+欠尺寸扶正器(扶正塊)”的單彎雙穩(wěn)鉆具組合進行導向鉆進，并通過合理匹配鉆井參數(shù)，最大限度減少了滑動進尺，提高了鉆井時效。使用倒裝鉆具組合，根據(jù)水平段長度調(diào)整倒裝鉆桿數(shù)量，使加重鉆桿放置在井斜40°～50°，以便加重鉆桿的重力能傳遞到鉆頭上。通過變換螺桿扶正器外徑尺寸和欠尺寸扶正器外徑尺寸的相對大小來保證穩(wěn)斜鉆進。

3.3 水平段鉆進概況

DP14井三開選用純氮氣鉆井，2889.24 m處由于鉆出的巖屑不能及時上返，造成巖屑堆積卡鉆，儀器信號在純氣體中無法實現(xiàn)傳導，因此，改為泡沫鉆井。鉆4147.03 m時，從隨鉆測井曲線結(jié)合前一趟鉆井內(nèi)遇阻情況分析:鉆遇高伽瑪井段，地層泥質(zhì)含量增加，欠平衡作業(yè)引起地層坍塌再次出現(xiàn)卡鉆。

DP19井水平段長1200.55 m，全井水平位移1573.66 m，水平段垂深最大落差9.23 m，其實鉆井眼軌跡見圖3。在水平段鉆進過程中，兩次出現(xiàn)泥巖，多次調(diào)整軌跡，水平段共懸空側(cè)鉆3次:鉆至3160.51 m，鉆遇泥巖，自3023.05 m懸空側(cè)鉆至3583.88 m，鉆遇泥巖，自3527.38 m懸空側(cè)鉆至3546.29 m，臺階不能承壓，側(cè)鉆失敗;自3449.27 m重新側(cè)鉆。

圖3 DP19井實鉆井眼軌跡

DP22井水平段鉆至3943.28 m鉆遇泥巖卡鉆，于3470 m控時側(cè)鉆。

3.4 水平段技術難點及施工措施

(1)盒1儲層沒有明顯的標志層位，橫向變化比較大，并夾帶泥巖薄層，很難找準靶點，給水平井著陸帶來一定的難度。DP14井實施了φ311.2 mm+φ215.9 mm的復合斜導眼，順利找到 A靶點。DP19井在斜井段的后期，鉆至2660.92 m，垂深2459.40 m時，已達原設計層位，由于全烴顯示不好，調(diào)整井斜至82°～83°穩(wěn)斜下探至2782.51 m，根據(jù)砂樣和全烴顯示，表明已經(jīng)鉆穿儲層盒1段，回填側(cè)鉆，影響了斜井段軌跡的平滑，增大了摩阻和扭矩。

(2)盒1氣層采用的是泡沫鉆井，循環(huán)介質(zhì)為氮氣泡沫，屬于可壓縮流體，而以常規(guī)鉆井液作為信號傳輸介質(zhì)的常規(guī)無線隨鉆測量儀器在泡沫鉆井液中無法實現(xiàn)信號的傳輸，從而無法實現(xiàn)井眼軌跡的實時監(jiān)測［6，7］。因此，選用電磁波無線隨鉆測量儀實現(xiàn)了井眼軌跡的隨鉆測斜和實時跟蹤，保證了水平段井眼軌跡的有效控制，實踐證明該儀器在3000 m以淺地層的穩(wěn)定和可靠。

(3)盒1氣層屬于夾帶泥巖薄層的非均質(zhì)地層，泥巖膠結(jié)性差，如鉆遇泥巖，會發(fā)生應力失穩(wěn)，井壁坍塌，造成卡鉆。DP19井欠平衡鉆進過程中共兩次鉆遇泥巖，兩次順利進行懸空側(cè)鉆。在懸空側(cè)鉆施工過程中，為了提高井底鉆頭側(cè)向切削力，保證側(cè)鉆一次成功，下鉆施工前，起鉆甩掉螺桿上欠尺寸扶正器，進行劃槽作業(yè)，根據(jù)摩阻顯示優(yōu)化劃槽作業(yè)井段的時間參數(shù)，再進行控時鉆進，后停氣加鉆壓測試臺階面，直至能夠支撐，之后開始加壓定向鉆進。根據(jù)鉆至一定井深時的測深、垂深、靜態(tài)測量井斜、方位的變化來確定是否成功側(cè)鉆，側(cè)鉆成功后，復合鉆進并間歇滑動鉆進使軌跡向調(diào)整設計靠攏，復合鉆進后修整窗口，保證后續(xù)下鉆的順利。

(4)盒1氣層實施的3口泡沫鉆井水平段超過1200 m，氮氣泡沫與常規(guī)鉆井液相比，潤滑性能要差很多，另外，鉆柱浮力在泡沫介質(zhì)中減小，使得鉆柱在水平井段偏沉于下井壁，靜壓力增大，鉆具上提下放的摩阻增大，轉(zhuǎn)動鉆柱時扭矩大［8］。水平段長超過1000 m后，托壓現(xiàn)象明顯，后期摩阻扭矩大，滑動鉆進困難。為了緩解滑動困難，保證欠平衡鉆進的順利進行，實施短程劃眼、復合鉆進、滑動定向相結(jié)合的原則。

(5)盒1地層巖性為淺灰、灰白色中、粗石英砂巖及含礫粗砂巖夾棕褐色泥巖薄層、條帶，地層研磨性強，造成鉆頭壽命快速降低(見圖4［9］)，欠尺寸扶正器和電磁波發(fā)射短節(jié)迅速磨損，DP19井有一只鉆頭的純鉆時間僅11.98 h。DP22井鉆具組合在入井一段時間后因欠尺寸扶正器的磨損和地層因素造成復合鉆進增斜率增大，而必須采用滑動降斜和復合鉆進相結(jié)合的方式合理控制井眼軌跡，另外，多次因電磁波發(fā)射短節(jié)迅速磨損造成儀器無信號，共損壞5只電磁波發(fā)射短節(jié)。

圖4 DP19井水平段PDC鉆頭磨損情況

3.5 實鉆數(shù)據(jù)

盒1氣層實施氮氣泡沫鉆井，機械鉆速有大幅提高，是無粘土相鉆井液體系機械鉆速的1.4～4.8倍(見表3)。盒1氣層水平段鉆井過程中，利用單彎雙穩(wěn)鉆具組合導向鉆進，并通過合理匹配鉆井參數(shù)，滑動進尺比例最小為5.87%(見表4)，既保證了軌跡圓滑，又滿足了軌跡控制的需要，減小了復合鉆進扭矩，提高了鉆井時效。

表3 泡沫鉆井與常規(guī)鉆井水平段鉆速比較表

表4 泡沫鉆井滑動進尺比例表

4 實施效果

(1)針對大牛地氣田盒1氣藏特征及傷害因素，優(yōu)選氮氣泡沫循環(huán)介質(zhì)鉆井液體系，鉆進中保證了地質(zhì)撈砂、鉆進正常;泡沫流體具有較強的攜巖能力，能夠滿足水平井攜巖等鉆井要求。另外，與常規(guī)液相充氣鉆井液相比，能有效克服毛管自吸力，實現(xiàn)了真正意義的欠平衡。

(2)鑒于盒1地層的非均質(zhì)性，水平段鉆進過程中，將地質(zhì)與工程結(jié)合，使用電磁地質(zhì)導向，應用懸空側(cè)鉆技術，有效保證了欠平衡水平段砂巖鉆遇率100%。

(3)在盒1實施的泡沫鉆井，機械鉆速均比常規(guī)鉆井機械鉆速高，體現(xiàn)了實施欠平衡泡沫鉆井的優(yōu)越性。

(4)DP14和DP22井水平段采用氮氣泡沫欠平衡鉆完井工藝在三類儲層盒1氣層實現(xiàn)自然建產(chǎn)，分別獲得無阻流量5.68×104m3/d和3.65×104m3/d，與周圍直井相比單井產(chǎn)量提高1.35～2.88倍。

5 認識與建議

(1)通過DP14和DP22井與臨井產(chǎn)量對比，水平井鉆井技術和欠平衡泡沫鉆井技術結(jié)合利用是開發(fā)低壓、低滲油氣藏的一種有效的方法。

(2)DP14井水平段純氮氣鉆井，由于不能完全攜帶巖屑造成卡鉆，純氮氣鉆井在盒1氣層適用差;泡沫欠平衡鉆井泥巖段適用性問題導致鉆遇泥巖卡鉆。

(3)氮氣泡沫與常規(guī)鉆井液相比，潤滑性能要差很多，隨著水平段的增加，摩阻和扭矩增加，托壓現(xiàn)象明顯，水平段超過1000 m滑動困難。建議泡沫欠平衡鉆井控制水平段長1000 m左右。

(4)盒1地層研磨性強，普通PDC鉆頭壽命有限，鉆具磨損嚴重，增加起下鉆次數(shù)，增加了鉆井周期。建議選用長壽命的高效PDC鉆頭配合新的螺桿鉆具。

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Application of Foam Drilling in He 1 Gas Layer of Daniudi Gas Field

CHEN Xiao-hua，DENG Hong-lin，YAN Ji-zen，NIU Meng-meng(Sinopec Huabei Sub-Company，Zhengzhou Henan 450006，China)

Nitrogion foam under-balanced drilling test was made to effectively release gas reservoir and evaluate the technical and economic feasibility of under-balanced horizontal well in developing He 1 gas reservoir of Daniude gas field，whole process under-balanced was realized to protect the gas reservoir with higher penetration rate than common horizontal well drilling.It provides the technical reserve for the development of Daniudi low permeability gas field.

foam drilling;under-balanced drilling;drilling technology;penetration rate;Daniudi gas field;He 1 gas layer

TE242

A

1672－7428(2011)10－0019－04

2011－03－05;

2011－06－03

陳曉華(1984－)，女(漢族)，河北人，中石化華北分公司工程技術研究院助理工程師，油氣井工程專業(yè)，碩士，從事鉆井工程設計、研究及相關工作，河南省鄭州市隴海西路199號，xiaohua9280@163.com。