國內(nèi)低滲透油氣田高效開發(fā)鉆完井關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

唐波 唐志軍 耿應(yīng)春 唐洪林

中國石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院

在我國剩余石油儲量、探明天然氣地質(zhì)儲量中，低滲透油氣資源量大于50%，低滲透油氣產(chǎn)能建設(shè)規(guī)模占其總量的70%，低滲透油氣資源已成為主要勘探開發(fā)對象。盡管我國低滲透油氣藏的儲量巨大、資源豐富，但總體來說開發(fā)效果并不理想，國外大公司低滲透油氣田的采收率平均為35.8%，國內(nèi)低滲透油氣田的平均采收率僅為23.3%，比國外低12.5%。我國低滲透油氣田之所以動用程度差、采收率低，主要是由于我國低滲透油氣藏普遍埋藏較深、地質(zhì)條件復(fù)雜、開發(fā)難度較大，存在多項開發(fā)矛盾和問題，影響了開發(fā)效果。

低滲透油氣藏的經(jīng)濟(jì)開發(fā)及鉆井技術(shù)存在5個方面技術(shù)難點：①缺乏配套的儲層描述和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；②鉆井技術(shù)手段相對單一，制約了整體開發(fā)效果；③井眼軌跡控制和有效鉆穿儲層難度大；④儲層孔喉細(xì)小，壓敏、水敏強(qiáng)，儲層保護(hù)難度大；⑤完井方式單一，缺乏完井整體優(yōu)化設(shè)計技術(shù)及完井系列。

國內(nèi)外針對低滲透油氣藏提高采收率技術(shù)進(jìn)行了大量的探索和實踐，但研究程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中高滲透砂巖油氣藏，主要集中在對低滲透油氣藏基本地質(zhì)特征的描述、增加產(chǎn)能和提高開發(fā)效率等基礎(chǔ)研究方面，以及在低滲透油氣田的鉆井優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、增加泄流面積技術(shù)、儲層保護(hù)技術(shù)及完井技術(shù)等高效開發(fā)技術(shù)方面還不成熟，急需完善配套，制約了低壓低滲透油氣藏的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

1 鉆井優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

在國外，低滲透油氣藏埋藏深、地應(yīng)力和裂縫分布復(fù)雜、存在啟動壓力梯度、巖性剖面和壓力剖面預(yù)測技術(shù)不成熟，致使產(chǎn)能預(yù)測和鉆井設(shè)計難度大。如何高效開發(fā)低滲透油氣藏，尤其是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井適應(yīng)性評價技術(shù)、地質(zhì)優(yōu)化設(shè)計及產(chǎn)能預(yù)測技術(shù)、井身結(jié)構(gòu)與井眼軌道優(yōu)化技術(shù)等方面，已經(jīng)做了大量的研究工作，形成了低滲透油氣藏鉆井優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

在國內(nèi)，針對低滲透油氣藏基本地質(zhì)特征的描述、增加產(chǎn)能和保護(hù)儲層等方面的研究比較多，重點開展了考慮低滲透油藏特征的地質(zhì)優(yōu)化設(shè)計和鉆井優(yōu)化設(shè)計相關(guān)技術(shù)的研究[1－2]。合理高效的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計能夠最大程度控制儲量、增大采出量、控制投資、降低風(fēng)險，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[3－6]。針對勝利油田低滲透砂巖油藏、四川西部和鄂爾多斯大牛地低滲透致密氣區(qū)等試驗區(qū)塊的地質(zhì)特點，開展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井適應(yīng)性評價方法、產(chǎn)能預(yù)測技術(shù)、地質(zhì)優(yōu)化設(shè)計和井身結(jié)構(gòu)與井眼軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究，為開發(fā)（調(diào)整）方案的確定、井型的選擇、井位和定向井軌道的優(yōu)化設(shè)計、鉆井方式以及鉆井液流體類型的優(yōu)選提供基礎(chǔ)依據(jù)。

現(xiàn)已初步形成低滲透油氣藏復(fù)雜結(jié)構(gòu)井適應(yīng)性評價方法、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計及產(chǎn)能評價技術(shù)和井身結(jié)構(gòu)與井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計技術(shù)等3項配套技術(shù)，在低滲油氣藏壓裂水平井地質(zhì)優(yōu)化設(shè)計、地層孔隙壓力預(yù)測方法和三維空間多點約束條件下的軌道優(yōu)化設(shè)計技術(shù)獲得突破進(jìn)展。同時，建立了低滲透油氣藏復(fù)雜結(jié)構(gòu)井篩選規(guī)范和地質(zhì)優(yōu)化設(shè)計規(guī)范。研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低滲透油氣藏鉆井優(yōu)化設(shè)計配套軟件。在勝利油田低滲透砂巖油藏、四川西部和鄂爾多斯大牛地氣區(qū)的13個低滲透區(qū)塊共設(shè)計41口復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，實施28口，覆蓋低滲透油、氣藏地質(zhì)儲量1 300×104t和2 800×108m3，產(chǎn)量達(dá)到同類油氣藏中直井的2～5倍，實現(xiàn)了低滲透儲量的有效動用和高效開發(fā)。

2 增加泄流面積鉆井技術(shù)

2.1 高級別分支井鉆井技術(shù)

自20世紀(jì)90年代始，國外一些公司開始致力于分支井鉆井技術(shù)的研究，相繼開發(fā)出系列分支井井下專用工具[5]。最具代表性的是BakerHughes和Schlumberger的分支井技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展到六級完井水平[6]。

國內(nèi)遼河油田、勝利油田等開展了分支井技術(shù)的研究并完成了多口井的現(xiàn)場試驗。近年來也開展了五級分支井系統(tǒng)研制和現(xiàn)場應(yīng)用，成功研制了具有完整機(jī)械支撐、液力密封和選擇性再進(jìn)入功能的五級分支井眼系統(tǒng)，形成了高級別分支井鉆完井工藝技術(shù)規(guī)程。在勝利油田的坨142－支平1井進(jìn)行了五級分支井的現(xiàn)場試驗，驗證了高級別分支井技術(shù)方案的可行性，同時也驗證了研制的五級分支井系統(tǒng)和開窗系統(tǒng)能夠滿足分支井現(xiàn)場應(yīng)用的需要。河3－支平1井懸掛封隔器回接密封短節(jié)壓力驗封成功，標(biāo)志國內(nèi)陸上第一口達(dá)到國際五級完井水平的分支水平井誕生，該井第一分支完井深2 489m，垂深2 116.21m，水平位移472.26 m；第二分支完鉆井深2 400m，垂深2 067.80m，水平位移476.77m。實現(xiàn)了分支井眼連接處機(jī)械支撐的完整性、液力密封性能和井眼的選擇性再進(jìn)入功能，為低滲透油氣田高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。

2.2 徑向水平井鉆井技術(shù)

目前鉆井工程推出了用水力方法鉆超短半徑水平井技術(shù)，YPF S.A公司采用19.05mm磨銑鉆頭在套管上鉆孔，起出鉆頭后再下入12.7mm連續(xù)管噴射進(jìn)入地層，應(yīng)用的最大井深達(dá)到了3 800m，每個層位90°相位鉆出了4個分支井眼，最大分支井眼長度達(dá)100m、孔徑約50mm，該技術(shù)在阿根廷實施了22口井，增產(chǎn)效果非常顯著。

在國內(nèi)，利用水力方法鉆超短半徑水平井技術(shù)在遼河、吉林、江蘇、南陽等油田施工了近10口井，水平進(jìn)入地層只達(dá)到20m。近年來，針對該項技術(shù)開展了大量的研究，成功研發(fā)了一種包括轉(zhuǎn)向器、柔性軸、磨銑鉆頭等零部件的新型徑向鉆孔深穿透裝置，研制了適用于磨料射流和清水射流破巖的新型高效噴嘴；開展了地面聯(lián)機(jī)試驗，驗證了該裝置的可行性。在勝利油田金17－1井進(jìn)行了徑向水平井眼的現(xiàn)場應(yīng)用，分別在井深864.8m和861.5m的2個層位鉆出了1個孔深20m和3個孔深50m的水平井眼，為我國低滲透油氣田高效開發(fā)提供了新的鉆井技術(shù)。

2.3 魚骨狀分支井鉆井技術(shù)

魚骨狀分支井鉆井技術(shù)是一種利用分支井鉆井技術(shù)提高稠油油井、致密低滲透油井單井采收率的鉆井新技術(shù)，該技術(shù)可以根據(jù)油藏條件設(shè)計井眼并進(jìn)行井眼的空間分布，以有效增加油層的裸露面積，提高油層的開采動用程度，最終達(dá)到提高采收率的目的，它與采用射孔完井和水力壓裂增產(chǎn)的常規(guī)直井相比具有不可替代的優(yōu)越性。國外油氣開發(fā)商大力開展了相關(guān)鉆探技術(shù)的研究攻關(guān)，美國及西方國家的分支井技術(shù)在20世紀(jì)90年代得到了迅速發(fā)展，其魚骨狀分支井設(shè)計技術(shù)、鉆井工藝技術(shù)、完井及采油配套技術(shù)，相關(guān)配套工具、儀器的水平日臻完善，魚骨狀分支井儲層累計進(jìn)尺超過12 000m。

近幾年，魚骨狀分支井在國內(nèi)部分油氣田得到了較大范圍的應(yīng)用，如南海西部、冀東、渤海、大港、遼河、勝利等油氣田分別進(jìn)行了魚骨狀分支井的現(xiàn)場試驗，形成了包括工程設(shè)計、井眼軌跡控制、儲層保護(hù)液的魚骨狀分支井鉆井配套技術(shù)。勝利油田已實施了10口井，累計產(chǎn)油24×104t、累計產(chǎn)氣2 693×104m3，實現(xiàn)在低滲透區(qū)塊利用魚骨狀水平井開發(fā)低滲透油氣藏的重大突破，埕北326A－支平1井創(chuàng)造了中國石化魚骨狀分支井垂深最深（3 356.10m）的紀(jì)錄。

2.4 隨鉆測量技術(shù)

為了滿足特殊鉆井施工的需要，國外各大公司相繼開發(fā)出了可進(jìn)行高溫高壓條件下的隨鉆測量儀器，最高可在175℃的高溫環(huán)境下可靠地測量定向參數(shù)，耐壓高達(dá)150MPa[7]。近年來，國內(nèi)研制了適應(yīng)深層高溫井鉆探的抗高溫高壓MWD無線隨鉆測量儀器，其工作溫度可達(dá)150℃，耐壓可達(dá)150MPa，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，并完成了新疆、四川地區(qū)等多口高溫井的應(yīng)用，其中新疆TP7－2CH井的定向施工作業(yè)，創(chuàng)下了國產(chǎn)MWD儀器應(yīng)用最高溫度148℃的紀(jì)錄，其測量精度與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

為保證在薄油層或有復(fù)雜褶皺、斷層的油藏中井眼軌跡控制精度，國外已采用近鉆頭方位伽馬測量技術(shù)，把井斜傳感器和伽馬傳感器集成在鉆頭附近，實時得到近鉆頭處的地質(zhì)和工程信息，指導(dǎo)調(diào)整井眼軌跡，保持在油藏最佳位置。近年來，國內(nèi)也開展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的近鉆頭方位伽馬測量儀系統(tǒng)研制，提出了旋轉(zhuǎn)聚焦多扇區(qū)方位伽馬測量方法[8]，將伽馬傳感器安裝在鉆鋌側(cè)面的槽中，并進(jìn)行金屬屏蔽層，具有方位特性，不但能夠?qū)崟r測量地層巖性，還能夠分辨上下巖性界面特征，有效發(fā)現(xiàn)儲層的上部蓋層，捕捉進(jìn)入儲層的最佳時機(jī)。研制出了近鉆頭井斜及方位伽馬儀，距鉆頭距離0.8m，通過坨128－斜92、鹽16－斜19井等4口井試驗應(yīng)用表明：該系統(tǒng)實現(xiàn)了近鉆頭井斜、伽馬值的測量，實現(xiàn)了與MWD儀器的掛接，成功的將近鉆頭數(shù)據(jù)實時傳送到地面，其測量精度與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

隨著欠平衡鉆井技術(shù)在低滲透油氣藏開發(fā)中的應(yīng)用，電磁波MWD技術(shù)也得到發(fā)展，國外已形成了較為成熟的電磁波MWD隨鉆測量技術(shù)，在國內(nèi)2008年年底中國石化德州石油鉆井研究所研制的電磁波隨鉆測量系統(tǒng)（EM－MWD）工程樣機(jī)在鄂北大牛地氣田D66－55井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗并獲得成功，電磁波傳輸深度達(dá)到了2 715m。勝利石油管理局鉆井工藝研究院也研制出電磁波隨鉆測量系統(tǒng)，并通過在勝利油田河68－斜更1井、孤東7－38－5135井等3口井的整機(jī)現(xiàn)場試驗及應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明：井下儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可靠，各組成部分能適應(yīng)實際鉆井要求；地面接收機(jī)與鉆臺顯示器數(shù)據(jù)正常，穩(wěn)定可靠，整機(jī)能適應(yīng)實際鉆井要求，應(yīng)用垂深達(dá)到2 700m（地層電阻率5～300Ω·m），并與進(jìn)口E－link儀器對比表明二者傳輸性能基本相當(dāng)，電磁波MWD達(dá)到進(jìn)口儀器的技術(shù)指標(biāo)。

3 儲層保護(hù)技術(shù)

3.1 鉆完井液技術(shù)

國外早在20世紀(jì)30年代，就開始對油氣層損害的機(jī)理進(jìn)行了研究攻關(guān)，在此期間機(jī)理性、智能性分析、預(yù)測、評價技術(shù)以及鉆井、完井、采油各個作業(yè)環(huán)節(jié)中的油層保護(hù)工作都得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展；近年來在打開產(chǎn)層鉆井液的開發(fā)應(yīng)用方面加大投入，并取得可喜的成果，推出了甲酸鹽鉆井液、MMH／碳酸鈣鉆井液、顆粒碳酸鈣／聚合物鉆井液、超低滲透鉆井液、全油鉆井液、可循環(huán)泡沫（Trans－Foam）等[9－14]。

國內(nèi)對儲層損害問題的研究起步較晚，但近年來發(fā)展較快。特別是在“十一五”期間，國內(nèi)針對低滲透油氣藏開展了大量的儲層傷害評價及保護(hù)技術(shù)研究。研制了傷害評價裝置，能夠滿足滲透率低至0.1mD條件下巖心流動測試；研究了低滲透砂巖儲層傷害機(jī)理，確定了其水相圈閉是其主要傷害因素；明確控制致密砂巖氣層水相圈閉損害控制因素，形成綜合考慮工程地質(zhì)參數(shù)評價相圈閉損害潛力的相圈閉損害系數(shù)法，建立毛細(xì)管自吸與液相滯留的水相圈閉損害評價方法，評價方法穩(wěn)定可靠，平行誤差不超過2%；改進(jìn)毛細(xì)管自吸評價儀與加載巖石微觀圖像分析系統(tǒng)，形成巖心觀察、薄片分析、巖心造縫模擬應(yīng)力實驗法、加載裂縫圖像分析、有限元模擬及井漏資料等研究工區(qū)裂縫動、靜寬度，指出在正壓差下，原地裂縫寬度可達(dá)5mm；研制出新型防水鎖無黏土鉆井液和新型生物完井液、新型高效抗油泡沫鉆井液體系、有機(jī)鹽可降解鉆井完井液體系及毫米級裂縫儲層保護(hù)劑系列等鉆完井液體系，在鄂爾多斯區(qū)塊和勝利油田多個低滲透儲層應(yīng)用，并獲得明顯成效。

3.2 全過程欠平衡鉆井技術(shù)

全過程欠平衡鉆井技術(shù)是欠平衡鉆井技術(shù)的完善和發(fā)展。目前國內(nèi)外一般采用強(qiáng)行起下鉆法和井下隔離法等2種方式實現(xiàn)全過程欠平衡鉆井。強(qiáng)行起下鉆技術(shù)出現(xiàn)較早，上世紀(jì)20年代，國外首先利用強(qiáng)行起下鉆裝置進(jìn)行修井作業(yè)。開始是簡單的機(jī)械式的，主要用于修井作業(yè)。到八九十年代，為保證欠平衡鉆井鉆具的順利起下，該裝置用于鉆井。目前，利用強(qiáng)行起下鉆裝置進(jìn)行鉆井業(yè)務(wù)的國外公司有High Arctic Well Control Inc.、Snubco Pressure Control Ltd.、Weatherford等。這些公司都有利用強(qiáng)行起下鉆裝置進(jìn)行欠平衡鉆井的案例，但由于其設(shè)備龐大、復(fù)雜，需要的技術(shù)服務(wù)人員多，起下鉆動作慢，占用鉆機(jī)時間長等缺點，用于欠平衡鉆井相對較少。

近年來，國內(nèi)針對儲層保護(hù)的欠平衡鉆井開展了大量的研究，形成了一套適合低滲儲層的欠平衡鉆井方式篩選方法、欠平衡鉆井設(shè)計、欠平衡鉆井工藝、欠平衡鉆井井控工藝、欠平衡作業(yè)窗口邊界的確定原則、不壓井起下管柱工藝等全過程欠平衡鉆井配套技術(shù)，并研制成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全過程欠平衡鉆井關(guān)鍵設(shè)備、不壓井起下生產(chǎn)管柱用的旋轉(zhuǎn)防噴導(dǎo)流系統(tǒng)、整套井下隔離系統(tǒng)及不壓井作業(yè)的系列工具。在勝利油田和鄂爾多斯盆地大牛地氣田，應(yīng)用了液體、充氣和泡沫等全過程欠平衡鉆井技術(shù)，證明了氣藏天然產(chǎn)能情況。

4 完井技術(shù)

為了最大限度地開發(fā)油氣資源，近年來國外完井技術(shù)不斷發(fā)展，相繼研發(fā)了多種先進(jìn)的完井技術(shù)、工具及儀器。在水平井分段壓裂方面，哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝等公司處于該領(lǐng)域的前列，哈里伯頓多級壓裂系統(tǒng)采用滑套技術(shù)和遇油膨脹封隔器結(jié)合，通過投球開啟滑套，進(jìn)行逐級壓裂。貝克休斯Frac－Point多級壓裂系統(tǒng)能實現(xiàn)壓裂作業(yè)井段橫向分段隔離及全井段完全壓裂作業(yè)。在水平井防水控水方面，先后涌現(xiàn)InCharge智能完井系統(tǒng)、Smartwell完井系統(tǒng)等，在水平井防水控水方面起到了積極作用。在水平井固井方面，斯侖貝謝公司研發(fā)出了低失水防竄性能優(yōu)良的膠乳水泥體系，加拿大研制開發(fā)出了一種自愈合水泥材料。套管剛性旋流扶正器技術(shù)、套管漂浮技術(shù)、旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器技術(shù)則是固井工具的發(fā)展重點[15－17]。

國內(nèi)低滲透油氣藏完井技術(shù)仍是一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，整體水平與國外相比還有較大差距。但近年來也取得長足的發(fā)展，建立了低滲透油藏水平井完井模擬裝置和室內(nèi)定量評價技術(shù)，形成了構(gòu)造—巖性低滲透油氣藏水平井完井優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。采用襯管（管外封隔器）＋盲管組合投產(chǎn)以均衡生產(chǎn)剖面延緩底水錐進(jìn)，采用射孔完井＋分段壓裂以提高單井產(chǎn)能，研發(fā)了多種高性能水平井完井工具。高強(qiáng)管外封隔器性能參數(shù)超越國內(nèi)同類產(chǎn)品接近國際先進(jìn)水平，遇油遇水膨脹式封隔器實現(xiàn)了在勝利油田的首次現(xiàn)場應(yīng)用，新型可固化材料有效提升了可固化介質(zhì)充填管外封隔器的工作性能。形成了“免鉆塞篩管頂部注水泥技術(shù)、水平井酸洗脹封一體化技術(shù)”為特色的水平井篩管分段完井核心技術(shù)，現(xiàn)場試驗約50井次，成功率100%。自主開發(fā)出塑性膠乳水泥漿體系，具有敏感性低、抗污染能力及穩(wěn)定性高、防竄能力強(qiáng)、濾失量低等優(yōu)點，水泥石具有塑性特性、彈性模量降低、抗折強(qiáng)度及抗沖擊韌性高等特性，滿足低滲透油氣藏水平井固井要求，為后期酸化壓裂增產(chǎn)增效措施的順利實施提供保障。建立了低滲透油氣藏水平井固井頂替效率模擬裝置和實驗評價方法，自主開發(fā)了旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器、液壓式套管扶正器等固井工具，形成了提高低滲透油氣藏水平井固井頂替效率配套技術(shù)。

5 結(jié)論及建議

通過近年來的研究，我國在低滲透油氣田高效開發(fā)鉆完井技術(shù)取得如下技術(shù)進(jìn)展。

1）針對低滲透油氣藏儲量難動用、“低孔、低滲、低產(chǎn)”的地質(zhì)特征，形成了低滲透油氣藏水平井優(yōu)化設(shè)計方法，逐漸成為低滲透油氣藏“低中找高、貧中找富、難中找易”的技術(shù)策略。

2）形成的以五級分支井、徑向鉆孔、魚骨狀分支井等技術(shù)為核心的提高泄流面積鉆井技術(shù)，為低滲透油氣田“稀井高產(chǎn)”提供了一種有效的技術(shù)手段。

3）通過儲層傷害評價，提高了低滲透油氣藏儲層傷害特征的認(rèn)識，形成了以新型防水鎖無黏土鉆井液、防漏堵漏鉆井液、新型生物完井液、有機(jī)鹽可降解鉆井完井液等為核心的儲層保護(hù)技術(shù)，為低滲透油氣藏高效開發(fā)提供了保障。

4）針對不同類型低滲透油氣藏，研制了高強(qiáng)管外封隔器、頂替效率模擬裝置、塑性膠乳水泥漿等完井裝置、產(chǎn)品、工具，形成了以提高完善程度為目的的水平井分段完井及固井技術(shù)，為提高水平井技術(shù)的開發(fā)效果提供了有力支持。

但仍存在一些技術(shù)難點，主要表現(xiàn)在：復(fù)雜結(jié)構(gòu)井地質(zhì)優(yōu)化設(shè)計亟待規(guī)范化，產(chǎn)能預(yù)測方法需進(jìn)一步完善，基于地應(yīng)力的井眼軌道設(shè)計需深入研究，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定性、近鉆頭旋轉(zhuǎn)聚焦伽馬測量技術(shù)、電磁波MWD測量傳輸深度等有待突破，鉆完井液體系的保護(hù)效果有待提高，控壓鉆井技術(shù)、微流量地面控制系統(tǒng)尚未形成配套，水平井防水控水井筒控制技術(shù)缺乏，水平井固井長效封固效果差，自主核心完井工具缺乏等，需進(jìn)一步加大攻關(guān)力度，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效提升我國低滲儲量動用水平的目的。

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