氣體鉆井技術(shù)在新疆油田火北地區(qū)的應(yīng)用

楊明合 (中國石油天然氣集團重點實驗室長江大學防漏堵漏研究室,湖北武漢 430100)

孔琳 (中石油大港油田分公司信息中心,天津300280)

氣體鉆井技術(shù)在新疆油田火北地區(qū)的應(yīng)用

楊明合 (中國石油天然氣集團重點實驗室長江大學防漏堵漏研究室,湖北武漢 430100)

孔琳 (中石油大港油田分公司信息中心,天津300280)

楊虎,李維軒,劉穎彪周鵬高,石建剛 (中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依834000)

火北地區(qū)為新疆油田致密油勘探的重要區(qū)域之一,該地區(qū)上部石炭系推覆體火山巖地層厚度大、可鉆性差,機械鉆速極低,為此嘗試采用氣體鉆井技術(shù)來提高機械鉆速。在采用三開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,針對二開巨厚石炭系和深部二疊系地層的特點,從氣體鉆井實施井段地層理化特性、井壁穩(wěn)定性、地層出水預(yù)測等方面對氣體鉆井進行適應(yīng)性評價。研究表明,石炭系火山巖地層蒙脫石含量較低,地層穩(wěn)定性相對較好,具備實施氣體鉆井條件,但在底部近斷層存在出水的可能;二疊系地層黏土礦物含量相對較高,其坍塌壓力也同時增高,實施氣體鉆井存在潛在的風險。此外,還制定了氣體鉆進施工、氣液轉(zhuǎn)換等技術(shù)措施。實鉆表明,在石炭系、二疊系地層采用氣體鉆井工藝后提速效果顯著,這為火北地區(qū)鉆井施工提供了一條新的途徑。

新疆油田;氣體鉆井;井身結(jié)構(gòu);適應(yīng)性評價;施工措施

火北地區(qū)位于新疆準噶爾盆地沙帳斷褶帶,北靠克拉美麗山,南接火燒山油田,是新疆油田公司致密油勘探的重要戰(zhàn)場之一。該區(qū)石炭系地層厚度大(1000～2500m),火山巖地層巖石堅硬,可鉆性差,機械鉆速低,其中前期鉆進石炭系地層平均機械鉆速僅1.36m/h,需要通過改變鉆井工藝的方式來提高機械鉆速[1-3]。為此,筆者對氣體鉆井技術(shù)在新疆油田火北地區(qū)的應(yīng)用進行了探討。

1 井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

火北地區(qū)地層至上而下依次為石炭系、三疊系 (部分缺失)和二疊系。其中上部為石炭系推覆體,對于表管不易下深,只要能為鉆進提供安全穩(wěn)定的井口裝置即可,故采用?339.7mm下入50m左右的導管;二開對于巨厚石炭系地層,氣體鉆進至井深1000m,用?244.5mm技套主要目的是封隔石炭系上部不穩(wěn)定地層,為下部氣體鉆進提供穩(wěn)定的井眼。對于厚度小于1000m左右的石炭系地層,技套下到二疊系平地泉組,用于封隔平二段高壓地層,為三開鉆進創(chuàng)造條件。為提高深部二疊系機械鉆速,決定在三開穩(wěn)定井段實施氣體鉆井。火北地區(qū)HB01井氣體鉆井井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 火北地區(qū)HB01井氣體鉆井井身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計圖

2 氣體鉆井地層適應(yīng)性評價

2.1 氣體鉆井實施井段地層理化特性分析

地層理化特性分析是氣體欠平衡鉆井地層適應(yīng)性評價的重要內(nèi)容之一[4]。為了保證氣體鉆井的順利實施,根據(jù)現(xiàn)場獲取巖屑、巖心等資料,對石炭系、二疊系平地泉組部分地層進行了膨脹率、X射線衍射全巖及黏土礦物含量等方面的室內(nèi)試驗。圖2所示為HB01井(1150～1155m)氣體鉆井鉆屑粉高溫高壓膨脹率曲線,鉆屑粉的膨脹率最大為1.76%,明顯低于普通膨潤土相應(yīng)膨脹率,且經(jīng)過一定的時間后,膨脹率基本維持不變,說明石炭系地層氣體鉆井段鉆屑粉中蒙脫石含量較低,地層穩(wěn)定性相對較好。

表1所示為HB01井石炭系地層部分井段X射線衍射全巖分析結(jié)果。由于石炭系為火山巖地層,所以黏土礦物含量相對較低(8.7%～15.0%)。表2所示為HB02井X射線衍射全巖分析結(jié)果。由于試驗井段大多位于二疊系地層,黏土礦物含量相對較高 (在30%以上)。表3所示為HB02井不同井段黏土礦物含量分析結(jié)果。由表3可知,黏土礦物中伊利石和綠泥石含量相對較高。由于伊利石、綠泥石含量高的地層易吸水裂解和剝落,因而在氣體鉆井氣液轉(zhuǎn)換后,應(yīng)提高鉆井液的封堵性能,防止鉆井液濾液快速進入地層后膨脹壓急劇升高,導致井壁失穩(wěn)。

圖2 HB01井氣體鉆井鉆屑粉高溫高壓膨脹率曲線

表1 HB01井部分井段X射線衍射全巖分析表

表2 HB02井部分井段X射線衍射全巖分析表

表3 HB02井部分井段黏土礦物含量表

圖3所示為HB02井二疊系平地泉組灰色云質(zhì)砂礫巖巖心電鏡掃描分析結(jié)果。在掃描電鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)該樣品中黏土礦物主要有粒表不規(guī)則狀伊/蒙混層礦物,樣品孔隙不發(fā)育,連通性差。

2.2 氣體鉆井條件下井壁穩(wěn)定風險評價

氣體鉆井不同于常規(guī)液相鉆井,由于氣體密度低,對井眼周圍巖石的支撐作用很小,井壁穩(wěn)定取決于井壁應(yīng)力分布以及地層巖石強度,氣體鉆井過程中的失穩(wěn)主要表現(xiàn)為純力學井壁失穩(wěn),通過井筒應(yīng)力和氣體鉆井臨界內(nèi)聚力計算,采用庫倫-摩爾準則得到純氣體鉆井坍塌密度[5]。

綜合鄰井HB1井、HB2井石炭系地層的巖性、實鉆情況等資料分析發(fā)現(xiàn):①石炭系地層坍塌壓力系數(shù)較低,屬于較為穩(wěn)定的地層;②石炭系地層巖性以火成巖為主,泥質(zhì)含量低,井眼穩(wěn)定性受鉆井濾液影響小;③進入二疊系平地泉組巖性以泥巖為主,裂縫較發(fā)育,壓力系數(shù)較低,地層坍塌壓力增高,發(fā)生井漏的風險較大。

綜合分析地層壓力、地層流體及地層穩(wěn)定性等方面,認為該區(qū)石炭系推覆體地層滿足實施氣體鉆井條件,但進入二疊系平地泉組巖性有變化,地層坍塌壓力增高,實施氣體鉆井存在潛在風險。

圖3 HB02井灰色云質(zhì)砂礫巖巖心電鏡掃描圖

3 氣體鉆井施工技術(shù)措施

3.1 鉆進施工技術(shù)

一開在?339.7mm導管上直接焊接特制導管,然后依井口側(cè)法蘭接三通、排砂管線、電子點火裝置、空氣鉆井設(shè)備。安裝完畢,進行氣體鉆井設(shè)備試壓,合格后下鉆,進行氣舉,干燥井筒,作業(yè)完成后實施空氣鉆井。二開先用常規(guī)泥漿鉆井鉆進20～30m形成新井眼,然后循環(huán)清洗井底,拆除井口防溢管、安裝旋轉(zhuǎn)防噴器、排砂管線等輔助作業(yè)。安裝完畢,下鉆,進行氣舉,干燥井筒,作業(yè)完成后實施空氣鉆井[8]。

3.2 氣液轉(zhuǎn)換技術(shù)

1)鉆井工藝轉(zhuǎn)換原則 ①鉆進過程中若地層出水且出水量較小,在井壁穩(wěn)定的情況下,現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實際情況逐漸增大氣量滿足鉆進要求或根據(jù)出水量大小及時轉(zhuǎn)化為霧化/泡沫方式鉆進;若井壁坍塌掉塊嚴重或地層出水量較大,應(yīng)停止氣體鉆井,轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井液鉆進[9]。②鉆遇硫化氫氣體時,當監(jiān)測井內(nèi)返出的氣體所含硫化氫濃度未與大氣接觸前達到或超過50ppm,或是與大氣接觸的出口環(huán)境濃度達到或超過20ppm,應(yīng)立即停止氣體鉆進,轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井液鉆井。

2)氣體鉆井轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井液鉆井的要求 氣體鉆井結(jié)束后,為保證井筒由氣體轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井液后的壓力平衡與井壁穩(wěn)定,具體要求如下[10]:①轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆進前,鉆井液體系和密度必須滿足設(shè)計要求;②在氣體鉆進結(jié)束后,在鉆井液中加入潤濕反轉(zhuǎn)劑,解決氣液轉(zhuǎn)換時泥頁巖吸水膨脹導致井壁坍塌的問題;③鉆井液必須具有強抑制性、封堵能力及良好的流變性。要求鉆井液失水量應(yīng)盡量低,體系中應(yīng)含有一定數(shù)量的封堵粒子。同時,嚴格控制鉆井液中膨潤土和固相含量,以利于形成薄而韌的泥餅。

4 現(xiàn)場試驗

火北地區(qū)石炭系地層氣體鉆井過程中見少量出水,但當鉆遇石炭系底部風化殼破碎帶時,劃眼遇阻點越來越淺,排砂口取砂樣出現(xiàn)大塊巖屑,井壁垮塌,被迫主動轉(zhuǎn)化為常規(guī)鉆井液方式鉆進。二疊系地層部分為目的層,氣測上升后一般要轉(zhuǎn)換為氮氣鉆井,當排砂口無巖屑返出,循環(huán)觀察排砂口返出原油后就轉(zhuǎn)化為常規(guī)鉆井。在氣液轉(zhuǎn)換過程中,采用加量為1.5%的潤濕反轉(zhuǎn)劑RSFZ-5[1],在保持合理鉆井液密度、抑制性和流變性基礎(chǔ)上,保證整個轉(zhuǎn)換過程順利進行。表4所示為HB02井與鄰井機械鉆速對比結(jié)果。由表4可知,HB02井在石炭系地層采用氣體/霧化鉆井技術(shù),平均機械鉆速達5.46m/h,對比鄰井同區(qū)塊HB2井石炭系地層機械鉆速1.30m/h,氣體鉆井提速320%;二疊系地層采用氣體鉆井技術(shù),平均機械鉆速達到6.40m/h。

表4 HB02井與鄰井機械鉆速對比表

5 結(jié)論

1)針對新疆油田火北地層巨厚石炭系推覆體火山巖地層特性,采用三開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,技套下到石炭系中部,氣體鉆井工藝施工;對于厚度相對較小的石炭系地層,技套下入到二疊系平地泉組,為三開鉆進創(chuàng)造條件。

2)通過對膨脹率、X射線衍射全巖及黏土礦物含量進行分析,認為石炭系火山巖地層蒙脫石含量較低,地層穩(wěn)定性相對較好。由于三開二疊系地層黏土礦物含量相對較高,在該井段實施氣體鉆井時,應(yīng)及時提高鉆井液的封堵性能。

3)結(jié)合鄰井測井等資料進行分析,認為石炭系地層壓力、地層流體及井壁穩(wěn)定性等方面滿足實施氣體鉆井條件,但進入二疊系后坍塌壓力增高,實施氣體鉆井存在潛在風險。

4)現(xiàn)場實際作業(yè)表明,在石炭系、二疊系地層采用氣體鉆井工藝技術(shù)后提速效果顯著,這為火北地區(qū)鉆井施工提供了一條新的途徑。

[1]張書瑞.大慶油田氣體鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大慶:東北石油大學,2011.

[2]韓先柱,李剛,秦文革,等.液力推力器在新疆油田準噶爾盆地石炭系地層的提速研究[J].鉆采工藝,2009,32(4):66-68,71.

[3]林晶,王新,劉靈,等.新疆火山巖氣藏氣基流體鉆井提速技術(shù)[J].新疆石油天然氣,2010,6(4):21-26.

[4]金業(yè)權(quán),劉剛,方傳新,等.欠平衡鉆井方式地層適應(yīng)性研究[J].新疆石油地質(zhì),2011,32(5):550-551.

[5]孟英峰,嚴俊濤,沈華,等.華北ND1區(qū)塊氣體鉆井地層適應(yīng)性評價[J].天然氣工業(yè),2012,32(5):86-91.

[6]李皋,孟英峰,蔣俊,等.氣體鉆井的適應(yīng)性評價技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2009,29(3):57-61.

[7]鄧虎,楊令瑞,陳麗萍,等.氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析[J].天然氣工業(yè),2007,27(2):49-51.

[8]苗錫慶,張進雙,蘇長明,等.氣體鉆井轉(zhuǎn)換鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2008,33(3):29-32.

[9]張良萬.鄂西渝東地區(qū)氣體鉆井氣液快速轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].鉆采工藝,2010(5):11-14.

[10]杜明軍,孫舉,馬文英,等.川東北氣液轉(zhuǎn)換井壁穩(wěn)定技術(shù)研究與應(yīng)用[J].精細石油化工進展,2012,13(9):1-4.

[編輯] 李啟棟

TE242.6

A

1673-1409(2014)20-0037-04

2014-03-12

楊明合(1976-),男,博士,副教授,現(xiàn)主要從事油氣井鉆井工藝技術(shù)方面的教學和研究工作。