氮?dú)馑骄@井難點(diǎn)、處理對策及現(xiàn)場試驗(yàn)

鐘顯祿（中石化西南石油局廣西石油基地服務(wù)中心，廣西 南寧 530023）

胡挺（中石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838202）

隨著氮?dú)馇菲胶忏@井技術(shù)水平的提升和應(yīng)用效果的展現(xiàn)，氮?dú)馇菲胶忏@井技術(shù)已成為勘探開發(fā)的前沿技術(shù)手段，其主要優(yōu)越性在于對地層無污染，可提高單井產(chǎn)能，提高機(jī)械鉆速和有效評價儲層。而氮?dú)馇菲胶忏@井與水平井鉆井結(jié)合則是高效勘探開發(fā)難動用儲層的更有效方式。隨著勘探開發(fā)的深入，氮?dú)馇菲胶忏@井技術(shù)與水平井技術(shù)結(jié)合應(yīng)用將是鉆井技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。但氣體水平井鉆井中經(jīng)常出現(xiàn)地層出水、井壁失穩(wěn)等技術(shù)難點(diǎn)，是制約氮?dú)馑骄@進(jìn)技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。因此，加強(qiáng)相關(guān)難點(diǎn)技術(shù)的研究，制定相應(yīng)的對策顯得尤為重要。

1 氮?dú)馑骄@井難點(diǎn)分析與處理對策

1.1 地層出水

吐哈油田實(shí)施氮?dú)馇菲胶忏@井已達(dá)15余井次，通過實(shí)踐表明，氮?dú)馇菲胶忏@井實(shí)施成功的關(guān)鍵在于井壁穩(wěn)定、地層含水少或不含水和有效的現(xiàn)場組織。為此進(jìn)行氮?dú)馇菲胶忏@井設(shè)計前首先需要做地層適應(yīng)性論證，準(zhǔn)確掌握地層含油、氣、水情況。并制定合理的施工措施，確保氮?dú)馇菲胶忏@井的施工成功率。

1.1.1 地層出水的預(yù)測方法

目前預(yù)測水層的主要方法是依靠地震、地質(zhì)和測井等資料，其中對測井資料進(jìn)行詳細(xì)分析是精準(zhǔn)預(yù)測水層的最佳方法，當(dāng)前常規(guī)鉆井預(yù)測水層的主要測井方法有最小電阻率交會法、儲層與泥漿電阻率交會法等對出水層進(jìn)行有效識別，但氣體鉆井識別水層較常規(guī)鉆井要困難的多，經(jīng)常出現(xiàn)水層漏判現(xiàn)象。為此，結(jié)合氣體鉆井的實(shí)際情況利用阿爾奇公式以及束縛水含水飽和度計算模型，通過計算、優(yōu)選出能反映地層出水的敏感性參數(shù)（表1），形成一套氣體鉆井水層預(yù)測技術(shù)，以便對氣體鉆井提供指導(dǎo)。

表1 氮?dú)馑骄@井出水層位判斷標(biāo)準(zhǔn)

1.1.2 地層出水地面現(xiàn)象分析

結(jié)合吐哈油田氮?dú)馇菲胶忏@井現(xiàn)場應(yīng)用時遇到的實(shí)際情況，通過分析總結(jié)，將地層出水分為3個級別：微量出水（0～2m3／h），一般出水（2～5m3／h），大量出水（5m3／h以上）。地層出水主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤扭矩、立管壓力、注氣壓力、鉆井速度等地面參數(shù)上，因此密切關(guān)注地面各項(xiàng)鉆井參數(shù)的變化，是準(zhǔn)確判斷井下情況的最佳依據(jù)。表2給出了地層出水時的地面現(xiàn)象。

表2 地層出水地面現(xiàn)象分析及處理對策

1.1.3 地層出水的處理對策

氮?dú)馑骄@井技術(shù)成敗的關(guān)鍵之一在于地層是否出水，施工中若鉆遇到地層出水，那么首先應(yīng)增加氣量進(jìn)行循環(huán)；若增大氣量后不能保持井下正常，則應(yīng)視地層出水情況轉(zhuǎn)換成泡沫鉆井、充氣鉆井或液相欠平衡鉆井。具體處理對策見表2。

1.2 井壁穩(wěn)定性

導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的原因主要有力學(xué)因素和物理化學(xué)因素兩種。物理化學(xué)因素是指鉆井液與泥頁巖地層發(fā)生物理化學(xué)作用引起水化膨脹和分散，致使近井壁巖屑強(qiáng)度下降，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。但氮?dú)馑骄@井過程中不存在鉆井液對井壁的物理化學(xué)作用，因此影響氮?dú)馑骄诜€(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)。

1.2.1 氮?dú)馑骄诜€(wěn)定性評價方法

目前對氮?dú)馑骄诜€(wěn)定性評價主要采用庫侖－莫爾強(qiáng)度理論和剪切破壞理論，利用測井資料結(jié)合這兩個理論公式可以計算出影響氮?dú)馑骄诜€(wěn)定性的固有內(nèi)聚力和臨界崩落內(nèi)聚力，當(dāng)固有內(nèi)聚力大于臨界崩落內(nèi)聚力時，表明井壁比較穩(wěn)定，井壁出現(xiàn)坍塌的可能性較小。當(dāng)固有內(nèi)聚力小于臨界崩落內(nèi)聚力時，則表明井壁不穩(wěn)定，出現(xiàn)坍塌的可能性較大。圖1以牛東平8－13井為例，繪制出了氮?dú)馑骄@井的固有內(nèi)聚力和臨界崩落內(nèi)聚力兩條關(guān)系曲線，以評價該井水平段的井壁穩(wěn)定性。由圖1可知，在1500～1950m井段巖石的內(nèi)聚力大于臨界崩落內(nèi)聚力，說明該井段井壁比較穩(wěn)定。但在1950～2100m井段巖石的內(nèi)聚力與其臨界崩落內(nèi)聚力比較接近，因此在實(shí)施氮?dú)馇菲胶忏@井施工作業(yè)過程中，應(yīng)密切關(guān)注轉(zhuǎn)盤扭矩、立管壓力、注氣壓力、鉆具活動情況等地面現(xiàn)象，并做好井壁坍塌的處理預(yù)案。

圖1 牛東平8－13井水平段井壁穩(wěn)定性評價

1.2.2 氮?dú)馑骄@井井壁失穩(wěn)地面現(xiàn)象分析

井壁穩(wěn)定研究的重要性等同于地層出水，同樣是關(guān)系到氮?dú)馑骄@井成敗的關(guān)鍵因素，因此在實(shí)施氮?dú)馑骄@井之前，首先應(yīng)做好地層適應(yīng)性論證，以確保氮?dú)馑骄@井的成功率。井壁失穩(wěn)性按照失穩(wěn)程度可分為井壁掉塊和井壁坍塌兩種，主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤扭矩、立管壓力、注氣壓力、巖屑返出情況等地面現(xiàn)象上，因此氮?dú)馑骄@井施工作業(yè)過程中應(yīng)密切關(guān)注地面各項(xiàng)鉆井參數(shù)的變化（表3），對井下情況進(jìn)行準(zhǔn)確的認(rèn)識與判斷。

表3 氮?dú)馑骄谑Х€(wěn)地面現(xiàn)象分析及處理對策

1.2.3 氮?dú)馑骄@井井壁失穩(wěn)處理對策

井壁穩(wěn)定性是順利進(jìn)行氮?dú)馑骄@井的先導(dǎo)性條件，因此在實(shí)施氮?dú)馑骄@井作業(yè)過程中，一旦出現(xiàn)井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致井下掉塊或坍塌，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，加大氣量循環(huán)，盡量將鉆具提離井底到較高位置［1］，判斷井下失穩(wěn)程度，根據(jù)判斷結(jié)果制定下一步措施。具體對策見表3。

1.3 水平段巖屑攜帶

氮?dú)馑骄@井水平段較垂直段攜巖要困難得多，巖屑易在水平段沉積形成巖屑床，若地層出液可能使巖屑黏結(jié)成團(tuán)，如果不加以處理，巖屑團(tuán)會越結(jié)越大，大尺寸巖屑團(tuán)會沉降在水平段的下井壁［2］，導(dǎo)致井眼凈化不良、環(huán)空堵塞或卡鉆等井下復(fù)雜事故。

1.3.1 水平段巖屑攜帶難點(diǎn)

氮?dú)馑骄@井水平段巖屑攜帶難點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個方面：①巖屑一旦被破碎、脫離井底后，很難再次回到井底被鉆頭重復(fù)破碎，而是以小顆粒形式被氣流帶走，大顆粒則可能會滯留在水平段某處的下井壁處。②巖屑的重力方向與氣體流動方向相垂直，氣體流動不能像在垂直井筒內(nèi)那樣直接克服重力沉降而使巖屑運(yùn)移［3］。③重力使鉆具躺在下井壁處，這種偏心環(huán)空會造成下井壁處的低速區(qū)，而這些低速區(qū)恰好是巖屑在重力作用下的滯留區(qū)［4］。

1.3.2 提高水平段巖屑攜帶的處理對策

結(jié)合氮?dú)馑骄@井的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過分析，總結(jié)和提煉得出了5項(xiàng)提高氮?dú)馑骄@井水平段巖屑攜帶的綜合措施：①足夠的氣量是氮?dú)馑骄@井巖屑攜帶出井筒的保證，同時也是當(dāng)井下出現(xiàn)復(fù)雜情況時及時處理復(fù)雜情況的重要保證。②采用變徑短節(jié)、扶正器等器具使鉆柱抬升，脫離下井壁，消除下井壁處偏心環(huán)空造成的低速區(qū)，以免造成巖屑堆積。③保持水平段鉆柱旋轉(zhuǎn)，以改善水平段的巖屑滯留、堆積現(xiàn)象［5］。④經(jīng)常短距離地上提下放鉆具，使鉆頭提離井底后再回到井底，將鉆頭附近大顆粒巖屑推回井底重復(fù)破碎。⑤限制鉆速，采用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速方式鉆井，使鉆頭第1次破碎產(chǎn)生的巖屑不至于過大［6］。

1.4 井眼軌跡監(jiān)測與控制

氮?dú)馑骄@井是以氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)，MWD（LWD）（隨鉆測量／隨鉆測井）在氣體中無法傳輸脈沖信號；因此，無法進(jìn)行無線隨鉆監(jiān)測。有線隨鉆監(jiān)測井口高壓循環(huán)頭位置只對具有較高黏度和稠度的泥漿進(jìn)行密封，對清水密封都會發(fā)生泄漏；它對氣體幾乎沒有密封作用，因此不能使用于氣相鉆井體系鉆井。

1.4.1 氮?dú)馑骄圮壽E監(jiān)測與控制難點(diǎn)

在充氣或純氣體欠平衡鉆井作業(yè)中，MWD（LWD）無法傳輸脈沖信號。無法對井眼軌跡進(jìn)行隨鉆監(jiān)測，不能保證井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量，難以確保中靶目標(biāo)。由于氮?dú)馑骄@井改變了井底巖石的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，使得地層各向異性明顯增加，極易發(fā)生井斜，致使氮?dú)馑骄@井中井眼軌跡控制難度加大。氮?dú)馑骄@井中狗腿度難以控制，加之氮?dú)馑骄@井本身巖屑攜帶難度就比較大，雙重難度加劇了發(fā)生卡鉆的可能。

1.4.2 提高氮?dú)馑骄@井的井眼軌跡監(jiān)測與控制的處理對策

用于氮?dú)馑骄@井的井眼軌跡監(jiān)測與控制的儀器主要有EM－MWD地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)和可投撈式軌跡測量工具兩種，通過在牛東平1井和牛東平8－13井兩口氮?dú)馑骄默F(xiàn)場試驗(yàn)，證明兩種儀器均能較好地對氮?dú)馑骄@井的井眼軌跡進(jìn)行監(jiān)測與控制。

EM－MWD地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)在進(jìn)行氣體鉆井作業(yè)時，可實(shí)時獲取井斜角、方位角等工程參數(shù)，掌控井下增斜或降斜情況，根據(jù)要求可及時調(diào)整鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)以及注氣量。同時可隨鉆監(jiān)測井下鉆具的振動，以便施工人員隨時了解井下鉆具的情況，預(yù)防井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

針對利用EM－MWD地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)服務(wù)費(fèi)用高的難題，研發(fā)了一種用于氮?dú)馑骄@井井眼軌跡控制的投撈式軌跡測量工具。但是在現(xiàn)場施工過程中不能對井眼軌跡進(jìn)行隨鉆監(jiān)測與控制，在測量的時候需要將鉆具起至垂直井段或井斜小于45°的井段，完成投放過程，下鉆至井底完成測量后再起鉆至垂直井段完成打撈過程。通過地面數(shù)據(jù)分析，確定下步鉆井參數(shù)、注氣量及鉆具組合，階段性調(diào)整井斜和方位，達(dá)到對井眼軌跡的有效監(jiān)測與控制。

2 氮?dú)馑骄@井現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 牛東平1井

牛東平1井是吐哈油田部署的第1口氮?dú)馑骄?，井眼直?52.4mm。水平井段純氮?dú)忏@進(jìn)井段為1666.66～1702.34m；充氮?dú)忏@進(jìn)井段為1702.34～1947.17m。施工中結(jié)合巖屑運(yùn)移機(jī)理及氮?dú)忏@水平段攜巖的難點(diǎn)，開始氮?dú)庾⑷肓繛?0～90m3／min；但鉆進(jìn)2個單根后，鉆具下放不到井底；循環(huán)劃眼時間較長，出于安全施工考慮，后將氮?dú)庾⑷肓刻岣咧?0～120m3／min，有效地解決了巖屑攜帶問題，恢復(fù)正常氮?dú)忏@井。在鉆至1702.34m時因地層出水，鉆具遇卡，排砂口無氣體返出，氮?dú)庾⑷肓刻岣咧?50m3／min，排砂口排出大量灰塵，并伴有大量塊狀巖屑團(tuán)；為了防止井下復(fù)雜情況進(jìn)一步惡化，轉(zhuǎn)化為充氮?dú)馇菲胶忏@井。該井在用氮?dú)忏@水平段的過程中井眼軌跡的監(jiān)測與控制采用可投撈式軌跡測量工具，對水平段井眼軌跡的控制提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

2.2 牛東平8－13井

牛東平8－13井，井眼直徑152.4mm，水平井段純氮?dú)忏@進(jìn)井段為1587.25～1807.09m；充氮?dú)忏@進(jìn)井段為1807.09～2087m。該井在分析總結(jié)了牛東平1井氮?dú)馑骄@井過程中出現(xiàn)的問題，水平段氮?dú)忏@井過程中氮?dú)庾⑷肓繛?0～120m3／min，在水平段增加變徑短節(jié)、扶正器等，再次破碎大顆粒巖屑并使之變小，以有效滿足水平段巖屑攜帶要求，循環(huán)時間大大縮短，機(jī)械鉆速達(dá)12.78m／h，是鄰井常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速的3～7倍。

牛東平8－13井在水平井段氮?dú)忏@井井眼軌跡監(jiān)測與控制采用EM－MWD測量工具，鉆井過程中隨時的調(diào)整井斜和方位，依據(jù)地層伽馬、電阻率兩個地質(zhì)參數(shù)，有效地控制了井眼軌跡，并在鄰井常規(guī)地質(zhì)解釋為干層的情況下，分別在1701m和1736m時鉆遇低產(chǎn)油層，達(dá)到了發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層的目的，后鉆至1807.09m在起下鉆過程中遇阻嚴(yán)重，出于井下安全考慮，將氮?dú)忏@井轉(zhuǎn)為充氣鉆井，EM－MWD水平段監(jiān)測及控制段長499.75m。牛東平8－13井在完井后直接投產(chǎn)較鄰井產(chǎn)量提高了5～8倍。

3 認(rèn)識與建議

1）地層出水、井壁失穩(wěn)是直接關(guān)系到氮?dú)馑骄@井成功與否的關(guān)鍵因素，因此在優(yōu)選氮?dú)馑骄@井的井位時，必須對其進(jìn)行精準(zhǔn)、嚴(yán)密的可行性論證。

2）氮?dú)馑骄@井過程中，應(yīng)保持鉆具旋轉(zhuǎn)，經(jīng)常的短起下鉆，控制鉆速，還要采用抬升鉆具的方法避免鉆具重力造成偏心環(huán)空，同時在變徑短節(jié)、扶正器等處的外側(cè)面鑲硬質(zhì)合金，在水平段增加重復(fù)破碎功能，以提高水平段的攜巖能力。

3）由于氮?dú)忏@水平井改變了水平段巖石的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，使得地層各向異性明顯增加，極易發(fā)生井斜，因此氮?dú)馑骄@井的井眼軌跡極難控制。

［1］楊令瑞，楊玻，肖潤德，等 .四川天然氣欠平衡鉆井完井技術(shù)研究與應(yīng)用 ［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（3）：105～108.

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