欠平衡鉆井適用地層及鉆井效果影響因素分析

劉 磊

(大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江 大慶 163413)

欠平衡鉆井適用地層及鉆井效果影響因素分析

劉 磊

(大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江 大慶 163413)

國內(nèi)外應(yīng)用欠平衡鉆井技術(shù)提高采收率取得了很大成就，大慶進(jìn)行了多口井液相欠平衡鉆井的現(xiàn)場試驗(yàn)，但提高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益效果不明顯。針對此問題，從理論上探索影響欠平衡鉆井效果的地質(zhì)因素和工藝因素，提出了欠平衡鉆井需要進(jìn)一步研究的技術(shù)和應(yīng)用方向。

欠平衡鉆井；鉆井效果；鉆井介質(zhì);適用地層；采收率

0 引言

欠平衡鉆井技術(shù)是開發(fā)低壓油氣田、減少儲層污染、提高產(chǎn)量的重要技術(shù)手段，目前，在美國和加拿大的陸上油田，接近1/3的井是用欠平衡鉆井技術(shù)完成的。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界欠平衡鉆井的總數(shù)已達(dá)到了約12000口[1-4]。四川石油管理局在川西、川中和川南等地區(qū)共開展140多口井的欠平衡鉆井試驗(yàn)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了欠平衡鉆井技術(shù)的重大突破，其中，全過程欠平衡鉆井完井的配套應(yīng)用40口，取得了很好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。在研究方面，國外威德福公司開發(fā)一套軟件——SURE系統(tǒng)(使用一次5萬美元)，可對儲層欠平衡鉆井進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評價。西南石油學(xué)院開展了欠平衡鉆井保護(hù)機(jī)理的研究。遼河、新疆、長慶等油田也開展了欠平衡鉆井工藝技術(shù)[4-8]。大慶進(jìn)行了多口井的液相欠平衡鉆井和氣體欠平衡鉆井，在及時發(fā)現(xiàn)油氣和提高鉆井速度方面取得了一定的成績，但沒有見到明顯的提高產(chǎn)量效果。欠平衡鉆井用于什么地層易于獲得經(jīng)濟(jì)效益，影響欠平衡鉆井效果的因素有哪些，本文將對此問題進(jìn)行討論。

1 欠平衡鉆井適用地層分析

1.1 技術(shù)上不適合欠平衡鉆井開發(fā)的地層

(1)高壓油氣層。對于產(chǎn)量特別高的高壓油氣層，欠平衡下由于地層出氣造成欠壓值繼續(xù)增加無法控制，技術(shù)上難以實(shí)行。

(2)不穩(wěn)定地層。如果坍塌壓力系數(shù)接近孔隙壓力，欠平衡會造成井塌，則該類地層不能應(yīng)用欠平衡鉆井。

(3)含有有害氣體地層。如果地層含有有毒有害氣體，欠平衡狀態(tài)下會造成環(huán)境的污染，這種情況下不能使用欠平衡鉆井。

(4)地質(zhì)情況不清楚的地層。如果地質(zhì)情況不清楚，以上各種情況都可能發(fā)生，而且地層壓力系數(shù)不詳，井底壓力如何控制無法確定，也不宜使用欠平衡鉆井。

1.2 技術(shù)上適合欠平衡鉆井的地層

當(dāng)?shù)貙犹鷫毫ο禂?shù)和孔隙壓力系數(shù)有一定的差距，可以保證在一定欠壓值條件下，不發(fā)生井壁坍塌，這時技術(shù)上可以應(yīng)用欠平衡鉆井。

1.2.1 技術(shù)上適合欠平衡但經(jīng)濟(jì)上沒有效益的地層

有些地層雖然從技術(shù)上可以進(jìn)行欠平衡鉆井，有的也能獲得一定的增產(chǎn)效果，但經(jīng)濟(jì)上并不劃算。

(1)干層。如果地層沒有油氣，用欠平衡鉆井可以提高鉆井速度，但對產(chǎn)量不會有貢獻(xiàn)。

(2)滲透率極低地層。滲透率極低的地層，由于孔隙很小，即使過平衡鉆井泥漿的污染滲透也很有限，欠平衡不能提高太多自然產(chǎn)量，必須要壓裂等方式才能獲得好的產(chǎn)量。這種情況下雖然可用欠平衡鉆井技術(shù)，但沒有經(jīng)濟(jì)效果。

(3)儲層太薄地層。雖然可以提高產(chǎn)量，但如果用直井欠平衡提高的產(chǎn)量和投入相比，依然不劃算。薄儲層可以考慮應(yīng)用欠平衡水平井。

1.2.2 應(yīng)用欠平衡鉆井可能有經(jīng)濟(jì)效益的地層

有些儲層可用常規(guī)鉆井也可以用欠平衡鉆井開發(fā)，但用常規(guī)鉆井效果差，低壓低滲油氣資源、孔隙性裂縫性儲層、溶洞性地層、火成巖、碳酸鹽、變質(zhì)巖、煤層氣，老油田改造等，都適合應(yīng)用欠平衡鉆井開發(fā)。但要取得好的開發(fā)效果，還要根據(jù)儲層特性，選擇合適的欠平衡方式、合適的欠平衡介質(zhì)、合適的配套工藝措施和合適的井型。

1.2.3 必須用欠平衡鉆進(jìn)的地層

當(dāng)孔隙壓力和破裂壓力接近時，應(yīng)用過平衡鉆井會造成嚴(yán)重的井漏，這時只能采用欠平衡鉆井。

2 影響欠平衡鉆井效果的因素分析

應(yīng)用國內(nèi)外其它油田的實(shí)例，分析不同的地層條件應(yīng)用不同的欠平衡方式和不同的欠平衡介質(zhì)，對欠平衡效果的影響。

2.1 孔隙壓力和破裂壓力的影響

哈薩克斯坦的肯基亞克油田是一個以鹽丘為核心的穹隆短軸背斜隆起構(gòu)造。石炭系的碳酸鹽巖儲層是主力儲層(底水、塊狀油藏)，平均孔隙度11%，平均滲透率10 md，埋深4150 m，超高壓(壓力系數(shù)1.84)。1971—1990年，在該構(gòu)造共鉆42口井，其中有40口井工程報廢或地質(zhì)報廢，從而終止了該油田的開發(fā)。有3口井由于后期測試等原因報廢，井噴失控事故的有4口井，有7口井鹽巖的蠕動縮徑造成報廢，然而最多的還是非儲層井段的高密度泥漿導(dǎo)致了壓漏地層，超高的泥漿密度導(dǎo)致了壓差卡鉆和多發(fā)鉆具事故。

長城鉆井公司采用了高壓非儲層“欠平衡釋放壓力鉆井”的技術(shù)思路，同時在非儲層段還采用了優(yōu)質(zhì)泥漿、充足水力能力、優(yōu)選鉆頭和破巖參數(shù)、合理的噴嘴組合、以及制服鹽膏層縮徑卡鉆等配套技術(shù)[2]。在儲層段，針對石面料系主力儲層裂縫發(fā)育、壓力高、漏噴同層、儲層易傷害的特點(diǎn)，采用了近平衡和欠平衡保護(hù)儲層的技術(shù)，鉆直井、水平井、并且先期裸眼完井以求獲得高產(chǎn)。這些配套技術(shù)在肯基亞克的綜合應(yīng)用取得了明顯成效。長城鉆井公司鉆井25口，成功率100%，過去單井產(chǎn)量為50 t/d，現(xiàn)在都是百噸、數(shù)百噸，最高的8010井產(chǎn)量達(dá)1143 t/d，創(chuàng)造了肯基亞克鹽下油藏開發(fā)的奇跡。

該實(shí)例說明，當(dāng)孔隙壓力和破裂壓力接近，使用過平衡鉆井很難鉆成井，必須使用欠平衡鉆井。

2.2 欠平衡方式的影響

2.2.1 欠平衡鉆井過平衡完井的影響

四川盆地陸續(xù)地開展了多口井的儲層欠平衡鉆井試驗(yàn)，取得了一些勘探上的發(fā)現(xiàn)，但并未形成提高產(chǎn)能的實(shí)用技術(shù)[7]。引起認(rèn)識上巨大轉(zhuǎn)變的最重要、最典型的一口井是充深1井。充深1井在須四至須二地層采用密度1.05 g/cm3欠平衡鉆進(jìn)，鉆至井深2203.16 m 儲層開始產(chǎn)出油氣，火焰最高達(dá)20 m，預(yù)計產(chǎn)氣量在3.70×104m3/d以上，這是老區(qū)新層勘探的重大發(fā)現(xiàn)。為得知儲層準(zhǔn)確產(chǎn)能，壓井后進(jìn)行了中途測試，測得產(chǎn)氣量僅有3.70×104m3/d、產(chǎn)油0.55 t/d，點(diǎn)燃火焰高度遠(yuǎn)小于欠平衡鉆井時的火焰高度。中測后下鉆繼續(xù)過平衡鉆進(jìn)至完鉆井深，再也未見油氣產(chǎn)出。下尾管固井射孔完井，完井測試產(chǎn)量降為0.30×104m3/d，產(chǎn)量下降了91.89%，后經(jīng)解堵酸化產(chǎn)量僅為1.02×104m3/d，產(chǎn)油0.18 t/d。見圖1。

圖1 四川充深1井鉆進(jìn)、完井后和增產(chǎn)后的效果

2.2.2 全過程欠平衡的效果

四川邛西構(gòu)造，該區(qū)儲層的典型特征如下。

(1) 致密砂體：表現(xiàn)為低孔、低滲、細(xì)喉、復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和大的比表面積，儲層內(nèi)還發(fā)育有自生粘土礦物與其它敏感性充填礦物?？紫抖绕骄?%～10%，滲透率平均在0.01～0.85 md。

(2) 微裂縫發(fā)育：須家河儲層屬于三迭系裂縫重組氣藏，由于構(gòu)造作用、成巖作用和超壓流體作用使儲層砂體普遍發(fā)育微裂縫。對裂縫描述資料進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)：須家河組儲層是以高角度斜縫為主，縫寬為5～35 μm 范圍，少數(shù)達(dá)上百微米；密度為0.5～4條/m。

(3)裂縫-孔隙雙重介質(zhì)儲層：須家河儲層是以致密基塊的孔隙為主要存儲空間、以天然微縫網(wǎng)絡(luò)為主要滲流通道的復(fù)雜雙重介質(zhì)儲層?；鶋K的平均滲透率約為0.05 md、平均孔隙度約為6%；含微縫網(wǎng)絡(luò)儲層的等效滲透率平均約為0.5 md，裂縫孔隙度平均值約為0.5%。

邛西構(gòu)造井位布置如圖2所示。開始應(yīng)用全過程欠平衡見到效果的是邛西3井。采用傳統(tǒng)過平衡鉆井完成的邛西1井產(chǎn)量700 m3/d，邛西2井產(chǎn)微氣，美國德士古公司對邛西2井實(shí)施加砂壓裂產(chǎn)量5200 m3/d(1999年)。而采用全過程欠平衡完成的邛西3井產(chǎn)量45.67萬m3/d，邛西4井產(chǎn)量89.34萬m3/d。之后連續(xù)十多口全過程欠平衡鉆井，產(chǎn)量都在50～100萬m3/d之間。

圖2 邛西構(gòu)造井位布置

該實(shí)例說明有些裂縫性儲層，對過平衡傷害特別敏感，必須用全過程欠平衡才能見到效果。

2.3 欠平衡介質(zhì)的影響

白馬-松花構(gòu)造位于成都凹陷低緩構(gòu)造帶中部，是典型的侏羅系遠(yuǎn)源次生氣藏。主力產(chǎn)層蓬萊鎮(zhèn)組為泥質(zhì)致密砂巖，孔隙度6%～10%，滲透率0.1～0.5 md。砂巖孔喉內(nèi)粘土礦物非常發(fā)育。儲層裂縫不發(fā)育，僅見高角度隱性微縫(微米級縫寬)，密度為0.5～2條/m。儲層埋深1000 m左右，孔隙壓力梯度0.9～1.1 之間。儲層產(chǎn)狀近于水平，而且很薄，砂巖有效厚度只有4 m左右。儲層的孔隙性基塊屬于致密砂巖，低孔、低滲、富含粘土礦物、初始含水飽和度很低，儲層強(qiáng)烈的逆流自吸作用將大量吸水?！皟赢a(chǎn)狀近于水平，而且很薄，砂巖有效厚度只有4 m左右”的特點(diǎn)[7]。分別使用直井欠平衡、水平井過平衡、水平井水基鉆井液全過程欠平衡和水平井氣體全過程欠平衡，產(chǎn)量對比見表1。

表1 BQ111H 井與鄰井產(chǎn)量對比

該實(shí)例說明全過程欠平衡要根據(jù)儲層特點(diǎn)，選擇合適的介質(zhì)，如此井選擇氣體循環(huán)介質(zhì)，與鄰井相比產(chǎn)量提高28%以上。

2.4 全過程欠平衡鉆井工藝過程的影響

全過程欠平衡也可以有不同的工藝方法，在投資上差異很大，當(dāng)產(chǎn)量不高的時候，也直接影響經(jīng)濟(jì)效益。全過程欠平衡鉆井主要可以通過套管閥或不壓井起下鉆裝置實(shí)現(xiàn)。不壓井起下鉆裝置安裝在鉆臺上，當(dāng)?shù)貙映鰵饬枯^大或壓力較高的時候，有一定的危險性，但可以重復(fù)使用，價格較低，可用于產(chǎn)量較低壓力不大的井。氣量較大的井可用套管閥。

應(yīng)用套管閥工藝不當(dāng)也會造成全過程欠平衡的失敗，當(dāng)鉆進(jìn)氣層時，使用液體介質(zhì)進(jìn)行欠平衡鉆井，如果起鉆致套管閥以上關(guān)閉套管閥，欠平衡狀態(tài)下天然氣進(jìn)入井筒，氣體不斷上升膨脹，在套管閥下面聚集，產(chǎn)生較高的壓力，造成井底的過平衡。

3 結(jié)論和認(rèn)識

(1)高壓高產(chǎn)油氣層、不穩(wěn)定地層、坍塌壓力與孔隙壓力接近地層、含有毒有害氣體地層、地層情況不詳?shù)牡貙硬灰耸褂们菲胶忏@井。

(2)地層選擇不當(dāng)、欠平衡方式選擇不當(dāng)或介質(zhì)選擇不當(dāng)，都可能影響欠平衡鉆井效果。

(3)對于破裂壓力和孔隙壓力接近的地層，應(yīng)用欠平衡鉆井是較過平衡鉆井更可行的開發(fā)方式。

(4)對于裂縫性儲層，采用全過程欠平衡鉆井技術(shù)效果更理想。

(5)對水敏性儲層用氣體全過程欠平衡鉆井開發(fā)，效果更好；對于較薄的儲層，可以與水平井結(jié)合開發(fā)。

(6)應(yīng)用欠平衡鉆井能夠獲得較好經(jīng)濟(jì)效益的必要條件主要有如下幾點(diǎn)：

①合適的地層條件，有油氣資源，有一定的孔隙度和滲透率，在孔隙壓力系數(shù)和坍塌壓力系數(shù)之間，有一定的欠平衡當(dāng)量密度可以選擇，對過平衡鉆井傷害敏感；

②合理的欠壓值過程控制，對于過平衡敏感的地層要確實(shí)做到全過程欠平衡；

③合適的欠平衡工藝方法；

④選擇與儲層相容性好的欠平衡循環(huán)介質(zhì)；

⑤在儲層有足夠長的接觸面積。

[1] 陶冶,劉偉,羅維,等.欠平衡鉆井技術(shù)在夏72井的應(yīng)用[J].鉆采工藝,2005,28(1):11-12.

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Stratum Applicable for Underbalanced Drilling and the Analysis on Influence Factors to Drilling Effect/

LIULei

(The Third Branch Drilling Company of Daqing Drilling & Exploration Engineering Company, CNPC，Daqing Heilongjiang 163413, China)

Great achievement has been made in enhanced oil recovery by the application of unbalanced drilling technology both in China and abroad, but the field tests of liquid phase underbalanced drilling were made in several wells without the obvious effects of increasing yield and economic benefit in Daqing. In this case, the geological and technological factors that influence the effects of underbalanced drilling are explored in theory and the technologies and application direction that should be further researched for underbalanced drilling are put forward with suggestions in this paper.

underbalanced drilling; drilling effect; drilling medium; applicable formation; oil recovery

2016-08-05；

2017-02-17

劉磊，男，漢族，1984年生，工程師，從事鉆井工程技術(shù)和項(xiàng)目管理工作,黑龍江省大慶市紅崗區(qū)，282341254@163.com。

P634

A

1672-7428(2017)04-0028-03