欠平衡钻井作为优化钻井和完井应急的工艺技术在裂缝性碳酸盐岩中的应用.docx

SPE91579译者：石油工程2012届毕业生曾春林欠平衡钻井作为优化钻井和完井应急的工艺技术在裂缝性碳酸盐岩中的应用J. Abdollahi, I.M. Carlsen, S. Mjaaland, SPE, SINTEF Petroleum Research, P. Skalle, SPE, Norwegian U. of Science & Technology, A. Rafiei, S. Zarei, Iranian Central Oil Fields Company 版权归2004年石油工程学会及国际钻探承包人协会欠平衡钻井技术会议所有本文是准备在2004年石油工程学会及国际钻探承包人协会欠平衡钻井技术会议上发表的简报，并且准备于2004年10月11日至12日在美国的德克萨斯州和休斯顿进行展览。本文在SPE/IADC计划委员会评阅了包括作者所提交的摘要及观点在内的文章内容后，被选为简报。目前文章的内容还没有被石油工程学会和国际钻井承包商协会会员们所评阅，作者可以予以更正。这些材料不反映任何一位石油工程师的社会地位以及国际钻井承包商协会的高级主管或成员的立场。禁止未经石油工程协会以及国际钻井承包商协会的许可而将本文的任何部分用于带有商业目的的电子复制、分发和储存。授权复制印刷仅限于不超过300字的摘要；插图不得复制。而且摘要必须明确地告知这篇文章出自哪儿，其作者是谁。书写人，图书管理员；SPE邮政信箱，833836；理查逊，德克萨斯人，电话，75083-3836，美国，传真，01-972-952-9345 摘要：在裂缝性碳酸盐岩地层中，维持压力的控制以及裂缝的网络映射是井眼施工成功的关键问题。在钻井之前，对地层裂缝网络的判断和描述是非常困难的，并且优化井的方向与方位都与地层裂缝有关。避免由于钻井液的漏失而造成的生产能力损害又是另一个重大挑战。钻井液侵入微裂缝性储层以后的增产措施是极其困难甚至是不可能的。在类似的这类地层中一般优先考虑裸眼完井。欠平衡钻井便因此在增加数据采集方面备受关注，这既避免了地层损害，实现了优化完井事故中的井眼产量目的，增加了开发价值。在油田的开发钻井策略中，地层自然裂缝的定位与描述对于合适的井口布置和完井方式的选择来说是至关重要的取决于裂缝的开度和延伸长度的不同，泥浆的漏失率和漏失体积会由轻度到严重而有所不同。这些相关联的裂缝网络是影响井眼产量的主要因素。在伊朗的西南部的裂缝性碳酸盐岩地层结构中，欠平衡钻井是一种被推荐的用于进一步油井开发的技术。流体钻井技术，是在钻进过程中允许碳氢化合物流动到表面来，这是比较有利的。有了足够的地层压力，这种方法可以更好地获得关于裂缝描述和动态判断过程信息，可以为优化水平井轨道提供更多的裂缝相交曲线。地层伤害是可以避免的，并且可以现住地减少失败钻井的数量。问题简介：欠平衡钻井是一种钻井实践，它是人为地使动态的井筒压力略小于地层压力。欠平衡钻井可以改善钻井效率，提高井眼产量。不过，一方面从操作的安全性来讲，过平衡钻井通常是优先考虑的，两一方面，欠平衡钻井还尚未被完全公认。于此同时，欠平衡钻井技术在世界的某些地方的运用正在增加。它所所涉及的技术愈趋成熟，积累了越来越多的经验。欠平衡钻井技术可能是唯一能解锁进一步开钻枯竭的异常压力梯度地层的难题。欠平衡钻井技术适用于各种不同级别类型的储层。作为伊朗区域内的发展项目，欠平衡钻井技术有很大的发展潜力，并且伊朗国家石油公司已经开始创建了欠平衡钻井技术项目。欠平衡钻井技术项目的创立与伊朗南部的部分较为贫瘠的油田相关。其目的在于改善钻井效率，提高油井产量。由于严重的泥浆漏失，甚至是最低的正规泥浆密度（0.8s.g）在一些油田都是不可能正常钻进的。在实践中，用重泥浆钻伴有严重漏失的水平井面临着了两个严重的钻井挑战： 岩屑的累计造成卡钻 传输数据丢失裂缝性碳酸盐岩储层在伊朗非常普遍，同样，由于钻井流体的漏失或者井眼布置和方位的不合理而隔断裂隙等因素造成的井眼信息的损坏，是井眼无产量所面临的重大挑战。在伊朗，促进欠平衡钻井技术发展的关键方面在于：1、 提高钻井性能 避免钻井液体漏失 提高机械钻速 减少钻头磨损和起下钻时间2、改善地层裂隙发育程度 尽早进行并增加对裂隙的探测 避免储层损害 允许裸眼完井 采用利于井眼改善的增产措施本文讨论了上文所提到的伊朗所面临的挑战，欠平衡钻井作为优化钻井和完井应急的工应用于裂缝性碳酸盐岩中。来自于伊朗西南部West-Zagross油田的数据和经验已被用作欠平衡钻井技术项目的基础研究。欠平衡钻井技术：欠平衡技术方法包括两方面主要技术：1、 按照流体的类型分：气体、泡沫、气化气和液相2、 循环系统、开放系统、环闭系统以及加压设备这里有两种方式可以创建欠平衡条件，同样也取决于孔隙压力信息：1、人工欠平衡2、自然欠平衡人工欠平衡操作适用于孔隙压力梯度小于水力梯度的衰竭地层。然后，需要气体来和钻井流体相混合。自然欠平衡操作意味着井眼自身储层压力能够使流体自然流动。但是，开始欠平衡的条件是井筒泥浆柱已经被较轻的流体所卸载。这种方式便称做“流钻井”。欠平衡钻井系统独立并模块化，原则上可以安装独立的钻机。设备所需要延伸的一些表面缓冲器也包含其中。表面驱动是有利的，它避免了方钻杆通过旋转头的旋转而转动而产生额外的磨损。一套标准的欠平衡钻井程序被设计成了一个环闭系统。灵活性能是在钻进过程中允许生产和进行储层测试的关键问题。用易挥发流体钻井（高地层汽油比）以及控制H2S环境是非常重要的安全问题。裂缝性碳酸盐岩中井眼结构面临的挑战：在钻井和完井过程中，维持欠平衡条件是一个既复杂有具有挑战性的操作。由于这种复杂性，一些欠平衡方式钻成的井可能会以过平衡状态结束，甚至井眼原始的生产性能也将会失去。对于所有阶段的井眼的施工组成，欠平衡条件是非常重要的：1、 钻井阶段2、 起下钻（下钻和起钻）3、 测井和地层测试信息4、 下套管和注水泥5、 射孔和完井硬岩钻进和低机械钻速是中东地区的共同挑战。在伊朗经历了在致密的碳酸盐岩储层中每小时钻进1米的机械钻速。这样的低机械钻速影响钻井成本，同样增加了泥浆暴露在岩层的时间，而造成井眼信息损害问题。钻头寿命一般是较低的，因此需要多个钻头工作。欠平衡钻井可以显著地减少钻井时间，曾有报道证明其速度提高到了10倍。异常加压咸水的地层以及枯竭的裂缝性储层都需要认真地加以解决。后勤管理是一项很重要的问题，它影响钻井效率，并且能够控制关键井的操作。管理无法预见的压力范围，并减轻由于重泥浆漏失而给后勤带来的挑战是可以通过欠平衡钻井来实现的。当裂缝出现在钻头的前方的时候就会引起钻井液漏失事件的发生。随着地层断裂特性的不同，泥浆的漏失率也会有所不同。根据裂缝开度的不同，可以将岩脉分为三种类型。在微裂缝（开度小于250微米）中，泥浆将会被阻挡在井筒附近形成泥饼，从而检测不出泥浆的漏失。裂缝开度在250至500微米之间便可以检测出泥浆的漏失，但是一段时间后泥浆自身可以封隔裂缝，阻止其漏失。裂缝开度大于500微米的储层，泥浆自身无法堵住裂隙，需要使用堵漏材料来阻止泥浆的漏失。然而，使用堵漏材料虽然能够消除裂缝的导流性，但是却破坏了井眼的产液潜能。这样的风险需要通过诸如卡钻和气体逸出等潜在的钻井危害因素来平衡。在某些情况下由于泥浆的漏失而不得不取消数据的采集方案。在完井期间，通常采用反向冲洗方案来清理井眼。实践中，成功洗井或者裂缝网络的增加很难实现的。根据井的裂缝网络来优化井的方位与布置是非常重要的。经验表明，在开钻前预测和描绘井眼裂隙分布是非常重要的。欠平衡钻井有利于早期的预测和裂缝的评估。现场研究：伊朗发现的90%以上的油田都是碳酸盐岩构造油田，这也使得伊朗成为世界上最大的碳酸盐岩油田开发国家。碳酸盐岩储层的生产机制是通过自然形成的高导流能力的裂缝网络来实现的。稠密矩阵通常遍布于裂缝网络之间，如果井眼轨道没有与储层裂隙相交，那么油田产能将会较低，甚至没有产出。油田经验表明，在这种情况下，采用譬如酸化等措施来增产增注往往是无法获得成功的。为了改善伊朗西南部的七个油田，新的总发展开发计划被制定了，该地区的一张位置区域图如图1所示。尽管其在开发历史上一直不够理想，但人们发现这些油田的开发潜能却是很高的，其前提则是建立在有效的开发方式之上的，比如是水平井，欠平衡钻井以及智能数据采集程序。由于油田的原始情况以及长期存在问题的开发历史历史，Dehluran油田采用了与欠平衡钻井操作相关。该油田位于伊朗与伊拉克边境的西南地区，该油田长20公里，宽9公里，平均储层厚度300米，该油田的地图如图2所示。该油田被发现于1970年，到目前为止已经开钻了20口井，但是仅有13口井达到了目的层位。其余部分的井由于极具挑战性的开发条件，诸如较高的盐水压力以及1980-1988年与伊拉克的战争等问题而不得不被废弃了。由于自然的消耗，估算出仅有15%的石油被能开发出来，到目前为止只有只有10%的可采石油被开发了出来。到目前为止，还没有采用水平钻井方式。综合研究表明：1、 大部分的生产井有较差的开发历史2、 普遍缺乏裂缝相关知识3、不确定的水层与流体接触关系仅有几口井眼显示出了合理的生产潜能，假设采用暴露井眼于裂隙网络之中来控制井眼的产能，这是不可能解释建立在日常数据基础之上的生产性能的。裂缝是可以定义并且用不同的方法来描述的，裂缝信息是可以根据录井信息图直接目测出来的。结合精密的泥浆漏失探头和近钻头处的环空压力传感器，可以得到连续的由轻及重的测井日志。但是，通过此种方式很难在微小裂缝条件下检测出来。因为在微裂缝里，在非牛顿钻井液条件下，微裂缝在几秒钟内便被泥浆填充并堵住。泥浆漏失日志以及图形测井记录都不适用于Dehluran油田。每日从钻井报告中取出的泥浆漏失数据被作为了定性裂缝情况的一种方法。按照泥浆的漏失数据将井眼排列如下：1、 没有漏失（零）2、 部分漏失（1-9桶/小时）3、 中等漏失（10-49桶/小时）4、 严重漏失（50桶/小时全部漏失）泥浆漏失结果与生产井累计产量的情况一并显示在表1中，可以根据图3概括描述出泥浆的漏失情况。图3表明，65%的井眼没有泥浆漏失或者只有少量漏失；35%的井有中等漏失或者严重漏失。不期望发生的快速的泥浆漏失现象是地层存在裂缝的最主要暗示因素，发生完全漏失时极可能是钻遇了较大的裂缝地层。生产井数据以及泥浆漏失历史资料在图2中的油田地图中暗示了出来，从中发现了泥浆漏失与产量历史之间的关系。从中得出，北方的油田有较高概率存在裂缝，但是不能较为系统地将其区域裂缝给推断出来。DH-5井的裂缝解释在DH油田的13口钻达目的层位的井眼之中，我们选择了DH-5井来作进一步的研究，简单的略图如图4所示。以下是选因：1、 该井是一口拥有合理开采效率的成功井2、 可以进行生产压降测试和升压测试以及生产测井测试3、 可以取芯钻井4、 有带有泥浆漏失日常数据的完井历史资料5、 有历史生产数据所有含油层位的泥浆漏失历史记录都做了详尽解释，含有区域的有效厚度大约350米，以每天250桶的平均速度总共造成漏失泥浆2600桶，其中包含15%的固体体积。泥浆的性能概况如表2概括。钻井液的流变性能是非牛顿流体，可以视为宾汉模式。600袋堵漏材料（云母）被泵入了井底以减少泥浆漏失，差异化的，或者日常的漏失，新的漏失速度减去旧的漏失速度，以此来对岩隙进行分析。其数据如图5所示。图中在不同的深度出现了5个漏失峰值，将峰值处假设为描述岩缝的区域。在图中以此将其命名为岩缝1至岩缝5。这里有一种可能就是仅存在一条在连续时间段被连通的裂缝。因此，对裂缝的分析出现了两种观点，第一种认为是仅有一条裂缝，第二种看法是存在5条相互独立的裂缝，井眼在5个不同的时间段穿孔。穿孔的时间间隔说的选择极有可能是由于带有孔隙暗示的岩石物理日志。然而，根据裂缝1处的泥浆漏失情况分析，仅有一个时间间隔的观点被采纳了。生产测井数据显示，所有流体中的95%的都是在这个裂缝产生的。第二个裂缝区域产生了5%的流体，剩下的几个裂缝区域则没有产生任何流体损失。这两条产生流体损失的裂缝间隔为21米。从一个关于温度的调查同样显示出在4040至4070的深度出现了与裂缝1相吻合的异常情况。因此，第一条裂缝的存在从以下几个方面得以验证：1、 生产测井日志2、 钻井液漏失资料3、 温度异常调查4、 井眼测试生产测试是在DH-5井完井之后进行的，它包含3个时段的压降和升压测试。计算结果显示出暗示具有裂缝导流性能的负表皮因子（-3-5），其相应的裂缝渗透率是70到120毫达西。假若钻井液的漏失持续了一个较长的时间段，我们可以将这裂缝连接网视为具有无限导流能力。对于储层的评价和油田的发展来讲，裂缝的渗透性、孔隙度以及裂隙的延伸长度都是最为重要的参数。此外，这些参数对于司钻正确地选择堵漏材料以及设计合理的井身轨道同样是极其重要的。穆什卡特和琼斯已经给出了裂缝渗透率（Kf）和孔隙度（f）相关联的缝隙沿水平线延伸的关系式：Kfp = w3/（24p） （1）f = w/ （2）有鉴于渗透性的共轭断裂模式如下：Kfp = w3/（12c） （3）将有效油层厚度除以裂缝数量便可以得到平均裂缝间距，由于在含油层350米的厚度之间有5条暗示存在的裂缝，那么DH-5的平均裂隙间距就是70米。在储层地质学上是按照页岩层序分层的，主要的产层有100米厚，这第一条裂缝就在这一层，试井操作也是在这一层位完成的。因此，在DH-5井情况下，裂隙间距可以达到是100米。因此，这表明在裂缝的拟表皮因子和裂隙间距之间存在一种与泥浆漏失和堵漏材料无关的关系。这个表皮因子仅与裂缝的自然网络情况有关，并且总为负数：Sf =/2（12rw/）ln（2rw/） （4）当裂隙的间距已知的时候便可以得出裂缝的拟表皮因子，裂隙间距在70到100之间时，其结果拟合于测试结果，获得的拟表皮因子的值介于-4到-5之间。在欠平衡钻井中，绝大多数的裂缝都被泥浆或者堵漏材料固化了，为了使所有的裂缝都产生就需要射穿所有的裂缝间距并个别地改造不同的裂缝系统。结果表明射穿的程度不够以及改造不够理想，是DH油田部分井眼产能较低的主要因素。Dehluran油田的后勤工作：在诸如DH油田等偏远的沙漠地区工作，后勤问题是非常重要的。同样，由于崎岖的地势以及长长的入境道路，同时由于临近伊拉克国界线地区所特有的军事法规的缘故，都使DH油田面临着严峻的挑战。后勤同时与人们所必须的供给以及生产所需的固定设备和物资相关联的。通过日常的钻井报告的停机故障分析表明尽管对于早期井眼来说，井眼状况问题时最主要的问题，然而后勤问题是后期井眼所关心的问题。后勤所涉及的主要对象包括运输问题以及材料的质量、利用率和剩余情况等。图6表示的是DH油田的9口井眼的停机故障分析结果。严重的井眼漏失造成了停机故障，安全用水的供应成为了最为突出的问题，并影响了处理关键性钻井操作的能力。欠平衡井的有效施工：不同油田以及不同的地质构造都需要通过对欠平衡井的可能潜在的施工优势来进行筛选。1、 能够为欠平衡钻井提高显著优势的油气田或者地质构造；衰竭地层，硬岩地层和受损害地层2、 需要纵深评估的油田或构造；低渗透地层，高渗透地层，微裂缝地层以及异常压力地层3、 不推荐使用欠平衡钻井的油气田或构造；高疏松地层以及溶胀性地层在开始钻井操作之前，一下注意事项需要认真解决：1、 井眼垮塌或井径扩大2、 钻井操作安全可靠3、 净现值需要评估欠平衡钻井操作的不同效果来验证其增强作用：1、 与短期短期作用相关的钻进能力与达到的机械钻速2、 与长期生产作用相关的提高的井眼产能在对七个油气田的研究中用欠平衡钻井方式来提高产能的方案已经解决，为了欠平衡钻井技术的应用，我们对这些油气田进行了筛选，并且评估了它们的钻井和生产历史。对裂缝特性以及压力梯度进行了分析，并在图3中加以了概括总结。七个油气田中的三个油气田中有超过了5口井已经钻成了，然而剩下的那部分仍然在探索阶段。表4概述了在七个油气田中关于欠平衡钻井的建议。层流钻井：在裂缝性储层中，由于裂缝较高的导流能力而是储层流体处于非平衡的条件是，储层流体可以很容易地运移。在DH油气田基准深度3900米处观测到的储层压力介于414428巴之间。通常，为了达到欠平衡条件需要使储层压力高于井底压力10%。对于井眼坍塌安全的规范以及表面处理液的规程都需要清楚的定义，油气田的裸眼生产历史显示出岩石通常是稳定的，原油流体的使用是可以接受的，储层评价和岩石相容性两方面方面值得推荐。服务承包商需要慎重地审核表面处理液的使用。欠平衡钻井的裂缝描述：DH油田的研究表明了精确度定位以及纵横交错的裂缝特性描述的重要意义，如果储层区域的生产井段采用射孔完井方式，那么这是特别重要的。当采用流体钻井方法时，当钻遇交错的裂缝地层时，注入的流体量会急速上升。通过检测表面流体的速度来解释裂缝分布情况。这种评价可以通过综合随钻工具的实时数据来达到较为全面的裂缝分布信息。在过平衡钻井中很难探测出微裂缝的泥浆漏失，但是可能在流钻井工艺中发现。完井和增产措施： 被钻井液侵害的裂缝性油藏的后期增产措施是很困难的，在坚硬地层以及暴露较大的储层类型中普遍优先考虑裸眼完井。钻受污染的过平衡裂缝性地层以及裸眼井，采用增产措施是非常困难的。一个有效的治理措施要求精选每一条裂缝的增产措施。为了在裸眼井中执行此操作，需要费时地井陉跨式分隔操作，需要安装衬管并射孔。天然裂缝性储层中，在准确的位置上安装上封隔器是很难实现的。欠平衡井施工将有助于避免储层损害，维持裸眼完井方案的优化。此外，产能诊断在采用欠平衡钻井工艺以及流钻井工艺复合井中较为简单。使用欠平衡钻井技术，不仅可以在钻井过程甚至是完井过程中进行裂缝检测，而且地质工程师也可以做出如何完井的动态决议。 后勤与欠平衡钻井的关系： 正如DH油气田所表明的那样，将由于后勤问题造成的停机故障描述成一项挑战，如果选择了合适的技术，欠平衡钻井可以帮助减少停机故障。例如，采用泡沫钻井液作为钻井流体，就不需要常规的水用量。一个封闭的欠平衡钻井系统可以减少钻井液的浪费并改善环境问题。详细的油田位置需要引起关注，比如欠平衡钻井的设备组件就需要额外的存放空间。然而，在陆地上由于没有了空间的限制，装配一个欠平衡钻井系统就比在海上装配来得更为容易一些。与传统的钻井方式相比，欠平衡钻井操作需要更为仔细的规划。因此，这可以大大地减少停机故障，并提高钻井效率和钻井安全性。如上所述，发生泥浆漏失或井喷的根本原因是未知或不够清楚的裂隙分布以及与其共生的孔隙压力。欠平衡钻井时这样的一种操作，它与井眼水利系统相关联，并且可以用以调节井眼压力以适应孔隙压力。欠平衡钻井的时间与成本：引进欠平衡钻井技术会增加额外的连续钻井服务费用，然而，简单的时间与成本估算也可以说明其潜在的除了改善井眼效能以外的成本的节约。表5分析比较了采用常规钻井方法估算的钻井天数和DH油气田采用的欠平衡钻井技术所用的天数。表6则比较了同一口井采用不同钻井方式的总的成本。然后计算出采用欠平衡钻井技术的油井渗流速度达到了常规钻井技术的两倍以上。此外，假定欠平衡钻井额外的日常价格可以与一个钻机费用25000美元的价格相比。在储层井段没有增产措施的情况下，在钻井和起下钻方面节约的时间总共是12个钻机天数，它的总的花费几乎等于常规的钻井方式。假若在生产时期欠平衡钻井的大部分优点都满足了，一个关于欠平衡钻井的合理的净现值计算则应当作为该井的终身计算。总结：在评价裂缝性碳酸盐岩储层中油井产量的改善问题上，伊朗已经将欠平衡钻井技术视为了一项富有发展前景的钻井工具，并发现其意义与如下主要因素有关：1、 改进裂缝网络的鉴定和描述2、 提高油井产能，避免缝隙污染3、 避免浪费时间和危险的增产操作4、 优化油井布置和完井应急方案5、 较少的钻井所需水供应并减少后勤对于泥浆材料的依赖6、 更快的钻井速度 可能需要一套油井的辅助方案来调整其伴生的动态花费。鸣谢： 作者希望感谢伊朗中部油田公司以及SINTEF石油研究工作组支持其工作的支持并同意其发表该文章。符号说明：w = 裂缝开度，m= 裂隙间距，mrw = 井筒半径，mSf = 孔隙拟表皮因子，无量纲Kf = 裂缝渗透率，mDf = 裂缝孔隙度，%下标：P 表示平行关系C 表示共轭关系参考文献：1. McLennan, J.: “Underbalanced Drilling Manual”, Chicago, Ill.: Gas Research Institute, GRI reference:GRI-97/0236, 1997. 2. Mathes, R.A. and Jack, L.J.: Successful Drilling of an Underbalance d, Dual-Lateral Horizontal well in the Sajaa Field, Sharjah, UAE, paper SPE 57569 presented at the 1999 SPE/IADC Middle East Drilling Technology Conference, Abu Dhabi, Nov. 8 10. 3. Luo, S., Hong, R., Meng, Y., Zhang, L., Li, Y. and Qin, C.: Underbalanced Drilling in High-Loss Formation achieved Great Success a Field Case Study”, paper SPE 59260 presented at the 2000 IADC/SPE Drilling Conference, New Orleans, Feb.23 25. 4. Dyke, C.G., Wu, B. and Milton-Tayler, D.: Advances in Characterizing Natural Fracture Permeability from Mud Log Data, paper SPE 25022 presented at the European Petroleum Conference 1992, Cannes, Nov. 16 18. 5. Jamshidnezhad, M.: “Horizontal Drilling Proves Non- Specific Application in Iranian Carbonate Reservoirs” Oil and Gas Journal, (Dec 2002) 43. 6. Beda, G. and Carugo, C.: Use of Mud Microloss Analysis While Drilling to Improve the Formation Evaluation in Fractured Reservoir, paper SPE 71737 presented at the 2001 SPE Annual Technical Conference and Exhib