长庆气体钻井技术研究与实践.doc

气体钻井技术研究与实践长庆石油勘探局苏里格气田探明储量达6000亿方，是我国西气东输的重要气源之一，勘探面积2万平方公里，但如何高效开发，面临着两大技术问题，一个是如何提高机械钻速，缩短钻井周期；第二个是打开储层后，如何最大限度的保护储层。长庆石油勘探局从1999年开始进行以天然气为循环介质打开储层的钻井技术研究，通过对地层出水预测、地层稳定性、最佳注气参数等几方面的研究，取得了初步成果，并在陕242、苏35-18井和苏39-14-1井、苏39-14-4井进行了试验，试验数据表明：机械钻速大幅度提高，苏35-18井的钻速达到18m/h，是临井的9倍多，苏39-14-4井的天然气钻进井段为1092m，是迄今为止天然气钻进井段最长的。通过研究与试验，初步形成了地层出水、稳定性评价、井眼净化技术以及天然气钻井HSE文件。 针对苏里格气田的储层特征，为了最大限度的保护储层不受外来水的污染，长庆石油勘探局于1999年提出以天然气作为循环介质打开储层，并分别于2000年、2002年在陕242井、苏35-18井上进行了试验；2003年以提高机械钻速、缩短钻井周期为目的，在苏39-14-1和苏39-14-4井进行了全井段天然气钻进试验，几项研究与试验均取得了明显的效果。9一、苏里格气田的储层特征分析1.储层特征 苏里格气田的主力气藏是上石盒子组盒8，岩性主要是含砾砂岩、石英砂岩及岩屑砂岩，分布着微细裂缝，微裂缝的密度为0.20.3条/米；储层空隙中粘土矿物，含量在15%30%左右，孔隙内自生的粘土矿物主要以伊利石、高岭石为主，少量的绿泥石混层；储层的束缚水饱和度为70%90%。2.苏里格气田属于典型的“四低”气田苏里格气田属于典型的“四低”气田：压力系数低，仅为0.85左右；平均渗透率低（0.3210-3m 2）；丰度低；产量低，截至2002年12月，75口井试气产量中，日产大于10万方的井占17.3%，日产410万方的井占36%，日产24万方的井占18.7%，日产小于2万方的井占28%。3.储层敏感性伤害的室内评价 通过对其酸敏、速敏、盐敏、水敏以及水锁进行评价，评价结果是：该地区具有强水锁、中偏弱速敏、弱水敏、无酸敏特征。岩心实验证明：储层遇水后，使得气相渗透率急剧下降，当含水饱和度超过60%时，天然气的渗透率降到原来的1/61/8，甚至为0，且很难恢复。从苏里格气田的储层特性分析可以看出，水对储层有一定的伤害，尤其是渗透率相对较好的储层。对此，1999年提出用天然气作循环介质进行保护气层钻进，而且，气体钻井可以大幅度提高机械钻速，缩短建井周期。二、苏里格气田目前的钻井现状针对储层特点，苏里格地区研究应用了水平井钻井技术、油溶屏蔽暂堵技术，CO2泡沫压裂、简化井身结构等多项技术。2002年苏里格气田平均建井周期45 天左右，平均机械钻速7.7 m/h，平均井深为33803400m。 表1是延长组上下地层纯钻时间的统计表，由表中可见，延长组以下地层的纯钻时间在全井纯钻时间中占70%左右,延长组以下地层的机械钻速大大低于上部的。表1 延长组上下地层纯钻时间井 号总纯钻时间（h） 第四系-延长组纯钻时间/h 纸坊组-石盒子组纯钻时间（h）井段（m）纯钻时( h)占百分(%)井段（m）纯钻时(h)占百分( %)苏38-16-2495.10-2165.1161.3932.592165.1-3445.2333.7167.41苏38-16-3478.430-2169.5142.3529.752169.5-3419.2336.0870.25苏40-16534.460-2169.5153.5228.722169.5-3291.1380.9471.28三、气体欠钻井技术研究1.地层稳定性的评价(1)地应力与井壁稳定分析 地应力是产生井壁不稳定的主要力源，地层受3个方向的地应力，即垂直应力v、最大水平应力H、最小水平应力h，这3个地应力是不均衡的，由此造成了井壁的不稳定， 最终导致井壁坍塌。(2)井壁坍塌压力梯度模式 坍塌压力是指井壁不产生崩落破坏或塑性缩径所需的井内液柱压力。井壁的坍塌崩落主要有两个方面，一是井壁上的剪切应力太大而发生剪切破坏，另一个原因是泥浆压力小于低渗地层的孔隙压力所致。井壁剪切坍塌压力的当量泥浆密度可表达为 rb=h（2H -h）-2K+aPp（K2-1）100/H（K2+h） （1）其中 K=ctg（p/4-j/2）j=alogM+(M2+1)0.5+b M= a1- b1C 式中：rb当量泥浆密度，g/cm3 C岩石的内聚力，Mpa H井深，m h非线性修正系数j岩石的内摩擦角 r岩石密度,g/cm3vd岩石的动态泊桑比 vp岩石的纵波速度,m/s A，a，b，a1，b1均为与岩性有关的常数，由试验确定。地层水平地应力和地层孔隙压力对地层产生剪切破坏应力，如果岩石的内聚力较小，不足以抗衡这个剪应力时，井壁就会发生崩塌。图1是苏39-17井计算结果。图1 苏39-17井计算结果从图1可见，用天然气钻进时全井处于稳定状态，但在3220m左右时安全余量较小。2.地层出水量和气体携水能力研究(1)地层出水量的计算： 根据不同井深的孔隙度、渗透率、地层压力、密度以及地层流体的性质，计算出水量大小。经计算苏39-14-1井延长组的出水量达到33.8m3/h，即805 m3/d。 (2)气体携水能力研究：纯气体有效携水的流态是环雾流，其沉降末速度为8m/s。当注气量很大时，气体上移,水被气体继续分割，即可带出,当注气量小时，液体会发生聚并,聚并大于分散，形成积液（块状搅动流），这为携水极限。 3.钻头选型气体钻井必须考虑钻头的冷却问题，一般通过气体流动的热交换来实现。理论计算表明，当钻压为80kN，转速5060rpm时，152.4mm钻头工作一分钟产生的热量可使40 m3/min流动气体温度升高近30。对于牙轮钻头在低钻压、低转速下，不存在冷却不良问题，通过计算，在50 m3/min的注气量下，152.4或155.6mm牙轮钻头不装喷嘴，井深3400m时，钻头上游温度为116，下游温度115。4.井眼净化的试验分析(1)钻杆内压力随井深增加、气体受压压力随之增加；环空内气体在上返过程中不断膨胀，压力随之减小。(2)气体在井底上返速度最低，岩屑运移速度也最低，气体在上返过程中不断膨胀，返速也不断增大，岩屑运移速度也不断增大，到达井口二者均增至最大。(3)井底处岩屑浓度较高，是井眼净化的重点区域，故必须有足够大的传输比，较小的岩屑浓度，一般认为井眼良好净化的标准是：岩屑传输比大于70-80%，环空岩屑浓度小于3。(4)如果岩屑在地层水的作用下粘结，则岩屑团粒尺寸加大，岩屑滑沉速度增大，传输比降低，携岩能力就会变差。井眼净化指标随岩屑团粒尺寸加大变坏的情况见图2和图3。井深*100m岩屑团直径mm传输比%井深m岩屑滑沉速度m/s岩屑团直径mm图2 岩屑粘结对滑沉速度的影响 图3 岩屑粘结对传输比的影响 四、长庆天然气欠平衡钻井现场试验1.气体钻井概况(1)四口天然气钻井概况2000年在陕242井首次进行了以保护储层为目的的天然气欠平衡钻井现场施工，钻进井段30333190m，进尺157m，纯钻时13:22，钻进地层岩性以砂岩为主（有泥岩夹层），平均机械钻速11.77m/h。 2002年在苏35-18井又一次进行以保护储层为目的的天然气欠平衡钻井施工，钻进井段32303335m，进尺105m，纯钻时5:50，钻进地层岩性以砂岩为主（有泥岩夹层），平均机械钻速18m/h。 2003年8月12日21日在苏39-14-4井又一次 图4 4口天然气钻井井身结构进行了小井眼天然气欠平衡钻井现场试验，试验井段2170m3261.91，进尺1091.91m，纯钻时90.83h，平均机械钻速11.64m/h。2003年8月12日21日在苏39-14-4井进行了小井眼天然气欠平衡钻井现场试验，试验井段2170m3261.91，进尺1091.91m，纯钻时93.5h，机械钻速11.64m/h。(2)两口空气钻井概况2004年9月10日9月14日在苏里格气田的苏33-8井进行空气钻井试验。空气试验井段2206.82938.42m，进尺731.62m，平均机械钻速8.59m/h，是邻井苏16井、苏13井同井段泥浆钻井的3倍左右。2004年10月21日28日在苏38-19井进行了空气钻 图5 2口空气钻井井身结构井现场试验，试验井段21153241m，进尺1126m，平均机械钻速9.67m，是邻井苏38-16-3井、苏38-16-2井、苏40-16井、苏38-16-4井同井段泥浆钻井的2.53倍。 F178套管下至延组组底界2170mF 155.6钻头F 101.6套管(国产)2.气体钻井井口装置 在陕242和苏35-18天然气欠平衡钻井上，使用的井口装置是：旋转防喷器+万能防喷器+双闸板防喷器+单闸板防喷器组合。在苏39-14-1和苏39-14-4小井眼全井段天然气钻井上，为降低成本，缩短安装时间，简化了井口装置， 其配置是：旋转防喷器+万能防喷器+双闸板防喷器。在苏33-8井、苏38-19井空气钻井进一步简化了井口装置，使用的井口装置是：旋转防喷器+双闸板防喷器组合。3.气体欠平衡钻井的钻速对比及分析从6口试验井来看，气体钻进速度明显高于泥浆的。统计数据表明，陕242井、苏35-18井天然气钻进的机械钻速与邻井同层81/2井眼泥浆钻进相比，分别提高9.2倍和9.4倍,苏39-14-1井天然气钻进段比同井不同层位的泥浆钻进段的钻速提高7.8倍，是邻井同层位泥浆钻井的23倍；苏39-14-4、苏33-8、苏38-19井气体钻进井段机械钻速是邻井同地层泥浆钻井的3倍左右。4.钻头使用情况及分析(1)陕242、苏35-18两口天然气钻井使用的钻头均完好无损，且新度为80%左右。(2)苏39-14-1井上使用了2只STX-20DX进口钻头，第一只钻头起出后属早期损坏，钻头直径减少9mm，轴承蹩死，3个巴掌轴心变形。第2只钻头起出后，一个牙轮矿动。分析认为， 由于地层出水量大 ，供气能量不足，钻头在不能及时冷却的情况下钻进，导致轴承被烧死，在牙轮不能转动的情况下继续钻进，致使加速磨损，最终严重失效。 (3)苏39-14-4井使用了1只XL-40A617气体钻井专用钻头（进口钻头），起出钻头上沾有泥，但无泥包；3#牙轮卡死，1#牙轮旷动，钻头牙齿高度磨损1/3。 (4)苏38-19使用了1只XL-40A617气体钻井专用钻头，起出钻头未泥包，钻头轴承转动灵活，压齿磨损约15属正常磨损，3号牙轮掉齿1颗，外径磨小2毫米（156154毫米），巴掌油杯位置磨损严重，其中一个油杯卡簧磨断。钻头总纯钻时间130:00：其中钻水泥塞纯钻进时间13:00（钻水泥塞65米）。5.苏39-14-1井地层出水及地层稳定情况(1)地层出水情况 井深13091388 m，注气压力34 MPa，钻至1388 m时地层开始出水，约有15 m3/h；钻至1788 m时出水量再次增加，达到20 m3/h；到2079 m时，地层出水急剧增加，达60 m3/h以上。从20792092.7m,即2003年6月2日20:05到6月3日0:45压力变化见图5, 其注气压力几乎等于气源井的关井压力,不能建立正常循环。H 图5 苏39-14-1井注气压力曲线(20792092.7m)(2)地层坍塌 根据计算和陕242井、苏35-18井的现场情况来看，当地层出水量很小或不出水时，井眼不会垮塌，但如果出水量较大时，会引起水敏性泥页岩的垮塌。用延长组的水和掉块做实验，结果表明：岩石膨胀性：24 h膨胀率为32.24%，粘土总含量达到56.1%，表现出较强的膨胀性。分散性：用相同的条件下测定16 h热滚回收率进行比较，延长组有5个层容易进行水化分散，热滚回收率较低（60%左右）。微裂缝：延长组微裂缝比较发育，晶间微裂缝相连通，地层的静水孔隙压力梯度为正常，没有出现异常情况，压力梯度为0.8348 MPa/10m。6.苏39-14-4井地层出水及地层稳定情况(1)纸坊组软泥岩水化 纸坊组软泥岩见水后极易水化成泥团 ，粘在井壁、钻具、钻头上堵塞环空。苏 39-14-4井钻进21702431m时，由于纸坊组软泥岩水化造成泥报包钻头及钻具，由于气量不足，使得环空中的泥饼环越聚越厚，最终堵塞环空不得不起钻。 (2)井壁坍塌 在井段27733050m和30503262m，井壁有坍塌现象，并发生多次遇阻卡，仅32403262m井段卡钻达13次。石千峰组、石盒子组地层井壁坍塌的主要原因是地层中存在裂缝（从测井资料中定性分析结果），加剧了地层的不稳定。(3)对于井壁坍塌的处理措施出水量小于20m3/h，采用间断高压气井+加雾化液（每次0.4 m3左右）替水方法解决。纸坊组软泥岩遇微量水就能水化成稀泥，打雾化液会加剧其水化，只有加大注气量（100m3/min）可以解决。石千峰组：泥岩占绝大多数，有少量坍塌，容易克服，加大注气量便可解决，注气压力大于5MPa。石盒子组：砂泥岩互层，由于存在裂缝的发育，使得井壁力学不稳定，如苏39-14-4井盒6层。如果裂缝不发育加大注气量可以解决，如果裂缝的发育，井壁坍塌严重转换为泥浆钻井。 7.苏33-8井空气钻井地层出水情况该井设计试验井段2206.83467m，二开排屑口一直有水和岩屑团返出，钻进到井深2868 2877m，注气压力由4.5升高到5.5MPa，注泡沫液400L扫井，同时划眼，注气压力下降恢复正常继续钻进；钻进到井深2938.42m时，注气压力上升到5.86MPa，注泡沫液300L，泡沫返出后，注气压力上升到8MPa，继续注泡沫约6m3（中途一套机组因故障维修），泡沫返出后注气压力继续上升到12MPa，故停止注气转换泥浆循环，在泥浆循环过程中发生卡钻，计算卡点在套管脚处，因此，终止空气钻井。8.苏38-19井空气钻井地层出水情况21152775.6m井段（纸坊组石千峰组上部）正常钻进，排屑口排出干岩屑粉，注气压力3.533.71MPa， 钻进2775.62804.4m井段时（石千峰组上部），钻时明显加快，排屑口返出气量小、岩屑少，岩屑粉变潮，注气压力很快由3.71MPa上升到4MPa； 在钻进28623241m井段过程中，虽然地层出水，但基本没有形成泥团，排出口返出的都是稀泥，有时排出口没有水和岩屑返出，只有少量气返出，因此，根据注气压力变化每钻进2 3个单根注泡沫液100200L扫井。五、几点认识1、气体钻井能大幅度提高机械钻速，缩短钻井周期，是毋庸质疑的，特别是对高效开发苏里格这样的“四低”气田，有非常重要的意义。2、地层出水的处理地层出水时，无论是雾化还是泡沫，一定要保证井内