九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速的可行性分析

潘登 邢景寶 林然 李順

1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2.西南石油大學(xué)

九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速的可行性分析

潘登1邢景寶2林然2李順2

1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2.西南石油大學(xué)

氣體鉆井技術(shù)在四川盆地九龍山構(gòu)造提高機(jī)械鉆速方面發(fā)揮了巨大作用,但在侏羅系沙溪廟組沙二段底部出現(xiàn)井壁坍塌,轉(zhuǎn)換成常規(guī)鉆井后鉆速較慢。為了提高該井段的機(jī)械鉆速,從巖石可鉆性與井壁穩(wěn)定兩方面進(jìn)行了欠平衡鉆井的可行性分析,結(jié)果表明:沙溪廟組沙一段與千佛巖組層段設(shè)計(jì)的欠平衡鉆井液密度應(yīng)控制在1.10～1.25 g/ cm3,才能確保欠平衡工況下井壁穩(wěn)定;欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井相比,其巖石可鉆性系數(shù)更低,有利于明顯地提高機(jī)械鉆速;沙一段至珍珠沖組上部巖石井壁穩(wěn)定,適宜開展欠平衡鉆井提速試驗(yàn);對(duì)存在大量礫石層的珍珠沖組下部,欠平衡鉆井提速效果不明顯,可采用其他鉆井措施提高機(jī)械鉆速。龍110井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,沙一段至馬鞍山組層段開展欠平衡鉆井,能有效地提高機(jī)械鉆速,且與鄰井龍104井的常規(guī)鉆井相比,最高可達(dá)206%。所提出的欠平衡鉆井提速模式,為廣泛開展九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速提供了經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

九龍山構(gòu)造 氣體鉆井 侏羅紀(jì) 欠平衡鉆井 機(jī)械鉆速 可行性研究 四川盆地

四川盆地九龍山構(gòu)造是中國(guó)石油未來開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)塊,蘊(yùn)含豐富的天然氣資源,目前已進(jìn)入開發(fā)階段。在中國(guó)石油開展提速的大環(huán)境下,九龍山構(gòu)造鉆井提速勢(shì)在必行。目前,九龍山構(gòu)造應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)井次較多,但機(jī)械鉆速較慢,若要進(jìn)一步改善鉆井速度,提高勘探開發(fā)效率,則需要一項(xiàng)新的鉆井技術(shù)來達(dá)到提速的目的。與常規(guī)鉆井技術(shù)相比,欠平衡鉆井能夠減小“壓持效應(yīng)”,有效地提高鉆頭的破巖效率[1-2]。因此,欠平衡鉆井技術(shù)可作為九龍山構(gòu)造提高機(jī)械鉆速的一種重要手段。要在九龍山構(gòu)造成功開展欠平衡鉆井,且達(dá)到安全快速鉆進(jìn)的目的,則須研究欠平衡鉆井期間的鉆井液安全密度窗口及預(yù)期達(dá)到機(jī)械鉆速。因此,本文立足于測(cè)井、錄井及鉆井資料,重點(diǎn)分析不同層位的欠平衡鉆井時(shí)的巖石可鉆性系數(shù),探討欠平衡鉆井提速的可行性,同時(shí),對(duì)這些層位進(jìn)行井壁穩(wěn)定計(jì)算,確定合理的鉆井液密度,防止井壁出現(xiàn)坍塌,最后通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,提出了一套九龍山欠平衡鉆井提速模式。本研究為廣泛開展九龍山欠平衡提速可提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

1 地質(zhì)特性及鉆井概況

九龍山構(gòu)造區(qū)域?qū)儆诖ū臂晗輲е袎巍⒕琵埳奖睎|向構(gòu)造群,米倉山山前帶南部。西北緊鄰龍門山推覆構(gòu)造帶,北部為米倉山臺(tái)緣隆起,東南與川中隆起帶相鄰。地層分層數(shù)據(jù)見表1。地層分層的數(shù)據(jù)表明,在千佛巖組與自流井組存在堅(jiān)硬的礫巖層,其礫巖成分有石英、燧石和黃鐵礦等,研磨性強(qiáng),可鉆性極差,將導(dǎo)致機(jī)械鉆速急劇降低,以龍17井為例,在千佛巖組2 932～3 036 m井段,進(jìn)尺共104 m,消耗鉆頭11只,平均單只鉆頭進(jìn)尺僅為9.5 m,平均機(jī)械鉆速為0.85 m/h。多個(gè)區(qū)塊的鉆井實(shí)踐表明[3-6],與其他鉆井技術(shù)相比,氣體鉆井的提速效果異常明顯。因此,九龍山構(gòu)造開發(fā)前期,在沙溪廟組廣泛開展氣體鉆井技術(shù),但是氣體鉆井雖然機(jī)械鉆速加快,但多口井卻出現(xiàn)井壁坍塌,使井況更加復(fù)雜(表2),且由氣體鉆井轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井后,下部地層的機(jī)械鉆速降低明顯。若要在下部地層繼續(xù)安全快速鉆進(jìn),液體欠平衡鉆井可作為一種重要手段。

表1 地層分層數(shù)據(jù)表 m

2 欠平衡與常規(guī)鉆井的巖石可鉆性對(duì)比

巖石的可鉆性反映了鉆頭破碎巖石的難易程度,且無論采用哪種鉆井技術(shù),巖石的可鉆性都是影響機(jī)械鉆速的關(guān)鍵因素。對(duì)九龍山構(gòu)造而言,不同井段的巖石可鉆性分析對(duì)有效地提高機(jī)械鉆速至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外研究表明[7],巖石的可鉆性不僅與鉆頭類型、巖石性質(zhì)等相關(guān),還與圍壓有一定的關(guān)系。欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井的巖石可鉆性的差異就在于圍壓不同。至今,國(guó)內(nèi)外預(yù)測(cè)巖石可鉆性的較成熟的方法有幾十種,其中,利用測(cè)井、錄井資料預(yù)測(cè)已成為分析特定的油氣田及地質(zhì)條件下巖石可鉆性的一種有效方法[5-7]。因此,本文利用這種預(yù)測(cè)方法對(duì)九龍山構(gòu)造多個(gè)層位進(jìn)行欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井巖石的可鉆性進(jìn)行計(jì)算,并建立相應(yīng)的巖石可鉆性曲線(圖1),計(jì)算方法見本文參考文獻(xiàn)[8],以此探討不同層位欠平衡鉆井能否達(dá)到提速的目的。

根據(jù)地層分層顯示,不同層位的巖石性質(zhì)差異較大,巖石的可鉆性影響也較大。以龍102井為例,在沙一段,地層壓力系數(shù)為1.20～1.30,巖石主要是棕紅、暗紫色砂質(zhì)泥巖與淺灰、灰綠色細(xì)、中粒長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖互層,中部夾三層薄層藍(lán)灰色石灰?guī)r。在千佛巖組,地層壓力系數(shù)與沙一段一致,巖石主要是綠灰色含長(zhǎng)石石英砂巖、石英砂巖、綠灰或紫紅色砂巖、泥巖韻律互層。巖石可鉆性系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2。在珍珠沖組底部,地層壓力系數(shù)為1.50～1.65,且存在大量的礫石層,巖石的可鉆性系數(shù)與上部巖層存在不同,欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井的巖石可鉆性系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖2 千佛巖組欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井巖石可鉆性對(duì)比圖

圖3 珍珠沖組欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井巖石可鉆性對(duì)比圖

圖1表明,在常規(guī)鉆井下,鉆井液密度為1.40 g/ cm3,巖石的可鉆性系數(shù)為3.96～4.1;在欠平衡鉆井下,鉆井液密度為1.10 g/cm3,巖石的可鉆性系數(shù)為3.71～3.86。常規(guī)鉆井與欠平衡鉆井的巖石可鉆性系數(shù)相比,兩者差值范圍為0.25左右。圖2表明,隨著井深的增加,巖石的抗壓強(qiáng)度增大,巖石的可鉆性系數(shù)也相應(yīng)增大,但欠平衡鉆井的巖石可鉆性仍低于常規(guī)鉆井。圖3表明,常規(guī)鉆井下,礫石層的可鉆性系數(shù)為8.2,即使采用欠平衡鉆井,巖石的可鉆性系數(shù)也較高,達(dá)到7.6。

龍102井的巖石可鉆性系數(shù)剖面計(jì)算表明,在沙一段至珍珠沖組上部,無論常規(guī)鉆井還是欠平衡鉆井,其巖石可鉆性系數(shù)不高,采用牙輪鉆頭都能有效地破碎巖石,但欠平衡鉆井的巖石可鉆性系數(shù)比常規(guī)鉆井低2個(gè)百分點(diǎn),合理設(shè)計(jì)鉆井參數(shù)仍能有效地提高機(jī)械鉆速;但是在珍珠沖組底部,欠平衡鉆井的巖石可鉆性系數(shù)為7.6,牙輪鉆頭破碎巖石的難度增大,說明即使圍壓降低不明顯,也難以提高鉆頭破碎巖石的力度。因此,要在珍珠沖組底部提高機(jī)械鉆速,則有必要采用其他鉆井措施,如氣體鉆井技術(shù)或高效提速工具。

3 欠平衡鉆井的可行性分析

要在九龍山構(gòu)造安全開展欠平衡鉆井,前提是必須滿足井壁穩(wěn)定條件。測(cè)井資料表明,沙一段至珍珠沖組井段多含有泥巖段。因此,有必要采用泥頁巖水化模型分析坍塌壓力剖面。為此,本文利用測(cè)井資料,采用加拿大STAB_WELL欠平衡鉆井井壁穩(wěn)定分析軟件對(duì)不同層位進(jìn)行井壁穩(wěn)定計(jì)算。圖4是沙一段的3種壓力剖面。從圖4中可以看出,該段破裂壓力高,孔隙壓力梯度為1.254 g/cm3,最高坍塌壓力梯度為1.094 g/cm3,欠平衡設(shè)計(jì)的鉆井液密度必須要高于最低坍塌壓力梯度,設(shè)計(jì)的范圍為1.10～1.25 g/cm3。圖5是千佛巖組層段的3種壓力剖面,計(jì)算結(jié)果表明,該段最高坍塌壓力梯度為1.10 g/cm3,欠平衡設(shè)計(jì)的鉆井液密度必須高于最低坍塌壓力梯度,設(shè)計(jì)的范圍為1.10～1.25 g/cm3。

圖4 沙一段的3種壓力剖面圖

圖5 千佛巖組層段的3種壓力剖面圖

從沙一段與千佛巖組層段的井壁穩(wěn)定計(jì)算可以看出,只要鉆井液密度設(shè)計(jì)合理,可確保欠平衡鉆井的井壁穩(wěn)定安全,同時(shí),也證明在九龍山構(gòu)造開展液體欠平衡鉆井技術(shù)在理論上是完全可行的。

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步說明欠平衡鉆井的提速效果,將欠平衡鉆井與鄰井常規(guī)鉆井的機(jī)械鉆速進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表3。

表3 欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速對(duì)比表

從表3可以看出,在沙一段至馬鞍山組層段,與常規(guī)鉆井技術(shù)相比,欠平衡鉆井能夠明顯提高機(jī)械鉆速,其中,與龍104井對(duì)比,最高可達(dá)206%。

通過以上的分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和效果對(duì)比,可建立一套九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速模式,即沙一段至珍珠沖組上部,設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.10～1.25 g/cm3,井壁穩(wěn)定,且?guī)r石可鉆性系數(shù)不高,適宜開展欠平衡鉆井提速,對(duì)存在大量礫石層的珍珠沖組下部井段,可采用其他鉆井措施提高機(jī)械鉆速。

5 結(jié)論

1)沙一段與千佛巖組層段的最高坍塌壓力梯度都處于1.10 g/cm3附近,地層孔隙壓力為1.254 g/cm3。因此,設(shè)計(jì)的欠平衡鉆井液密度應(yīng)控制為1.10～1.25 g/ cm3,才能確保欠平衡工況下井壁穩(wěn)定。

2)欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井相比,其巖石可鉆性系數(shù)更低,有利于明顯提高機(jī)械鉆速;沙一段至珍珠沖組上部巖石可鉆性系數(shù)在4.0附近,適宜開展欠平衡鉆井提速;對(duì)存在大量礫石層的珍珠沖組下部,無論欠平衡鉆井還是常規(guī)鉆井,巖石可鉆性都較高,且分布在7.5附近,欠平衡鉆井提速效果不明顯,可采用其他鉆井措施提高機(jī)械鉆速。

3)龍110井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,沙一段至馬鞍山組層段開展欠平衡鉆井,能有效地提高機(jī)械鉆速,且與鄰井龍104井的常規(guī)鉆井相比,最高可達(dá)206%。

4)提出的欠平衡鉆井提速模式,為廣泛開展九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

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A feasibility study of using UBD to improve the ROPat the Jiulongshan Structure,Sichuan Basin

Pan Deng2,Xing Jingbao2
(1.D rilling&Production Engineering Technology Research Institute,Chuanqing D rilling Engineering Co., L td.,CN PC,Guanghan,Sichuan 618300,China;2.Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.53-55,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Gas drilling technology has p layed an impo rtant role in the enhancement of ROP at the Jiulongshan Structure in the Sichuan Basin.Since well caving-in was encountered at the bottom of the second member of the Shaximiao Formation,the gas drilling has been converted into conventional drilling,so the ROP has become rather slow.Therefo re,a feasibility study of adop ting underbalanced drilling to imp rove the lowered ROP there is conducted from two aspects of rock drillability and wellbo re stability.The results show that only if the UBD drilling fluid is controlled to be 1.10 - 1.25 g/cm3w hen drilling through Sha 1 and Qianfoyan formations, the wellbo re can be kep t stable during the UBD.Compared w ith conventional drilling,the UBD can imp rove the ROP remarkably w ith the rock drillability coefficient much lower.For the formations between Sha 1 and upper Zhenzhuchong,w here it is the least possibility fo r theoccurrenceof well caving,the UBD can be used to imp rove the ROP.While fo r the lower Zhenzhuchong fo rmation w ith a large amount of gravels,no obvious good results can be achieved by useof the UBD technology,so other drilling technologies w ill have to be adop ted instead to imp rove the ROP.The drilling experienceon thewell Long 110 show s that the UBD haseffectively imp roved the ROPw hen drilling from Sha 1 to Ma’anshan fo rmations by up to 206%atmost in comparison w ith the offsetwell Long 104 by use of conventional drilling technologies.This study w ill be a valuable experience fo r the ROP imp rovement by UBD at the Jiulongshan Structure.

Jiulongshan Structure,gas drilling,UBD,ROP,feasibility study,Sichuan Basin

潘登等.九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速的可行性分析.天然氣工業(yè),2010,30(10):53-55.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.013

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科技基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目“氣體/欠平衡鉆井新技術(shù)研究”(編號(hào):2008A-2302)的研究成果。

潘登,1979年生,工程師,碩士;2001年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè);從事欠平衡鉆井的設(shè)計(jì)和科研工作。地址:(618000)四川省廣漢市中山大道南二段。電話:13668309661。E-mail:cffcpd@gmail.com

2010-07-27 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.013

Pan Deng,engineer,born in 1979,graduated inmechanical design and manufacture from China University of Petroleum in 2001.He is now engaged in UBD design and research.

Add:South Sec.2,Zhongshan Rd.,Guanghan,Sichuan 618300,P.R.China

Mobile:+86-13668309661 E-mail:cffcpd@gmail.com