關于優化欠平衡鉆井壓差降低地層傷害的準則

摘要：本文主要研究的內容，建立優化欠平衡鉆井壓差選擇標準。考慮了井眼穩定性，地層流體侵入量和由毛細管壓力水吸收引起的地層傷害。最新量化的是在分析水滲入到親水儲層中基礎上。分析表明的結果，由于從井眼吸入的流體導致的地層傷害，存在一個合理的欠平衡鉆井壓差，這是非常重要的。這個關鍵的欠平衡壓差值，可以利用毛細管壓力曲線估算。本文將說明計算欠平衡壓差的程序。這些研究的結果，可以為石油工程師的選擇最優的欠平衡鉆井壓差設計提供指導。

關鍵詞：欠平衡壓差 地層傷害 井眼壓力

1 介紹

欠平衡鉆井被定義為在鉆井作業中，有目的的維持井眼壓力低于地層空隙壓力。欠平衡鉆井的優點包括減少地層傷害，降低循環漏失和提高機械鉆速。減少地層傷害歸功于在鉆井過程中儲層壓力和井眼壓力之間的欠平衡壓差。這個壓差可以減少流體滲透到儲層當中。認為壓差越高，越可以減少地層傷害，因此具有很高的產量。然而，壓差也可以反映出鉆井的某些復雜情況，像井眼坍塌和地層流體侵入。在選擇優化壓差方面，要有一個理想的標準，使之達到減少地層傷害和降低鉆井事故之間的平衡。

欠平衡鉆井的實施通常使用輕的鉆井液，例如油、泡沫和充氣。鉆井液的選擇主要取決于所計算的欠平衡壓差，設計的壓差主要考慮以下情況：①應具有足夠低的壓差保證整個裸眼部分在鉆進中不坍塌。②應具有足夠低的壓差保證分離器和存儲設備能夠處理地層流體侵入量和全部流體的體積。③由于流體滲入油層而造成損害，則需要足夠的壓差才能抵制所產生的毛細管壓力。

在一些文獻中可行的井眼坍塌的分析方法。GUO提出了一種結構流體和氣體注入量窗口以便在欠平衡鉆井中井眼壓力保持在過平衡和井眼坍塌的安全范圍。Garham 和Culen 分析了在欠平衡鉆進中從氣藏流入到井眼中的氣體侵入。他們提出了一種預測氣體產出率，篩選設備和控制井底壓力的方法，目的是控制井眼穩定和地層傷害。假設在井眼中是單相的氣體流動。Ronmetveit等人，在他們預測欠平衡鉆井地層油侵入的動態模型中，將井眼中看成是多相流。 Mykytiw等人，在欠平衡鉆井穩定流動儲層的設計模型中應用了多相流模型。Friedel和Voigt開發了數值儲層模擬來研究欠平衡鉆井中氣體流入和欠平衡鉆井中考慮非達西流動效應的生產井產量的影響。Haghshenas分析了鉆井參數和地層油流入量的儲層特性，欠平衡鉆井中總的流體流入量的影響。他使用了徑向和球形瞬態的流動模型來估計鉆進中流動模型。優選欠平衡壓差在地層傷害和鉆井問題之間的平衡沒有展開研究。這些研究將是上述問題（This study addresses the Aforementioned issue）

2 壓差標準

對于一個親水的儲層，在沙層表面的毛細管壓力會導致鉆井液中的水滲入到儲層中，這些水的吸入會增加儲層中水的飽和度，降低碳氫化合物滲透的影響，這就被稱為滲透感應性地層傷害。如圖1所示典型砂巖毛細管吸收壓力曲線。當鉆到巖石A點時，砂巖存在一個瞬時的水飽和。在起初的條件下毛細管壓力是最高的，將會發生快速滲透到巖石中的可能。然而，在巖石中的水飽和將會增加，毛細管壓力降迅速變化（點B）。在B點處的水侵，可能不是滲透到油層最重要的傷害原因，因為水只是占據狹窄的巖石孔隙空間（corners）。隨著不斷的滲透，水降占據所有的小孔隙空間，并且開始占據比較大的孔隙空間（點C）。點C應該被看作為一個關鍵的點，因為由水侵而導致的重要的地層損害將發生在這點之前。在C點的毛細管壓力被稱為關鍵毛細管壓力。這個關鍵的毛細管壓力應該被阻止進一步水侵的欠平衡鉆井壓差平衡掉。如果欠平衡壓差小于關鍵的毛細管壓力，將繼續發生水滲透，這樣將會發生明顯的地層傷害。（點D和點E）。關鍵毛細壓力的存在可以根據如下所示的毛細等張比容證明。圖2所示參數組 與SW關系圖，其中Snw和Sw分別為非親水相和親水相的飽和，并且PC是吸收毛細管壓力。 max由Guo等人，稱為峰值。正如毛細等張體積。毛細等張體積的意義和關鍵點的是一致的，開始的時候自由非潤濕相是占主要流動狀態的。作者注意到：①孔隙介質的滲透性（泥漿中）是與鉆進時的最高氣量的毛細管壓力（in Atm-2）直接成比例的，比例系數為0.054。②滲透性（泥漿中）與空氣鹽水的毛細等比體積的平方成正比，比例系數為0.00007。

這些發現說明占主要流體的毛細管壓力是一個反映孔隙介質實際孔隙尺寸的參數。因此在毛細管壓力曲線上本文研究提出了關鍵點，這點看成毛細管等張體積。

由于毛細管壓力曲線呈拋物線的性質，在初始水飽和時，它通常不可能用作欠平衡鉆井的壓力差，具有足夠高的壓差完全平衡毛細管壓力。對于低滲透儲層這是非常重要的，在初始水飽和時毛細管壓力是非常高的。幸運的是像這樣高的欠平衡鉆井的壓力差是不被要求的，因為小量水滲的毛細管壓力降迅速變化，不會明顯導致地層傷害。應該足夠高欠平衡壓差，來平衡掉根據毛細管等張體積定義的關鍵毛細管壓力。使用關鍵點壓力差，可能保持最小的地層傷害，這個關鍵點壓力差等同于關鍵毛細管壓力。

3 欠平衡鉆井壓力差的選擇

以下是選擇欠平衡鉆井壓差（?駐P）的步驟：第1步：利用毛細管壓力的數據繪制 與Sw關系圖，并且計算毛細管等張體積。第2步：計算與毛細管等張體積相對應的毛細管壓力值。這個毛細管等張體積被看作是關鍵的毛細管壓力（CCP）。第3步：選擇鉆井液類型，并且利用水力計算模型估算最大預期的波動壓力（?駐Ps）。第4步：要求?駐P=CCP+?駐Ps。第5步：利用?駐P進行井眼穩定分析。第6步：利用?駐P進行流入量和流入體積分析。

如果發現?駐P在第5步或者第6步不合適，應該從新增加?駐P的值，重復第5步或者第6步計算。

4 結論

以下是本文得出的結論

4.1 在水滲透到碳氫化合物的區域中，存在一個預期最小的欠平衡鉆井壓差。這個壓差可以根據毛細管的壓力曲線估算。

4.2 關鍵點欠平衡鉆井壓力差可以看成下限的欠平衡壓力差。上限的壓力差可以根據井眼坍塌，地層流體流入量和全部流入量體積估算。

符號說明：CP=毛細管等張體積，Atm-2；Pc=毛細管壓力，psia；?駐Ps=波動壓力，psia；Sw=親水相飽和度，有效孔隙體積；Snw=非親水相飽和度，表觀體積。

參考文獻：

[1]B.Guo，SPE，and A.Ghalambor，SPE，U.of Louisina at Lafayette. A Guideline to Optimizing Pressure Differential in Underbalanced Drilling for Reducing Formation Damage，SPE98083，2006.