南堡深層潛山水平井欠平衡鉆井技術研究與實踐

朱 寬 亮

（冀東油田公司鉆采工藝研究院，河北唐山 063004）

南堡深層潛山水平井欠平衡鉆井技術研究與實踐

朱 寬 亮

（冀東油田公司鉆采工藝研究院，河北唐山 063004）

南堡潛山油氣成藏條件復雜、縱橫向非均質性強，為有效地提高裂縫鉆遇率和實現經濟開發，研究應用了水平井欠平衡鉆井技術。針對油層埋藏深、井溫高、氣油比高、安全密度窗口窄、易漏易涌、安全鉆進風險大等難點，通過研究抗高溫水包油鉆井液體系、氣油比對欠平衡工藝影響，監測隨鉆地層壓力與評價儲層，設計欠平衡與控壓鉆進參數，分析南堡潛山鉆進過程動靜溫度變化規律及潛山裂縫鉆遇時的各項異常特性規律，形成了一套適合于南堡深層高溫潛山水平井欠平衡鉆井配套技術。應用結果表明，該技術有效地實現了南堡深層高溫潛山安全鉆進和經濟高效開發，對同類油氣藏的鉆井施工提供了借鑒。

深層潛山；高溫；水平井；欠平衡；水包油鉆井液

南堡1、2號構造潛山主力儲層為奧陶系灰巖，屬典型的裂縫型和裂縫—孔洞型雙重介質油氣藏。其儲層裂縫為高角度裂縫，油氣成藏條件復雜、儲集性能評價難，且縱橫向非均質性強，為有效地提高裂縫鉆遇率、及時有效地發現和保護油氣藏，提高潛山鉆進的可控性、安全性和勘探開發效果，針對冀東南堡1、2構造潛山儲層地質條件，研究應用了水平井欠平衡鉆井技術，并取得了較好的效果，形成了適合于南堡高溫潛山有效勘探開發鉆井技術，對指導國內外同類儲層勘探開發具有重要指導作用。

1 儲層特性和鉆井難點

通過實鉆巖心、露頭巖心及FMI成像資料觀察分析，南堡1、2構造潛山儲層以構造縫、溶蝕孔洞等次生孔隙為主，裂縫十分發育，斷層附近裂縫更加發育，并發育著多期構造縫。早期裂縫被方解石和泥質充填，晚期裂縫開啟，并切割早期構造裂縫，裂縫寬度從幾微米到幾十微米不等，裂縫傾角為50～90°，鉆進過程中鉆速有時明顯加快，鉆井液發生漏失，甚至出現鉆具放空現象。測井解釋計算，在地下圍壓條件下裂縫寬度為 5.57～51.34 μm，巖心分析、鑄體薄片及掃描電鏡分析，地面裂縫寬度為0.3～7 mm，有的寬度達到了厘米級，溶蝕孔洞尺寸部分達2 cm。測井解釋地層孔隙度為0.08%～8.9%，平均為2.26%；滲透率為0.1～5.11 mD，平均為0.6 mD。室內巖心測試基質有效孔隙度平均為1.22%，水平滲透率為11.2 mD，屬于發育較好的裂縫孔隙型油氣藏。鉆井施工的主要難點：

（1）埋藏深、井溫高。主力儲層埋藏深度為3 800～4 500 m，儲層中部溫度 160～185 ℃，給鉆井液、井眼軌跡監測與控制等工藝提出嚴重挑戰；

（2）裂縫發育、氣油比高、漏失嚴重。平均氣油比為1 309～3 675 m3/t，安全鉆進風險大，尤其是水平井，鉆遇裂縫更多，風險進一步增大；

（3）正常壓力系統、安全鉆進密度窗口窄。儲層壓力系數為0.99～1.04、漏失壓力系數為1.01～1.06，欠平衡鉆井工藝要求高。

2 欠平衡鉆井技術

南堡潛山主力儲層為奧陶系灰巖和白云巖，巖石強度普遍較高，井壁穩定性較好，為欠平衡施工創造了有利條件。但因油藏壓力系數在1.00左右，同時為了避免和減少漏失，欠平衡鉆進時井底循環當量壓力應小于地層壓力和漏失壓力，因此，其循環介質的密度應小于1.00 g/cm3，適應的欠平衡方式有氣體、霧化、泡沫、充氣或水包油等鉆井工藝［1］。為了有利于井眼軌跡監測信號的傳輸與控制工藝的需要，綜合井深、施工難度與風險等因素，選擇應用了水包油欠平衡鉆井工藝及控壓鉆井技術［2］。

2.1 抗高溫水包油鉆井液體系

水包油鉆井液作為一種低密度流體，既保持水基鉆井液的特點，又具備油基鉆井液的特點，對低孔低滲、縫洞發育、易井漏和地層壓力系數低的儲層具有較好的油氣層保護和欠平衡鉆井實施效果［3］。南堡高溫潛山水包油鉆井液主要以白油作為油相，優選了具有較好的抗高溫效果的HWER、HWFR、HWF、HWFL主副乳化劑、增黏劑及降濾失劑等材料，研究形成相應的體系，在190 ℃條件對其老化24 h、48 h、72 h后的性能進行測試，顯示其具有較好流變性和較小的濾失量變化（見表1），表明選定的水包油鉆井液體系具有良好的抗高溫穩定性能。其體系配方：（水:白油 =6～7:4～3）+0.3%NaOH+1.5%～2%主乳化劑+0.5%～1.5%輔乳化劑+0.5%～0.6%增黏劑+1%～2%降濾失劑。

表1 抗溫水包油體系抗溫性能評價

其抑制性評價，泥頁巖回收率達90.5%、膨脹性僅為7.8%（表2）；潤滑性實驗，其E-P極壓潤滑系數為0.105，濾餅黏滯系數為0.087 5；巖心滲透率恢復值測試，一次滲透率恢復均大于90%（表3），表明該體系具有較強抑制性、較好的潤滑性和儲層保護效果。同時該抗高溫水包油鉆井液具有較低的界面張力（表4），可有效降低儲層水鎖傷害，進一步保護儲層。

表2 水包油鉆井液體系的抑制性評價

實驗條件：滾動回收率190 ℃、16 h；膨脹率常溫、16 h。

表3 水包油鉆井液體系儲層保護實驗評價

表4 水包油鉆井液體系界面張力實驗評價

2.2 高氣油比儲層欠平衡鉆井壓力控制方案

南堡深層潛山主要為凝析油氣藏，氣油比高，如果井口不及時有效采取措施，發生溢流后，會引起大量氣體在環空內快速滑脫上升，增大井控風險；同時潛山裂縫發育，已完鉆部分井顯示，鉆井液當量密度低于 1.01～1.04 g/cm3就涌，高于 1.01～1.06 g/cm3就漏，安全鉆進密度窗口窄，鉆進過程中易發生鉆井液漏失、先漏后涌或邊漏邊涌等復雜情況，欠平衡鉆井工藝要求高［4-5］。

2.2.1 氣油比對欠平衡工藝的影響 在產油量一定的前提下，低氣油比，井口套壓不會出現過大的增長，欠平衡井控風險較小；相反，高氣油比，由于氣體滑脫膨脹，會出現套壓的急劇上升，井控風險將會陡然增加。因此，欠壓值的設計和欠平衡實施的措施制定相當重要［6］。以南堡深層潛山已完鉆的一定向井為例，在不考慮該井實際的地層滲透率條件下，假設欠壓值1 MPa時地層出油能力為5 m3/h，相應地欠壓值2 MPa下的地層出油能力為10 m3/h。在此基礎上，考慮不同氣油比條件下計算所產生的井口套壓如圖1所示。從圖中可以看出，隨著氣油比的增加，同樣的欠壓值及地層出油條件下，井口套壓會相應增加。欠壓值1 MPa下，氣油比為20時，井口套壓僅為0.68 MPa，井控風險不大；氣油比為1 000:1時，井口套壓則急增至6.54 MPa，將面臨很大的井控風險。當欠壓值調至2 MPa，氣油比1 000:1時，套壓則已達10.74 MPa，高氣油比下的井控風險驟然增加，凸顯了高氣油比條件下，合理欠壓值的重要性。因此，欠壓值設計必須合理，高氣油比條件下，尤其水平井，鉆遇裂縫多、產量高，欠平衡施工必須堅持微欠原則［2］，使地層出氣和井筒壓力可控，并選擇能及時、靈活、快速調節環空循環當量密度的欠平衡實施方式和措施進行施工。

圖1 氣油比對井口套壓的影響

2.2.2 隨鉆地層壓力監測與儲層評價技術 地層壓力是欠平衡鉆井過程中所需的關鍵參數，準確測量地層壓力是進行隨鉆欠壓值計算和儲層評價的前提，尤其是窄安全鉆井液密度窗口、高氣油比或氣井顯得尤為重要。目前國內外現有的井底隨鉆壓力監測儀器抗高溫指標只能達到150 ℃，難以適應南堡深層高溫潛山隨鉆壓力監測需要，為此研究應用了地面隨鉆地層壓力監測評價技術對地層壓力進行隨鉆監測分析。該技術主要是通過對鉆井過程中地面管匯進出口流體的流量、壓力、組分及鉆井液性能等信息進行監測，結合多相流理論［6-7］、油藏滲流理論、隨鉆地層壓力測試工藝等計算方法和解釋技術，實時分析井底壓力狀態和對鉆遇儲層進行實時評價，獲知所鉆井的產量、產層滲透率、井筒壓力剖面和地層壓力，從而及時識別新產層、判斷產層位置、監測欠平衡鉆進狀態和實現對地層壓力隨鉆測試［8］。鉆開新層時，因不同的欠平衡壓差下經過井筒流向井口的地層流體產量會不同，通過調節井口回壓或鉆井液密度的方式來改變井筒液柱壓力剖面和井底壓差，實時測量不同欠壓值條件下鉆井液循環穩定時的地層流體產量，然后利用井筒液柱壓力解釋求出測試點的井底流動壓力，在“井底流壓—地層流體產量”圖上繪制相應的數據點，連續測試獲取3個數據后，對井底流壓、地層流體產量數據進行擬合，當擬合相關系數較高時，流體產量為零時所對應的井底流壓就是測試點的地層壓力值。南堡P2002井鉆至井深5 087 m時現場測試獲得的“井底流壓—產氣量”關系曲線，測試點回歸的地層壓力系數為1.034，與實鉆測試解釋結果為1.03基本吻合。為進一步提高地層壓力測試的精度，在條件允許的情況下，可變換工況，求取多組數據進行擬合分析。通過南堡深層高溫潛山現場多口實施井的隨鉆監測評價，其預測分析精度均小于5%（表5），表明該項隨鉆地層壓力分析技術為深層高溫潛山欠平衡施工確定合理欠壓值探索出了一條有效的途徑。

表5 隨鉆地層壓力測試結果

由于欠平衡鉆井過程中各項工況參數、井筒壓力條件及地層產量是隨著井深和時間的變化而變化，盡管通過地面流體隨鉆監測可直接獲得地層流體實時產量數據，但不能直接用于單井隨鉆產量評價，通過上述求取的地層壓力，利用油藏滲流模型計算出所鉆儲層單元的滲透率，然后求出給定欠壓值條件下各儲層單元的產量，繪制“產量—井深”曲線，利用其曲線可實現對儲層隨鉆產量和特性進行評價解釋。因不同儲集介質類型的儲層，其隨鉆監測參數解釋的“產量—井深”關系曲線特征是不同的。對于均質孔隙性儲層，在給定欠平衡條件下，其“產量—井深關系”曲線幾乎呈直線關系，而非均質儲層，在給定的欠平衡條件下高滲井段、低滲井段和非滲透夾層對產出流體的貢獻是不同的，其隨鉆產量并不隨井深增加而穩定上升，而是呈現跳躍式變化，由此可以判斷儲層介質特性和物性差異。圖2為南堡P2006井的儲層介質特性解釋結果，表現為明顯的裂縫儲層特征。由此，可有效地判斷了南堡深層潛山水平段鉆遇裂縫情況及軌跡控制質量。

圖2 南堡P2006井的儲層介質特性解釋結果

2.2.3 欠平衡及控壓鉆井參數設計 欠壓值大小直接影響地層流體進入井筒的數量，欠壓值過小，則可能失去欠平衡鉆井的目的和意義；欠壓值過大，易造成產層的速敏和井口設備載荷過大甚至失控，導致重大鉆井事故。同時深井小井眼井環空壓耗高，易給井底增加較大的回壓，尤其窄密度窗口井，對此較敏感。南堡潛山欠平衡時欠壓值的設計主要結合儲層埋藏深度、產狀、物性和油氣性質等參數來確定，從鉆井液密度、排量等可控參數入手，使地層流體有控制地進入環空。施工時在井口施加一定的回壓來控制環空中儲層產生的氣體大量滑脫上移，保持環空流態的穩定，防止井口出現環霧流和壓力過高現象的發生，以滿足井控安全和攜巖的需要［9］。南堡潛山主要采用微欠方式作業，下限值采取留有一定余量設計，以減少地層逆向自吸作用，防止下鉆和開泵時的壓力激動造成井底瞬時的過平衡，井底欠壓值一般控制在0.5～1.0 MPa，最大不超過3.5 MPa，井口回壓一般控制在5 MPa以內（見表6）。針對先期施工井井漏較嚴重的情況和儲層壓力敏感問題，及時采用了控壓鉆井工藝，精細控制井底壓力，減小不同工況下的井底壓力波動，避免和減少井漏和溢流復雜的發生［10］。首先是將水包油鉆井液密度調到最低，即0.92～0.93 g/cm3，為控壓鉆進提供有利的操作窗口，使井底鉆井液循環當量密度小于漏失壓力，或將漏速控制在可接受范圍之內，即可建立井口循環、地面鉆井液配制速度能適應井漏需要，漏速一般應控制在5 m3/h以內；其次是通過微流量監測，及時發現和控制溢漏，保持井底平穩，將井底壓力控制在合適的范圍之內［11］；同時采用存儲式井底壓力計求取井底壓力數據（見圖3），結合水力學計算軟件不斷修正井筒壓力剖面，進一步提高控壓鉆井精度。

表6 南堡深層高溫潛山水平井欠平衡鉆井部分井設計參數及效果

圖3 南堡P2009井井底隨鉆井溫及壓力測量曲線

3 高溫條件下井眼軌跡控制技術

南堡潛山裂縫發育及油氣富集區主要分布在潛山面以下0～70 m范圍內，為克服深層潛山深度預測誤差，其水平井井眼軌跡設計與控制，選擇以80°左右的井斜角穩斜探潛山面，下?177.8 mm尾管中完，然后用?152.4 mm井眼進行目的層施工。為確保水平段沿儲層鉆進，先以80°左右井斜角穩斜找儲層，然后迅速將軌跡調至設計線順層鉆進。在井眼軌跡控制方面，首先根據南堡油田揭開潛山中完測井溫度、潛山鉆進時井下隨鉆溫度壓力測量及試油溫度測量數據，其主力儲層溫度為160～185 ℃，鉆進時鉆井液循環的動態溫度比靜止溫度低40～50 ℃；依據南堡潛山的靜態和動態溫度變化規律，利用初入潛山井溫偏低和鉆井液循環可降低溫度等特點，優選確定了以177 ℃等壁厚螺桿和175 ℃高溫MWD為主的井眼軌跡控制方法；同時利用MWD進行隨鉆溫度監測，如循環溫度升高較高或出現嚴重漏失時，水平井段使用常規鉆具組合進行穩斜鉆進。其次是利用鉆遇裂縫時鉆時加快、放空、循環溫度快速上升、鉆井液出口流量增加、鉆井液密度降低、井漏和氣測錄井異常等特性，綜合判斷裂縫鉆遇與發育情況，及時調整軌跡，確保了井眼軌跡沿最有利的方向鉆進。

4 實施效果

南堡2號構造深層奧陶系潛山累計實施水平井水包油欠平衡鉆井10口，其中P2001大位移水平井水包油欠平衡鉆井，投產初期產量，產油305.9 m3/d、天然氣產量約10×104m3/d； P2013水包油欠平衡鉆井水平位移達3 440 m，實現了南堡潛山海油陸采高效開發（表7）。

表7 南堡深層潛山水包油欠平衡鉆井部分井效果

5 結論

（1）水平井技術可有效地提高非均質性潛山油氣藏裂縫鉆遇問題，其欠平衡鉆井是解決潛山裂縫漏失儲層安全施工的最有效鉆井方式，也是南堡深層高溫潛山實現經濟有效開發最有利的技術。

（2）利用井口各項工藝參數的監測，結合多相流理論、油藏滲流理論、地層測試工藝等技術，可有效地實現對儲層壓力進行隨鉆監測分析，為高溫潛山欠平衡鉆井可控性與安全性提供技術支持探索了有效途徑。

（3）控壓鉆井是解決壓力敏感性儲層窄密度窗口安全鉆進最有效的方式。

（4）利用潛山鉆進時溫度及儲層特性的變化規律，在一定程度上可有效地實現對高溫潛山井眼軌跡的監測與控制。

［1］何世明，湯明，何青琴，等.欠平衡鉆水平井技術新進展［J］.石油鉆采工藝，2009，31（6）：1-3.

［2］王延民，李皋，朱寬亮，等.南堡油田欠平衡鉆井方案優選與應用研究［J］.重慶科技學院學報：自然科學版，2010，12（6）：22-24.

［3］馬勇，崔茂榮，孫少亮.水包油鉆井液國內研究應用進展［J］.斷塊油氣田，2006，13（1）：4-6.

［4］劉義彬，閆加益，郭肅反，等.欠平衡鉆井技術在冀中饒陽凹陷長6井的應用 ［J］.石油鉆采工藝，2009，31（3）：38-40.

［5］尹愛華，張以明，徐明磊，等.華北油田深潛山欠平衡鉆井技術［J］. 石油鉆采工藝 ，2009，31（S2）：6-8.

［6］平立秋，汪志明，魏建光. 欠平衡鉆井多相流模型評價分析［J］. 西南石油大學學報，2007，29（1）：75-78.

［7］平立秋，汪志明，王璽，等.欠平衡鉆水平井全井段氣液兩相流模型研究 ［J］.石油鉆采工藝，2008，30（3）：29-33.

［8］朱寬亮，孟英峰，徐小峰，等.NP2-82井欠平衡隨鉆儲層評價初探［J］.鉆采工藝，2010，33（6）：15-17.

［9］肖國益，趙向陽，孟英峰，等.氣體鉆井攜巖關鍵點多相流動規律研究［J］.石油鉆采工藝 ，2011，33（1）：16-22.

［10］周英操，崔猛，查永進.控壓鉆井技術探討與展望 ［J］.石油鉆采工藝，2008，30（4）：l-4.

［11］王延民，唐繼平，胥志雄，等.控壓鉆井井筒壓力控制技術初探［J］.特種油氣藏 ，2011，18（1） ：132-134.

（修改稿收到日期 2013-05-10）

Research and practice of underbalanced horizontal well drilling technology in deep buried-hill reservoirs in Nanpu Oilf i eld

ZHU Kuanliang
（Institute of Drilling and Production Technology,Jidong Oilf i eld,Tangshan063004,China）

The reservoir forming condition of buried-hill is complex in Nanpu Oilf i eld, and the vertical and horizontal heterogeneity is very strong. In order to effectively raise fracture penetration rate and achieve economic development, underbalanced drilling technology for horizontal wells was researched and applied. For the following drilling risk situations, such as: deeply buried, high temperature,high gas-oil ratio, narrow density window, prone to lost circulation and well kick, etc, a series of studies are conducted，such as optimizing a temperature resistant oil-in-water drilling fl uid system, analyzing the gas-oil ratio and the application of real-time pressure monitoring and reservoir evaluation technology, designing the underbalanced and managed pressure drilling parameters, monitoring dynamic and static temperature variation and the abnormal characteristics when drilling buried-hill fracture, a set of underbalanced drilling technology was developed for horizontal wells in deep buried-hill reservoirs with high temperature in Nanpu oilf i eld. The results of application show that the technology is able to ensure safe drilling and economic development for buried-hill reservoirs in Nanpu Oilf i eld, and also to give references for drilling the same type of reservoirs.

deep buried-hill; high temperature; horizontal well; underbalanced drilling; oil-in-water drilling fl uid

朱寬亮.南堡深層潛山水平井欠平衡鉆井技術研究與實踐［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：17-21.

TE243

B

1000 – 7393（ 2013 ） 04 – 0017 – 05

國家科技重大專項項目“渤海灣盆地黃驊凹陷灘海開發示范工程”（編號：2011ZX05050）資助。

朱寬亮，1967年生。1989年畢業于大慶石油學院鉆井工程專業，現從事鉆井工藝技術研究與管理工作，博士，高級工程師。電話：0315-8768077。E-mail：zkl@petrochina.com.cn。

〔編輯

薛改珍〕