氣體鉆井技術在新疆油田火北地區的應用

2014-06-27 05:48:25楊明合中國石油天然氣集團重點實驗室長江大學防漏堵漏研究室湖北武漢430100

長江大學學報(自科版) 2014年20期

楊明合 (中國石油天然氣集團重點實驗室長江大學防漏堵漏研究室,湖北武漢 430100)

孔琳 (中石油大港油田分公司信息中心,天津300280)

氣體鉆井技術在新疆油田火北地區的應用

楊明合 (中國石油天然氣集團重點實驗室長江大學防漏堵漏研究室,湖北武漢 430100)

孔琳 (中石油大港油田分公司信息中心,天津300280)

楊虎,李維軒,劉穎彪周鵬高,石建剛 (中石油新疆油田分公司工程技術研究院,新疆克拉瑪依834000)

火北地區為新疆油田致密油勘探的重要區域之一,該地區上部石炭系推覆體火山巖地層厚度大、可鉆性差,機械鉆速極低,為此嘗試采用氣體鉆井技術來提高機械鉆速。在采用三開井身結構設計方案的基礎上,針對二開巨厚石炭系和深部二疊系地層的特點,從氣體鉆井實施井段地層理化特性、井壁穩定性、地層出水預測等方面對氣體鉆井進行適應性評價。研究表明,石炭系火山巖地層蒙脫石含量較低,地層穩定性相對較好,具備實施氣體鉆井條件,但在底部近斷層存在出水的可能;二疊系地層黏土礦物含量相對較高,其坍塌壓力也同時增高,實施氣體鉆井存在潛在的風險。此外,還制定了氣體鉆進施工、氣液轉換等技術措施。實鉆表明,在石炭系、二疊系地層采用氣體鉆井工藝后提速效果顯著,這為火北地區鉆井施工提供了一條新的途徑。

新疆油田;氣體鉆井;井身結構;適應性評價;施工措施

火北地區位于新疆準噶爾盆地沙帳斷褶帶,北靠克拉美麗山,南接火燒山油田,是新疆油田公司致密油勘探的重要戰場之一。該區石炭系地層厚度大(1000～2500m),火山巖地層巖石堅硬,可鉆性差,機械鉆速低,其中前期鉆進石炭系地層平均機械鉆速僅1.36m/h,需要通過改變鉆井工藝的方式來提高機械鉆速[1-3]。為此,筆者對氣體鉆井技術在新疆油田火北地區的應用進行了探討。

1 井身結構方案設計

火北地區地層至上而下依次為石炭系、三疊系 (部分缺失)和二疊系。其中上部為石炭系推覆體,對于表管不易下深,只要能為鉆進提供安全穩定的井口裝置即可,故采用?339.7mm下入50m左右的導管;二開對于巨厚石炭系地層,氣體鉆進至井深1000m,用?244.5mm技套主要目的是封隔石炭系上部不穩定地層,為下部氣體鉆進提供穩定的井眼。對于厚度小于1000m左右的石炭系地層,技套下到二疊系平地泉組,用于封隔平二段高壓地層,為三開鉆進創造條件。為提高深部二疊系機械鉆速,決定在三開穩定井段實施氣體鉆井。火北地區HB01井氣體鉆井井身結構方案設計圖如圖1所示。

圖1 火北地區HB01井氣體鉆井井身結構方案設計圖

2 氣體鉆井地層適應性評價

2.1 氣體鉆井實施井段地層理化特性分析

地層理化特性分析是氣體欠平衡鉆井地層適應性評價的重要內容之一[4]。為了保證氣體鉆井的順利實施,根據現場獲取巖屑、巖心等資料,對石炭系、二疊系平地泉組部分地層進行了膨脹率、X射線衍射全巖及黏土礦物含量等方面的室內試驗。圖2所示為HB01井(1150～1155m)氣體鉆井鉆屑粉高溫高壓膨脹率曲線,鉆屑粉的膨脹率最大為1.76%,明顯低于普通膨潤土相應膨脹率,且經過一定的時間后,膨脹率基本維持不變,說明石炭系地層氣體鉆井段鉆屑粉中蒙脫石含量較低,地層穩定性相對較好。

表1所示為HB01井石炭系地層部分井段X射線衍射全巖分析結果。由于石炭系為火山巖地層,所以黏土礦物含量相對較低(8.7%～15.0%)。表2所示為HB02井X射線衍射全巖分析結果。由于試驗井段大多位于二疊系地層,黏土礦物含量相對較高 (在30%以上)。表3所示為HB02井不同井段黏土礦物含量分析結果。由表3可知,黏土礦物中伊利石和綠泥石含量相對較高。由于伊利石、綠泥石含量高的地層易吸水裂解和剝落,因而在氣體鉆井氣液轉換后,應提高鉆井液的封堵性能,防止鉆井液濾液快速進入地層后膨脹壓急劇升高,導致井壁失穩。

圖2 HB01井氣體鉆井鉆屑粉高溫高壓膨脹率曲線

表1 HB01井部分井段X射線衍射全巖分析表

表2 HB02井部分井段X射線衍射全巖分析表

表3 HB02井部分井段黏土礦物含量表

圖3所示為HB02井二疊系平地泉組灰色云質砂礫巖巖心電鏡掃描分析結果。在掃描電鏡下觀察,發現該樣品中黏土礦物主要有粒表不規則狀伊/蒙混層礦物,樣品孔隙不發育,連通性差。

2.2 氣體鉆井條件下井壁穩定風險評價

氣體鉆井不同于常規液相鉆井,由于氣體密度低,對井眼周圍巖石的支撐作用很小,井壁穩定取決于井壁應力分布以及地層巖石強度,氣體鉆井過程中的失穩主要表現為純力學井壁失穩,通過井筒應力和氣體鉆井臨界內聚力計算,采用庫倫-摩爾準則得到純氣體鉆井坍塌密度[5]。

綜合鄰井HB1井、HB2井石炭系地層的巖性、實鉆情況等資料分析發現:①石炭系地層坍塌壓力系數較低,屬于較為穩定的地層;②石炭系地層巖性以火成巖為主,泥質含量低,井眼穩定性受鉆井濾液影響小;③進入二疊系平地泉組巖性以泥巖為主,裂縫較發育,壓力系數較低,地層坍塌壓力增高,發生井漏的風險較大。

綜合分析地層壓力、地層流體及地層穩定性等方面,認為該區石炭系推覆體地層滿足實施氣體鉆井條件,但進入二疊系平地泉組巖性有變化,地層坍塌壓力增高,實施氣體鉆井存在潛在風險。

圖3 HB02井灰色云質砂礫巖巖心電鏡掃描圖

3 氣體鉆井施工技術措施

3.1 鉆進施工技術

一開在?339.7mm導管上直接焊接特制導管,然后依井口側法蘭接三通、排砂管線、電子點火裝置、空氣鉆井設備。安裝完畢,進行氣體鉆井設備試壓,合格后下鉆,進行氣舉,干燥井筒,作業完成后實施空氣鉆井。二開先用常規泥漿鉆井鉆進20～30m形成新井眼,然后循環清洗井底,拆除井口防溢管、安裝旋轉防噴器、排砂管線等輔助作業。安裝完畢,下鉆,進行氣舉,干燥井筒,作業完成后實施空氣鉆井[8]。

3.2 氣液轉換技術

1)鉆井工藝轉換原則 ①鉆進過程中若地層出水且出水量較小,在井壁穩定的情況下,現場應根據實際情況逐漸增大氣量滿足鉆進要求或根據出水量大小及時轉化為霧化/泡沫方式鉆進;若井壁坍塌掉塊嚴重或地層出水量較大,應停止氣體鉆井,轉換為常規鉆井液鉆進[9]。②鉆遇硫化氫氣體時,當監測井內返出的氣體所含硫化氫濃度未與大氣接觸前達到或超過50ppm,或是與大氣接觸的出口環境濃度達到或超過20ppm,應立即停止氣體鉆進,轉換為常規鉆井液鉆井。

2)氣體鉆井轉換為常規鉆井液鉆井的要求氣體鉆井結束后,為保證井筒由氣體轉換為常規鉆井液后的壓力平衡與井壁穩定,具體要求如下[10]:①轉換為常規鉆進前,鉆井液體系和密度必須滿足設計要求;②在氣體鉆進結束后,在鉆井液中加入潤濕反轉劑,解決氣液轉換時泥頁巖吸水膨脹導致井壁坍塌的問題;③鉆井液必須具有強抑制性、封堵能力及良好的流變性。要求鉆井液失水量應盡量低,體系中應含有一定數量的封堵粒子。同時,嚴格控制鉆井液中膨潤土和固相含量,以利于形成薄而韌的泥餅。

4 現場試驗

火北地區石炭系地層氣體鉆井過程中見少量出水,但當鉆遇石炭系底部風化殼破碎帶時,劃眼遇阻點越來越淺,排砂口取砂樣出現大塊巖屑,井壁垮塌,被迫主動轉化為常規鉆井液方式鉆進。二疊系地層部分為目的層,氣測上升后一般要轉換為氮氣鉆井,當排砂口無巖屑返出,循環觀察排砂口返出原油后就轉化為常規鉆井。在氣液轉換過程中,采用加量為1.5%的潤濕反轉劑RSFZ-5[1],在保持合理鉆井液密度、抑制性和流變性基礎上,保證整個轉換過程順利進行。表4所示為HB02井與鄰井機械鉆速對比結果。由表4可知,HB02井在石炭系地層采用氣體/霧化鉆井技術,平均機械鉆速達5.46m/h,對比鄰井同區塊HB2井石炭系地層機械鉆速1.30m/h,氣體鉆井提速320%;二疊系地層采用氣體鉆井技術,平均機械鉆速達到6.40m/h。