欠平衡井底欠壓值設計新方法研究及應用

秦 疆

（中國石化集團國際石油勘探開發有限公司，北京100029）

欠平衡井底欠壓值設計新方法研究及應用

秦 疆*

（中國石化集團國際石油勘探開發有限公司，北京100029）

在欠平衡鉆井設計和施工過程中，井底欠壓值的設計和控制是決定欠平衡鉆井成敗的關鍵因素，在目前行業標準和常規設計中考慮了地層3個壓力剖面、井眼的力學穩定性、地面設備的控制能力以及儲層的應力敏感特性，基本上滿足了現場需求，但對于一些低滲且水敏性強的地層、凝析氣井僅僅考慮上述約束條件還難以滿足現場需要，針對這一問題，提出了一種欠平衡井底欠壓值設計的新方法，在綜合考慮以上條件的基礎上，同時考慮了毛細管壓力對儲層傷害的影響、凝析油反凝析對儲層傷害的影響，并給出了欠壓值的設計流程。應用此方法在B區塊油田MKSR-0002高溫高壓凝析氣井進行了實際的設計和應用，施工完成后測試表皮系數-3.4，取得了良好的儲層保護效果。

欠平衡鉆井；欠壓值；毛細管壓力；凝析氣井；儲層傷害

欠平衡井底欠壓值是指在欠平衡鉆井過程中井底壓力與井底地層孔隙壓力的差值，其設計值的準確與否直接關系到能否安全、快速的完成欠平衡鉆進。如果設計值過小，易造成井底壓力過平衡，引起儲層污染，失去欠平衡鉆井的意義和目的；若設計值過大，易造成井口設備過載甚至失控，從而引起重大鉆井事故[1-4]。

目前常規的欠平衡井底欠壓值設計時主要考慮以下設計準則[5-9]：

（1）為保持井眼穩定，欠壓值小于地層孔隙壓力與坍塌壓力之差。

（2）應根據地層產液(氣)量的大小，并結合地面設備能力進行欠壓值設計，主要包括旋轉防噴器的控制能力、節流管匯的控制能力、液氣分離器的處理能力等。

（3）根據儲層類型和巖性特點確定欠壓值的大小，避免儲層發生應力損害。

（4）對于長水平段水平井，應考慮水平段的環空壓耗，避免在鉆頭處形成過平衡。

以上設計準則基本上滿足了現場欠平衡鉆井的設計要求，但對于一些低滲且水敏性強的地層、凝析氣井，僅僅考慮上述設計準則依然會在欠平衡鉆井過程中引起比較嚴重的儲層傷害。本文在此基礎上，提出了一種欠平衡井底欠壓值設計的新方法，在綜合考慮以上條件的基礎上，同時考慮了毛細管壓力對儲層傷害的影響、凝析油反凝析對儲層傷害的影響，并給出了設計流程和應用實例。

1 毛細管吸入壓力的影響

在鉆井過程中，即使井底循環壓力等于地層孔隙壓力，由于毛細管吸入壓力的影響井筒中的液體也會進入地層，形成一定的損害，尤其對高含粘土礦物的水敏性地層而言，更要盡量避免這種狀況。因此在進行欠壓值設計時，井底欠壓值要大于毛細管吸入壓力。

油藏巖石的流動孔隙可看做一系列大小不同的毛細管，因此油藏中的水油、氣水不是一個平面，而是一個過渡帶。從理論上，講過渡帶的高度取決于最細毛細管中水（油）柱的上升高度。

對于水油界面：

對于水氣界面：

式中：Pcwo、Pcwg——水油、水氣界面毛管力，MPa；

σwo、σwg——水油、水氣表面張力，N/m；

θwo、θwg——水油、水氣界面接觸角，（°）；

r——孔喉半徑，μm。

實驗室內測量巖石毛管力的方法主要有半滲隔板法、壓汞法和離心法，這3種方法的基本原理相同，即巖芯飽和濕相流體，當外加壓力克服毛管喉道的毛管力時，非濕相進入該孔隙，將其中的濕相驅出，最常用的是壓汞法。

2 凝析氣反凝析帶來的油鎖傷害

對于凝析氣藏而言，隨著地層壓力的下降，凝析氣可能會以凝析油的形式在地層中析出，堵塞地層孔隙，形成油鎖傷害。圖1表明了B區塊凝析氣田巖芯滲透率的實測情況，凝析油飽和前后巖芯的滲透率發生了明顯的變化，大約降低了80%左右，說明該巖芯存在明顯的油鎖傷害。因此在對凝析氣藏進行欠平衡欠壓值的設計時，必須考慮凝析氣藏的露點壓力，井底壓力要大于露點壓力，避免凝析油在地層中的析出，圖2是B區塊凝析氣藏的PVT相圖，由圖可知，該氣藏地層溫度167.8℃，在該溫度下凝析氣露點壓力為22.68MPa，因此在欠平衡鉆井過程中要保持井底壓力不低于22.68MPa。

圖1 B區塊凝析氣藏油飽和前后滲透率的變化情況

圖2 B區塊凝析氣藏PVT包絡圖

3 井底欠壓值的設計流程

具體的欠壓值設計流程見圖3。

圖3 井底欠壓值的設計流程

此外井底欠壓值的設計還受井的深度、井隊技術素質、操作水平的影響等。通過對各因素的綜合分析，一般把設計的欠壓值控制在1.0～5.0MPa之間，多口井的實踐證明，欠壓值控制在這一范圍是合理的。

4 設計及應用實例

B區塊油田MKSR-0002井是一口高溫高壓凝析氣井，設計井深5472m。主要目的層為底部奧陶系Sarah組，巖性為厚—薄層的深—褐灰色中至細粒巖屑石英砂巖，夾粗粒巖屑石英砂巖，屬于低孔、低滲、高壓致密性砂巖儲層。

室內巖芯水敏評價實驗采用SY/T5358-2002標準，選取FRAS-0001井SAHRA組巖芯4986～5096m深度巖芯。實驗結果見圖4，結果表明巖芯水敏程度為中等偏弱，水敏指數32.4%～49.3%。

圖4 水敏測試實驗曲線

采用毛管自吸裝置進行水鎖評價。根據敏感性評價實驗結果，采用5%的KCl鹽水作為自吸液體，以排除堿敏、水敏、鹽敏對水鎖結果的影響。實驗步驟如下：先測定氣體滲透率及孔隙度，然后巖芯吊在KCl溶液上方，巖芯端面進入溶液1～2mm，在毛管力的作用下，自吸24h，然后返排24h，測定返排壓力及氣測滲透率。實驗結果見表1。

表1 巖芯水鎖試驗

從實驗結果可以看出，B區塊致密巖芯水鎖后滲透率恢復值從25%～62.6%，屬于中等程度水鎖。

通過室內煤油對巖芯的驅替試驗，采用SY/ T6540-2002標準，選取FRAS-0001井SAHRA組巖芯（4986～5096m），測量污染前后煤油滲透率。實驗結果見表2。表明滲透率恢復率為77.6%左右，存在較為明顯的油鎖傷害。因此在欠平衡設計和施工過程中要盡量防止油鎖和水鎖的發生。

表2 巖心油鎖試驗

通過對該地區已鉆井的井壁穩定性分析表明，該地區井壁穩定性較好，在井底承受15MPa以內的欠壓值情況下不會發生井壁垮塌現象。

巖芯實驗數據測得在Sarah組的毛細管吸入壓力為：水氣界面毛細管吸入壓力0.737～1.48MPa，油氣界面毛細管吸入壓力0.48～0.96MPa。為了防止由于毛細管吸入壓力引起的儲層損害，在欠平衡鉆井過程中應盡可能保持井底的欠壓值大于毛細管的吸入壓力，因此在欠平衡壓差取值時欠壓值應保持在1.5MPa以上。

為了防止鉆井過程中產生油鎖，必須避免凝析油在地層中析出，即在鉆井施工過程中，尤其是欠平衡鉆井施工時，必須控制井底壓力大于露點壓力，通過鄰井已取樣的PVT試驗可知，該地層在地層溫度下露點壓力為22.68MPa，由于該井使用水基鉆井液的鉆井施工中液柱壓力都在50MPa以上，一般不會產生油鎖現象。但在測試過程需控制上部井段掏空的長度，防止出現凝析油堵塞儲層孔隙現象的發生。

流動控制矩陣建立的流動控制起到了井涌和井口流動不同狀態下的回壓控制作用（見表3），建立可調區域是為了有充足的安全反映時間來調節到可控條件下，關閉鉆機防噴器意味發生井控事件。

表3 欠平衡鉆井流動控制矩陣

通過上述約束條件的綜合分析，井底欠壓值的范圍是1.5～15MPa，考慮到井控安全，初步確定鉆進時井底欠壓值的選取在2.5～10MPa，具體根據現場實鉆情況進行調整。

MKSR-0002井Sarah組鉆進過程中鉆井液密度在1.69～1.71g/cm3，正常鉆井過程井底均保持了2.58MPa以上的欠壓值；取芯作壓井底欠壓值為2.80～3.12MPa；起鉆過程中井底欠壓值在3.80MPa以上；下鉆過程中由于激動壓力的存在和回壓值稍大，短時間欠壓值較小，為1.78MPa；接立柱過程，井底壓力有一定的波動，總體都保持了2.80MPa左右的井底欠壓值；整個施工過程中共溢流40.3m3，證明整個鉆井過程中未造成地層過壓。

測試后sarah組表皮系數S=-3.4，說明MKSR-0002井鉆井液取得了良好的保護油氣層效果，施工過程中鉆井液未對地層造成污染。

5 結論和建議

（1）本文在常規欠平衡井底欠壓值設計的基礎上，引入了毛細管吸入壓力、凝析氣井反凝析對欠壓值設計的影響，并考慮了儲層的水鎖以及油鎖等特性，從而使得該設計方法能最大限度地防止儲層傷害，解放油氣井產能，提高了油氣的發現率。

（2）通過MKSR-0002井實際的現場應用表明，該設計方法能有效地防止儲層污染并保證井控安全，鉆井過程中有溢流發生，但在可控范圍之內，測試后表皮系數-3.4，說明儲層沒有受到污染，欠平衡鉆井取得了預期效果。

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TE24

A

1004-5716(2015)12-0055-04

2015-07-30

2015-07-31

秦疆（1968-），男（漢族），新疆阿克蘇人，高級工程師，現從事海外勘探開發工作。