九龙山构造欠平衡钻井提速的可行性分析

潘登 邢景宝 林然 李顺

1.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2.西南石油大学

九龙山构造欠平衡钻井提速的可行性分析

潘登1邢景宝2林然2李顺2

1.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2.西南石油大学

气体钻井技术在四川盆地九龙山构造提高机械钻速方面发挥了巨大作用,但在侏罗系沙溪庙组沙二段底部出现井壁坍塌,转换成常规钻井后钻速较慢。为了提高该井段的机械钻速,从岩石可钻性与井壁稳定两方面进行了欠平衡钻井的可行性分析,结果表明:沙溪庙组沙一段与千佛岩组层段设计的欠平衡钻井液密度应控制在1.10～1.25 g/ cm3,才能确保欠平衡工况下井壁稳定;欠平衡钻井与常规钻井相比,其岩石可钻性系数更低,有利于明显地提高机械钻速;沙一段至珍珠冲组上部岩石井壁稳定,适宜开展欠平衡钻井提速试验;对存在大量砾石层的珍珠冲组下部,欠平衡钻井提速效果不明显,可采用其他钻井措施提高机械钻速。龙110井的现场试验表明,沙一段至马鞍山组层段开展欠平衡钻井,能有效地提高机械钻速,且与邻井龙104井的常规钻井相比,最高可达206%。所提出的欠平衡钻井提速模式,为广泛开展九龙山构造欠平衡钻井提速提供了经验和技术支持。

九龙山构造 气体钻井 侏罗纪 欠平衡钻井 机械钻速 可行性研究 四川盆地

四川盆地九龙山构造是中国石油未来开发的重点区块,蕴含丰富的天然气资源,目前已进入开发阶段。在中国石油开展提速的大环境下,九龙山构造钻井提速势在必行。目前,九龙山构造应用常规钻井技术井次较多,但机械钻速较慢,若要进一步改善钻井速度,提高勘探开发效率,则需要一项新的钻井技术来达到提速的目的。与常规钻井技术相比,欠平衡钻井能够减小“压持效应”,有效地提高钻头的破岩效率[1-2]。因此,欠平衡钻井技术可作为九龙山构造提高机械钻速的一种重要手段。要在九龙山构造成功开展欠平衡钻井,且达到安全快速钻进的目的,则须研究欠平衡钻井期间的钻井液安全密度窗口及预期达到机械钻速。因此,本文立足于测井、录井及钻井资料,重点分析不同层位的欠平衡钻井时的岩石可钻性系数,探讨欠平衡钻井提速的可行性,同时,对这些层位进行井壁稳定计算,确定合理的钻井液密度,防止井壁出现坍塌,最后通过现场试验进行验证,提出了一套九龙山欠平衡钻井提速模式。本研究为广泛开展九龙山欠平衡提速可提供经验和技术支持。

1 地质特性及钻井概况

九龙山构造区域属于川北坳陷带中坝、九龙山北东向构造群,米仓山山前带南部。西北紧邻龙门山推覆构造带,北部为米仓山台缘隆起,东南与川中隆起带相邻。地层分层数据见表1。地层分层的数据表明,在千佛岩组与自流井组存在坚硬的砾岩层,其砾岩成分有石英、燧石和黄铁矿等,研磨性强,可钻性极差,将导致机械钻速急剧降低,以龙17井为例,在千佛岩组2 932～3 036 m井段,进尺共104 m,消耗钻头11只,平均单只钻头进尺仅为9.5 m,平均机械钻速为0.85 m/h。多个区块的钻井实践表明[3-6],与其他钻井技术相比,气体钻井的提速效果异常明显。因此,九龙山构造开发前期,在沙溪庙组广泛开展气体钻井技术,但是气体钻井虽然机械钻速加快,但多口井却出现井壁坍塌,使井况更加复杂(表2),且由气体钻井转换为常规钻井后,下部地层的机械钻速降低明显。若要在下部地层继续安全快速钻进,液体欠平衡钻井可作为一种重要手段。

表1 地层分层数据表 m

2 欠平衡与常规钻井的岩石可钻性对比

岩石的可钻性反映了钻头破碎岩石的难易程度,且无论采用哪种钻井技术,岩石的可钻性都是影响机械钻速的关键因素。对九龙山构造而言,不同井段的岩石可钻性分析对有效地提高机械钻速至关重要。

国内外研究表明[7],岩石的可钻性不仅与钻头类型、岩石性质等相关,还与围压有一定的关系。欠平衡钻井与常规钻井的岩石可钻性的差异就在于围压不同。至今,国内外预测岩石可钻性的较成熟的方法有几十种,其中,利用测井、录井资料预测已成为分析特定的油气田及地质条件下岩石可钻性的一种有效方法[5-7]。因此,本文利用这种预测方法对九龙山构造多个层位进行欠平衡钻井与常规钻井岩石的可钻性进行计算,并建立相应的岩石可钻性曲线(图1),计算方法见本文参考文献[8],以此探讨不同层位欠平衡钻井能否达到提速的目的。

根据地层分层显示,不同层位的岩石性质差异较大,岩石的可钻性影响也较大。以龙102井为例,在沙一段,地层压力系数为1.20～1.30,岩石主要是棕红、暗紫色砂质泥岩与浅灰、灰绿色细、中粒长石砂岩、长石石英砂岩互层,中部夹三层薄层蓝灰色石灰岩。在千佛岩组,地层压力系数与沙一段一致,岩石主要是绿灰色含长石石英砂岩、石英砂岩、绿灰或紫红色砂岩、泥岩韵律互层。岩石可钻性系数计算结果见图2。在珍珠冲组底部,地层压力系数为1.50～1.65,且存在大量的砾石层,岩石的可钻性系数与上部岩层存在不同,欠平衡钻井与常规钻井的岩石可钻性系数计算结果见图3。

图2 千佛岩组欠平衡钻井与常规钻井岩石可钻性对比图

图3 珍珠冲组欠平衡钻井与常规钻井岩石可钻性对比图

图1表明,在常规钻井下,钻井液密度为1.40 g/ cm3,岩石的可钻性系数为3.96～4.1;在欠平衡钻井下,钻井液密度为1.10 g/cm3,岩石的可钻性系数为3.71～3.86。常规钻井与欠平衡钻井的岩石可钻性系数相比,两者差值范围为0.25左右。图2表明,随着井深的增加,岩石的抗压强度增大,岩石的可钻性系数也相应增大,但欠平衡钻井的岩石可钻性仍低于常规钻井。图3表明,常规钻井下,砾石层的可钻性系数为8.2,即使采用欠平衡钻井,岩石的可钻性系数也较高,达到7.6。

龙102井的岩石可钻性系数剖面计算表明,在沙一段至珍珠冲组上部,无论常规钻井还是欠平衡钻井,其岩石可钻性系数不高,采用牙轮钻头都能有效地破碎岩石,但欠平衡钻井的岩石可钻性系数比常规钻井低2个百分点,合理设计钻井参数仍能有效地提高机械钻速;但是在珍珠冲组底部,欠平衡钻井的岩石可钻性系数为7.6,牙轮钻头破碎岩石的难度增大,说明即使围压降低不明显,也难以提高钻头破碎岩石的力度。因此,要在珍珠冲组底部提高机械钻速,则有必要采用其他钻井措施,如气体钻井技术或高效提速工具。

3 欠平衡钻井的可行性分析

要在九龙山构造安全开展欠平衡钻井,前提是必须满足井壁稳定条件。测井资料表明,沙一段至珍珠冲组井段多含有泥岩段。因此,有必要采用泥页岩水化模型分析坍塌压力剖面。为此,本文利用测井资料,采用加拿大STAB_WELL欠平衡钻井井壁稳定分析软件对不同层位进行井壁稳定计算。图4是沙一段的3种压力剖面。从图4中可以看出,该段破裂压力高,孔隙压力梯度为1.254 g/cm3,最高坍塌压力梯度为1.094 g/cm3,欠平衡设计的钻井液密度必须要高于最低坍塌压力梯度,设计的范围为1.10～1.25 g/cm3。图5是千佛岩组层段的3种压力剖面,计算结果表明,该段最高坍塌压力梯度为1.10 g/cm3,欠平衡设计的钻井液密度必须高于最低坍塌压力梯度,设计的范围为1.10～1.25 g/cm3。

图4 沙一段的3种压力剖面图

图5 千佛岩组层段的3种压力剖面图

从沙一段与千佛岩组层段的井壁稳定计算可以看出,只要钻井液密度设计合理,可确保欠平衡钻井的井壁稳定安全,同时,也证明在九龙山构造开展液体欠平衡钻井技术在理论上是完全可行的。

4 试验结果对比

为了进一步说明欠平衡钻井的提速效果,将欠平衡钻井与邻井常规钻井的机械钻速进行对比,结果见表3。

表3 欠平衡钻井与常规钻井机械钻速对比表

从表3可以看出,在沙一段至马鞍山组层段,与常规钻井技术相比,欠平衡钻井能够明显提高机械钻速,其中,与龙104井对比,最高可达206%。

通过以上的分析及现场试验和效果对比,可建立一套九龙山构造欠平衡钻井提速模式,即沙一段至珍珠冲组上部,设计钻井液密度为1.10～1.25 g/cm3,井壁稳定,且岩石可钻性系数不高,适宜开展欠平衡钻井提速,对存在大量砾石层的珍珠冲组下部井段,可采用其他钻井措施提高机械钻速。

5 结论

1)沙一段与千佛岩组层段的最高坍塌压力梯度都处于1.10 g/cm3附近,地层孔隙压力为1.254 g/cm3。因此,设计的欠平衡钻井液密度应控制为1.10～1.25 g/ cm3,才能确保欠平衡工况下井壁稳定。

2)欠平衡钻井与常规钻井相比,其岩石可钻性系数更低,有利于明显提高机械钻速;沙一段至珍珠冲组上部岩石可钻性系数在4.0附近,适宜开展欠平衡钻井提速;对存在大量砾石层的珍珠冲组下部,无论欠平衡钻井还是常规钻井,岩石可钻性都较高,且分布在7.5附近,欠平衡钻井提速效果不明显,可采用其他钻井措施提高机械钻速。

3)龙110井的现场试验表明,沙一段至马鞍山组层段开展欠平衡钻井,能有效地提高机械钻速,且与邻井龙104井的常规钻井相比,最高可达206%。

4)提出的欠平衡钻井提速模式,为广泛开展九龙山构造欠平衡钻井提速提供了宝贵的经验和技术支持。

[1]李洪乾,杲传良.压差对机械钻速的影响规律[J].钻采工艺,1995,18(2):10-15.

[2]胡湘炯,陈庭根,梁之跃.压差对钻速影响的统计分析[J].石油学报,1988,9(1):95-102.

[3]魏武,许期聪,邓虎,等.气体钻井技术在七北101井的应用与研究[J].天然气工业,2005,25(9):48-50.

[4]魏学成,张新旭,翟建明,等.空气钻井技术在老君1井的应用[J].石油钻探技术,2006,34(4):20-23.

[5]唐思洪,孟英峰,李永杰,等.川西地区提高岩石可钻性钻井方式研究[J].新疆地质,2010,28(1):113-115.

[6]邹德永,陈永红.利用声波时差资料确定岩石可钻性的研究[J].石油钻采工艺,1996,18(6):27-30.

[7]王忠福,孟金城,张志邦.声波时差测井在岩石可钻性预测中的应用[J].大庆石油地质与开发,2006,25(3):94-96.

[8]李士斌,阎铁,张艺伟.岩石可钻性级值模型及计算[J].大庆石油学院学报,2002,26(3):26-28.

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.九龙山构造欠平衡钻井提速的可行性分析.天然气工业,2010,30(10):53-55.

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

中国石油天然气集团公司科技基础平台建设项目“气体/欠平衡钻井新技术研究”(编号:2008A-2302)的研究成果。

潘登,1979年生,工程师,硕士;2001年毕业于原石油大学(华东)机械设计与制造专业;从事欠平衡钻井的设计和科研工作。地址:(618000)四川省广汉市中山大道南二段。电话:13668309661。E-mail:cffcpd@gmail.com

2010-07-27 编辑 钟水清)

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