充氮气欠平衡技术在柳108井深井钻完井中的研究与应用

刘晓敏

摘 要：玉门油田青西区块存在油层埋藏深度大、地层可钻性差、油藏孔隙压力小等问题，常规钻井不利于低能量小层的勘探发现，对储层污染也较大，致使油气井产量低、后期改造作业量大，同时压持效应严重影响钻井机速，导致建井周期长、钻井成本高。为了更准确、及时地发现和评价青西凹陷柳沟庄构造的含油气性，提高区块储量整体动用程度，同时在钻井过程中减少对储层的污染、提高钻井速度，玉门油田在青西区块柳沟庄构造带上的柳108井率先开展了充氮气欠平衡钻完井试验，通过优化井身结构、钻具组合，优选钻头、钻井参数、氮气注入量，在确保井下及井口压力控制安全的前提下最大限度的释放储层能量，起到了探明与保护储层和钻井提速的双重功效。该井欠平衡作业井段机械钻速同比提高85%，欠平衡钻完井点火成功23次，投产后自喷采油，日产液约29 m3，日产油约27 m3。

关键词：玉门青西 充氮气 欠平衡 冻胶阀 储层保护

中图分类号：TE249 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0088-02

本文针对勘探和钻井中出现的新难题和新矛盾进一步研究解决，从而推动该区域勘探开发过程中钻井提速、探明储层和油气层保护步伐，提高勘探开发和钻井的综合效益，实现油藏可持续开发目标。

1 储集层地质特征

1.1 岩性特征

上部为厚层深灰色白云质泥岩与薄层浅灰色、灰白色泥质白云岩互层，局部层段含黄铁矿；下部为浅灰、杂色砾岩与浅灰、深灰、灰黑色泥质白云岩、白云质泥岩不等厚组合。砾岩成分以千枚岩、变质砂岩为主。

1.2 储层孔间类型

下沟组储层埋藏深、压实和成岩性好，岩性致密。已钻井取心、铸体薄片、荧光薄片、扫描电镜、全直径岩心X-CT扫描和成像测井资料反映，储层储集空间有孔隙和裂缝两大类，孔隙主要包括溶蚀孔洞和微孔隙（如晶间微孔及粒间微孔隙等）两类，溶蚀孔洞分为粒间溶孔、粒内溶孔、晶间溶孔及溶洞；裂缝包括构造缝、构造-溶蚀缝、压溶缝及微裂缝等。

1.3 储层物性

储层储渗空间类型主要是裂缝，其次是孔隙和孔洞。裂缝密度平均为5.52 m/条，裂缝宽度一般1 mm左右，裂缝性状以水平缝为主，且大多未充填。地下宏观裂缝宽度在16 mm左右，微观裂缝宽度在1.6～6.3m左右。基质孔隙度和渗透率很小，裂缝对渗透率贡献在99%以上。储集层孔隙度 4.6～12.6%，水平渗透率15～96.1×10-3μm2，垂直渗透率0.12～16.8×10-3μm2。

1.4 目的层压力系统

根据地震资料及邻井实测压力数据分析，该区目的层地层压力随构造位置的不同差别较大，邻井测试结果表明，下沟组压力梯度为0.97 MPa/100 m。预计青西区块储层段大部井属于正常压力系统。

1.5 储层敏感性

速敏为中等，基质对速度不敏感。水敏为中等偏强，渗透率损害程度达31%～75%。在矿化度升高情况下，其盐敏程度为中等，渗透率损害为26%～43%；矿化度降低时，其盐敏程度为中等偏强，渗透率损害为31%～71%。碱敏为中等偏强，渗透率损害为30%～62%。酸敏为弱到中等，渗透率损害在4%～63%。

1.6 油气水层

依据邻井钻探成果及地质综合研究成果，预测本井油气层位置为：中沟组K1z段：4055～4095 m；下沟组K1g2+3段：4200～4240 m，4295～4325 m，4375～4395 m；目的层段没有夹层水和伴生气。

2 常规技术钻井现状

2.1 可钻性差，钻速低

地层胶结比较致密，主要为致密的泥岩、灰质泥岩、泥质白云岩及砾岩，富含线状黄铁矿，裂缝发育，并且地层在上覆地层压力作用下变得非常致密，不仅硬度和密度增加，机械性能也向塑-脆性岩石或塑性岩石转化，高围压下的岩石可钻性变的很差，机械钻速低，导致钻井周期较长。

2.2 频发井漏复杂

目的层由于裂缝发育丰富，连通性好，钻井过程中存在严重渗漏现象。从统计资料看，已完钻井中17口发生60次余井漏，累计漏失钻井液9000 m3左右，损失时间近90天。

2.3 油气层保护难度大

裂缝与孔、洞相结合的双孔介质储层特征，存在裂缝应力敏感性伤害、固相侵入伤害、外来液相侵入伤害、结垢伤害、储层矿物敏感性伤害等因素引起的油气层伤害，采用常规技术所钻的井部分井小层表皮系数居高不下，部分井试油效果不佳，经过油层改造如酸化压裂后产量较高。

3 充氮气欠平衡钻完井技术优势

充氮气欠平衡钻井是通过钻柱向井内钻井液连续注入一定量的高压氮气，以形成不稳定的气液两相流体为钻井循环介质，达到降低全井筒液柱压力的目的。充氮气形成的气液混合钻井液为不稳定两相流体，全井筒基本上是以液体为连续相、气体为分散相的两相介质，该混相流体的优点是：地面脱气较容易，脱气后的基液可进行常规的净化处理、循环使用。

储层上部的复杂常规地层段采用技术套管封固，储层内三开实施充氮气欠平衡钻井，通过合理调配气液比来科学降低液柱压力，有效减小井底压持效应，已达到提高机械钻速的目的；同时在裸眼段环空内形成负压差，充分释放储集层能量，最大限度的减少钻进过程中外来物质对储层空间和储层渗流通道的破坏，保护储层，防止井漏。

完井阶段优选欠平衡完井配套工具，在井底欠压状态下完成下油层套管、下油管等作业，实现钻完井阶段全过程欠平衡作业，避免了储集层二次伤害。

4 现场实施情况

4.1 井身结构

与常规钻井的井身结构相比较，改进后的欠平衡钻井井身结构节省了钻井周期、节约了钻井成本，同时降低了欠平衡钻井的安全风险，更有利于实施三开充氮气欠平衡钻井作业；悬挂筛管尾管的完井管柱不但缩短了完井作业步骤和周期，便于更早的投产，同时为油气井后期改造提供了更多的选择余地。endprint

4.2 钻具组合

Ф152.4mmM1365PDC钻头+Ф121 mm双母接头×1只+Ф121 mm箭形单流阀×2只+Ф121 mm钻铤×9根+Ф89 mm加重钻杆×15根+Ф120 mm柔杆×1只+Ф120 mm随钻震击器×1只+Ф89 mm加重钻杆×3柱+Ф89 mm斜坡钻杆（至井口）+Ф127 mm旋塞阀×1只+Ф127 mm箭形单流阀×1只+Ф89 mm斜坡钻杆（单根）+Ф121 mm方保×1只+Ф127 mm下旋塞×1只+Ф108 mm方钻杆

4.3 工艺参数（见表1）（见表2）

4.4 欠平衡钻进

该井于2011年6月1日自井深4132 m开始充氮气欠平衡钻进，最高注气压力26 MPa，稳定注气压力22 MPa。欠平衡钻井初期因井底造型、跑合钻头及井下U型循环系统气液两相未混合均匀等因素，钻时不理想，钻至井深4167 m时，钻时稳定在35 min/米左右。钻至井深4379.49 m时，全烃值由0.03%左右突升至0.8%，停钻循环一小时后全烃值升至52%，点火成功，火焰呈橘黄色、伴少量黑烟，高度1～2 m，泥浆循环池及振动筛上可见油花，后续混油、充氮气钻进，地面循环系统混油量稳定增长，单根后效明显，均能点火成功。

充氮气欠平衡作业井段4132～4434 m，进尺302 m，纯钻时间304：37（h：min），机械钻速0.99 m/h，钻进过程中点火成功13次，火焰高3～6 m，前为橙黄色伴少量黑烟，后带蓝色火焰，单次最长燃烧时间142 min，累计燃烧356 min，最高总烃100%。

4.5 欠平衡完井

（1）关井求压。

充氮气循环两周后，采用基浆密度为1.09 g/cm3的泥浆脱气循环一周半，起钻至套管内关井求压，最高套压2.6 Mpa，稳定套压2.5 Mpa，折算地层压力系数1.15。下钻至井底测后效，井筒静止时间22：35，油气上窜高度3107.25 m，上窜速度137.59 m/h。

（2）冻胶注入与顶替。

采用两部水泥车同时注入基液和交联剂，注入排量600 L/min和150 L/min，注入时间12 min，然后采用1.09 g/cm3的泥浆顶替冻胶阀至2560 m，累计注入泥浆9.65 m3，最高顶替压力18 MPa。

（3）冻胶成胶与返排。

关井后套压稳定在3.2 MPa，5 h后放压判断冻胶阀成胶情况，泄压为零后再次关井套压3 min内升至0.5 MPa；分析认为冻胶阀上部气体滑脱产生圈闭套压，泄压一小时后关井，套管上升幅度为0.6 MPa/5分钟，最高压力升至3.2 MPa，初步判断冻胶阀未起到密封作用。下钻至3000 m（冻胶阀底部）循环返排冻胶阀，从返排产物观察冻胶阀与泥浆混合严重，测其密度分别为1.03、1.06、1.08 g/cm3；粘度为174 s，冻胶阀未有效成胶，在井筒内未起到密封作用。

后续二次试验冻胶阀未果，采用静平衡压井的方法完成下筛管、倒井口、下油管等作业。

5 应用效果分析

5.1 提速效果明显

该井三开采用Ф152.4 mm钻头钻进，其破岩能力比Ф215.9 mm钻头差，将该井欠平衡作业井段纯钻机械钻速与邻井同层位、同井深的Ф215.9 mm钻头常规钻井机速对比发现，该井欠平衡段机速明显提高，平均提速85 %，其中较Q2-4井提速量高达145 %。

5.2 探明和保护储层成果突出

该井充氮气欠平衡钻完井过程中累计点火成功23次，火焰高度5～8 m，累计燃烧时间661 min；自井深4379.49 m开始欠平衡钻进过程中稳定出油，出油量达2 m3/h；录、测井资料证实：欠平衡钻井成功揭开5套油层，其中3套为主力油层，油气储量客观；投产后自喷采油，日产液约29 m3，日产油约27 m3，是邻井的4～5倍。

5.3 保护钻头效果显著

欠平衡作业层段地层压力系数1.12～1.15 g/cm3，欠平衡钻进过程中裸眼段环空当量密度最高0.9 g/cm3，井底保持着3～5 MPa的动态负压差，减缓了井底压持效应，降低了井底岩石的强度；同时充氮气泥浆对井底钻屑清洗更加彻底，钻头周围参与重复破碎与旋转磨蚀钻屑颗粒减少，从而大幅度降低了钻头非有效工作时间，有效提高了钻头寿命，该井三开1只钻头一趟钻完成全部欠平衡井段，钻头进尺达302 m，较邻井φ215.9 mm钻头最大单只钻头进尺提高375.67%，工作时间高达304：37（h：min），较邻井平均指标同比提高86%。

6 结论和认识

（1）柳108井为玉门油田最深的一口充氮气欠平衡井，海拔高达2500 m，充气设备承压高达26 MPa，该井成功试验为玉门油田及类似油田高效勘探开发探索了一条新途径；（2）该井欠平衡段使用1只钻头一趟钻就完成了全部欠平衡进尺，欠平衡钻进过程中未出现任何井下复杂，纯钻机速提高85%，充分说明充氮气欠平衡钻井技术在延长钻头寿命、节约钻井周期和预防井漏复杂等方面的技术优势；（3）应用欠平衡钻井技术在柳沟庄构造下沟组地层发现了3套好油层，欠平衡完井投产后自喷采油，且出油量乐观，体现了充氮气欠平衡钻井与冻胶阀欠平衡完井相结合的全过程欠平衡钻完井技术在储层勘探和油气层保护方面具有独到的技术潜力。

参考文献

[1] 杨虎，王利国，等.欠平衡钻井基础理论与实践[M].北京：石油工业出版社，2009.

[2] 胥思平.欠平衡钻井气体体积流量的计算[M].北京：中国石化出版社，2006.endprint