储层氮气钻井技术研究与应用

2021-09-28周长虹

天然气勘探与开发 2021年3期

尹建周长虹李刚

1. 中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室

0 引言

氮气钻井是以氮气作为钻井循环介质的一种欠平衡钻井方式，由于氮气密度远低于泥浆密度，能够有效避免外来流体对储层的污染，便于及时发现和保护油气层，最大限度地获得储层的原始产能，因此氮气钻井技术是实现气井获产、稳产的有效手段[1-7]。国外自1990年开始，就将该技术大量应用于低渗、致密油气藏等难动用油气资源的开发，并拓展到扩大勘探发现率、提高气井产能和气藏采收率。目前氮气钻井成为主流钻井技术中的重要组成部分，氮气钻井的年最高进尺占年总钻井进尺的30%[8-9]。尽管我国低渗、致密油气藏资源丰富，但普遍埋藏较深、地质条件复杂、开发难度较大[10-13]。为有效开发这些难动用油气资源，国内自2005年，吐哈油田红台2-15井开始进行储层氮气钻井的研究与应用[14]。历经10余年的持续研究与攻关，已逐步完善形成了一系列储层氮气钻井与完井配套技术和装备，目前已在四川、新疆地区多个低渗油气藏完成了氮气钻井与完井技术应用，并取得了良好效果[14-16]。

1 储层氮气钻井技术

氮气钻井的工艺流程为[17-19]：首先将氮气增压后通过立管三通注入钻具，氮气通过钻头时会对钻头进行冷却，同时完成携带岩屑的任务，然后氮气和岩屑通过井中进入排砂管线，排砂管线上安装一个岩屑取样器便于取样，最后到岩屑池，在排砂管线末端设置长明火用于气体检测（图1）。

图1 储层氮气钻井工艺流程示意图

为有效保障氮气钻井的顺利实施，形成了较为完善的储层氮气钻井工艺和配套装备，拥有8项特色技术。

1.1 地层适应性评价技术

建立了地质目标层氮气钻井可行性、安全性评估手段，形成了一套用于气体钻井选区、选层、选井的地质适应性评价技术[20]。

1.1.1 地层油气水分布评价

包括地质水文资料分析、利用测井资料预测油气水层，及间接定量，通过邻井的钻井、测试等资料来作分析。

1.1.2 井壁稳定性评价技术

利用泥浆钻井条件下的测井资料，通过去水化反演技术获得气体钻井条件下井周岩石力学参数及应力状态，进而评价气体钻井井壁稳定性。

1.1.3 储层伤害评价

储层伤害评价可以量化常规钻井、欠平衡钻井方式对储层造成的影响，分为液相钻井条件下的固液相伤害、完井投产过程中的储层伤害及产能恢复程度、应力敏感性评价。

1.1.4 安全性评价技术

安全性评价技术通过计算套管强度以及钻具上顶力来判断能否开展氮气钻井，套管强度校核是对气体钻井上一层套管抗外挤强度按全掏空进行校核，计算抗外挤安全系数不小于1.0则满足氮气钻井需求；钻具上顶风险分析考虑极限条件下、储层钻遇高产油气时产生的最大上顶力，若小于钻具总重量，则可实施氮气钻井，若大于钻具总重量，则无法开展氮气钻井。

1.1.5 经济性评估

经济性评估是根据作业目的、内容以及评估的方式不同，评估应用气体钻井产生的预期经济效益与气体钻井成本的大小关系，总体原则是应用气体钻井产生的预期经济效益大于气体钻井成本。其中，若以提速治漏为目的，那么主要考虑应用气体钻井节约钻井周期和节省泥浆带来的预期效果；而以储层开发为目的，则主要考虑应用气体钻井提升单井产量带来的预期效果。

1.2 钻井优化设计技术

从目的层地层压力系数和地层流体物性出发，对井身结构、钻井方式、钻井参数、地面装备配置、钻井安全等内容进行全面优化设计，形成了较为完善的储层氮气钻井参数优化设计技术。

1.3 井斜控制技术

采用EM-MWD（Electromagnetic Wave-Measure While Drilling，缩写为“EM-MWD”，意为无线随钻测量仪器，或无线随钻测量技术）随钻监测井斜、方位，实时调整钻井参数、优化钻具组合，实现氮气钻水平井段、大斜度井段井斜的有效控制。其中增斜组合为钻头 + 弯螺杆 + 常闭式回压阀2只 + 定向接头 + 无磁钻铤 + 钻铤 + 斜坡钻杆；稳斜组合为钻头 + 扶正器 + 常闭式回压阀2只 + 无磁钻铤×1根 + 测量总成悬挂短节 + 扶正器 + 斜坡钻杆 + 发射总成悬挂短节 + 绝缘短接 + 斜坡钻杆。

1.4 一体化集中监控技术

一体化集中监控技术集出口返出流体监测、地面设备监控为一体，为氮气安全钻进提供保障。可对返出流体中可燃气体、硫化氢、湿度、钻井参数等进行实时监测和记录，同时可对设备的运行状态的进行实时监测和远程紧急关断。

1.5 氮气钻井井控技术

以实施积极井控为理念，从提高发现油气显示快速关井、放喷的角度出发，建立了一套以监测发现、岗位分工、关井程序、远程关断等为主的井控制度和规范，为储层氮气安全钻井提供保障。氮气钻井井控技术是一种有效的地层流体返出监测技术，有迅速的井口控制程序：“发、停、开—关、提、关、看”，具体井口控制程序如下。

①发：发出信号；

②停：停转盘或顶驱（气体钻井操作人员观察并记录注气压力变化，并根据注入压力调节泄压撬体针阀开度或停止注气）；

③开—关：开启液动平板阀，关闭环形防喷器；

完成以上动作后，迅速报告值班干部，确认安全的条件下再执行下步动作。

④提：上提方钻杆（顶驱上提钻具调整接头位置）；

⑤关：关闭半封闸板防喷器；

⑥看：观察、记录立管和套管压力，并向队长或钻井工程师（技术员）及钻井监督、安全监督报告。

1.6 不压井起下钻技术

不压井起下钻技术是配套了不压井起下钻装置，以不同地层产气量、套压为依据的安全施工技术，该技术为后期完井方式及工艺的选择提供技术支撑，分为无套压和有套压两种情形，在无套压时，防喷器配合旋转控制胶芯不压井起下钻；在有套压时，综合钻具上顶力大小，配合使用不压井起下钻装置处理。

1.7 氮气钻储层完井技术

为避免氮气钻井结束后转换泥浆污染地层，形成了裸眼下筛管完井及油钻杆完井技术。裸眼下筛管完井采用筛管 + 定压接头，已在大塔场构造规模使用，而油钻杆完井技术采用投球蹩通旁通阀或带压射孔，可以在地层压力近90 MPa、气产量高达100×104m3/d的情况下安全实施。

1.8 井下复杂处理技术

针对储层氮气钻井可能出现的钻遇油层携砂困难等问题，发展完善了油分散泡沫体系，形成了氮气钻储层防堵卡工艺技术及油层携砂工艺技术，为储层氮气钻井的安全实施提供技术支撑。

2 现场应用效果

近年来，中国石油川庆钻探工程有限公司气体钻井在川渝大塔场、荷包场、广安地区、新疆塔里木、青海柴达木以及吉林英台等区块，实施储层氮气钻井80余井，有效提高了单井测试产量，实现了难动用油气藏的效益开发（表1）。

表1 川庆钻探公司气体钻井实施氮气钻井施工统计表

2.1 塔里木高压低渗敏感性储层获得突破

新疆塔里木迪西构造侏罗系阿合组储层埋深4 708～5 000 m，属高压、低孔、低渗、致密砂岩储层（地层压力85 MPa、地层压力系数1.78、平均孔隙度5.2%，平均渗透率0.69 mD）。该地区在1998年之前常规钻井5口，改造后的测试产气量最高为14.14×104m3/d（依南2井），因产量低使得该区块沉寂多年。为避免储层液相伤害、获取地层原始产能，2011年实施4井次的氮气钻井作业，取得重大勘探突破。

迪西1井在阿合组第四次开钻215.9 mm井眼4 708.50～4 811.38 m井段、第五次开钻149.2 mm井眼4 880.10～5 000.00 m井段开展了氮气钻井作业，前一井段获测试产气量57.19×104m3/d、产油量58.3 m3/d，后一井段获测试产气量24.11×104m3/d、产油量42.5 m3/d，这两个井段共获测试产气量81.30×104m3/d、产油量 100.8 m3/d（表 2），由于环空带压被迫转换成钻井液完井，在钻井液压井酸化改造后，这两个井段的测试产气量12×104m3/d、产油量7.5 m3/d，同比分别下降85%、93%。