九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速的可行性分析

摘 要

摘要：氣體鉆井技術(shù)在四川盆地九龍山構(gòu)造提高機械鉆速方面發(fā)揮了巨大作用，但在侏羅系沙溪廟組沙二段底部出現(xiàn)井壁坍塌，轉(zhuǎn)換成常規(guī)鉆井后鉆速較慢。為了提高該井段的機械鉆速，從巖
摘要：氣體鉆井技術(shù)在四川盆地九龍山構(gòu)造提高機械鉆速方面發(fā)揮了巨大作用，但在侏羅系沙溪廟組沙二段底部出現(xiàn)井壁坍塌，轉(zhuǎn)換成常規(guī)鉆井后鉆速較慢。為了提高該井段的機械鉆速，從巖石可鉆性與井壁穩(wěn)定兩方面進行了欠平衡鉆井的可行性分析，結(jié)果表明：沙溪廟組沙一段與千佛巖組層段設(shè)計的欠平衡鉆井液密度應(yīng)控制在1.10～1.25g/cm3，才能確保欠平衡工況下井壁穩(wěn)定；欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井相比，其巖石可鉆性系數(shù)更低，有利于明顯地提高機械鉆速；沙一段至珍珠沖組上部巖石井壁穩(wěn)定，適宜開展欠平衡鉆井提速試驗；對存在大量礫石層的珍珠沖組下部，欠平衡鉆井提速效果不明顯，可采用其他鉆井措施提高機械鉆速。龍110井的現(xiàn)場試驗表明，沙一段至馬鞍山組層段開展欠平衡鉆井，能有效地提高機械鉆速，且與鄰井龍104井的常規(guī)鉆井相比，最高可達206%。所提出的欠平衡鉆井提速模式，為廣泛開展九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速提供了經(jīng)驗和技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：九龍山構(gòu)造；氣體鉆井；侏羅紀；欠平衡鉆井；機械鉆速；可行性研究；四川盆地
    四川盆地九龍山構(gòu)造是中國石油未來開發(fā)的重點區(qū)塊，蘊含豐富的天然氣資源，目前已進入開發(fā)階段。在中國石油開展提速的大環(huán)境下，九龍山構(gòu)造鉆井提速勢在必行。目前，九龍山構(gòu)造應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)井次較多，但機械鉆速較慢，若要進一步改善鉆井速度，提高勘探開發(fā)效率，則需要一項新的鉆井技術(shù)來達到提速的目的。與常規(guī)鉆井技術(shù)相比，欠平衡鉆井能夠減小“壓持效應(yīng)”，有效地提高鉆頭的破巖效率[1～2]。因此，欠平衡鉆井技術(shù)可作為九龍山構(gòu)造提高機械鉆速的一種重要手段。要在九龍山構(gòu)造成功開展欠平衡鉆井，且達到安全快速鉆進的目的，則須研究欠平衡鉆井期間的鉆井液安全密度窗口及預(yù)期達到機械鉆速。因此，本文立足于測井、錄井及鉆井資料，重點分析不同層位的欠平衡鉆井時的巖石可鉆性系數(shù)，探討欠平衡鉆井提速的可行性，同時，對這些層位進行井壁穩(wěn)定計算，確定合理的鉆井液密度，防止井壁出現(xiàn)坍塌，最后通過現(xiàn)場試驗進行驗證，提出了一套九龍山欠平衡鉆井提速模式。本研究為廣泛開展九龍山欠平衡提速可提供經(jīng)驗和技術(shù)支持。地質(zhì)特性及鉆井概況
    九龍山構(gòu)造區(qū)域?qū)儆诖ū臂晗輲е袎?、九龍山北東向構(gòu)造群，米倉山山前帶南部。西北緊鄰龍門山推覆構(gòu)造帶，北部為米倉山臺緣隆起，東南與川中隆起帶相鄰。地層分層數(shù)據(jù)見表1。地層分層的數(shù)據(jù)表明，在于佛巖組與自流井組存在堅硬的礫巖層，其礫巖成分有石英、燧石和黃鐵礦等，研磨性強，可鉆性極差，將導致機械鉆速急劇降低，以龍17井為例，在千佛巖組2932～3036m井段，進尺共104m，消耗鉆頭11只，平均單只鉆頭進尺僅為9.5m，平均機械鉆速為0.85m/h。多個區(qū)塊的鉆井實踐表明[3～6]，與其他鉆井技術(shù)相比，氣體鉆井的提速效果異常明顯。因此，九龍山構(gòu)造開發(fā)前期，在沙溪廟組廣泛開展氣體鉆井技術(shù)，但是氣體鉆井雖然機械鉆速加快，但多口井卻出現(xiàn)井壁坍塌，使井況更加復(fù)雜(表2)，且由氣體鉆井轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井后，下部地層的機械鉆速降低明顯。若要在下部地層繼續(xù)安全快速鉆進，液體欠平衡鉆井可作為一種重要手段。
 

2 欠平衡與常規(guī)鉆井的巖石可鉆性對比
    巖石的可鉆性反映了鉆頭破碎巖石的難易程度，且無論采用哪種鉆井技術(shù)，巖石的可鉆性都是影響機械鉆速的關(guān)鍵因素。對九龍山構(gòu)造而言，不同井段的巖石可鉆性分析對有效地提高機械鉆速至關(guān)重要。
    國內(nèi)外研究表明[7]，巖石的可鉆性不僅與鉆頭類型、巖石性質(zhì)等相關(guān)，還與圍壓有一定的關(guān)系。欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井的巖石可鉆性的差異就在于圍壓不同。至今，國內(nèi)外預(yù)測巖石可鉆性的較成熟的方法有幾十種，其中，利用測井、錄井資料預(yù)測已成為分析特定的油氣田及地質(zhì)條件下巖石可鉆性的一種有效方法[5～7]。因此，本文利用這種預(yù)測方法對九龍山構(gòu)造多個層位進行欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井巖石的可鉆性進行計算，并建立相應(yīng)的巖石可鉆性曲線(圖1)，計算方法見本文參考文獻[8]，以此探討不同層位欠平衡鉆井能否達到提速的目的。

    根據(jù)地層分層顯示，不同層位的巖石性質(zhì)差異較大，巖石的可鉆性影響也較大。以龍102井為例，在沙一段，地層壓力系數(shù)為1.20～1.30，巖石主要是棕紅、暗紫色砂質(zhì)泥巖與淺灰、灰綠色細、中粒長石砂巖、長石石英砂巖互層，中部夾三層薄層藍灰色石灰?guī)r。在千佛巖組，地層壓力系數(shù)與沙一段一致，巖石主要是綠灰色含長石石英砂巖、石英砂巖、綠灰或紫紅色砂巖、泥巖韻律互層。巖石可鉆性系數(shù)計算結(jié)果見圖2。在珍珠沖組底部，地層壓力系數(shù)為1.50～1.65，且存在大量的礫石層，巖石的可鉆性系數(shù)與上部巖層存在不同，欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井的巖石可鉆性系數(shù)計算結(jié)果見圖3。

    圖1表明，在常規(guī)鉆井下，鉆井液密度為1.40g/cm3，巖石的可鉆性系數(shù)為3.96～4.1；在欠平衡鉆井下，鉆井液密度為1.10g/cm3，巖石的可鉆性系數(shù)為3.71～3.86。常規(guī)鉆井與欠平衡鉆井的巖石可鉆性系數(shù)相比，兩者差值范圍為0.25左右。圖2表明，隨著井深的增加，巖石的抗壓強度增大，巖石的可鉆性系數(shù)也相應(yīng)增大，但欠平衡鉆井的巖石可鉆性仍低于常規(guī)鉆井。圖3表明，常規(guī)鉆井下，礫石層的可鉆性系數(shù)為8.2，即使采用欠平衡鉆井，巖石的可鉆性系數(shù)也較高，達到7.6。
    龍102井的巖石可鉆性系數(shù)剖面計算表明，在沙一段至珍珠沖組上部，無論常規(guī)鉆井還是欠平衡鉆井，其巖石可鉆性系數(shù)不高，采用牙輪鉆頭都能有效地破碎巖石，但欠平衡鉆井的巖石可鉆性系數(shù)比常規(guī)鉆井低2個百分點，合理設(shè)計鉆井參數(shù)仍能有效地提高機械鉆速；但是在珍珠沖組底部，欠平衡鉆井的巖石可鉆性系數(shù)為7.6，牙輪鉆頭破碎巖石的難度增大，說明即使圍壓降低不明顯，也難以提高鉆頭破碎巖石的力度。因此，要在珍珠沖組底部提高機械鉆速，則有必要采用其他鉆井措施，如氣體鉆井技術(shù)或高效提速工具。
3 欠平衡鉆井的可行性分析
    要在九龍山構(gòu)造安全開展欠平衡鉆井，前提是必須滿足井壁穩(wěn)定條件。測井資料表明，沙一段至珍珠沖組井段多含有泥巖段。因此，有必要采用泥頁巖水化模型分析坍塌壓力剖面。為此，本文利用測井資料，采用加拿大STAB-WELL欠平衡鉆井井壁穩(wěn)定分析軟件對不同層位進行井壁穩(wěn)定計算。圖4是沙一段的3種壓力剖面。從圖4中可以看出，該段破裂壓力高，孔隙壓力梯度為1.254g/cm3，最高坍塌壓力梯度為1.094g/cm3，欠平衡設(shè)計的鉆井液密度必須要高于最低坍塌壓力梯度，設(shè)計的范圍為1.10～1.25g/cm3。圖5是千佛巖組層段的3種壓力剖面，計算結(jié)果表明，該段最高坍塌壓力梯度為1.10g/cm3，欠平衡設(shè)計的鉆井液密度必須高于最低坍塌壓力梯度，設(shè)計的范圍為1.10～1.25g/cm3。
 

    從沙一段與千佛巖組層段的井壁穩(wěn)定計算可以看出，只要鉆井液密度設(shè)計合理，可確保欠平衡鉆井的井壁穩(wěn)定安全，同時，也證明在九龍山構(gòu)造開展液體欠平衡鉆井技術(shù)在理論上是完全可行的。
4 試驗結(jié)果對比
    為了進一步說明欠平衡鉆井的提速效果，將欠平衡鉆井與鄰井常規(guī)鉆井的機械鉆速進行對比，結(jié)果見表3。
 

    從表3可以看出，在沙一段至馬鞍山組層段，與常規(guī)鉆井技術(shù)相比，欠平衡鉆井能夠明顯提高機械鉆速，其中，與龍104井對比，最高可達206%。
    通過以上的分析及現(xiàn)場試驗和效果對比，可建立一套九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速模式，即沙一段至珍珠沖組上部，設(shè)計鉆井液密度為1.10～1.25g/cm3，井壁穩(wěn)定，且?guī)r石可鉆性系數(shù)不高，適宜開展欠平衡鉆井提速，對存在大量礫石層的珍珠沖組下部井段，可采用其他鉆井措施提高機械鉆速。
5 結(jié)論
1) 沙一段與千佛巖組層段的最高坍塌壓力梯度都處于1.10g/cm3附近，地層孔隙壓力為1.254g/cm3。因此，設(shè)計的欠平衡鉆井液密度應(yīng)控制為1.10～1.25g/cm3，才能確保欠平衡工況下井壁穩(wěn)定。
    2) 欠平衡鉆井與常規(guī)鉆井相比，其巖石可鉆性系數(shù)更低，有利于明顯提高機械鉆速；沙一段至珍珠沖組上部巖石可鉆性系數(shù)在4.0附近，適宜開展欠平衡鉆井提速；對存在大量礫石層的珍珠沖組下部，無論欠平衡鉆井還是常規(guī)鉆井，巖石可鉆性都較高，且分布在7.5附近，欠平衡鉆井提速效果不明顯，可采用其他鉆井措施提高機械鉆速。
    3) 龍110井的現(xiàn)場試驗表明，沙一段至馬鞍山組層段開展欠平衡鉆井，能有效地提高機械鉆速，且與鄰井龍104井的常規(guī)鉆井相比，最高可達206%。
    4) 提出的欠平衡鉆井提速模式，為廣泛開展九龍山構(gòu)造欠平衡鉆井提速提供了寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)支持。
參考文獻
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(本文作者：潘登1 邢景寶2 林然2 李順2 1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院；2.西南石油大學)