摘要：腰深1井是部署在松遼盆地長嶺斷陷達爾罕斷凸帶腰西構(gòu)造高點上的一口直探井。該井儲集層具有典型的低孔隙度、低滲透率特征，常規(guī)鉆井容易引起儲層傷害，造成氣層產(chǎn)能下降，甚至不能發(fā)現(xiàn)氣層。為此，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與巖性特征分析的基礎(chǔ)上，論證了對該井實施欠平衡鉆井的必要性和可行性，結(jié)合腰深1井的地質(zhì)特征與井身結(jié)構(gòu)參數(shù)，對欠平衡鉆井實現(xiàn)方式、欠平衡壓差、鉆井液體系與性能以及欠平衡鉆井參數(shù)等進行了設(shè)計。施工結(jié)果表明：欠平衡鉆井技術(shù)保護了儲集層，提高了鉆井速度，延長了鉆頭壽命，鉆進過程中發(fā)現(xiàn)了3套主力氣層，達到了預(yù)期目標(biāo)。該井欠平衡鉆井技術(shù)的成功應(yīng)用，驗證和完善了欠平衡鉆井設(shè)計和施工理論與方法，有助于欠平衡鉆井技術(shù)的進一步應(yīng)用和推廣。
關(guān)鍵詞：松遼盆地；腰深1井；欠平衡鉆井；可行性；充氣鉆井；欠平衡鉆井設(shè)計；壓差控制；鉆井液體系
腰深1井是中石化部署在松遼盆地長嶺斷陷達爾罕斷凸帶腰西構(gòu)造高點的一口直探井。該地區(qū)儲集層埋深大、地層溫度高，成巖作用強，物性較差且非均質(zhì)性強，具有典型的低孔、低滲特征。在腰英臺地區(qū)采用常規(guī)鉆井技術(shù)，鉆井液容易進入地層，造成地層傷害，引起氣層產(chǎn)能下降，甚至不能發(fā)現(xiàn)氣層[1]。欠平衡鉆井過程中鉆井液液柱壓力小于地層壓力，允許地層流體進入井眼，從而減輕或避免地層傷害，已成為經(jīng)濟、有效地開發(fā)低滲透油氣藏的重要手段[2～6]。因此，欠平衡鉆井技術(shù)可用于解決腰深1井鉆井過程中出現(xiàn)的儲層傷害問題。為此，筆者對腰深1井欠平衡鉆井的可行性進行了論證，并對欠平衡鉆井壓差、欠平衡鉆井液密度以及性能、欠平衡鉆進參數(shù)以及欠平衡壓差控制方法進行了設(shè)計，對腰深1井欠平衡鉆井施工過程以及施工效果進行了總結(jié)分析。
1 地層特征及欠平衡鉆井可行性
1.1 地層特征
腰深1井所處的腰英臺深層構(gòu)造是在基底隆起背景上發(fā)育的背斜構(gòu)造，和南部的達爾罕構(gòu)造位于一個構(gòu)造帶內(nèi)，位于長發(fā)屯斷陷槽邊部，達爾罕斷凸帶的最前緣。儲集體巖性多以砂礫巖、含砂中-粗砂巖、細中砂巖為主，含部分火成巖，發(fā)育火山巖氣藏。其地層主要有以下特點：①孔隙度低，目的層為營城組火山巖，以流紋巖為主，含少部分熔結(jié)凝灰?guī)r。鄰井測井資料和巖心分析結(jié)果表明，儲集層孔隙主要為孤立氣孔或溶蝕氣孔，有效性較好，部分發(fā)育裂縫且主要發(fā)育低孔隙度層段，巖心物性分析結(jié)果表明，孔隙度介于4.7%～8.6%，平均為7.47%，屬于低孔隙度儲層；②滲透率低，測井解釋結(jié)果與取心分析統(tǒng)計表明，儲集層滲透率介于0.92～0.13mD，平均滲透率為0.10mD，屬于特低滲透率儲層；③局部存在異常低壓，井深超過3568m的地層可能存在異常低地層壓力，依據(jù)地質(zhì)設(shè)計3568m以深地層壓力系數(shù)為1.10，但不排除低地層壓力的可能。
1.2 欠平衡鉆井的必要性和可行性
根據(jù)地震資料和鄰井地層壓力分析，腰深1井地層壓力預(yù)測結(jié)果如表1所示?？梢缘贸鲆韵抡J(rèn)識：
1) 必要性：腰深1井目的層營城組屬于典型的低孔、低滲氣藏，利用常規(guī)鉆井方式容易引起儲層傷害，不能夠及時發(fā)現(xiàn)油氣層。不論是出于保護油氣層、較為準(zhǔn)確地獲取儲層地質(zhì)參數(shù)及相關(guān)的油、氣、水資料，還是客觀評價腰英臺深層構(gòu)造天然氣資源及儲量計算等多方面考慮，該井采用欠平衡鉆井技術(shù)都非常必要。
2) 可行性：由表1和鄰井資料可知，首先，腰深1井儲層壓力系數(shù)為1.10，屬于正常壓力系統(tǒng)，能夠保證欠平衡鉆井井控安全；其次，儲層巖性主要為火成巖，穩(wěn)定性好，井壁不易坍塌[7～8]，可以滿足欠平衡鉆井的井壁安全需要。
2 欠平衡鉆井設(shè)計
依據(jù)腰深1井的氣井特點、井身結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)要求，為保證安全、有效鉆達目的層，設(shè)計了兩種欠平衡實現(xiàn)方式：液相欠平衡和充氣欠平衡，兩種欠平衡方式選擇的依據(jù)是：①如果實際地層壓力系數(shù)為1.10，則可用該密度直接進行液相欠平衡鉆井；②如果實際地層壓力系數(shù)低，采用液相欠平衡技術(shù)達不到欠平衡條件，則采用充氣鉆井。
2.1 欠平衡壓差設(shè)計
欠平衡壓差就是地層孔隙壓力與井眼壓力之差，也叫欠平衡壓力，也稱為負(fù)壓差[3～5]，欠平衡壓差設(shè)計的合理與否直接關(guān)系到欠平衡鉆井技術(shù)的成敗[5～6]。地層壓力系數(shù)是欠平衡壓差設(shè)計的主要依據(jù)，根據(jù)表1中的地層壓力系數(shù)，優(yōu)先采用低黏土相鉆井液體系進行液相欠平衡鉆井，充氣設(shè)備作為備用。
2.1.1液相欠平衡壓差及鉆井液密度設(shè)計
對于液相欠平衡鉆井只要在循環(huán)鉆進過程中達到欠平衡就能滿足欠平衡鉆井要求，欠平衡壓差稍大于零就能滿足需要。對于高氣油比油井或氣井，動欠平衡壓差(指沒有油氣侵的情況下)可取為零，因為產(chǎn)出的氣會使環(huán)空靜液柱壓力急劇減小，控制產(chǎn)氣量可降低對井口壓力的控制，同時可以防止地面處理設(shè)備過載，液相欠平衡鉆井欠平衡壓差一般取0.7～1.4MPa。根據(jù)腰深1井地質(zhì)設(shè)計，地層壓力系數(shù)按1.10設(shè)計，采用液相欠平衡鉆井，欠平衡壓差設(shè)計為1.10MPa，液相欠平衡壓差設(shè)計結(jié)果見表2。
2.1.2充氣欠平衡壓差及鉆井液密度設(shè)計
由于氣液兩相流的不穩(wěn)定性，井底壓力波動較大，國外資料顯示，鉆桿注氣壓力波動可達2.1～3.5MPa。因此充氣鉆井的欠平衡壓差一般取1.7.0～3.5MPa。據(jù)表1的結(jié)果，地層壓力系數(shù)按0.96設(shè)計采用充氣欠平衡鉆井，利用美國Maurer工程公司欠平衡多相流水力計算軟件，欠平衡壓差設(shè)計為1.7MPa，設(shè)計結(jié)果見表2。
2.2 欠平衡壓差實時調(diào)控
2.2.1實際地層壓力低于預(yù)計壓力
如果地層壓力低于預(yù)計壓力，在地質(zhì)預(yù)測為氣層、而實際沒有顯示時，調(diào)整施工參數(shù)降低鉆井液當(dāng)量密度，每次降密度不得超過0.02g/cm3，每次降低后循環(huán)1～2周而沒有顯示，可繼續(xù)降低，降低密度循環(huán)時要注意觀察，確保井壁穩(wěn)定，鉆井液當(dāng)量密度最終不得低于地層坍塌壓力。
2.2.2實際地層壓力高于預(yù)計壓力
如果地層壓力高于預(yù)計壓力，鉆進時發(fā)現(xiàn)溢流顯示應(yīng)立即關(guān)井求壓，確定實際地層壓力。鑒于欠平衡壓力太高會造成全烴值過高，干擾新儲層的氣測顯示，且增加井控風(fēng)險，探井欠平衡壓力設(shè)計不宜太高，以1MPa為宜。因此，如果欠平衡壓力小于3MPa，通過增加回壓繼續(xù)實施欠平衡鉆進；否則應(yīng)按欠平衡壓力1MPa調(diào)整鉆井液密度后再進行欠平衡鉆進。
2.2.3欠平衡鉆井壓差的控制
對于液相欠平衡通過井口回壓控制壓差，充氣欠平衡通過改變氣液比控制壓差。依據(jù)不同情況其控制措施有：①按井底常壓法，平穩(wěn)操作節(jié)流閥控制井口回壓，確保欠平衡壓力滿足設(shè)計要求，回壓宜控制在3MPa之內(nèi)；②通過現(xiàn)場分析，火焰明顯增大，鉆井液體積增量值有上升趨勢，應(yīng)適當(dāng)增大回壓值；③當(dāng)回壓超過7MPa時或井內(nèi)出氣嚴(yán)重，液氣分離器壓力超過其額定壓力的50%時必須調(diào)整鉆井參數(shù)，當(dāng)井口回壓降至安全壓力時再繼續(xù)鉆進；④在欠平衡鉆井井口有回壓的情況下，須有專人負(fù)責(zé)巡回檢查地層流體在地面流經(jīng)路線是否存在泄漏現(xiàn)象，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)立即組織整改。
2.3 欠平衡鉆井液性能設(shè)計
從腰深1井鄰井DB2井和DB11井情況來看：①DB2井在鉆進至嫩江組、姚家組地層時，出現(xiàn)垮塌掉塊現(xiàn)象；②DB11井鉆進至4002.07m時出現(xiàn)井內(nèi)垮塌現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)整鉆井液性能后返出大量巖屑，井下才恢復(fù)正常。從腰深1井地層巖性預(yù)測結(jié)果可知，欠平衡鉆井井段存在泥巖層，易吸水膨脹而產(chǎn)生剝落掉塊、垮塌。從鄰井分析和腰深1井巖性預(yù)測均表明，在欠平衡井段應(yīng)選用防塌性能好的鉆井液體系，為此決定采用聚合醇抑制型防塌鉆井液體系。
2.3.1鉆井液體系配方
淡水+2%～4%膨潤土+2%～4%聚合醇抑制劑+0.4%～0.6%KPAM+1%～2%SD201+1%～2%PAC+2%～3%SMP+1%～2%SR-1+其他輔助處理劑。
處理添加劑：加重劑、封堵防塌劑、油層保護劑、NaOH、純堿、鉆具防腐抗氧劑、超細碳酸鈣等。
2.3.2鉆井液體系性能設(shè)計及測定
腰深1井欠平衡井段巖性以流紋巖為主，中間夾泥巖、砂巖，為防止泥巖吸水膨脹，要求鉆井液黏度保持在55s左右。針對腰深1井地層對鉆井液性能特殊要求，結(jié)合欠平衡壓差設(shè)計結(jié)果，選用聚合醇鉆井液體系，對欠平衡鉆井液性能進行了設(shè)計。根據(jù)行業(yè)操作標(biāo)準(zhǔn)，對腰深1井鉆井液配方進行調(diào)整和性能測定。調(diào)整后的鉆井液性能見表3。
2.4 腰深1井鉆井參數(shù)設(shè)計
2.4.1鉆頭選型
欠平衡鉆井井段3576～4200m，上部巖性主要為流紋巖、英安巖夾流紋質(zhì)凝灰?guī)r，頂部為砂、泥巖；中、下部為玄武巖、安山巖、輝綠巖、英安巖、玻屑、晶屑、流紋質(zhì)、安山質(zhì)凝灰?guī)r，局部泥巖和細砂巖夾層；底部為灰色含粉砂質(zhì)泥巖。地層硬度較大且含有泥巖、砂巖夾層，不易采用PDC鉆頭，
推薦使用牙輪鉆頭。從鄰井來看，DB11井從3381.3m鉆至井深4300m過程中共使用鉆頭15只，其中HA537鉆頭4只，HA637鉆頭10只，PDC鉆頭1只。其中在3885.70m下入PDC鉆頭，由于地層交錯，造成PDC鉆頭落井，無進尺。根據(jù)腰深1井巖性和鄰井鉆頭使用情況分析，推薦牙輪鉆頭，型號為HJ637G。
2.4.2參數(shù)確定
由腰深1井巖性分析可知，欠平衡井段巖性以中硬和硬地層為主，巖石的壓入硬度較大、研磨性較高。因此需要較大鉆壓使切削齒壓入地層，為避免切削齒較快磨損，鉆進時不能過分增大轉(zhuǎn)速，結(jié)合該井段鉆頭類型為牙輪鉆頭，故采用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速，鉆壓范圍是160～180kN，轉(zhuǎn)速50～70r/min。根據(jù)長深1井的實鉆情況，腰深1井欠平衡井段3576～4200m，鉆井液攜巖要求的環(huán)空返速為1.20m/s。利用鉆井水力計算公式，可以求得腰深1井泵壓范圍是15～18MPa，排量為25～28L/s。
腰深1井鉆井參數(shù)設(shè)計結(jié)果如表4所示。
3 欠平衡鉆井現(xiàn)場施工與調(diào)控
腰深1井于2006年6月12日23：00開始第三次開鉆欠平衡鉆進施工，液相欠平衡鉆井液密度1.03～1.07g/cm3，施工井段為3569.20～3750.00m，進尺180.80m，純鉆進86.67h，平均機械鉆速2.09m/h，使用Φ216mm牙輪鉆頭一只，目的層氣體顯示較好，歷時7d欠平衡鉆進井段長度183m。
3.1 施工過程與施工參數(shù)
實際第三次開鉆欠平衡鉆進中，采用液相欠平衡技術(shù)達到了欠平衡條件，充氣設(shè)備一直待命未用。其施工過程可以分為兩個階段。
1) 井段3569.20～3680.O0m鉆井液密度1.04～1.05g/cm3。6月13日6：22鉆進至井深3585m立壓開始下降，地層氣開始進入井筒。鉆進至井深3594.O0m自動點火，此后一直邊噴邊鉆。燃燒火焰呈明亮橘黃色，火焰高度介于2～11m。由于氣體流量較大，決定節(jié)流加壓，控制地層氣體進入量，實現(xiàn)安全鉆井。9：27開始節(jié)流控制，套壓穩(wěn)定在2MPa左右，立壓穩(wěn)定在8～10MPa的范圍內(nèi)，氣體流量維持在1000～1200m3/h，火炬持續(xù)燃燒；氣體流量最高達1601m3/h，平均機械鉆速近5m/h。鉆進至井深3662m鉆遇新的儲層，大量氣體侵入井筒，氣體流量1200～1500m3/h?？刂乒?jié)流壓力提高至3～5MPa，處理接單根油氣后效最高套壓14.28MPa，鉆井液噴濺嚴(yán)重，燃燒管線氣流攜帶有大量的鉆井液，火焰高度3～8m，14日17：30決定提高鉆井液密度至1.07g/cm3，以保證安全欠平衡鉆進。
2)井段3680.O0～3750.O0m鉆井液密度1.07g/cm3。6月14日21：45開始用1.27g/cm3重漿15m3，鉆井液密度提高至1.07g/cm3。由于密度提高，鉆井泵排量增大，循環(huán)摩阻增大，鉆井液液柱壓力增加，降低了井口回壓，節(jié)流套壓控制在1～3MPa的范圍內(nèi)，立壓穩(wěn)定在9～12MPa之間，氣體流量900～1200m3/h，火焰高度3～8m。6月16日8：30鉆進至井深3723.0m，由于鉆速較慢，嘗試開大節(jié)流閥，降低立壓鉆進，減小井底巖屑壓持效應(yīng)，提高機械鉆速。6月17日0：O0順利鉆進至井深3750.O0m，充分循環(huán)后，采用1.30g/cm3的重泥漿全井壓井起鉆。
3.2 欠平衡鉆井壓差的實時調(diào)控
在腰深1井施工過程中進行了一次鉆井液密度調(diào)整，腰深1井實際欠平衡壓差如表5所示。
1) 本井自第三次開鉆井深3570m開始節(jié)流鉆進，套壓控制在2～3MPa，鉆進至井深3665.25m后，地層氣體進入量增大，泥漿槽出口鉆井液噴涌嚴(yán)重，節(jié)流套壓增至3～5MPa。
2) 根據(jù)設(shè)計，節(jié)流回壓控制在3MPa以內(nèi)，因此決定自井深3680m將鉆井液密度由1.04g/cm3調(diào)整至1.07g/cm3鉆進，此后節(jié)流加壓1～3MPa。鑒于欠平衡壓差太高增加井控風(fēng)險，氣井欠壓差設(shè)計不宜太高，以1MPa為宜。
3) 如果欠壓差超過1MPa，通過增加回壓繼續(xù)進行欠平衡鉆進；節(jié)流回壓超過3MPa應(yīng)調(diào)整鉆井液當(dāng)量密度后再進行欠平衡鉆進。
4 欠平衡鉆井施工效果
4.1 油氣顯示情況
通過隨鉆綜合分析，腰深1井欠平衡段共鉆遇3段主力氣顯示層，其具體情況如下：
1) 3585～3603m井段，厚度為18.O0m，巖性為凝灰?guī)r。在井深3594m燃燒管線尾部火炬自動點火成功，火焰呈明亮橘紅色，焰高2～8m，之后持續(xù)邊噴邊鉆。
2) 3611～3621.50m井段，厚度為10.50m，巖性為凝灰?guī)r。焰高2～8m，由于井口鉆井液噴濺嚴(yán)重，人為控制井口套壓在3MPa以下，才保持井口鉆井液液面穩(wěn)定，但接單根后效顯示仍然很高，顯示上竄至井口，鉆井液有噴涌現(xiàn)象，排氣管線氣流量最大可達1601m3/h。
3) 3652.50～3680.50m井段，厚度為28m，巖性為流紋巖。焰高2～9m，1m以內(nèi)有明顯氣流聲。井口鉆井液噴濺嚴(yán)重排氣管線氣流量最大可達2105m3/h，處理后套壓最大達到13.5MPa。
上述3段主力氣層累計厚度為56.50m，欠平衡鉆井為儲層實時評價提供了有力的技術(shù)支撐。2006年6月20日中途測試求產(chǎn)、放噴點火，獲得高產(chǎn)工業(yè)性氣流。
4.2 欠平衡施工效果評價
欠平衡鉆井技術(shù)在腰深1井應(yīng)用實踐表明，欠平衡鉆井為優(yōu)質(zhì)、快速、安全鉆井提供了有力支持和保障，安全圓滿地完成了鉆探任務(wù)。欠平衡鉆井的優(yōu)勢：
1) 減少油氣層污染，提高油氣產(chǎn)能。本井自井深3585m開始實施欠平衡鉆進，由儲層進入井筒的瞬時氣體流量為414～2010m3/h，燃燒火焰高度2～11m，節(jié)流回壓一般控制在0～5MPa。井底處于欠平衡狀態(tài)，從而極大地減輕了鉆進過程中鉆井液侵入地層對儲層的污染，保護了油氣儲層。
2) 提高了機械鉆速，延長鉆頭壽命。欠平衡鉆進過程中，鉆井液循環(huán)壓力低于地層壓力，消除了正壓差對巖屑的壓持效應(yīng)，避免了巖石的重復(fù)研磨，提高了機械鉆速，延長了鉆頭壽命。欠平衡井段3569.2～3750.0m，進尺180.80m，純鉆進86.67h，平均機械鉆速2.09m/h，使用萬216mm牙輪鉆頭一只，鉆時超過6m/h的段長就有31m。
3) 連續(xù)、實時的地層評價，及時發(fā)現(xiàn)油氣層。由于井底處于欠平衡狀態(tài)，地層油氣持續(xù)進入井筒，鉆遇新氣層時，進入井筒的氣量隨之增加，從而為及時發(fā)現(xiàn)油氣層、儲層實時評價提供了有力的技術(shù)支撐。第三次開鉆欠平衡段發(fā)現(xiàn)有3段主力氣層，累計厚度達56.50m。
4) 欠平衡裝置保障井口安全。腰深1井欠平衡鉆井過程中，一直使用旋轉(zhuǎn)控制頭軸承總成密封井口進行鉆進、接單根、循環(huán)、起下鉆等作業(yè)。處理接單根氣體時，旋轉(zhuǎn)控制頭承受套壓高達14.28MPa，在設(shè)備方面為該井優(yōu)質(zhì)、快速、安全鉆井提供了有力支撐和保障。
5 結(jié)論
1) 腰深1井低孔隙度、低滲透特性使得實施欠平衡鉆井技術(shù)成為必要手段；儲集層巖性主要為火成巖、地層穩(wěn)定性好、不易坍塌為欠平衡提供了基礎(chǔ)。
2) 結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，推薦液相欠平衡鉆井欠平衡壓差一般取0.7～1.4MPa；充氣鉆井欠平衡壓差一般取1.70～3.5MPa。
3) 欠平衡鉆井技術(shù)保護了儲集層，提高了鉆井速度，延長了鉆頭壽命，鉆進過程中發(fā)現(xiàn)了3套主力氣層，為連續(xù)、實時地層評價，及時發(fā)現(xiàn)氣藏起到了很好的技術(shù)支撐。
4) 腰深1井欠平衡鉆井技術(shù)的成功應(yīng)用，驗證了欠平衡鉆井技術(shù)在低孔、低滲油氣藏中的獨特優(yōu)勢，從而為特殊巖性油氣藏、致密氣藏及其他難動用的邊際油氣藏合理實施欠平衡鉆井提供了借鑒與參考。
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(本文作者：于鐵軍1 燕修良1 曹強1 臧艷彬2 楊俊鋒1 1.中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院欠平衡所；2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)
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