塔中地区碳酸盐岩储层控压钻水平井技术

摘 要

摘要：塔里木盆地塔中地区碳酸盐岩储层含有丰富的油气资源，为尽快实现油气勘探开发的新突破，国家组织了科技重大专项示范工程进行攻关。由于该区碳酸盐岩储层地质情况复杂，钻井工
摘要：塔里木盆地塔中地区碳酸盐岩储层含有丰富的油气资源，为尽快实现油气勘探开发的新突破，国家组织了科技重大专项示范工程进行攻关。由于该区碳酸盐岩储层地质情况复杂，钻井工程实践中存在许多亟待解决的技术难点，主要有：压力敏感，溢流、井漏频繁发生；硫化氢含量不均匀，有高有低；钻遇裂缝，提高单井产能等。在分析塔中碳酸盐岩储层钻井技术难点及解决办法的基础上，提出利用水平井特殊轨迹增产的技术方案，并倡导能消除储层伤害、保障工程安全的“控压钻水平井”新技术。控压钻水平井技术在该区某井的实钻应用中取得了成功，完成水平段长度为875m，创造了塔中地区的钻井新纪录。
关键词：深井；超深井；碳酸盐岩储层；硫化氢；井漏；水平井；控压钻井
1 塔中地区碳酸盐岩储层钻井技术难点
1.1 压力敏感性问题
    针对塔里木盆地塔中地区碳酸盐岩压力敏感性储层，打开储层时的防溢、制漏、井控安全和硫化氢防护这四者实际上是相互联系的一套体系，应该相互兼顾，必须采用控压钻井技术。
    控压(MPD)钻井是近年来发展的钻井技术，其技术思路是：利用一切可控手段，精确地控制井内压力，满足不同情况下的钻井工程要求。例如，可以将井内压力控制为欠平衡，也可以将井内压力控制为过平衡，还可将井内压力控制为近平衡等。显然，利用控压钻井技术对于井内压力的精确控制，有利于确保实现塔中碳酸盐岩压力敏感性储层的安全钻井[1～5]。
    控压钻井技术的特点：①技术核心是将井底压力控制在合理范围内；②控制方法是控制密度、套压；③控制手段是控制压力装备；④使用方法是针对性、多样性。
1.2 硫化氢问题
    由于塔中碳酸盐岩储层硫化氢含量变化较大，具有一定的不确定性，需要有针对性地采用合理的钻井方式，才能最大限度地规避钻井风险。近期中国石油天然气集团公司欠平衡钻井井控技术暂行规定中将欠平衡钻井实施条件规定为：欠平衡段地层流体不含或微含有毒有害气体，硫化氢含量应低于50mg/L。据此，对于塔中碳酸盐岩压力敏感性储层，可考虑采用如下钻井技术方案：
    1) 不含(或微含)硫化氢的控压钻井技术(钻井过程的微欠控压，起下钻过程的微过平衡)。
    2) 硫化氢含量超标的控压钻井技术(全过程的微过平衡)。
    3) 高含硫化氢的控压钻井技术(密闭循环钻井系统)。
1.3 水平并问题
    水平井技术是20世纪80年代兴起的钻井新技术，它利用了特殊的轨迹，达到提高产能的目的，尤其是对裂缝性储层。经过良好设计的水平井，可穿越一连串裂缝，故有可能获得极高的产能。
1.3.1水平井是实现塔中1号气田高效开发的关键
    水平井与直井开发效果对比(见表1)。分析对比后不难发现，水平井水平段在Ⅰ、Ⅱ类储层中的长度分别为800m时，对水平井及直井的开发效果进行了对比，增加了单井控制储量及单井产量，延长了稳产期，最终采出程度也提高了很多。
表1 水平井与直井开发效果表
井区
储层类型
井型
初始产量
初期产生压差(MPa)
稳产期采出程度
20a后的采出程度
油(t/d)
气(104m3/d)
时间(a)
油(%)
气(%)
气(%)
油(%)
塔中62
Ⅰ
直井
41.70
15.00
5.60
4.90
3.98
7.35
7.02
16.54
水平井
83.40
30.00
3.02
5.00
8.32
15.00
14.73
28.90
Ⅱ
直井
7.76
2.50
11.00
4.76
2.12
4.76
6.91
15.32
水平井
23.27
7.50
4.93
5.29
8.79
15.87
15.05
40.42
1.3.2控压钻水平井技术是比较合理的解决办法
    1) 水平井的优点：增加供给通道。缝洞型储层的裂缝常具有高角度裂缝发育的特点，其溶洞常具有沿水平方向串珠状发育的特点。对这种情况，采用水平井穿越多条裂缝、穿越溶洞发育带，应该是很好的方法。
    2) 水平井的缺点：造成储层伤害。大量漏失的钻井液造成严重的储层伤害，尤其是对沿裂缝发育的溶蚀孔隙带，以及礁体类孔隙带。这种伤害对储层是致命的。
    解决该问题比较合理的办法是“控压钻水平井技术”。利用水平井特殊轨迹增产的特点，与利用控压消除储层伤害、保障工程安全的特点相结合，产生了“控压钻水平井”的新技术。
2 控压钻水平井技术的原理
    在硫化氢超标的塔中碳酸盐岩储层实施控压钻井技术，就是要保证在钻井过程与起下钻作业实现微过平衡，有效地阻止硫化氢的侵入，避免硫化氢伤害事故的发生。
    由于钻井过程中存在2种情况：钻井液循环(正常钻进)与不循环(接单根)。当钻井液循环时，要产生环空流动阻力，导致井内压力升高；当不循环钻井液时，没有了环空流动阻力，相对于钻井液循环情况井内压力降低。不同的情况为实现钻井过程的微过平衡带来了困难见图1。
 
    对于深井Ø152.4mm小井眼，5000～6000m的深井，相对密度为1.20左右的钻井液，循环压耗为3～5MPa，相当于钻井液密度为0.06～0.10g/cm3的变化。因此，在确定钻井液密度时，如果以钻井液循环情况下井内压力为微过平衡作为标准，那么在不循环情况下井内压力就可能变成微欠控压；相反，如果以钻井液不循环情况下井内压力为微过平衡作为标准，那么在循环情况下井内压力就可能变成过平衡。怎样处理好这对矛盾，是实施硫化氢超标的控压钻井技术的关键。
    哈里伯顿控压钻水平井控压原理：使用低密度钻井液，通过对井底压力的实时监测、水力参数的分析计算、井口套压(或回压)的自动控制，实现合理的井底压力，始终保持井底压差处于微过平衡状态，确保钻井安全。控压钻井控压原理见图2。
 
    应用哈里伯顿控压钻水平井技术，可以有效地解决塔中地区碳酸盐岩储层的钻井难题：
    1) 地层中硫化氢含量高，安全施工风险大。始终保持井底压差处于微过平衡状态，防止高含硫气体的溢出。在井控状况下能够更好地控制井底压力，保障钻井作业的安全[3～5]。
    2) 钻井液密度窗口压力窄，易漏易喷。①能够更早地检测到井漏、井涌；②在井漏情况下能够迅速降低井底压力，恢复正常；③在气侵情况下能够在井口迅速提供回压，阻止进一步气侵；能够降低井底压力，减少压差卡钻的风险；④能够杜绝严重井漏发生，减少储层伤害。
    3) 与注气控压钻水平井技术相比较：①不需注气，解决了井下数据信号实时传输的难题，适用于水平井；解决了不同钻井过程注气、停气的转换难题；②不使用套管阀或不压井起下钻装置，能够提高钻井速度，缩短钻井周期。
3 哈里伯顿控压钻水平井技术
3.1 配套装备
    哈里伯顿控压钻水平井技术配套装备主要由3套系统组成(如图3所示)：井底压力测量系统(PWD随钻测压工具、数据采集装置)；套压自动控制系统(自动节流管汇、水力计算模块)；回压控制系统(回压泵、自动节流管汇、水力计算模块)。
 
3.2 钻井工艺
    针对不同的钻井过程，哈里伯顿控压钻水平井采用了如下不不同的钻井工艺：
    1) 正常钻井。使用自动节流控制系统，通过井内循环，施加所需的井口套压，进行钻井。
    2) 接单根作业。使用回压控制系统，通过井口短路循环，施加所需的井口回压，进行接单根作业。
3) 起下钻作业。起钻作业初期，使用回压控制系统，通过井口短路循环，施加所需的井口回压，进行起钻作业。起钻作业后期，利用加重钻井液帽控制井底压力，敞开井口进行正常起钻作业(下钻作业参照起钻作业标准)。
哈里伯顿控压钻水平井技术在塔中某井的应用取得了初步成功。在钻井中气测录井发现不同级别的油气显示为242.0m/32层。当监测到地层压力发生变化时，利用自动节流控制系统对井口压力进行自动调整，建立新的井底压力与地层压力的平衡，有效地避免了因井底压力大幅度地变化而引起的溢流、井漏等事故的发生，完成水平段长度为875m，创造了塔中地区的新纪录。
4结论
    1) 针对塔中碳酸盐岩压力敏感性储层，打开储层时防止溢流、制漏、井控安全和硫化氢防护这四者实际上是相互联系的一套体系，应该相互兼顾。必须采用控压钻井技术。
    2) 利用水平井特殊轨迹增产的特点，与利用控压消除储层伤害、保障工程安全的特点相结合，产生了“控压钻水平井”的新技术。
    3) 哈里伯顿控压钻水平井技术使用低密度钻井液，通过对井底压力的实时监测、水力参数的分析计算、井口套压(或回压)的自动控制，实现了合理的井底压力，始终保持井底压差处于微过平衡状态，确保钻井安全。
    4) 哈里伯顿控压钻水平井技术在塔中某井的应用取得了初步成功，完成水平段长度为875m，创造了塔中地区的新纪录。
    5) 在塔里木油田的现有装备中，控压钻水平井所需要的设备大部分是已经有的，主要缺少的是PWD随钻测压工具和数据采集系统。显然，PWD随钻测压工具和数据采集系统的配置，是塔里木油田实施哈里伯顿控压钻水平井技术的关键环节。
参考文献
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[2] 丁振龙，刘绘新，孟英锋.临时套管注气欠平衡钻水平井技术的研究[J].天然气工业，2006，26(1)：66-68.
[3] 丁振龙，刘绘新，宋建雪，等.平衡钻井井底压力自动控制技术研究[J].天然气工业，2007，27(7)：63-65.
[4] 周英操.欠平衡钻井技术与应用[M].北京：石油工业出版社，2003.
[5] 刘刚.欠平衡钻井计算机伺服控制节控箱试验研究[J].石油机械，2001，29(5)：9-11.
 
(本文作者：刘绘新1 赵文庄2 王书琪3 康延军3 刘会良3 1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 西南石油大学；2.西南石油大学；3.中国石油塔里木油田公司)