大牛地气田盒1段气层氮气泡沫钻水平井技术

摘 要

摘要：大牛地气田二叠系下石盒子组金1段气层具有低孔隙度、低地层压力、特低渗透率、高基块毛细管力、强非均质性的特点，常规直井和水平井几乎不能实现自然建产，截止到2008年底
摘要：大牛地气田二叠系下石盒子组金1段气层具有低孔隙度、低地层压力、特低渗透率、高基块毛细管力、强非均质性的特点，常规直井和水平井几乎不能实现自然建产，截止到2008年底探明储量动用率仅为8.42%。为了有效地动用该气层储量，针对盒1段气层开展了氮气泡沫欠平衡钻水平井的研究与现场试验。考虑到该气层的工程地质特征，首先优选了氮气泡沫基液配方；然后分析了该气层的产水情况和井壁稳定性，认为对盒1段储层实施氮气泡沫钻水平井是可行的；最后介绍了DP14井、DP19井和DP22井的现场试验情况和应用效果。DP14井、DP19井和DP22井在氮气泡沫水平段钻进过程中油气显示良好，且均实现了随钻点火；其中DP14井完井后，在油压为7.1MPa，套压为9.3MPa时，产气量为1.07×108m3/d，首次在盒1段气层实现了自然建产。现场试验表明：氮气泡沫欠平衡水平井能有效地动用该气层储量，为提高大牛地气田盒1段气层的探明储量动用率提供了新途径，也值得类似探区借鉴。
关键词：大牛地气田；二叠纪；气层；氮气泡沫；欠平衡钻水平井；鄂尔多斯盆地；储量动用
    大牛地气田构造位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部东段，是中国石化5大气源地之一。大牛地气田二叠系下石盒子组盒1段气层物性为低孔隙度、低地层压力、特低渗透率、高基块毛细管力、强非均质性，常规直井和水平井几乎不能实现自然建产。截止到2008年底，盒1段气层探明储量为1238.74×108m3，未被动用储量为1109.19×108m3，储量动用程度低，探明储量动用率仅为8.42%。为了提高该储层的探明储量动用率，实现中国石化华北分公司年产气30×108m3、稳产20年的目标，迫切需要动用盒1段气层。为此对其开展了氮气泡沫欠平衡钻水平井技术的研究与现场试验。
1 盒1段气层工程地质特征
    大牛地气田盒1段气层为河流相辫状河道沉积，方向为北东-南西向或近南北向[1]。储层孔隙类型为粒间孔，室内岩心测试孔隙度分布范围为4.0%～19.3%，平均孔隙度为8.37%，渗透率分布为0.101～53.6mD，平均渗透率为0.484mD；DST测试压力盒1段气层中部压力系数为0.83～0.99，平均压力系数为0.89[2～3]。盒1段储层为辫状河道沉积，砂体展布不均，层内非均质性较强，层内非均质性主要表现为层内渗透率非均质性。
2 循环介质的优选
    为了尽可能地减小对储层的伤害，通过室内实验对潜在的伤害机理进行了评估。收集了盒1段气层的岩心资料进行了具体的储层伤害分析。
    图1给出了盒1段气层岩心损害实验结果，从图1中可以确定出盒1段气层欠平衡水平井的最佳欠压值为3.4MPa，即在盒1段气层实施欠平衡水平井的循环介质当量循环密度需小于0.76g/cm3，满足该条件的循环介质只有氮气和氮气泡沫，但考虑到钻井时产生的振动影响、电磁随钻测量系统的可靠性要求以及钻头的冷却问题，决定选用可循环氮气泡沫作为循环介质，其当量循环密度为0.2～0.5g/cm3，满足了施工要求。
 

3 氮气泡沫配方
    通过理论分析和室内实验研究优选出适用于盒1段气层的可循环氮气泡沫基液配方为：0.5%～1%发泡剂+0.2%～0.5%稳泡剂+0.5%～1%井壁稳定剂+0.5%～1%防水锁剂+辅助剂。其性能指标为：密度为1g/cm3；塑性黏度为10～20mPa·s；屈服值为5～12Pa；发泡体积为350～560mL；半衰期为200min。该体系具有良好的抗盐性能、耐温性和循环性，但耐油性较弱[4～6]。
4 氮气泡沫钻水平井可行性分析
4.1 地层出水分析
    大牛地气田盒1段气藏为无底水，无边水，无气水边界的气驱气藏。根据开采和勘探历史证明无明显地层水存在。
    表1给出了盒1段气层部分生产井的试气结果，从结果中可以明显地看出，盒1段储层的绝大部分井不产水，只要少部分井微量产水，微产水量不会对氦气泡沫欠平衡施工造成影响。
 

4.2 井壁稳定性分析
4.2.1砂岩并壁稳定
    为了研究盒1段气层欠平衡水平井在砂岩内钻进时的井壁稳定性问题，对盒1段气层直井横向取心后，进行了岩石力学实验。
    表2给出了盒1段气层岩心强度室内实验结果，从表2中可以看出在围压为10MPa时，岩石的平均抗压强度为116.8MPa，而通过模拟计算在氮气介质下的井内最大应力为93.95MPa，因而不会出现井壁失稳[7]。
 
4.2.2泥岩井壁稳定
    盒1段气层总体上砂体展布稳定，但其砂体内局部仍发育有薄的泥岩夹层或泥质条带。为了研究在氮气泡沫欠平衡工况下钻遇泥岩的井壁稳定性问题[8]，对盒1段气层的泥岩稳定性进行了研究。
    图2给出了盒1段气层泥岩浸泡前(左)和浸泡后(右)井壁稳定判断图。从图2中可以明显看出：钻井液浸泡前井壁稳定，只有局部有轻微剥落掉块；钻井液浸泡后井壁稳定性下降，井壁开始出现大范围垮塌失稳。因此，泡沫钻井液钻遇泥岩或泥质条带存在失稳风险。
 

5 现场试验
    2009年先后针对大牛地气田的盒1段气层在DP14井、DP19井和DP22井开展了氮气泡沫欠平衡钻水平井的现场试验，在储层保护、油气发现、自然建产和提高钻井速度方面取得了显著效果，表3给出了盒1段气层氮气泡沫欠平衡水平井实施情况。
 

5.1 DP14井应用情况
    DP14井在随钻过程中均能点火，且火焰高度为5～6m。在最后一趟钻钻至4147.03m时出现埋钻具事故，在处理事故放喷中，放喷口有基液夹带大块泥岩喷出，事故原因为钻遇盒1段底部泥岩，出现泥岩垮塌埋钻。完钻后进行筛管完井投产，在油压为7.1MPa；套压为9.3MPa时，产气量为1.07×104m3/d，实现了盒1段储层的欠平衡直接建产[9]。图3给出了DP14井氮气泡沫欠平衡水平段实钻轨迹，图4给出了DP14井随钻点火情况。
 

5.2 DP19井应用情况
    DP19井采用氮气泡沫欠平衡钻水平井技术，实现了随钻点火，火焰高达3～5m。在欠平衡水平段的钻井过程中由于两次钻遇大段泥岩，进行了两次后退悬空下切侧钻绕泥，导致氮气泡沫欠平衡实钻进尺超过1500m，在整个欠平衡水平段钻井过程中没有出现井壁失稳。图5给出了DP19井氮气泡沫欠平衡水平段实钻轨迹，图6给出了DP19井随钻点火情况。
5.3 DP22井应用情况
    DP22井在水平段的氮气泡沫欠平衡钻进过程当中实现了随钻点火，火焰高4～6m，后效火焰高9～11m，油气显示非常活跃。DP22井在井深3727～3906m井段伽马值偏高，判断为钻遇泥岩夹层，后退至3470m处进行悬空下切侧钻，后钻至井深4442m处完钻，由于后退下切侧钻导致氮气泡沫实钻进尺超过1900m。在最后一趟钻起钻过程中出现了卡钻事故。事故原因为沉沙卡钻，最后一趟钻总进尺为281.54m，平均机械钻速为11.04m/h，在钻井过程中伽马值偏高，同时出口处没有岩屑返出。图7给出了DP22井氮气泡沫欠平衡水平段实钻轨迹。
 

6 取得的主要成果
    DP14井、DP19井和DP22井氮气泡沫欠平衡钻水平井的成功实施为提高大牛地气田盒1段气层的探明储量动用率提供了新途径，对提高大牛地气田勘探开发效益和加快大牛地气田勘探开发进程具有重要意义。
    1) 在钻遇泥岩时应用后退悬空下切侧钻技术，能有效地保证氮气泡沫欠平衡钻井在钻遇泥岩时的井壁稳定。
    2) DP14井、DP19井和DP22井氮气泡沫水平段在控速钻进的条件下，机械钻速分别为：5.86m/h、3.79m/h和10.28m/h，3口井氮气泡沫水平段平均机械钻速为5.90m/h，较常规水平井平均机械钻速提高了118%。
    3) DP14井、DP19井和DP22井在氮气泡沫水平段钻进过程中油气显示良好，且均实现了随钻点火。
    4) DP14井完井后，在油压为7.1MPa，套压为9.3MPa时，产气量为1.07×104m3/d，首次在盒1段气层实现了自然建产。
7 结论与建议
    1) 盒1段气层砂体钻遇率高，但是有效储层钻遇率低。DP14井砂体钻遇率为100%；DP19井砂体钻遇率为99.54%。DP14井有油气显示层段钻遇率为65.36%；DP19井具有全烃显示的层段仅为21.08%。因此，在氮气泡沫水平井实施前应做好储层的精细描述，以达到预期的地质目的。
    2) 钻前进行经济可行性分析和钻井工程风险评估。在能达到地质目的和经济可行性的基础上实施氮气泡沫钻水平井。
    3) 在氮气泡沫水平井钻井过程中，需严格控速钻进，前期控速是为了保证井眼的规则和光滑，避免在前期出现大的狗腿，为长水平段的施工打下基础；后期控速是为了避免井下复杂情况的出现。
    4) 制订适合盒1段气层的氮气泡沫钻水平井操作规程，在盒1段气层欠平衡钻水平井过程中严格按照操作规程实施。
参考文献
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[9] 汤明，何世明，邢景宝，等.大牛地气田DP14水平井氮气泡沫钻井实践与认识[J].天然气工业，2010，30(3)：74-76.
 
(本文作者：何世明1 汤明1 邢景宝2 郑锋辉2 邓红琳2 周晓红3 周怀光3 1.西南石油大学石油工程学院；2.中国石化华北分公司；3.中国石油塔里木油田公司)