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1、月 欠平衡钻井工艺技术研究与应用 程晓年罗维 摘要 新提石油管理局有大量的低压、 低渗透裂缝性油藏， 储层类型多为裂缝一孔隙型双重介质， 在常规 钻井过程中，钻井液和在欠平衡钻井过程中，由于液往压力低于地层孔隙压力，消除了过平衡钻 井过程中液柱对地层岩石的 “ 压持效应” ，可较大幅度地提高机械钻速，避免钻井液漏失和 粘附卡钻事故的发生，从而可降低综合钻井成本。由于实施 “ 边喷边钻， ， ，可对产层进行 “ 实时调查， ，及时发现抽气层。 最早的欠平 衡钻井历史可 追溯到上 个世 纪，进人本世纪 5 0 年代， 随着在非开采地层采 用空气钻井第一次显示在欠平 衡状态下旋转钻井的商 业生命力。
2、 7 0 年代末以 来， 随着控制 井筒环空液柱压力的旋转防喷器和地面 控制设备的出 现及欠平衡钻 井对 地层潜在损害因素 评 估方法的完善， 在欠平衡状态下， 切实 可行的安 全钻井方 式，得到了人们的真正 认可。随着 欠平衡钻井水平的提高和应用范围的拓展， 欠平衡钻井技术进人了一 个新的发展高潮。 目前，欠平衡钻井技术在国际石油钻井市场上发展迅速，最近几年在北美地区得到了较 广泛的应用，据最新资料统计，美国全年约有四分之一的油气井和地热井都不同程度地使用 了欠平衡钻井技术，有的油气田欠平衡钻井的应用率竟达到 9 8 %0 在我国实施欠平衡钻井最早可追溯至五六十年代，当时由于控制设备及研究手
3、段均不能 满足 现场生产的需要， 人们很快对其失去了 兴趣。 进人8 0 年代后我国才真正开展欠平衡钻 井工艺技术研究和现场应用，我局于 1 9 8 4年9月在红2 9 井进行了第 一口浅井泡沫钻井，随 后相继开展了充气钻井液钻井和空气雾化钻井等欠平衡钻井技术的研究应用，井在一定的范 围内进行了推广应用，取得了较好的经济效益和社会效益。由于泡沫钻井单位成本较高，普 遍推广应用有一定困难，所以它只能在特殊地层进行使用;空气雾化钻井成本相对较低，但 由 于其循环介质的特殊性， 它对地层的胶结质量要求较高， 所以它们只 能在井壁稳定性较好 一2 2一 I 的地层进行应用; 充气钻井液钻井是一种使用于
4、 低压、 易漏 地层的 很好的 钻井方式。 欠平衡 钻井技术将平衡控制的概念应用于钻井施工中的 井筒压力体 系， 采用 通过控制钻井流体密度 和控制井口回压的方法达到使井底液柱压力低于地层孔隙压力，从而达到保护和发现油气层 的目 的。同 时又保证钻井安全作业，对地层压力系数较高的 地层，可采用钻井液欠平衡钻 井; 对于地层压力系数在0 . 9 -1 . 0 8 的 地层可利用充气钻井液;对于地层压力系数小 于0 . 9 的地层，则可采用泡沫、空气等钻井流体。这样欠平衡钻井具备了较大的应用范围。但是我 们应 该清醒地认识到欠平 衡钻井不是万能的， 从综合经济效益出 发可以不使用欠平衡钻井技 术就
5、能达到开发目的的就不要使用该技术，也有些地层根本就不适合使用欠平衡钻井技术， 如井壁稳定性特差的地层。 1 9 9 7 年4月以来，我们先后在小拐油田的 G 1 1 3 7 , G 1 0 6 3 , G D 1 1 7 9 , G D 1 1 5 4 , G 2 0 6 8 , H 3 ,. G 2 0 3 9 , G 1 0 8 0 , G 2 2 9 4 , G D 1 1 7 6 , G D 1 1 8 2 , G D 1 1 8 0 等 1 2 口并上进行了欠平衡钻井 试 验。 总体来说，欠 平衡钻井技术在小拐油田 的应用 是成功的， 欠平衡钻井技术在小拐油田 的 成功应用，为 小拐
6、油田的 后期开发和认识储层提供了一 项全新的技术。 二、欠平衡钻井井筒压力计算方法 1 . 欠平衡钻井井底压力计算方法 实施欠平衡钻井首先应该 知道井筒流 体的压力损耗， 才能准确计算欠平衡钻并时环空液 柱作用于井筒的液柱压力。本研究运用气液两相流理论，计算井底液柱压力。 井筒压力 尸基本方程 d P=( P ,n ( 1 一 a ) + 夕 。 a g d 几( 1 )P g a g d h 由于气体具有压缩性，并且是非理想气体，所以，有 P A= P A P Z, T, P ( 2 ) 考虑气 体重量和气 体滑脱的影响 后，空泡率a的 表达式如 下 _Z , T ,P Q , C , (
7、Z , T , P , Q , ) + 0 . 3 4 5 A P / ,v, ( D w , 二 卫, J I P . P 、 习一 2 。 二一 P ， 一 Z , T ,P o I ( 3 ) / g ( D W ， 一D ; ) /夕 。 P 、 一尸 一，一 习 令F ( P ) =C . ( Z , T , P , Q . ) 十 0 . 3 4 5 A P (P d,一 Z ,T ,P ( 4 ) Z , T , P a Q g o F( P) ( 5 ) 将式 ( 2 )和 ( 5 )代人式 ( 1 )中，得 d ， 一 : P m 互 ( P ) 二Z , T , P o Q
8、 g F( P) 十 蔡 牢 一 一 g d h f f) I ( 6 ) 一2 3 积分式 ( 6 ) ，得 f ; F( P) d P J = p m F ( P ) 丁 Z j 燕瓦j + p Q g P K一 门 ( 7 ) 1 J.，lee月，.wel一 求解式 ( 力， 得出 所求的井 底压力值。 本研究方法考虑了 流动循环摩阻 的影响， 并采用有限差分法求解方程组， 从而 提高了 井 底压力计算的精度， 为欠 平衡钻井施工过程中 节流阀的控制提供了 依据。 2 . 欠平衡钻井合理压差的确定 由于欠平衡钻井实施 “ 边喷边钻” ，液柱压力对井壁的支撑能力相对较弱，在钻井时地 层流体
9、侵人井简的速度应小于地层损害的速敏速度，所以在实施欠平衡钻井时，应遵循以下 三个原则: ( 1 )保持裸眼井段井壁稳定的极限压差; ( 2 )利于保护储层的极限压差; ( 3 )防止井喷的极限压差。 3 . 合理压差的计算模式 井眼稳定压差 乃尸， 、 一尸 ， 一 2 c 说 ( 4 5 十协 丝一(3 ) ( 1 一2 0 1一 ， ( S ) 鱼一 一 厂一1 肠一。 储层实际压差 卫J , 2 n一P o一o , 业二L ) 旦- 2 v_二 _， 卜一 ( 9 ) 控制井喷压差 A P 。 一 to g (- - to g ( 刽 山 几代，1、 J 、 蔺 了 ( 1 0 在实施欠
10、平衡钻井时，应从上述三个压差中取最小值;如地层孔隙压力低于维持井眼稳 定压力.则不适应实施欠平衡钻井。 三 、欠平衡钻井现场应用 1 . 欠平衡钻井井口设计及地面控制设备现场布置 由于欠平衡钻井属 “ 边喷边钻” ，考虑到欠平衡钻井的风险性，欠平衡钻井的井 口控制 设备应具有控制地层流体流放喷能力;采用正、反循环压井的能力，并具有放喷条件下的起 下钻能力。为了保证 “ 边喷边钻”的顺利实施，地面控制设备的完好性、可靠性及合理性， 是决定欠平衡钻井顺利实施的关键步骤之一，根据现场情况，项目组反复讨论，设计小拐油 田欠平衡钻井地面设备现场市置和工艺流程如图1所示。 2 4 叮.叮下1 图1 欠平衡
11、钻井地面工艺流程图 2 . 欠平衡钻井井口回压设计与控制 由于欠平衡钻井作业时液柱压力低于地层压力，为了保证井日不失控，井眼不坍塌，应 在钻井过程中对井口施加一定的回压以平衡部分地层压力，控制地层油气量的渗人速度，回 压大小的控制应视旋转防喷器承压能力的大小而确定，这就需要在准确掌握地层原始压力的 前题下， 选择合适的钻井液密度， 并通过调节地面液压节流阀的开 启程 度， 从而将井口回 压 控制在设定的安全工作压力范围之内。设计欠平衡钻井回压为1 MP a o 3 欠平衡钻井现场实施概况 自1 9 9 7 年起，我局在小拐油田先后进行了 6口井的欠平衡钻井试验，小拐油田夏子街 组是一个裂 缝性
12、油藏， 储层 基质特性差，裂 缝发育 程度是控制油井产量高低的主要因素， 根 据岩心、测井及应力分析，夏子街组为高角度和近直劈裂缝，规律性好，适合于定向井、水 平井钻井，以提高钻遇裂缝的机遇，提高产量;从节约钻井成本，提高钻井速度，保持井壁 稳定性角度出发， 采用 小井眼钻井技 术。同时，考 虑小拐油田 低压、 低渗透的特点， 根据油 气层的实际压力确定了钻开油气层采用欠平衡钻井技术保护油层的方案。已实施的 6口井的 成功率、机械钻速、产油平均指标等的总体概况如表 1 。 由表 1 可见欠平衡钻井的平均机械钻速比常规钻井的平均 1 . 8 4 m/ h高，其中G 1 0 6 3 和 H 3井为
13、泡沫欠平衡钻井，故机械钻速更高。 4 . G1 1 7 9 和 G 2 0 6 8井现场施工情况 G D1 1 7 9井小井眼欠 平衡钻井从井 深 3 4 1 4 - - 3 8 7 5 m进尺为 4 6 1 m，纯钻进时间为 1 6 1 . 2 5 h ,平均机械钻速为2 . 8 5 m/ h o钻进过程中主要钻井参数如下。 一2 5 表 1 生产惰况 产量 二 卿 二 三一二 一 一 一 丁一一一 生 产 时 间 d 未遇 裂缝 油气 极少 凡 8 7 6 韶 7 0 袋 0 0 侧 J 2 5 1 4 8 9 5 一 品7 3 21 盯 0 9 2 4 9 川1 4 0 5 9 8 0
14、51 4黑洲 三 三 呢一51 为!llwel、1|一， 495一脚一别 姗一姗一姗-6800 G1 0 朋 C2 2 9 4 G】 1 1 7 6 ( Dl l S Z G】 1 1 8 0 日3 完井方! 一 尾管 尾管 裸眼 裸 眼 裸 眼 1 5 9 . 8 4 2 3 . 5 8 6 7 1 8 4 9 5 2 2 弓 -刊一80 2 . 5 4 鹦 裸 甘 使 1一 1 石 塑一 卜 少 鲤 9 叨21) 止 云 、 固 井 水淹后 转抽 自 喷 水淹 水淹 水淹 后转抽 探 并 钻 压 :1 00 一1 2 0 k 卜;泵压:13一铭呱 la; 转盘转速:6 0r/m in; 钻
15、井液密度:1 . 1 一 1 . 059 /c 1 护; 钻井液粘 度 42一 5 0 、 ; 钻井液失水: s n 1 L ;钻 井液 类型: 水包油钻井液 ( 原油 混入比例为20%) 。 在欠平衡钻井施工过程中，气侵严重，接单根、后效反应强烈，燃烧管线排出口可产生 3 一 s m高火焰， 该井采用裸眼完井。自1 9 9 7 年9 月21 日 投产以来， 使用sn。油嘴，日 产 原油一直稳定在 1 60t 。至 19呢 年3月 21 日，该井累计产油 210 0 0t。目前使用 6 ll m l 油嘴， 套压 1 9 MP a ，油压 12MP ，日产量为 7 5t G2068 井是我局在
16、小拐油田继 G l l 54 井之后钻成的第四口小井眼欠平衡定向井，属老 井 拔套管侧钻小井眼欠平衡定向 井。小井眼欠平衡钻井从井深3 2 80一 3 3 81m进尺为1 0lm， 纯钻进时间为34. sh，平均机械钻速为 2 . 9 3 m小。钻进过程中主要钻井参数如下。 钻 压: 100 一1 2 O kN ;泵压: 7 一I Z M Pa;转盘转速:6 0r/min ; 钻井液密度:0 . 89一 1 . 039 /c n 1 3 ; 钻井液粘度: 4 5 一5 5 ， : 钻井液失 水: s m L ; 钻井液类型: 水包油钻井液。 在欠平衡钻井施工过程中， 钻至3 3 5)一 3 3 54m发生井漏， 但能建立循环， 钻井掖密度 为1 019 / 由户 ， 粘度为50、 ， 继续钻至3 3 72一 3 3 76m， 井漏严重， 钻井液只进不出，共计漏 失1 . 0 1 的 钻井液62时， 经现场工程技术人员认真研究后报有关领导批准， 钻井液密度
