气体钻井技术在新疆油田火北地区的应用

2014-06-27杨明合中国石油天然气集团重点实验室长江大学防漏堵漏研究室湖北武汉430100

长江大学学报(自科版) 2014年20期

关键词：石炭系机械钻速井段

杨明合 (中国石油天然气集团重点实验室长江大学防漏堵漏研究室,湖北武汉 430100)

孔琳 (中石油大港油田分公司信息中心,天津300280)

气体钻井技术在新疆油田火北地区的应用

杨明合 (中国石油天然气集团重点实验室长江大学防漏堵漏研究室,湖北武汉 430100)

孔琳 (中石油大港油田分公司信息中心,天津300280)

杨虎,李维轩,刘颖彪周鹏高,石建刚 (中石油新疆油田分公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000)

火北地区为新疆油田致密油勘探的重要区域之一,该地区上部石炭系推覆体火山岩地层厚度大、可钻性差,机械钻速极低,为此尝试采用气体钻井技术来提高机械钻速。在采用三开井身结构设计方案的基础上,针对二开巨厚石炭系和深部二叠系地层的特点,从气体钻井实施井段地层理化特性、井壁稳定性、地层出水预测等方面对气体钻井进行适应性评价。研究表明,石炭系火山岩地层蒙脱石含量较低,地层稳定性相对较好,具备实施气体钻井条件,但在底部近断层存在出水的可能;二叠系地层黏土矿物含量相对较高,其坍塌压力也同时增高,实施气体钻井存在潜在的风险。此外,还制定了气体钻进施工、气液转换等技术措施。实钻表明,在石炭系、二叠系地层采用气体钻井工艺后提速效果显著,这为火北地区钻井施工提供了一条新的途径。

新疆油田;气体钻井;井身结构;适应性评价;施工措施

火北地区位于新疆准噶尔盆地沙帐断褶带,北靠克拉美丽山,南接火烧山油田,是新疆油田公司致密油勘探的重要战场之一。该区石炭系地层厚度大(1000～2500m),火山岩地层岩石坚硬,可钻性差,机械钻速低,其中前期钻进石炭系地层平均机械钻速仅1.36m/h,需要通过改变钻井工艺的方式来提高机械钻速[1-3]。为此,笔者对气体钻井技术在新疆油田火北地区的应用进行了探讨。

1 井身结构方案设计

火北地区地层至上而下依次为石炭系、三叠系 (部分缺失)和二叠系。其中上部为石炭系推覆体,对于表管不易下深,只要能为钻进提供安全稳定的井口装置即可,故采用∅339.7mm下入50m左右的导管;二开对于巨厚石炭系地层,气体钻进至井深1000m,用∅244.5mm技套主要目的是封隔石炭系上部不稳定地层,为下部气体钻进提供稳定的井眼。对于厚度小于1000m左右的石炭系地层,技套下到二叠系平地泉组,用于封隔平二段高压地层,为三开钻进创造条件。为提高深部二叠系机械钻速,决定在三开稳定井段实施气体钻井。火北地区HB01井气体钻井井身结构方案设计图如图1所示。

图1 火北地区HB01井气体钻井井身结构方案设计图

2 气体钻井地层适应性评价

2.1 气体钻井实施井段地层理化特性分析

地层理化特性分析是气体欠平衡钻井地层适应性评价的重要内容之一[4]。为了保证气体钻井的顺利实施,根据现场获取岩屑、岩心等资料,对石炭系、二叠系平地泉组部分地层进行了膨胀率、X射线衍射全岩及黏土矿物含量等方面的室内试验。图2所示为HB01井(1150～1155m)气体钻井钻屑粉高温高压膨胀率曲线,钻屑粉的膨胀率最大为1.76%,明显低于普通膨润土相应膨胀率,且经过一定的时间后,膨胀率基本维持不变,说明石炭系地层气体钻井段钻屑粉中蒙脱石含量较低,地层稳定性相对较好。

表1所示为HB01井石炭系地层部分井段X射线衍射全岩分析结果。由于石炭系为火山岩地层,所以黏土矿物含量相对较低(8.7%～15.0%)。表2所示为HB02井X射线衍射全岩分析结果。由于试验井段大多位于二叠系地层,黏土矿物含量相对较高 (在30%以上)。表3所示为HB02井不同井段黏土矿物含量分析结果。由表3可知,黏土矿物中伊利石和绿泥石含量相对较高。由于伊利石、绿泥石含量高的地层易吸水裂解和剥落,因而在气体钻井气液转换后,应提高钻井液的封堵性能,防止钻井液滤液快速进入地层后膨胀压急剧升高,导致井壁失稳。

图2 HB01井气体钻井钻屑粉高温高压膨胀率曲线

表1 HB01井部分井段X射线衍射全岩分析表

表2 HB02井部分井段X射线衍射全岩分析表

表3 HB02井部分井段黏土矿物含量表

图3所示为HB02井二叠系平地泉组灰色云质砂砾岩岩心电镜扫描分析结果。在扫描电镜下观察,发现该样品中黏土矿物主要有粒表不规则状伊/蒙混层矿物,样品孔隙不发育,连通性差。

2.2 气体钻井条件下井壁稳定风险评价

气体钻井不同于常规液相钻井,由于气体密度低,对井眼周围岩石的支撑作用很小,井壁稳定取决于井壁应力分布以及地层岩石强度,气体钻井过程中的失稳主要表现为纯力学井壁失稳,通过井筒应力和气体钻井临界内聚力计算,采用库伦-摩尔准则得到纯气体钻井坍塌密度[5]。

综合邻井HB1井、HB2井石炭系地层的岩性、实钻情况等资料分析发现:①石炭系地层坍塌压力系数较低,属于较为稳定的地层;②石炭系地层岩性以火成岩为主,泥质含量低,井眼稳定性受钻井滤液影响小;③进入二叠系平地泉组岩性以泥岩为主,裂缝较发育,压力系数较低,地层坍塌压力增高,发生井漏的风险较大。

综合分析地层压力、地层流体及地层稳定性等方面,认为该区石炭系推覆体地层满足实施气体钻井条件,但进入二叠系平地泉组岩性有变化,地层坍塌压力增高,实施气体钻井存在潜在风险。

图3 HB02井灰色云质砂砾岩岩心电镜扫描图

3 气体钻井施工技术措施

3.1 钻进施工技术

一开在∅339.7mm导管上直接焊接特制导管,然后依井口侧法兰接三通、排砂管线、电子点火装置、空气钻井设备。安装完毕,进行气体钻井设备试压,合格后下钻,进行气举,干燥井筒,作业完成后实施空气钻井。二开先用常规泥浆钻井钻进20～30m形成新井眼,然后循环清洗井底,拆除井口防溢管、安装旋转防喷器、排砂管线等辅助作业。安装完毕,下钻,进行气举,干燥井筒,作业完成后实施空气钻井[8]。

3.2 气液转换技术

1)钻井工艺转换原则 ①钻进过程中若地层出水且出水量较小,在井壁稳定的情况下,现场应根据实际情况逐渐增大气量满足钻进要求或根据出水量大小及时转化为雾化/泡沫方式钻进;若井壁坍塌掉块严重或地层出水量较大,应停止气体钻井,转换为常规钻井液钻进[9]。②钻遇硫化氢气体时,当监测井内返出的气体所含硫化氢浓度未与大气接触前达到或超过50ppm,或是与大气接触的出口环境浓度达到或超过20ppm,应立即停止气体钻进,转换为常规钻井液钻井。

2)气体钻井转换为常规钻井液钻井的要求气体钻井结束后,为保证井筒由气体转换为常规钻井液后的压力平衡与井壁稳定,具体要求如下[10]:①转换为常规钻进前,钻井液体系和密度必须满足设计要求;②在气体钻进结束后,在钻井液中加入润湿反转剂,解决气液转换时泥页岩吸水膨胀导致井壁坍塌的问题;③钻井液必须具有强抑制性、封堵能力及良好的流变性。要求钻井液失水量应尽量低,体系中应含有一定数量的封堵粒子。同时,严格控制钻井液中膨润土和固相含量,以利于形成薄而韧的泥饼。

4 现场试验

火北地区石炭系地层气体钻井过程中见少量出水,但当钻遇石炭系底部风化壳破碎带时,划眼遇阻点越来越浅,排砂口取砂样出现大块岩屑,井壁垮塌,被迫主动转化为常规钻井液方式钻进。二叠系地层部分为目的层,气测上升后一般要转换为氮气钻井,当排砂口无岩屑返出,循环观察排砂口返出原油后就转化为常规钻井。在气液转换过程中,采用加量为1.5%的润湿反转剂RSFZ-5[1],在保持合理钻井液密度、抑制性和流变性基础上,保证整个转换过程顺利进行。表4所示为HB02井与邻井机械钻速对比结果。由表4可知,HB02井在石炭系地层采用气体/雾化钻井技术,平均机械钻速达5.46m/h,对比邻井同区块HB2井石炭系地层机械钻速1.30m/h,气体钻井提速320%;二叠系地层采用气体钻井技术,平均机械钻速达到6.40m/h。