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欠平衡钻井技术的几个关键问题及国内外应用状况浅析

浏览次数: 日期:2010年12月31日 08:52

  欠平衡钻井技术是1990年代初期再次兴起的一项新型钻井技术,近几年来,在国内外得到了广泛应用,尤其在美国,预计到2000年欠平衡钻井将达到6500口,2005年将达到12000口。加拿大1997年欠平衡钻井已达到1500口。在国内,截止2002年底,已经购买了各种欠平衡钻井设备24套,累计实施欠平衡钻井120口。在国内各大油田出现了蓬勃发展的趋势,大庆油田所钻的宋深101、卫深5井是松辽盆地的最大突破,表明了松辽盆地深层蕴藏着丰富的天然气资源;长庆油田陕242井是我国首次真正采用天然气为循环介质钻成的;塔里木油田解放128井首次采用泥浆帽钻井技术,解决了井漏问题;青海油田开2井采用高密度钻井液欠平衡钻井技术获得突破;辽河高升油田开发枯竭油藏见到明显效果;吉林油田采用泡沫钻井液钻成了伊51井;吐哈油田在牛102井实验了欠平衡泡沫水平井钻井工艺,并采用油基钻井液钻成了侧钻井—马1C井。欠平衡钻井技术已经成为继水平井技术之后的第二个钻井技术发展热点。

 


一、欠平衡钻井技术的定义及作用

 


目前,国内外关于欠平衡钻井的定义有以下几种:

 

API定义:钻井过程中主体产层流体可流入井眼,并可将其循环到地面,地面可有效控制。

 

ERCB的定义:设计钻井液柱压力低于产层压力,若液柱压力不够低时,在钻井液中加入空气或氮气,较低液柱压力必然引起地层流体流进井眼,并且这种地层流体必须循环出地面,并在地面进行控制。

 

CNPC的定义:地层流体受负压差的作用,向井筒内连续流动的条件下,所进行的有控制的钻井过程。

 

欠平衡钻井的基本概念有多种表述,无论哪种表述都包含以下两个主要方面,即:

第一,井筒环空中循环介质的当量循环密度一定要低于所钻地(储)层的孔隙压力当量密度,这个差值即为欠压值。

第二,地层流体一定要有控制地流入井筒,并把它循环到地面再分离出来。

通俗称欠平衡钻井技术为“边喷边钻”,关键是在钻井过程中使地层流体连续进入井筒,因此欠平衡钻井技术的实质就是二次井控技术。因此它是不同于常规钻井的存在一定技术风险的新型技术。

 

欠平衡钻井在勘探开发中的作用主要体现在:

 

(1)在油气勘探上,欠平衡钻井技术可以提高低压、复杂岩性、水敏性、裂缝性等类储层油气的发现和保护,因此,对于油气勘探来说它是一种油气层识别技术;

 

(2)在油气开发上,欠平衡钻井技术可以通过有效地保护储层,提高单井产量,降低开发综合成本。因此,对于油气开发来说它是一种油气层保护技术;

 

(3)在工程上,欠平衡钻井技术可以解决低压地层漏失问题,提高机械钻速、减少压差卡钻。因此,对于钻井工程来讲,它是二次井控技术、保护油气层钻井技术、防漏技术和提高机械钻速的方法。

 


二、欠平衡钻井技术的分类方法

 


根据油气藏类型、地层压力以及采用的钻井液密度的不同,欠平衡钻井技术有以下两种分类方法:

 

1、按工艺方法分类

 

自然欠平衡钻井:是指以普通钻井液为循环介质的欠平衡钻井;

 

人工诱导的欠平衡钻井:是指由于地层压力太低,必须采用特殊的钻井液和工艺才能建立欠平衡的钻井。

 

人工诱导的欠平衡钻井有以下六种系列:

 

(1)气体钻井 包括空气、天然气、废气和氮气钻井,密度适用范围0~
0.02g/cm3;

 

(2)雾化钻井 密度适用范围0.02~0.07g/cm3。气体体积为混合物的96%~99.9%,常规的雾化钻井液含液量少于2.5% ;

 

(3)泡沫钻井液钻井 包括稳定和不稳定泡沫钻井,密度适用范围0.07~0.60g/cm3 。井口加回压时可达到0.8g/cm3以上,气体体积为混合物体积的55%~97.5% ;

 

(4)充气钻井液钻井 包括通过立管注气和井下注气两种方式。井下注气技术是通过寄生管、同心管、钻柱和连续油管等在钻进的同时往井下的钻井液中注空气、天然气、氮气。其密度适用范围为0.7~1.0g/cm3,是应用广泛的一种欠平衡钻井方法。气体体积低于混合物体积的55% 。

 

(5)液体欠平衡钻井

 

a.油包水或水包油钻井液钻井。密度适用范围为0.8~1.02 g/cm3;

 

b.水或卤水钻井液钻井。密度适用范围1~1.30 g/cm3;

 

c.常规钻井液钻井。密度适用范围大于1.10 g/cm3;

 

d.采用密度减轻剂钻井液钻井技术,密度适用范围大于0.9 g/cm3。

 

(6)泥浆帽钻井 国外称之为浮动泥浆钻井,用于钻地层较深的高压裂缝层或高含硫化氢的气层,是另类欠平衡钻井技术。

 

2、按用途和风险程度分类

 

为了简单明了地对采用的欠平衡钻井技术进行分类,IADC制定了一个具有三部分内容的分类系统(表1)。

 

各级风险等级说明如下:

 

0级——只提高钻井作业效率;

 

1级——井内流体依*自身的能量不能流到地面。井眼稳定并且从安全角度来说属低级危险情况;

 

2级——井内流体依*自身的能量可以流到地面,但利用常规压井方法可以有效制止,并且在设备严重失效的情况下也只产生有限的后果;

 

3级——地热和非碳氢化合物开采。最大关井压力低于旋转控制头等作业设备的额定工作压力;设备严重失效会产生直接严重后果;

 

4级——油气开采。最大关井压力低于旋转控制头等作业设备的额定压力,设备严重失效会产生直接严重后果;

 

5级——最大设计地面压力超过欠平衡钻井作业设备的额定压力,但低于防喷器组的额定工作压力。

三、欠压值及其控制方法

 


应用欠平衡钻井技术其关键是欠压值(欠平衡度)的确定。目前有两种方法用来确定欠平衡钻井钻井液密度:

 

1、根据环空压力进行计算

 

(1)确定合理的欠压值。

 

确定合理的欠压值十分关键,直接影响欠平衡钻井的成败。欠平衡钻井过程中,只要能保证地层流体总是流入环空即可,一般不必追求过高的欠压值,国内外均推荐欠压值范围: 1.4~2.1MPa。

 

(2)确定欠平衡钻井液密度。

 

欠压值由下式确定:

 

Pu=Pp-(Pm+Par+Pbp) (1)

 

式中:Pp——地层压力,MPa;Pm——环空流体重力产生的压力,MPa;Par——环空压耗,MPa;Pbp——井口环空回压值,MPa。

 

可由公式(1)反推出欠平衡钻井液密度:

 

(2)

 

式中:ρmu——欠平衡钻井液密度,g/cm3。

 

(3)欠压值的控制

 

a、通过控制井口回压Pbp的方法实现对欠压值的控制;b、通过调整钻井液密度的方法实现对欠压值的控制;c、通过调整注气量和注液量的方法实现对欠压值的控制。

 

2、欠平衡钻井钻井液密度窗口设计

 

(1)修正的气侵后循环压力计算模型

 

(3)

 

式中:PHK——井底循环压力;Q——排量;Dd——井眼直径;D0——钻柱外径;η——钻井液塑性粘度;ρh——井深h处钻井液密度。

 

(2)钻井液密度窗口计算模型

 

式中:H——深度;Q——排量;d——钻杆外径;Pa——循环压力;P回——立管回压;PD——地层孔隙压力;Pm——环空静液柱压力;PF——井底欠压值。

 


四、欠平衡钻井局限性、方法及钻具组合的选择

 


对于欠压实的地层;钻井“产出”的储层流体有油、气、水等,甚至含CO2或H2S;高压高渗地层,特别是高压气井;膨胀地层盐岩蠕动、泥岩膨胀缩径易导致卡钻;油气产出过量,造成速敏;由于设备、工艺的局限性使设计实施困难等的井都要考虑是否实施或使用欠平衡钻井。

 

适应欠平衡钻井的地层有四大类:低渗透砂岩油气藏;低渗透微裂缝油气藏;裂缝及溶洞油气藏;过压实硬地层。欠平衡钻井工艺方法的选择如表2。

 

欠平衡钻井钻具组合常见的有以下两种:

 

(1)钻头+钻铤+回压凡尔+投入式止回阀+18°斜坡接头钻杆+下旋塞+六方钻杆+上旋塞。(2)钻头+回压凡尔+钻铤+投入式止回阀+18°斜坡接头钻杆+下旋塞+六方钻杆+上旋塞。

 


五、国外应用欠平衡钻井情况分析

 


1、用空气/雾在老井中进行欠平衡开窗侧钻

 

在美国一油田,使用空气/雾在下套管的Swan Lake-IST直井中进行欠平衡开窗侧钻,侧钻这口井的主要目的旨在减少原有井所钻Toolachee、Epsilon、Patchawarra和Tirrawarra地层的损害,并随钻发现产层,设计总井深为3076m。原有直井采用常规法钻成,并已进行了中途测试,测得的综合产气量为235×103m3/d。由于在直井段的套管被挤扁,如继续钻井需要较高的空气注入量,这与设计是不相符的,鉴于这个问题,未钻到设计井深就完钻了。尽管如此,该井使用空气进行欠平衡侧钻,经对侧钻井段的裸眼流动测试,测得的产气量是原直井段综合产气量的10倍,效果显著,这也表明空气欠平衡侧钻明显地降低了地层损害。

 

2、用雾钻井液进行欠平衡钻井

 

1982年美国埃克森公司在得克萨斯州玛萨里纳瑞克油田钻了24口井。24口井中,采用两种钻井液体系钻进,一种为常规钻井液钻井,另一种为轻质钻井液钻井。其中21口井采用常规钻井液钻井(19口为普通钻井液,2口为加重盐水钻井液),3口采用轻质钻井液钻井(2口为雾化,1口为轻质盐水)。据白垩系地层完井的10井统计,其中用普通钻井液完井6口,开采24个月,占总开采量的18%,平均每井每月占总开采量的0.1%;而用雾化钻井2口,开采23个月,占总开采量的69%,平均每井每月占总开采量的1.5%,比前者增加15倍。

 

3、用氮气作为循环介质进行欠平衡钻井

 

加拿大的一个欠平衡钻井例子是在Rigel Halfway Pool,实现了表皮伤害为零。产层是三叠系Halfway砂岩,平均渗透率为100×10-3um2(国外规定渗透率小于100X10-3um2为低渗透油田),孔隙度为15%~20%,采用天然气作为欠平衡钻井介质。钻井过程中,采用顶部驱动钻机,并可以连续溢流。岩屑随着油流到地面,岩屑上返速度高,减少了岩屑固相对产层的污染。正式投产时产量为邻近直井的10倍。随后,在附近又钻一口井,取得了类似的产量,验证了欠平衡钻井在这种地层中的增产效果。

 

4、使用泡沫钻井液进行欠平衡钻井

 

在美国得克萨斯州西南有个开采20年的老气田,储层压力降到11.6MPa,井深4267m,压力系数为0.272,这样低的压力,用常规钻井方式(普通钻井液钻井)和修井技术实际上是不可行的。因为水和钻井液会损害地层和淹没气井。所以在原来油井附近又钻了一口补充井,用稳定泡沫作为钻井液钻生产地层,泡沫钻井液明显地降低了地层损害。在裸眼完井后还未进行酸化压裂,这口井的产气量就达到70800m3/d。

 

5、使用充气钻井液欠平衡钻水平井

 

在加拿大阿尔伯达的Camrose油藏,用充气钻井液钻成了一口水平井,水平段长548.64m。该油藏属低压油藏,原来钻井中出现过严重井漏。考虑到钻井液混合物井下着火的问题,测试确定了安全混合物的组成是85%空气、9%钻井液和6%碳氢化合物,为了安全考虑,最后将空气的体积分数降为70%。但是,为了满足欠平衡条件,需要95%的体积空气。后来考虑到安全因素,进一步作了测试,结果是将空气的体积数改为空气与氮气按60:40混合,按这种比例混合的气体与钻井液及井下的碳氢化合物组成的混合物不会在井下着火。该水平井完钻后经测试,其产量是该地区直井产量的2.5至6倍,钻井中实际氮气的用量与预计的用量,有较大的降低,从而节约了钻井费用。

 

6、欠平衡钻井技术用于钻探井

 

巴西利用欠平衡钻井优势在老油田钻开发井获得成功,在此取得经验的基础上,又将该技术用于Parana盆地钻勘探井。过去,由于常规钻井对地层造成严重的损害,中途测试均告失败。为了探测该地区的油气层及油气藏的分布范围,于1995年至1996年相继钻成了三口探井(其中2口直井,1口定向井)。钻井中采用了泡沫钻井液和充氮钻井液,采用的等效循环密度为0.6g/cm3和0.86g/cm3,欠平衡钻井深度范围为150m至3794m。

 

由美国Santos公司提供了一个使用空气进行欠平衡钻气探井的例子。该井为Barrolk3号,钻该井的主要目的是空气欠平衡钻Toolachee砂岩地层,以减少对该地层的损害,并评价该储层不损害的可能性。该井采用常规钻井方法钻到Toolachee地层(目的层)的项部2567m深处,下套管并注水泥固井,然后,在此处转换为空气欠平衡钻井方法钻井,钻152.4mm井眼,直钻到2600m目的深度,并用不压井完井方法完井。在使用空气钻井期间,随钻上现了几个气显示并成功地进行了流行测试,由于这样,节约了常规钻井中进行裸眼测试所花的费用,最后的压力测试也表明,该地层具有较大的开采潜力。

 

7、边喷边钻  

 

在美国路易斯安那的一口井,套管已下至5029m,在4709m处,套管被挤毁。然后,在4678m处进行了三次开窗侧钻,但三次开窗侧钻作业中,采用常规钻井方法,因严重的压差卡钻而告失败,后决定在4419.6m处进行第四次开窗侧钻,在第四次作业中,为解决上述问题,决定用边喷边钻欠平衡钻井方法,将钻井液密度由原来的2.09g/cm3降到
1.97g/cm3,由水基钻井液改为油基钻井液。第四次侧钻作业成功地钻到了目的层,未发生卡钻等问题。

 

在墨西哥南部一油田,该油田的主产层属裂缝发育的碳酸盐衰竭气藏,其厚度为183m,位于垂直深度约2438m。该气藏上方是高压页岩地层,下面是常压的可渗透的含水砂岩。该气藏含H2S达3%。在过去,该油田开发井的钻井采用常规方法,有的井套管下到产层上方,当钻到套管鞋下面30m范围内时就发生严重的井漏,由于井漏,液柱压力下降到低于平衡点,使井眼环空压力升高到17.5MPa,导致严重的井控问题,迫使钻井停止,由于这样,有的井只能在部分可达到井段范围内完井,有的井只能堵塞或报废。为了克服上述井控问题,同时为了通过该漏失衰竭气层钻入一个较深的3352.8m新的目标地层,采用了边喷边钻欠平衡钻井技术。用边喷边钻欠平衡方法对这一井段钻井完井,只用了6天时间,而邻井用常规钻井方法则需要60天,大大节约了时间,降低了钻井成本。

 

8、欠平衡连续油管钻井

 

1995年,加拿大Morrison石油公司,在阿尔伯达南部的Mannvile油藏,为了加速开发这严重枯竭的油藏(该油藏在深度946m处的地层压力为4.5MPa~5MPa,提高钻井的效率,改善总的采收率选择了欠平衡连续油管钻水平井技术,所钻的Turin2-21井,获得成功,取得较大的经济效益。该井与原井相比,产量增加了8倍,油气储量增加了35%。

 

1996年11月,加拿大Apache公司采用欠平衡连续油管钻井技术在加拿大卡尔加里西北的Harmatten气田钻成一口气井(11-18井)。该井垂直深度为2572m,这是加拿大目前采用欠平衡连续油管技术成功钻成的一口最深的水平气井。

 

1995年12月,英国用欠平衡油管钻井技术钻了一口多侧向水平井,使产量提高400%。该井按计划从原井眼侧钻457.2m,造斜率小于20~30m。钻具组合为:98.4mmPDC钻头+53.98mm带有导向工具的无磁钻铤+73.0mm分离短节+73.0mm双回压阀+73.0mm定向工具+50.8mm连续油管。

六、国内欠平衡钻井技术的发展方向

 


在1990年代中后期,该技术在国内迅速发展,并已取得显著成效。尽管如此,与国外相比,国内欠平衡钻井技术在规模及装备方面尚存在较大差距,基于上述情况,提出如下建议:

 

1、进一步研究欠平衡钻井工艺技术

 

虽然国内对欠平衡钻井技术已进行了一些理论上的研究,并已取得一些研究成果,但是,研究的范围较窄,过去的研究工作,主要放在自然形成欠平衡条件下的边喷边钻技术上,其它方式的欠平衡钻井技术,如使用空气、氮气、泡沫、充气钻井液进行欠平衡钻井,还很少涉及到,或者还没有深入地涉及到,所以需扩大研究内容。

 

2、进行欠平衡钻井数值模拟研究

 

欠平衡钻井是一项技术性强、风险性大、施工难度高的系统工程,为确保施工安全,达到预期的欠平衡钻井的效果,做到有预见性和科学性,在欠平衡钻井中应开展数值模拟研究,在研究中需建立精细的多个数学模型进行欠平衡钻井数值模拟,以此优化各项钻井参数,为欠平衡钻井设计和施工提供科学依据。

 

3、扩大欠平衡钻井的适用范围

 

国外欠平衡钻井主要用于钻水平井,而国内目前用欠平衡技术钻的井多数是直井,为了进一步增大欠平衡钻井的效益,国内应扩大欠平衡钻井技术的应用研究,使其不仅适用于直井,也适用于水平井和定向井。

 

4、重视欠平衡钻井技术的选择和正确的设计

 

国外在欠平衡钻井技术的应用中,重视欠平衡钻井技术的选择和正确的设计,这也是欠平衡钻井成败的关键,这点也值得我们重视。

 

5、增大欠平衡钻井井数,以提高欠平衡钻井的规模效益

 

国内虽然利用欠平衡钻井技术钻了一定数量的井,但与国外,特别是加拿大和美国的欠平衡钻井数相比,差距甚大,所以应增大欠平衡钻井井数,以提高欠平衡钻井的规模效益。

 

6、研究欠平衡完井方法

 

欠平衡完井,是欠平衡钻井的延伸,如欠平衡钻井后不能进行欠平衡完井,那么,欠平衡钻井就失云了应有的作用。这方面的技术,国内虽然有一些简单的完井方法,但非常欠缺,急需研究提高。

 

7、加强国内欠平衡钻井设备系列配套的研制

 

随着欠平衡钻井技术的发展,开发出了一些较先进的欠平衡钻井地面设备,如旋转防喷器(额定的动密封压力已达17.5MPa)、闭式四相分离处理系统等,这为安全、有效地欠平衡钻井提供了必要条件,有些设备国内有些油田已引进。而国内也早在1980年代就开始进行研制旋转防喷器和钻井液/气体分离器,但这些设备在某些设计结构上及技术指标上,与国外相比,还有一些差距,因此,还需在吸收国外设备先进技术的基础上,加强国内的研制工作,使其系列配套,满足欠平衡钻井的需要。

 

8、加强电磁随钻测量工具和空气马达的研究

 

在使用可压缩性气体或充气钻井液的钻井中,应用常规的脉冲随钻测量工具和泥浆马达受到限制。虽然国外在这方面作了研究改进,发展了电磁随钻测量工具和空气马达,但电磁测量工具受一定深度的限制,空气马达在使用寿命上还存在一定问题,在这些方面,国内可作一些探索性的研究。

 

9、进行欠平衡连续油管钻井技术的研究

 

欠平衡连续油管钻井技术与常规钻井技术相比,具有钻井效率高,在整个作业过程中因不连接钻杆,可始终保持负压条件,能有效地减少地层损害,钻井安全可*等优点,由于这些优点,适合其它欠平衡钻井方法不适合的高压和含H2S地层的钻井。国外已大力发展,而我们国内还未涉及,对此,国内应对该项技术进行一些理论上的探索和研究,大力发展利用欠平衡连续油管钻井技术进行老井加深、老井侧钻、小井眼钻井、浅气层及低压油气藏的钻井技术,以提高这些井的钻井效率、降低钻井成本、提高油气采收率。

 

10、加强欠平衡钻井人员的操作技术及井控技术的培训

 

由于欠平衡钻井的特殊性,欠平衡钻井不同于常规钻井,要使欠平衡钻井获得成功,除了正确的钻井设计和先进的设备外,还需要有技术熟练素质较高的作业人员,因此,国外重视钻井人员的操作技术及井控技术的培训,这点值得我们重视。

 

11、加强适合于欠平衡钻井的低密度,不可压缩的空心玻璃球钻井液技术的研究

 

在欠平衡钻井中,为了克服密度充气钻井液的缺陷,国外发展了低密度,不可压缩的空心玻璃球钻井液,该钻井液能解决充气钻井液遇到的大多数问题,又能保持欠平衡钻井的优点,能大幅度降低欠平衡钻井成本,为此,建议国内研究应用该项技术。

所属类别: 生产技术

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