大牛地氣田盒1段氣層氮氣泡沫鉆水平井技術

摘 要

摘要：大牛地氣田二疊系下石盒子組金1段氣層具有低孔隙度、低地層壓力、特低滲透率、高基塊毛細管力、強非均質性的特點，常規直井和水平井幾乎不能實現自然建產，截止到2008年底
摘要：大牛地氣田二疊系下石盒子組金1段氣層具有低孔隙度、低地層壓力、特低滲透率、高基塊毛細管力、強非均質性的特點，常規直井和水平井幾乎不能實現自然建產，截止到2008年底探明儲量動用率僅為8.42%。為了有效地動用該氣層儲量，針對盒1段氣層開展了氮氣泡沫欠平衡鉆水平井的研究與現場試驗。考慮到該氣層的工程地質特征，首先優選了氮氣泡沫基液配方；然后分析了該氣層的產水情況和井壁穩定性，認為對盒1段儲層實施氮氣泡沫鉆水平井是可行的；最后介紹了DP14井、DP19井和DP22井的現場試驗情況和應用效果。DP14井、DP19井和DP22井在氮氣泡沫水平段鉆進過程中油氣顯示良好，且均實現了隨鉆點火；其中DP14井完井后，在油壓為7.1MPa，套壓為9.3MPa時，產氣量為1.07×108m3/d，首次在盒1段氣層實現了自然建產。現場試驗表明：氮氣泡沫欠平衡水平井能有效地動用該氣層儲量，為提高大牛地氣田盒1段氣層的探明儲量動用率提供了新途徑，也值得類似探區借鑒。
關鍵詞：大牛地氣田；二疊紀；氣層；氮氣泡沫；欠平衡鉆水平井；鄂爾多斯盆地；儲量動用
    大牛地氣田構造位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，是中國石化5大氣源地之一。大牛地氣田二疊系下石盒子組盒1段氣層物性為低孔隙度、低地層壓力、特低滲透率、高基塊毛細管力、強非均質性，常規直井和水平井幾乎不能實現自然建產。截止到2008年底，盒1段氣層探明儲量為1238.74×108m3，未被動用儲量為1109.19×108m3，儲量動用程度低，探明儲量動用率僅為8.42%。為了提高該儲層的探明儲量動用率，實現中國石化華北分公司年產氣30×108m3、穩產20年的目標，迫切需要動用盒1段氣層。為此對其開展了氮氣泡沫欠平衡鉆水平井技術的研究與現場試驗。
1 盒1段氣層工程地質特征
    大牛地氣田盒1段氣層為河流相辮狀河道沉積，方向為北東-南西向或近南北向[1]。儲層孔隙類型為粒間孔，室內巖心測試孔隙度分布范圍為4.0%～19.3%，平均孔隙度為8.37%，滲透率分布為0.101～53.6mD，平均滲透率為0.484mD；DST測試壓力盒1段氣層中部壓力系數為0.83～0.99，平均壓力系數為0.89[2～3]。盒1段儲層為辮狀河道沉積，砂體展布不均，層內非均質性較強，層內非均質性主要表現為層內滲透率非均質性。
2 循環介質的優選
    為了盡可能地減小對儲層的傷害，通過室內實驗對潛在的傷害機理進行了評估。收集了盒1段氣層的巖心資料進行了具體的儲層傷害分析。
    圖1給出了盒1段氣層巖心損害實驗結果，從圖1中可以確定出盒1段氣層欠平衡水平井的最佳欠壓值為3.4MPa，即在盒1段氣層實施欠平衡水平井的循環介質當量循環密度需小于0.76g/cm3，滿足該條件的循環介質只有氮氣和氮氣泡沫，但考慮到鉆井時產生的振動影響、電磁隨鉆測量系統的可靠性要求以及鉆頭的冷卻問題，決定選用可循環氮氣泡沫作為循環介質，其當量循環密度為0.2～0.5g/cm3，滿足了施工要求。
 

3 氮氣泡沫配方
    通過理論分析和室內實驗研究優選出適用于盒1段氣層的可循環氮氣泡沫基液配方為：0.5%～1%發泡劑+0.2%～0.5%穩泡劑+0.5%～1%井壁穩定劑+0.5%～1%防水鎖劑+輔助劑。其性能指標為：密度為1g/cm3；塑性黏度為10～20mPa·s；屈服值為5～12Pa；發泡體積為350～560mL；半衰期為200min。該體系具有良好的抗鹽性能、耐溫性和循環性，但耐油性較弱[4～6]。
4 氮氣泡沫鉆水平井可行性分析
4.1 地層出水分析
    大牛地氣田盒1段氣藏為無底水，無邊水，無氣水邊界的氣驅氣藏。根據開采和勘探歷史證明無明顯地層水存在。
    表1給出了盒1段氣層部分生產井的試氣結果，從結果中可以明顯地看出，盒1段儲層的絕大部分井不產水，只要少部分井微量產水，微產水量不會對氦氣泡沫欠平衡施工造成影響。
 

4.2 井壁穩定性分析
4.2.1砂巖并壁穩定
    為了研究盒1段氣層欠平衡水平井在砂巖內鉆進時的井壁穩定性問題，對盒1段氣層直井橫向取心后，進行了巖石力學實驗。
    表2給出了盒1段氣層巖心強度室內實驗結果，從表2中可以看出在圍壓為10MPa時，巖石的平均抗壓強度為116.8MPa，而通過模擬計算在氮氣介質下的井內最大應力為93.95MPa，因而不會出現井壁失穩[7]。
 
4.2.2泥巖井壁穩定
    盒1段氣層總體上砂體展布穩定，但其砂體內局部仍發育有薄的泥巖夾層或泥質條帶。為了研究在氮氣泡沫欠平衡工況下鉆遇泥巖的井壁穩定性問題[8]，對盒1段氣層的泥巖穩定性進行了研究。
    圖2給出了盒1段氣層泥巖浸泡前(左)和浸泡后(右)井壁穩定判斷圖。從圖2中可以明顯看出：鉆井液浸泡前井壁穩定，只有局部有輕微剝落掉塊；鉆井液浸泡后井壁穩定性下降，井壁開始出現大范圍垮塌失穩。因此，泡沫鉆井液鉆遇泥巖或泥質條帶存在失穩風險。
 

5 現場試驗
    2009年先后針對大牛地氣田的盒1段氣層在DP14井、DP19井和DP22井開展了氮氣泡沫欠平衡鉆水平井的現場試驗，在儲層保護、油氣發現、自然建產和提高鉆井速度方面取得了顯著效果，表3給出了盒1段氣層氮氣泡沫欠平衡水平井實施情況。
 

5.1 DP14井應用情況
    DP14井在隨鉆過程中均能點火，且火焰高度為5～6m。在最后一趟鉆鉆至4147.03m時出現埋鉆具事故，在處理事故放噴中，放噴口有基液夾帶大塊泥巖噴出，事故原因為鉆遇盒1段底部泥巖，出現泥巖垮塌埋鉆。完鉆后進行篩管完井投產，在油壓為7.1MPa；套壓為9.3MPa時，產氣量為1.07×104m3/d，實現了盒1段儲層的欠平衡直接建產[9]。圖3給出了DP14井氮氣泡沫欠平衡水平段實鉆軌跡，圖4給出了DP14井隨鉆點火情況。
 

5.2 DP19井應用情況
    DP19井采用氮氣泡沫欠平衡鉆水平井技術，實現了隨鉆點火，火焰高達3～5m。在欠平衡水平段的鉆井過程中由于兩次鉆遇大段泥巖，進行了兩次后退懸空下切側鉆繞泥，導致氮氣泡沫欠平衡實鉆進尺超過1500m，在整個欠平衡水平段鉆井過程中沒有出現井壁失穩。圖5給出了DP19井氮氣泡沫欠平衡水平段實鉆軌跡，圖6給出了DP19井隨鉆點火情況。
5.3 DP22井應用情況
    DP22井在水平段的氮氣泡沫欠平衡鉆進過程當中實現了隨鉆點火，火焰高4～6m，后效火焰高9～11m，油氣顯示非常活躍。DP22井在井深3727～3906m井段伽馬值偏高，判斷為鉆遇泥巖夾層，后退至3470m處進行懸空下切側鉆，后鉆至井深4442m處完鉆，由于后退下切側鉆導致氮氣泡沫實鉆進尺超過1900m。在最后一趟鉆起鉆過程中出現了卡鉆事故。事故原因為沉沙卡鉆，最后一趟鉆總進尺為281.54m，平均機械鉆速為11.04m/h，在鉆井過程中伽馬值偏高，同時出口處沒有巖屑返出。圖7給出了DP22井氮氣泡沫欠平衡水平段實鉆軌跡。
 

6 取得的主要成果
    DP14井、DP19井和DP22井氮氣泡沫欠平衡鉆水平井的成功實施為提高大牛地氣田盒1段氣層的探明儲量動用率提供了新途徑，對提高大牛地氣田勘探開發效益和加快大牛地氣田勘探開發進程具有重要意義。
    1) 在鉆遇泥巖時應用后退懸空下切側鉆技術，能有效地保證氮氣泡沫欠平衡鉆井在鉆遇泥巖時的井壁穩定。
    2) DP14井、DP19井和DP22井氮氣泡沫水平段在控速鉆進的條件下，機械鉆速分別為：5.86m/h、3.79m/h和10.28m/h，3口井氮氣泡沫水平段平均機械鉆速為5.90m/h，較常規水平井平均機械鉆速提高了118%。
    3) DP14井、DP19井和DP22井在氮氣泡沫水平段鉆進過程中油氣顯示良好，且均實現了隨鉆點火。
    4) DP14井完井后，在油壓為7.1MPa，套壓為9.3MPa時，產氣量為1.07×104m3/d，首次在盒1段氣層實現了自然建產。
7 結論與建議
    1) 盒1段氣層砂體鉆遇率高，但是有效儲層鉆遇率低。DP14井砂體鉆遇率為100%；DP19井砂體鉆遇率為99.54%。DP14井有油氣顯示層段鉆遇率為65.36%；DP19井具有全烴顯示的層段僅為21.08%。因此，在氮氣泡沫水平井實施前應做好儲層的精細描述，以達到預期的地質目的。
    2) 鉆前進行經濟可行性分析和鉆井工程風險評估。在能達到地質目的和經濟可行性的基礎上實施氮氣泡沫鉆水平井。
    3) 在氮氣泡沫水平井鉆井過程中，需嚴格控速鉆進，前期控速是為了保證井眼的規則和光滑，避免在前期出現大的狗腿，為長水平段的施工打下基礎；后期控速是為了避免井下復雜情況的出現。
    4) 制訂適合盒1段氣層的氮氣泡沫鉆水平井操作規程，在盒1段氣層欠平衡鉆水平井過程中嚴格按照操作規程實施。
參考文獻
[1] 常興浩，王延賓，韓德馨.大牛地氣田下石盒子組儲層特征[J].天然氣工業，2004，24(11)：19-21.
[2] 鄒建波.大牛地氣藏低速滲流特征實驗與單井數值模擬研究[D].成都：西南石油大學，2007.
[3] 郝蜀民，惠寬洋，李良，等.鄂爾多斯盆地大牛地大型低滲氣田成藏特征及其勘探開發技術[J].石油與天然氣地質，2006，27(6)：762-768.
[4] 鄢捷年.鉆井液工藝學[M].東營：石油大學出版社，2001.
[5] 趙仁保，岳湘安，柯文奇，等.氮氣泡沫體系穩定性的影響因素研究[J].石油學報，2009，30(1)：84-87，91.
[6] 楊景利，薛玉志，張斌，等.可循環氮氣泡沫鉆井液技術[J].鉆井液與完井液，2007，24(6)：17-21.
[7] 湯明，何世明，邢景寶，等.大牛地氣田欠平衡水平井井壁穩定性分析[J].石油鉆采工藝，2010，32(3)：37-39.
[8] 劉向君，羅平亞.泥巖地層井壁穩定性研究[J].天然氣工業，1997，17(1)：45-48.
[9] 湯明，何世明，邢景寶，等.大牛地氣田DP14水平井氮氣泡沫鉆井實踐與認識[J].天然氣工業，2010，30(3)：74-76.
 
(本文作者：何世明1 湯明1 邢景寶2 鄭鋒輝2 鄧紅琳2 周曉紅3 周懷光3 1.西南石油大學石油工程學院；2.中國石化華北分公司；3.中國石油塔里木油田公司)