勘探与钻采工程
四川天然气欠平衡钻井完井技术研究与应用
2008/7/16
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来源：中国石油石化工程信息网
[中国钻井网2008年7月10日]近年来,四川石油管理局利用常规低密度欠平衡钻井完井技术取得了邛西构造勘探开发的重大突破,在邛西构造获得了高产气流,取得了良好的社会经济效益。但对于四川盆地上三叠统须家河组碎屑岩储层压力系数低于静水柱的情况,采用常规低密度欠平衡钻井难以形成负压,也存在着严重的水敏性伤害,且这种伤害难以解除。
天然气欠平衡钻井具有高钻速、储层伤害小、不污染岩屑、能有效地解决井漏问题等优点,且天然气对钻具腐蚀小,不会与地层可燃物质发生井下燃爆,天然气欠平衡钻井是勘探开发低压、低渗储层的有效手段。天然气欠平衡钻井完井技术,是使用天然气作为循环介质打开产层,完钻后不实施压井作业而直接进行配套完井作业的一项新技术,它可以确保从钻进到完井全过程无外来固相和外来液相进入产层,能够最大限度地降低储层伤害。
一、天然气欠平衡钻井完井实施条件
实施天然气欠平衡钻井、完井,需要满足以下基本条件。
(1)地层固结较好,井壁稳定。
(2)非高压地层,地层压力梯度一般不超过1.05MPa/100m。
(3)地层不产油水或产微量油水。
(4)易于获得天然气源。
(5)所钻储层不含硫化氢或硫化氢含量低于20mg/立方米。
(6)预测产量一般不超过50×104立方米/d。
(7)钻井装备条件:①井口装备基本要求:与地层压力匹配的油管头+四通+双闸板防喷器+环形防喷器+旋转防喷器,如果使用复合管串,还需增加单闸板防喷器;②钻机基本要求:转盘通径大于等于445mm,钻台到二层平台的高度大于25m。
二、数值模拟分析
利用欠平衡钻井数值模拟软件,在一定的工程条件下,对井内压力分布规律、环空速度分布、环空岩屑浓度情况及井口回压影响规律进行了分析。
1.压力分布
钻具内压力随井深增加而减小;环空内气体在上返过程中不断膨胀,摩阻随之增大,环空压力随井深增加而增大。
2.环空返速分布
气体在井底上返速度较低,岩屑运移速度也较低,气体在上返过程不断膨胀,返速不断增大,岩屑运移速度也不断增大。由于岩屑密度大,自身重量大,岩屑返速低于气体返速。但井底的环空返速并不是最低的,在钻铤与钻杆交接面及裸眼与前层套管交接面处,由于环空截面积的增大,环空返速均会降低,在裸眼与前层套管交接面及钻杆与钻铤交接面以上位置会出现两个环空返速低点。这些点均是环空携岩困难的关键点,在设计注气量时应当核算这些点的岩屑浓度,以确保井眼净化。
3.环空岩屑浓度
环空岩屑浓度随井深分布规律与环空返速分布类似,在井底、裸眼与前层套管的交接面及钻杆与钻铤交接面以上一定位置会出现3个岩屑浓度高点,它们是井眼净化的关键点。
4.井口回压对天然气钻井的影响
在一定工程条件下不同井口套压下的井底压力、注入压力、井口环空返速及环空最大岩屑浓度变化情况。可知,在井口通过节流阀施加2MPa回压后,井口环空返速显著降低,环空最大岩屑浓度也显著增加,在1200m井深处岩屑浓度已超过井眼净化要求,出现了携岩困难的情况。另外,井底压力也有所增加,但井底压力增加值小于井口回压增加值,这是由于天然气具有很高的压缩性。事实上,通过控制井口回压来维持井壁稳定和控制地层天然气产量是不现实的,而且施加井口回压后注入压力也会升高。因此,为了确保井眼净化良好,天燃气钻井一般不控制回压。在天然气欠平衡钻井中,井口施加回压是用于产量相当大的地层条件下减少上部井段环空返速,以确保井口安全。在施加回压时,应经过专用软件计算,在满足携岩条件下确定。另外,控制回压还要注意井口节流阀处的节流致冷效应,防止出现管线冰堵现象。
三、地层出液对天然气欠平衡钻井的影响
地层出液是气体钻井的一大问题。气体欠平衡钻井时,地层出液可能使岩屑粘结成团,如果不加以处理,岩屑团会越结越大,大尺寸岩屑团会产生沉降,聚集井内,形成滤饼圈,导致井眼净化不良、环空堵塞或卡钻等井下复杂。尤其是含泥质地层,当液体与岩屑的体积比达到一定比例时,有粘结成团的趋势,因此定量分析地层出液对天然气欠平衡钻井尤为重要。在天然气欠平衡钻井设计时应当考虑地层出液的问题,上部井段的大量出液地层应使用技术套管封掉;施工时发现注入压力升高或是转盘扭矩增大应注意是否是地层出液引起,对于地层出液量小的情况可以采用加大注气量的方式予以处理,对于地层出液量较大的情况则需停止天然气欠平衡钻井,视情况转化成雾化、泡沫或其它钻井方式。
四、天然气排量与井底压力关系
在天然气钻井时,随着天然气排量的增加,岩屑上返速度也随之增大,这样单位时间岩屑的返出量增大,井筒内岩屑浓度不断减小,井底压力也会逐渐降低。此时井底压力主要受井筒内气、固相的有效密度影响,属于静压控制区。井底压力降至最小值后,随着天然气排量的增加,井底压力反而会增大,这是由于气体排量太大在环空造成了较大的摩阻,此时由摩阻增大引起的井底压力增加值大于由岩屑浓度降低引起的井底压力降低值,故井底压力会逐渐增大,此时属于摩阻控制区。
最小井底压力对应的天然气排量为最佳排量,此时不仅能够满足井眼净化的需要,而且注气量也充分降低了井底压力,同时对天然气用量、动力和设备要求均较低。天然气最佳排量与井眼尺寸、钻具尺寸、井内温度、岩屑尺寸、井底流压、井口套压、岩屑密度、机械钻速等有关。另外天然气组成、密度、压缩性等自身性质也对最佳排量有一定的影响。最佳天然气排量应使用专用数值模拟软件进行确定。
五、天然气欠平衡钻井注入参数的确定
在确定天然气欠平衡钻井注入参数时,需满足以下原则。
(1)保证井眼净化。
(2)天然气用量、动力和设备要求尽可能低。
(3)欠压值在允许的范围内。
专用软件数学模型是基于一些假设条件建立的,与现场实际存在差异,且不同专用软件计算的注入参数已有所差异,它可能比现场实际偏大或偏小,在确定天然气欠平衡钻井注入参数时,应当根据现场已有经验对软件计算出的参数予以校正,从而得到优化的注入参数。
六、天然气欠平衡钻井工艺措施
1.钻具组合
天然气欠平衡钻井钻具组合中要求使用强制式回压阀,除要求在钻头上部使用回压阀外,钻柱上部每隔一段距离加用一只可泄压的回压阀,这样可减少接单根时排气卸压时间和提高操作安全性。
2.气举注意事项
(1)气举时通过排气口燃烧火焰判断井内液体是否气举干净。
(2)气举完后,继续注气一段时间,待井壁干燥后再钻进。
2.天然气钻进注意事项
(1)正式钻进前,应进行试钻,摸索各种参数的合理匹配,以确保能够充分携岩。
(2)钻进过程中保持钻井参数相对稳定,如出现立压上升、转盘扭矩增大的现象,应注意是否是地层出液引起,根据地层出液量多少采取相应的措施。
(3)钻遇高产气流,可在井口施加一定的回压将环空流体返速控制在合理范围,以确保安全钻进。
(4)接单根或更换胶芯前,需先停止注气,卸掉钻具中的压力后再卸扣。
(5)钻遇气层后如需中途测试,应停止注气,将钻具起至安全井段,通过出口孔板流量计直接测试。
七、天然气欠平衡完井
为了最大限度地保护油气层,天然气欠平衡完井目前主要采用以下两种方式。
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