水平井全过程欠平衡钻井技术在大港油田潜山勘探中的应用

水平井全过程欠平衡钻井技术在大港油田潜山勘探中的应用

田朝阳

中国石油大港油田分公司第五采油厂 天津 300280

摘要: 针对潜山储层特征及油气保护的特征，钻井工程上需要进一步完善欠平衡配套工艺技术，最大限度地减少可能带来的污染，实现潜山开发井全过程欠平衡，从而实现向潜山要油气的最终目的。通过本文研究，形成一套适用于大港油田潜山油气藏勘探开发的全过程欠平衡钻井工艺技术，为攻克潜山类型油气藏的高效勘探开发难题提供技术支撑。

关键词:水平井钻井；全过程欠平衡；潜山油气藏；大港油田

1 概述

潜山类型油气藏也是大港油田众多油气藏类型中的一种，以大港油田千米桥潜山凝析气藏为例，该潜山凝析气藏位于天津市大港上古林乡东部，构造上位于黄骅坳陷中北地区，北大港潜山构造带东北端，是被大张坨断层和港西断层夹持的垒式半背斜潜山构造，属于典型的低孔、低渗、高温、高压、高饱和凝析气藏。千米桥潜山因受储层裂缝影响，采用大斜度/水平井方式穿越更多有效裂缝，能够扩大有效裂缝的钻遇率，增大储层泄油气面积，同时结合地质储层特征，实现千米桥潜山的高效开发，必需进行全过程保护，这些问题给钻井工艺技术带来了严峻的挑战。

1 影响潜山油气藏钻井施工的难点

1.1井身结构

前期完钻的井分为大尺寸和小尺寸结构，液相欠平衡实钻效果表现为大尺寸结构优于小尺寸结构，一些大尺寸结构的井在钻进中可直接点火，而小尺寸结构的井钻进中均未实现直接点火，只有个别井在完钻候效时才点火。主要原因是奥陶系储层压力系数较低（1.039），大、小尺寸结构井均采用相同的钻井液体系，钻进中小尺寸结构的井筒环空循环压力大于大尺寸结构，导致循环井底压力已大于储层的孔隙压力。

1.2储层高温问题

潜山储层位置埋深较深（约4300m左右），且地温递度在3.5℃/100m左右（井下温度约>154.8°+地面温度），工程上若想实施潜山欠平衡水平井或大斜井的工艺,实现对潜山水平或大斜度井眼轨道精确控制，首先面临的难题是井下高温对定向工具（井下导向马达和随钻测量、随钻测井）的影响问题。因此，潜山的大位移或水平井需妥善解决好井下高温对井下马达及MWD、LWD测量所带来的影响，以实现对井眼轨迹的有效控制。

1.3钻头优选问题

由于地层压力、地层岩石特性的不确定性，给井身结构和钻井液密度的合理确定带来重大的影响，并造成钻头选型困难，极大地影响了机械钻速，延长了钻井周期，导致深井钻井成本升高。另外由于地质情况的不确定，造成对一些复杂情况没有预告或预告不准，造成施工中措施被动、甚至无法控制的后果。

1.4深层可钻性差

对于深部井段，在高温高压的作用下，岩石可钻性变差。一些泥岩、泥质砂岩也由常压下的脆性向塑性或弹塑性转化，破碎这种地层特别困难。另外钻头破碎岩石的水力及机械能量, 由于沿程压耗的增加而降低, 从而造成深部井段的机械钻速大大降低。

2水平井液相全过程欠平衡钻井方案

下面以某开发井为例介绍水平井液相全过程欠平衡钻井工程方案。

2.1精细地层三压力预测技术

在潜山深层油气藏建立准确的地层压力剖面是科学的设计井身结构、确定钻井液密度、进行钻井施工的重要依据，而该地区地层压力的不确定性却给潜山深井优化设计和施工带来了困难。测井信息能够真实地反映地层岩石力学性质和地层压缩规律，与其它检测地层压力的方法相比，能够较好地克服人为因素的影响，可快速计算连续的地层压力剖面，使掌握地区性地层压力规律的时间大大缩短。目标井精细三压力的预测结果如下表1所示:

表 1 地层压力预测结果表

2.2 井眼剖面及轨迹控制

目标井设计垂深 4346.3m，水平位移1327.31m，井斜角 90°，完井方法采用筛管完井。全井施工顺利，固井质量合格。优选造斜点位置，造斜点选在成岩性好、岩性较为稳定的地层，避开了特殊岩性，防止复杂情况发生。还应考虑下部施工难度，提高造斜点位置，增大

入窗前靶前距的长度，使造斜率控制在小于5o/30m范围以内，上提造斜点的位置，尽量避开高温环境的定向作业，同时使单弯轨迹平滑，降低水平井钻进，起下管串扭矩摩阻，以达到降低施工风险的目的。

实现对潜山水平井的井眼轨道控制，首先面临的难题是井下高温对定向工具（井下导向马达和随钻测量、随钻测井）的影响。目前常规定向工具耐温极限范围在125℃左右，远不能满足潜山水平井或大斜井井眼轨道控制的需要。

经调研，国外高温定向工具和高温随钻测量、随钻测井、随钻测压仪器的研发较快，威德福公司推出的 PrecisionDrillTM 高效螺杆(PDM)，主要特性有：

（1）采用“AKO”导向构造，导向作用更为合理；

（2）特殊的 ERT（等厚胶层）设计，每单位长度的作业动力约加强一倍；可延长定子使用寿命；

（3）受温度和油基泥浆的损害更小（耐温150℃，极限温度 165℃），更结实耐用。

另外，威德福公司的随钻测量MWD、随钻测井LWD：额定工作温度为180℃，极限为200℃，可满足目前潜山水平井井眼轨迹随钻监控要求。综合分析，潜山欠平衡水平井施工中采用威德福 PDM 螺杆、HELTM随钻测量 MWD、随钻测井 LWD等工具实现对井眼的精确控制。

2.3 井身结构

考虑到潜山上部多层系的复杂地层因素、兼顾该区两头小中间大的地层压力特征以及主探层油气的发现及保护要求，故本井采用四开结构。一开封固平原组上部黄土及散砂，防止地表土垮塌。二开封固东营以上地层进入沙一段 10m，为三开及完井建立牢靠井口。三开技术套管座入奥陶系风化壳 3～5m 固井，这样做的目的是实现四开奥陶系储层欠平衡专打，有利于储层油气发现与保护和液相欠平衡效果的实现，同时考虑到四开能实现不压井起下作业，三开套管中设计了井下套管阀。

井身结构：Φ660.4mm ×266m（Φ508mm×265.1m）+ Φ 444.5mm × 2036m(Φ 339.7mm ×2033m)+ Φ 311.1mm × 4535.61m(Φ 244.5mm ×4535.40m)+ Φ 215.9mm ×5347.16m（Φ127mm筛管×4211.32～5344m）。

2.4 钻井液体系

由于目标井所在区块潜山储层地层压力系数较低（1.039），相当海水当量密度，前期采用清水无固钻井液体系勉强维持大尺寸直井液相欠压作业的能力，若仍采用该体系实现潜山水平井欠平衡，经水力参数计算不能维持水平井段欠压作业能力，需要进一步降低液相钻井液体系密度的同时，还应考虑液相高温稳定性并具有一定的易脱气的能力。根据水力参数计算结果及施工要求，本井循环介质可采用水包油钻井液体系，现场严格监控地层水的浸入，防止地层水对水包油体系性能的影响。

通过对水包油体系配方调整和室内试验评价，能够达到潜山欠压钻井技术要求，其体系配方：64%白油+36％水+0.5-0.6%FCYV-2(抗高温抗盐增粘剂)+1.5% 主乳化剂 +0.75% 辅助乳化剂 +2%FCYC-3(抗高温抗盐降滤失剂)+2% FCYS-2+0.5～1%碱式碳酸锌 +0.2% 缓蚀剂 +0.5～1% 烧碱（NaOH）。

2.5 岩石力学特性研究与钻头选型

目前在钻头的优化设计和使用中主要是参考邻井钻头的使用情况及岩性来确定，另外在岩石可钻性研究中主要利用岩心资料进行试验测定，该方法在实际应用中由于取心费用高，采集岩心工作困难，一般无法对 1个地区(1口井) 的岩石剖面进行全面的测定和描述。因此，本地区采用测井资料来求取岩石可钻性。

以该地区岩石可钻性和地层抗压强度预测结果为基础,采用互补修正的方法进行该地区的钻头选型,发现该地区在2000m 以上井段使用钢齿钻头优于镶齿钻头，在东营组、沙河街组上部地层应用PDC 钻头能够取得好的效果。同时与厂家结合进行钻头个性化设计，以达到提高钻井速度、缩短钻井周期的目的，其中深部地层使用FM3643Z钻头最高机械钻速达到5.74m/h。下表为欠平衡井段钻头使用情况表（表2）。

表 2 欠平衡井段钻头使用统计表

3全过程欠平衡钻井配套工艺技术

3.1 全过程欠平衡钻井工艺核心技术

全过程欠平衡钻井就是从钻开油气层直到完井都要实现欠平衡。其核心是实现不压井带压作业，其中包括不压井起下钻、不压井测井、不压井下入筛管或尾管、不压井下入试油试采油管柱等。不压井带压作业的实质是井口带有一定回压。在带压起下管串中，随着管串重力的减小，管串的浮重不足以克服井口压力造成的上顶力时，如果不给管串施加向下的压力，管串将被顶出井口，称这种现象为“管轻”。反之，管串浮重大于上顶力称为“管重”。在管重状态下，通常利用旋转防喷器胶芯密封井口中，将管串起出来，这种作业方式称为过胶芯起下钻。在管轻状态下，必须使用不压井起下钻装置才能实现起下作业，这种方式称为强行起下钻。目前工程上能实现不压井起下作业的方法有三种：⑴ 使用不压井起下钻装置；⑵ 井下隔离法，⑶ 井下套管阀法。

3.2全过程欠平衡工艺的关键工具

（1）套管阀

套管阀作为套管程序中的一个部件下入，当处于开启状态时，可以为钻头提供全井眼通道。起钻时，当钻头起至套管阀以上时，可关闭套管阀，并泄掉套管阀以上套压。即可以常规的起钻速度从井中起出钻具而不需使用强行起下钻装置。从而减少了钻井时间，提高了人员的安全性。下钻时，将钻具刚好下至套管阀以上，开启套管阀，当套管阀上下压力相当时，下入钻柱，继续钻井作业。

根据起下钻具和下油管两种不同工况下的计算结果，套管阀下入深度的取值原则应保证两种工况都安全施工，既取位置最深的值，套管阀下入越深则安全系数越高。

经计算，在井下套压 10MPa、过胶芯起下钻柱和油管时合理套管阀安放位置为550m。

（2）欠平衡井下封井器

欠平衡井下封井器是接在技术套管某一位置上，能将井眼封死的井下封井工具，它能确保在欠平衡状态下起下钻和下完井管串，可实现全过程欠平衡钻井、测井和完井等相关作业，从而有效减少油层损害，节约钻井时间和钻井成本，提高钻井效益。井下封井器具有以下特点：

①保护油气层。采用井下封井器技术可以实现全过程的欠平衡作业，避免了施工过程中超压状态带来的油层损害。

②减少了钻井时间和钻井成本。采用井下封井器技术与采用不压井强行起下钻设备相比可增加作业安全、节约起下钻时间从而减少了钻井时间和钻井成本。

③与现用套管程序配套允许下长而复杂的井底钻具组合井下封井器作为套管程序中的一个部件下入，当处于开启状态时，可以为钻头提供全井眼通道，且允许下入装有泥浆马达、扶正器和其它外形复杂的井底钻具组合。

④允许下入特殊完井作业管柱。完井作业时，可在不压井的条件下下入特殊完井作业管柱，如割缝筛管、打孔管等。但下入长度受套管阀位置深度限制，因此，合理确定井下套管阀位置时，应考虑割逢衬管或膨胀式防砂筛管的长度。

4结论与认识

（1）精细地层三压力系统预测技术有利于深井井身结构的优化和钻井液密度的合理确定，可以有效地避免各类复杂情况和事故的发生；

（2）优化潜山水平井井眼轨迹，确定四开大尺寸井身结构为潜山水平段实施全过程欠平衡创造条件；

（3）优选水包油钻井液体系能够提高钻速、保持井眼稳定，同时能够减小扭矩，降低钻井综合费用，为全过程水平井欠平衡钻井提供技术保障；

（4）开展深井岩石力学特性研究，有利于钻头的合理选型，从而有效地加快了深井钻井速度，缩短了钻井周期；

（5）通过研究、方案论证及现场应用，在潜山首次将欠平衡与水平井工艺相结合，快速、安全、顺利地完成高难度、高风险井的钻探施工任务，填补了油田潜山欠平衡水平井工艺技术的空白。

参考文献：

[1] 窦同伟.提高千米桥潜山深井钻井速度配套技术[J].石油钻采工艺，2011，23(06)：14-18.