降低儲層傷害的欠平衡鉆井壓差優化設計

編譯:賈麗 田玉棟 (大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院)

耿嬌嬌 (中國石油大學 (北京)石油工程學院)

審校:張顯軍 (大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院)

降低儲層傷害的欠平衡鉆井壓差優化設計

編譯:賈麗 田玉棟 (大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院)

耿嬌嬌 (中國石油大學 (北京)石油工程學院)

審校:張顯軍 (大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院)

欠平衡鉆井 (UBD)作為一種降低儲層傷害的方法在油田中得到廣泛應用。在鉆達目的層時,當井筒壓力小于地層孔隙壓力,即井筒壓力與地層孔隙壓力之間存在一個壓差,這樣就能降低對儲層的傷害。通常認為井底壓差越大,儲層受到的傷害越小,因此井的產量也越高。但較大的井底壓差可能引起鉆井操作過程中的其他問題,例如井筒崩塌引起的井筒損壞、過多的地層流體流入井筒而需要地面處理。在考慮地質條件的情況下,找到和使用一個優化合理的壓差,通過合理的井筒壓力平衡井眼周圍地層的損害是目前迫切需要的。

欠平衡鉆井 降低儲層傷害井底壓差 優化設計

1 引言

欠平衡鉆井中的壓差減少了流體向油藏內的濾失。通常認為壓差越大,儲層傷害越小,因此井的產量也越高。但是,壓差也能引起井底復雜情況的發生,例如井筒崩塌和地層流體的過多流入。因此迫切需要找到和使用一個優化壓差的方法,以實現降低地層損壞和減少鉆井問題的平衡。

欠平衡鉆井通常選用密度較小的鉆井液,如油基、泡沫和充氣鉆井液。要求的欠平衡鉆井的壓差決定了選取何種鉆井液。壓差設計應考慮以下方面:

◇壓差應足夠低以保證鉆井過程中整個裸眼井段不會崩塌;

◇壓差應足夠低以保證分離器和儲存設備滿足地層流體流入的速率和總的流體體積;

◇壓差應足夠高以計算對流體侵入儲層引起的地層損壞有影響的毛管壓力值。

目前還沒有研究優選欠平衡鉆井中壓差的相關文獻,本文填補了這方面的空白。

2 臨界壓差

在水潤濕相油藏中,砂巖的毛管壓力總能引起鉆井液中的水滲入地層。水的滲入使油藏中水的飽和度增加,降低了儲層的有效滲透率,這就是所謂濾失導致地層傷害。圖1顯示了典型砂巖的毛管力吸入曲線。最初水的飽和度為A點,即巖層被鉆開時的值,此時的毛管壓力最高,容易引起水的快速侵入。但隨著水的飽和度不斷升高,毛管壓力迅速下降 (B點)。B點水的侵入不會對油相有效滲透率造成影響,因為水只占據巖石中較小的孔隙空間。隨著水繼續的侵入,水已占滿整個小的孔隙空間,并開始占據較大的孔隙空間 (C點)。C點可看作是臨界點,因為此點之后由水的侵入所引起的儲層傷害顯著增加。C點所對應的毛管壓力稱之為臨界毛管壓力。UBD壓差應能夠平衡此臨界毛管壓力,以阻止進一步水侵。若UBD壓差小于臨界毛管壓力,水侵就會進一步發生從而增大地層的損害 (D點和 E點)。

圖1 在充氣鹽水系統中砂巖毛管力特征曲線

臨界毛管壓力的存在可以用毛管比容來證明。圖2顯示了 (Snw/Pc2)和Sw的關系圖。Snw和Sw分別是非潤濕相和潤濕相的飽和度。Pc是吸入毛管壓力。(Snw/Pc2)的最大值被 Guo定義為毛管比容。毛管比容的意義是非潤濕相失去其統治地位的臨界點。作者觀察到:

(1)孔隙介質的毛管力與 Hg-air毛管比容成正比,比例因子是0.054。

(2)滲透率與充氣鹽水的毛管比容成比例,比值為0.000 07。

觀察結果顯示:毛管比容是反映主要流體在多孔介質中的孔隙尺寸分布的一個參數。因此本文用臨界點C來定義毛管比容。

圖2 在充氣鹽水系統中砂巖與Sw的關系曲線

由于毛管壓力曲線的性質,UBD壓差不可能足夠高以完全平衡最初飽和水的毛管壓力,尤其是低滲透油藏——最初飽和水下毛管壓力很高。幸運的是并不需要這樣高的UBD壓差,因為在有少量的水侵入并對地層損壞無影響時,毛管壓力下降很快。UBD壓差只需平衡毛管比容中定義的臨界毛管壓力即可。使用臨界壓差平衡臨界毛管壓力可以使儲層傷害降至最低。

3 UBD壓差的選擇

下面是選擇UBD壓差 (ΔP)的步驟:

步驟1:根據毛管壓力數據計算 (Snw/Pc2)和Sw的關系,從而確定毛管比容;

步驟2:根據毛管比容確定毛管壓力值,毛管比容看作是臨界毛管壓力CCP;

步驟3:選擇鉆井液流體,使用水力模型估算最大預期的壓力波動ΔPs值;

步驟4:ΔP=CCP+ΔPs;

步驟5:使用ΔP進行井筒穩定性分析;

步驟6:使用ΔP進行流入速率和體積分析;

如果ΔP在步驟5或6中不適合,應降低ΔP值,直到步驟5和6滿足為止。

4 應用

用水平井鉆開河床下面的淺部砂巖油藏。這個油藏的目的層位于685～715 ft(1 ft=30.48 cm)。油藏壓力為250 psia(1 psi=6.895 kPa)。

圖3描述了該井的井身結構。其他數據見表1。毛管壓力曲線如圖1。

步驟1:圖2顯示CP=(Snw/Pc2)max=2 300 Atm-2時鹽水飽和體積為總體積的1.2%(Sw=0.15 PV);

圖3 充氣鉆水平井井身結構

表1 水平井的基本數據

步驟2:根據 Sw=0.15,從圖1知CCP=65 psia;

步驟3:使用 Guo講述的分析模擬器得出鉆進和停止循環階段井底壓力分別為230 psia和175 psia,當阻流壓力為50 psia時,泥漿泵入率為175～350 gpm(1 gpm=3.785 L/min),氮氣注入率為200-700 scfm。因此最大預期的壓力波動為:ΔPs=230～175=55 psi。

步驟4:ΔP=65+55=120 psi;

步驟5:當ΔP=120 psi時,最小的井筒壓力為250-120=130 psia。井筒穩定分析顯示,井底壓力為130 psia時,裸眼井段不會坍塌;

步驟6:使用130 psia的井底壓力進行計算機模擬,結果顯示地層流體流入率和總的流入體積可以被現有的分離器和儲存罐所承受。

在油田實施了UBD技術。圖4顯示了鉆井液注入泵壓情況;圖5記錄了過程中的壓力變化情況,可以發現UBD中壓差在0～60 psi之間。

圖4 欠平衡作業過程中泵壓情況

圖5 欠平衡作業中壓力變化情況

5 結論

(1)存在一個UBD臨界壓差,在其以上,水侵入對儲層的傷害很小,這個壓差的數值可以根據毛管壓力曲線來估算。

(2)UBD臨界壓差可以看作是下限,上限是分析井筒坍塌、地層流體流入率和總的流入體積而得。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.011