艾克1井風城組氮氣鉆井技術研究與應用

周鵬高 彭 俊 劉 楊 甘一風

（1.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油新疆油田分公司百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

艾克1井位于準噶爾盆地中央坳陷瑪湖凹陷內，是一口主探二疊系風城組一段（P1f1）的風險探井。風城組自下而上分為風一段（P1f1）、風二段（P1f2）和風三段（P1f3）。該井第三次開鉆采用常規方式鉆進至風三段后，機械鉆速為0.63～0.95 m／h。為了提高鉆井速度，擬在第四次開鉆風三段和風二段實施氮氣鉆井。

1 氮氣鉆井可行性論證

艾克1井第三次開鉆，鉆至4 700 m中完，鉆進揭開風三段115 m。為了避免儲層段氣體鉆井井下燃爆風險，注入氣體選用氮氣。氮氣鉆井的主要風險有井壁失穩、地層出油／水和井控問題。

1.1 井壁穩定性分析

艾克1井實施氮氣鉆井前，其最近的鄰井風南7井鉆至4 450 m中完，鉆進揭開風城組約1 100 m。艾克1井第三次開鉆的井徑曲線表明，進入風城組后井徑規則，井眼穩定性好。應用風南7井電測資料分析風城組井壁穩定性［1-3］，風南7井進入風二段后，泊松比下降，抗壓強度增大，將逐漸超過上覆壓力，井眼穩定性變好；風二段坍塌壓力系數小于0.6，并有減小趨勢。

綜合上述分析認為，艾克1井第四次開鉆，在風三段和風二段實施氮氣鉆井，不會發生大段的井眼力學失穩。由于風城組含有泥巖夾層，易坍塌、崩落，且井壁掉塊具有較強的隨機性和不可預知性，因此，需制定現場應急措施。

1.2 井控風險分析

艾克1井預測儲層埋藏深為5 013～5 330 m，該區域鄰井在風城組地層壓力系數最高達1.60。針對氮氣鉆井鉆遇異常高壓的井控風險，采取以下對策：①選用105 MPa壓力等級的井控裝備和FX35—17.5／35旋轉控制頭，以滿足關井時井口最高關井壓力和氮氣鉆井動密封要求；② 第三次開鉆中完后，下入復合套管：244.5 mm SM125TT套管0～2 750 m+244.5 mm VM110HC套管2 750～4 700 m，套管抗外擠強度分別為53.9 MPa和70.8 MPa，能滿足氮氣鉆井要求；③ 選用耐壓105 MPa的浮閥和旋塞等內防噴工具。

預計風三段和風二段出現高產油氣流的可能性不大，井控風險可控。

1.3 地層出油／水預測

氮氣鉆井過程中，地層出油／水易引起卡鉆和井壁失穩。根據已鉆鄰井錄井、測井、試井資料，預測風三段和風二段大量出液的可能性不大。氮氣鉆井期間若地層少量出液影響攜巖，可增大注氣量轉換為氮氣霧化鉆井；地層出液速度較大（大于5 m3／h）時，可轉為常規鉆井液鉆井［4-5］。

2 井筒流場模擬與注氣參數優化

2.1 最小注氣量分析

根據最小動能理論［6］，對艾克1井第四次鉆215.9 mm井眼的注氣量進行模擬，計算出滿足環空節點處攜巖率為30%的最小注氣量（見圖1a）。地層出油／水時，需要轉化為霧化鉆井，霧化鉆井所需最小注氣量如圖1b所示。從圖1可看出，若氮氣鉆井機械鉆速為3～9 m／h，地層無液體產出，保證環空節點處攜巖率為30%的最小注氣量為49～540 m3／min；若地層產液量為1～5 m3／h，所需的最小注氣量為68～121 m3／min，地層出液后，攜巖所需氣量急劇增加。

圖1 最小注氣量分析圖

2.2 合理注氣量分析

改變氮氣注入量，環空攜巖率變化規律如圖2所示。隨著注氣量的增大，攜巖率顯著增大，注氣量增大到一定程度后，攜巖率的變化較小。注氣量過大，會造成經濟與動力的浪費，且對管線的沖蝕嚴重［7］。根據最小注氣量和攜巖率模擬結果，井段4 700～5 000 m時，合理注氣量為90～110 m3／min；井段5 000～5 400 m時，合理注氣量為110～130 m3／min。

2.3 井筒壓力分析

圖3是注氣量為100 m3／min，地層出水量為0～5 m3／min時的氮氣鉆井井筒壓力剖面。從圖3可以看出，地層不出水時，井口立壓僅為1.23 MPa。隨著出水量的增大，立壓逐漸增大，當出水量達到5 m3／min時，立壓接近2.0 MPa。地層出水時立壓絕對值變化不明顯，但相對幅度較大，因此氮氣鉆進過程中應加強對立壓的精細監測，以利于井下復雜的識別。

圖2 攜巖率與注氣量的關系圖

圖3 氮氣鉆井井筒壓力圖

3 現場試驗

3.1 氮氣鉆井設備配置

根據井筒流場模擬結果，氮氣鉆井正常鉆進時，合適的氣量為90～130 m3／min，當地層少量出液（小于5 m3／h）時需轉換為霧化鉆井，所需氣量為130～180 m3／min。為了提高處理井下復雜能力，配備滿足200 m3／min的氮氣供給設備：供氣量為27 m3／min的空壓機15臺，處理量為60 m3／min、額定壓力為15 MPa的增壓機4臺，處理量為70 m3／min的制氮設備3套。

3.2 氮氣鉆井情況

艾克1井第四次開鉆采用氮氣鉆進，井段4 700～5 386 m，總進尺為686 m，共經歷了3趟鉆，使用了3只F215.9 mm鉆頭，歷時12 d。氮氣鉆井參數與技術指標如表1所示。

氮氣鉆進至井深5 177.08 m處，扭矩上升至30～40 kN·m，立管壓力由1.56 MPa上升至1.98 MPa，轉盤憋停，卡具卡死，通過震擊解卡。根據井底返出巖屑判斷，造成卡鉆的原因是風二段鹽質泥巖掉塊。在后續鉆進過程中控制機械鉆速，每鉆進3 m劃眼1次，繼續鉆進至5 187 m處提鉆換鉆頭。

表1 艾克1井氮氣鉆井參數與技術指標表

氮氣鉆進至井深5 386 m時，巖屑潮濕，團塊增加，返出巖屑減少。由于攜巖困難，鉆具懸重接近鉆桿抗拉強度，且地質預告顯示進入主探層風一段8 m，因此終止氮氣鉆井，經過21 h順利轉換為常規鉆井液鉆井。

艾克1井氮氣鉆井平均鉆速為5.12 m／h，與鄰井風南7井相同層位及井段對比，機械鉆速提高了6.92倍，節省鉆頭13只，技術效果明顯。

4 結論

1）風城組地層適合氮氣鉆井，不會發生大段的井眼力學失穩問題。氮氣鉆井的主要難點是地層出水后的攜巖問題，現場應根據井口立壓等工程參數變化特征和巖屑返出情況，靈活調整注入參數，必要時可適當控制鉆速。

3）在氮氣鉆井期間應強化現場管理，應嚴密監測井下異常，將工程施工與地質分析緊密結合，選準合適的轉換時機，高效轉換。

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