提高慶深氣田氣體鉆井效率技術研究

陳紹云邢 琛孫 妍

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413；2.大慶油田有限責任公司采氣分公司，黑龍江大慶 163712）

提高慶深氣田氣體鉆井效率技術研究

陳紹云1邢 琛2孫 妍1

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413；2.大慶油田有限責任公司采氣分公司，黑龍江大慶 163712）

慶深氣田鉆井實踐表明，氣體鉆井在鉆井提速方面效果顯著，但由于氣體鉆井應用井段多含泥頁巖，在地層出水條件下，易產生卡鉆等復雜事故，對后期的鉆井、測井、固井等影響較大。針對氣體鉆井效率影響因素進行分析，結合已有實鉆經驗，重新建立了氣體鉆井條件下地層出水預測模型，并用理論分析為指導，改進相關設備、技術，形成配套技術系列。6口井現場應用結果表明，通過相關技術改進完善，有效地杜絕了氣體鉆井復雜事故的發生，保證了井身質量，提高了氣體鉆井綜合效益。

氣體鉆井；地層出水；井身質量；鉆井效率；預測模型；改進完善

2005年以來，隨著勘探節奏不斷加快，氣體鉆井作為深層提速一項重要技術，在大慶油田取得長足進步。截至2010年底，氣體鉆井現場應用23口井，平均單井進尺668.86 m，平均機械鉆速6.08 m/h，是鄰井機械鉆速的4.5倍。但也存在卡鉆、后續劃眼時間長等問題，影響氣體鉆井的大規模推廣應用。在已鉆23口井中，有17口井存在后續劃眼和復雜處理等問題，累計損失時間321.04 d，而氣體鉆井提速節約時間合計為519.15 d，23口井綜合提速節約時間僅為198.11 d，從而極大降低了氣體鉆井提速效率。

1 影響氣體鉆井效率因素分析

通過跟蹤分析氣體鉆井近5年實鉆情況發現，雖然氣體鉆井技術在深層鉆井提速方面起到了重要作用，加快了慶深氣田勘探開發步伐，但在實鉆過程中還存在以下三方面問題亟需解決。

1.1 選井選層技術預測精度較低

由于早期氣體鉆井數量相對較少，原有氣體鉆井出水預測技術則是在阿爾奇公式基礎上運用數理統計方法回歸而成的預測方法［1-3］。因而，該方法預測精度在一定程度上受鉆井數量影響較大，預測精度僅達到67.50%，無法完全滿足氣體鉆井選井選層技術需求。同時，缺乏準確的地層出水量計算也影響了氣體鉆井施工井段的選擇。

1.2 井身質量無法完全滿足生產需求

氣體鉆井鉆進井段主要為登婁庫地層，該層段常規鉆井的平均井徑擴大率近20%，氣體鉆井平均井徑擴大率大于30%，井壁失穩造成井徑不規則、擴大率較大，直接影響著井身質量，對測井、固井、完井及開發等后續作業有著嚴重影響。另外，井斜問題也十分突出，其中徐深42井氣體鉆井井段2 910～3 612 m，進尺702 m，井斜也從0.61°增至7.43°，嚴重超標，從而影響后續生產和作業。

1.3 復雜事故時率相對較高

由于地層出水、出氣，以及井身質量差等原因，造成各種卡鉆、遇阻，損失時間長，部分井甚至出現被迫轉化為常規鉆井。而氣液轉換后，存在長井段劃眼、斷鉆具、卡鉆等復雜事故，經統計，在已鉆23口中，有6口井發生過9次卡鉆，其中1口井處理卡鉆就損失64 d，卡鉆損失時間達到氣體鉆井總時間的40%；有17口井氣液轉換后進行了劃眼作業，劃眼時間總計為32 d，占氣體鉆井總時間的13.25%；有4口井發生過井下鉆具失效，共計損失時間51.54 d，占氣體鉆井總時間的21.34%。這些問題的出現，使氣體鉆井綜合提速效果受到影響，無法大規模推廣應用。

2 選井選層技術研究與應用

2.1 出水層位預測方法改進完善

隨著鉆井數量的增加，原有技術［3］67.50%的預測精度已無法滿足氣體鉆井技術的發展。應用該判別方法對古深2井進行鉆前出水預測，見表1，但預測結果漏識了264和271號2層高阻水層，綜合考慮地質信息，對該判別方法進行了完善，見表2。

表1 古深2井鉆前出水預測情況

表2 完善后地層出水預測方法結果

2.2 新出水量預測方法建立

氣體鉆井鉆遇水層，其水侵速度是隨時間變化的，出水層的滲透率不大，當地層壓力的傳遞尚未波及到水區的外邊界之前，或者水區是封閉性的，這時水區中的水向井眼內滲透的過程即為一個不穩定的過程。對于不穩定水侵過程，不同的學者基于不同的流動方式和天然水域的外邊界條件，提出了計算天然水侵量的多種不穩定流法［5-6］。

同時由文獻［5］可知，對于大慶氣體鉆井?215.9 mm井眼，每小時破碎及暴露在井壁的巖石發生表面水化吸附水量為0.011 m3，發生滲透水化吸附水量為0.22 m3，同時考慮地層水域、巖石有效壓縮系數，以及溶解氣水比等情況，可得

式中，KW為滲透率，mD；φ為氣藏地層孔隙度，%；μwi為地層水黏度，mPa·s；Ce為地層條件下與地面條件下出水轉換系數；p為地層壓力，MPa。

3 復雜事故預防技術

3.1 實時監測技術完善

根據C.L.Moore等人的理論，少量的出水比大量出水更易造成井下復雜情況。而目前常用的判斷地層出水的方法主要根據立壓變化、排砂管出口狀態、機械鉆速變化等來判斷，但是在剛剛鉆遇水層、出水量較小時無法及時準確地進行識別。

原有傳統閉環監測中，由于傳感器采集管線容易被巖屑堵塞，不能及時、連續地獲得濕度數據。為了保證出口監測的連續性，避免因為巖屑的堵塞導致濕度傳感器的失效，進行了出口監測裝置的改進（見圖1），主要是增加降塵裝置，從而保證氣體的連續流通。

具體過程為：排砂管中的氣體通過管線進入傳感器進行濕度監測后，氣體進入降塵裝置進行過濾降塵，然后將氣體中的粉塵、巖屑去除，最后排放到大氣。通過改進，避免了監測時的環境污染，保證了監測的連續性，大幅度地提高了識別地層出水的及時性、準確性。

圖1 出口濕度監測裝置的改進（右為改進后）

另外，在原有注氣參數監測軟件基礎上增加了存儲、回放、曲線分析及報警功能，同時利用視頻信號遠距離傳輸同顯技術實現了鉆臺直接監測注氣參數，為控制人員能夠及時、準確地發現井下異常提供指導［4］。

3.2 霧化泡沫配方改進

針對大慶油田氣體鉆井井段都不同程度的出水問題，開展了霧化、泡沫鉆井液技術的研究，通過室內實驗篩選出了抑制性更強的AP-1及NW-1，并確定了最佳配方，大幅提高了防塌抑制能力，并進行了配伍性實驗，通過大量實驗，確定了霧化、泡沫鉆井液的標準配方，研制出抗180 ℃高溫的霧化泡沫鉆井液體系。

現場試驗霧化泡沫鉆井，有效地解決了地層出水帶來的復雜情況，同時優化了鉆井參數，提高了清潔井眼能力，實現在出水層空氣鉆井提速的目的。

同時形成了“內噴外浸”注白油轉換工藝，消除了井壁溫差大造成的脆變剝落，有效潤滑及保護了井壁，解決了轉換后井壁失穩長時間劃眼問題，實現氣液安全轉換。

4 井身質量控制技術

4.1 常規滿眼鉆具組合

為了防止井斜和縮徑，慶深氣田已鉆氣體鉆井初期，多數采用滿眼鉆具組合。如圖2所示氣休鉆井所使用的螺旋扶正器的升角為70°，翼長273.05 mm，外徑214 mm，轉盤轉速為60 r/min，由此可得扶正器旋轉線速度為

假定扶正器某翼片底端軸向坐標和周向坐標均為0，則該翼片上某點，距翼片下端面軸向距離為y，周向距離為x，且滿足

由（4）式可知扶正器旋轉線速度為0.67 m/s，現假定某巖屑顆粒，初始位置為坐標原點，經過1 s的時間步長，翼片轉過的弧長為0.67 m，則有該巖屑顆粒在軸向上運移的距離如式（6）。

圖2 巖屑流通過螺旋扶正器示意圖

由此可以算出通過扶正器處所需的最優返速為1.84 m/s，而實際攜帶巖屑所需返速是此速度的十幾倍［4］。且由于空氣鉆井的剝落巖屑塊大，所以在上螺扶以下，巖屑與鉆具、井壁之間碰撞激烈，直至將巖屑磨成細小顆粒再接著往上升。這在正常鉆進時不會影響攜巖，但在接單根或起下鉆時，就會在3個螺旋扶正器處造成阻卡，從而被迫轉為常規鉆進，甚至出現長時間卡鉆處理的情況。

4.2 直棱式扶正器滿眼鉆具組合

為了解決常規滿眼鉆具組合造成的阻卡問題，開始嘗試使用光鉆鋌鉆具組合，在防卡方面見到了較好效果，但由于氣體鉆井起始井段井斜角一般均在3°以上［2］，同時登婁庫組地層各向異性較強，地層傾角為3～8°，加之氣體鉆井缺少巖屑的有效潤滑和扶正器的有效限位，鉆頭和鉆具軸向和周向振動較為強烈，在實鉆過程中，井斜無法得到有效控制，底部鉆鋌磨損加快，從而增加了氣體鉆井風險。

因此，針對上述常規滿眼鉆具和光鉆鋌鉆具組合存在的不足，改進了氣體鉆井鉆具組合（圖3），主要改進包括：（1）將螺旋扶正筋帶改為直棱扶正筋帶，從而降低了卡鉆幾率；（2）為了降低直棱造成的刮井壁，將原有214 mm外徑縮小為210 mm，從而降低施工摩阻。

圖3 氣體鉆井扶正器改進

5 現場應用

5.1 單井應用實例

徐深35井運用完善后的出水預測技術對2 900～3 530 m登婁庫地層進行氣體鉆井可行性分析，發現3 058 m存在約4.8 m3/h出水層，若按原有技術而言，需要用技術套管將這段水層封住，則剩下的井段為472 m，經濟效益低。通過采用方接頭鉆具組合，并根據實鉆地層出水及返屑情況，將霧化泡沫液中頁巖抑制劑由0.75%增加到1.5%，在地層實際出水4.50 m3/h情況下實現了安全鉆進，施工過程中出口返砂正常，扭矩平穩，摩阻20～40 kN，井壁無剝落，霧化進尺、機械鉆速同比改進前分別提高50.09%和21.37%。

5.2 應用效果

該技術在徐深441井（表3）等6口井中成功應用，平均單井進尺達到820.52 m，平速達7.38 m/h，均機械鉆速達7.38 m/h，同比完善前氣體鉆井，分別提高20.58%、10.31%，無卡鉆等井下復雜事故發生，平均單井節約周期25.7 d，節約鉆頭8.3只，井斜均控制在標準范圍內。

表3 2011-2012年慶深氣田氣體鉆井應用效果

6 結論和建議

（1）完善后的出水預測技術預測精度由67.5%提高至80%以上，預測的目標井井深與實際出水層位井深誤差一般小于20 m，計算的出水量與實鉆估算相符，基本滿足工程需要，從而提高了氣體鉆井成功率，為現場順利施工提供了保障。

（2）慶深氣田氣體鉆井過程中存在卡鉆等復雜事故，影響了提速效果，通過改進相關配套設備和井壁保護措施，提高了氣體鉆井監測和處理能力，無復雜事故發生，實現了氣體鉆井綜合提速目的。

（3）通過技術攻關和現場試驗，慶深氣田氣體鉆井技術基本形成相關技術配套，較好地解決了原有井斜、井塌、卡鉆等施工難題，在提高鉆井速度的同時，進一步提高了氣體鉆井綜合效益。

［1］周英操，高德利，翟洪軍，等.欠平衡鉆井技術在大慶油田探井中的應用［J］.石油鉆采工藝，2004，26（4）：1-5.

［2］韓福彬，劉永貴，王蔚.大慶深層氣體鉆井復雜事故影響因素與對策分析［J］.石油鉆采工藝，2010，32 （4）：12-15.

［3］楊決算.大慶油田氣體鉆井地層出水與井壁穩定技術研究［D］.大慶：東北石油大學，2010.

［4］楊毅，齊彬，馬曉偉.氣體鉆井注氣模型優選及設備優化配置分析［J］ .探礦工程，2011：38（7）：53-56.

［5］周光垌，嚴宗毅，許世雄，等.流體力學［M］.北京：高等教育出版社，2000-06.

［6］翟云芳.滲流力學［M］ ，北京：石油工業出版社，2004-07.

（修改稿收到日期 2013-11-24）

〔編輯 薛改珍〕

Technical research on improving efficiency of gas drilling in Qingshen Gas Field

CHEN Shaoyun1,XING Chen2,SUN Yan1
（1.Daqing Drilling Engineering &Technology Research Institute,Daqing163413,China;2.Gas Production Branch,Daqing Oilfield Company,Daqing163712,China）

The drilling practice of Qingshen Gas Field shows that gas drilling can improve the efficiency of drilling speed,but there is much mud shale in gas drilling application interval.Therefore,once the formation water flows out from the formation,the complex problems,such as pipe sticking,likely occur,which have great effect on drilling,logging,and cementing,etc.This paper analyzes the factors that affect the efficiency of gas drilling and rebuild water forecasting model for formation water overflowing during gas drilling according to previous drilling experience.Based on the theoretical analysis,the researchers have improved related equipment and technology,and formed a series of matched technologies.The application of six wells shows through the improvement of related technology,complex incidents have been prevented efficiently,the quality of well has been guaranteed as well as the overall benefit of gas drilling has been improved.

Gas drilling;formation water;quality of well bore;drilling efficiency;forecasting model;improvement

陳紹云，邢琛，孫妍.提高慶深氣田氣體鉆井效率技術研究［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：22-25.

TE242

：A

1000-7393（2014）01-0022-04

10.13639/j.odpt.2014.01.006

中國石油股份公司重大專項 “欠平衡/氣體鉆井技術現場試驗”（編號：2010F-32）資助。

陳紹云，1982年生。2007年畢業于大慶石油學院石油工程專業，現主要從事欠平衡、定向水平井和深井鉆井設計和相關科研工作，工程師。電話：0459-4893596。E-mail:chenshaoyun@cnpc.com.cn。