降低储层伤害的欠平衡钻井压差优化设计

编译:贾丽 田玉栋 (大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院)

耿娇娇 (中国石油大学 (北京)石油工程学院)

审校:张显军 (大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院)

降低储层伤害的欠平衡钻井压差优化设计

编译:贾丽 田玉栋 (大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院)

耿娇娇 (中国石油大学 (北京)石油工程学院)

审校:张显军 (大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院)

欠平衡钻井 (UBD)作为一种降低储层伤害的方法在油田中得到广泛应用。在钻达目的层时,当井筒压力小于地层孔隙压力,即井筒压力与地层孔隙压力之间存在一个压差,这样就能降低对储层的伤害。通常认为井底压差越大,储层受到的伤害越小,因此井的产量也越高。但较大的井底压差可能引起钻井操作过程中的其他问题,例如井筒崩塌引起的井筒损坏、过多的地层流体流入井筒而需要地面处理。在考虑地质条件的情况下,找到和使用一个优化合理的压差,通过合理的井筒压力平衡井眼周围地层的损害是目前迫切需要的。

欠平衡钻井 降低储层伤害井底压差 优化设计

1 引言

欠平衡钻井中的压差减少了流体向油藏内的滤失。通常认为压差越大,储层伤害越小,因此井的产量也越高。但是,压差也能引起井底复杂情况的发生,例如井筒崩塌和地层流体的过多流入。因此迫切需要找到和使用一个优化压差的方法,以实现降低地层损坏和减少钻井问题的平衡。

欠平衡钻井通常选用密度较小的钻井液,如油基、泡沫和充气钻井液。要求的欠平衡钻井的压差决定了选取何种钻井液。压差设计应考虑以下方面:

◇压差应足够低以保证钻井过程中整个裸眼井段不会崩塌;

◇压差应足够低以保证分离器和储存设备满足地层流体流入的速率和总的流体体积;

◇压差应足够高以计算对流体侵入储层引起的地层损坏有影响的毛管压力值。

目前还没有研究优选欠平衡钻井中压差的相关文献,本文填补了这方面的空白。

2 临界压差

在水润湿相油藏中,砂岩的毛管压力总能引起钻井液中的水渗入地层。水的渗入使油藏中水的饱和度增加,降低了储层的有效渗透率,这就是所谓滤失导致地层伤害。图1显示了典型砂岩的毛管力吸入曲线。最初水的饱和度为A点,即岩层被钻开时的值,此时的毛管压力最高,容易引起水的快速侵入。但随着水的饱和度不断升高,毛管压力迅速下降 (B点)。B点水的侵入不会对油相有效渗透率造成影响,因为水只占据岩石中较小的孔隙空间。随着水继续的侵入,水已占满整个小的孔隙空间,并开始占据较大的孔隙空间 (C点)。C点可看作是临界点,因为此点之后由水的侵入所引起的储层伤害显著增加。C点所对应的毛管压力称之为临界毛管压力。UBD压差应能够平衡此临界毛管压力,以阻止进一步水侵。若UBD压差小于临界毛管压力,水侵就会进一步发生从而增大地层的损害 (D点和 E点)。

图1 在充气盐水系统中砂岩毛管力特征曲线

临界毛管压力的存在可以用毛管比容来证明。图2显示了 (Snw/Pc2)和Sw的关系图。Snw和Sw分别是非润湿相和润湿相的饱和度。Pc是吸入毛管压力。(Snw/Pc2)的最大值被 Guo定义为毛管比容。毛管比容的意义是非润湿相失去其统治地位的临界点。作者观察到:

(1)孔隙介质的毛管力与 Hg-air毛管比容成正比,比例因子是0.054。

(2)渗透率与充气盐水的毛管比容成比例,比值为0.000 07。

观察结果显示:毛管比容是反映主要流体在多孔介质中的孔隙尺寸分布的一个参数。因此本文用临界点C来定义毛管比容。

图2 在充气盐水系统中砂岩与Sw的关系曲线

由于毛管压力曲线的性质,UBD压差不可能足够高以完全平衡最初饱和水的毛管压力,尤其是低渗透油藏——最初饱和水下毛管压力很高。幸运的是并不需要这样高的UBD压差,因为在有少量的水侵入并对地层损坏无影响时,毛管压力下降很快。UBD压差只需平衡毛管比容中定义的临界毛管压力即可。使用临界压差平衡临界毛管压力可以使储层伤害降至最低。

3 UBD压差的选择

下面是选择UBD压差 (ΔP)的步骤:

步骤1:根据毛管压力数据计算 (Snw/Pc2)和Sw的关系,从而确定毛管比容;

步骤2:根据毛管比容确定毛管压力值,毛管比容看作是临界毛管压力CCP;

步骤3:选择钻井液流体,使用水力模型估算最大预期的压力波动ΔPs值;

步骤4:ΔP=CCP+ΔPs;

步骤5:使用ΔP进行井筒稳定性分析;

步骤6:使用ΔP进行流入速率和体积分析;

如果ΔP在步骤5或6中不适合,应降低ΔP值,直到步骤5和6满足为止。

4 应用

用水平井钻开河床下面的浅部砂岩油藏。这个油藏的目的层位于685～715 ft(1 ft=30.48 cm)。油藏压力为250 psia(1 psi=6.895 kPa)。

图3描述了该井的井身结构。其他数据见表1。毛管压力曲线如图1。

步骤1:图2显示CP=(Snw/Pc2)max=2 300 Atm-2时盐水饱和体积为总体积的1.2%(Sw=0.15 PV);

图3 充气钻水平井井身结构

表1 水平井的基本数据

步骤2:根据 Sw=0.15,从图1知CCP=65 psia;

步骤3:使用 Guo讲述的分析模拟器得出钻进和停止循环阶段井底压力分别为230 psia和175 psia,当阻流压力为50 psia时,泥浆泵入率为175～350 gpm(1 gpm=3.785 L/min),氮气注入率为200-700 scfm。因此最大预期的压力波动为:ΔPs=230～175=55 psi。

步骤4:ΔP=65+55=120 psi;

步骤5:当ΔP=120 psi时,最小的井筒压力为250-120=130 psia。井筒稳定分析显示,井底压力为130 psia时,裸眼井段不会坍塌;

步骤6:使用130 psia的井底压力进行计算机模拟,结果显示地层流体流入率和总的流入体积可以被现有的分离器和储存罐所承受。

在油田实施了UBD技术。图4显示了钻井液注入泵压情况;图5记录了过程中的压力变化情况,可以发现UBD中压差在0～60 psi之间。

图4 欠平衡作业过程中泵压情况

图5 欠平衡作业中压力变化情况

5 结论

(1)存在一个UBD临界压差,在其以上,水侵入对储层的伤害很小,这个压差的数值可以根据毛管压力曲线来估算。

(2)UBD临界压差可以看作是下限,上限是分析井筒坍塌、地层流体流入率和总的流入体积而得。

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