火山岩气藏全过程欠平衡钻井技术

陶 冶 廖新伟

1.中国石油勘探开发研究院 （北京 100083）

2.中国石油西部钻探工程有限公司部 钻井工艺研究院 （新疆 克拉玛依 834000)

火山岩气藏全过程欠平衡钻井技术

陶 冶1廖新伟2

1.中国石油勘探开发研究院 （北京 100083）

2.中国石油西部钻探工程有限公司部 钻井工艺研究院 （新疆 克拉玛依 834000)

针对石炭系火山岩气藏在勘探开发过程中遇到的钻井难题，结合2007～2008年新疆油田欠平衡钻井取得的成果，提出在石炭系火山岩地层采用全过程欠平衡钻井技术，能有效利用全过程欠平衡钻井技术优势解决石炭系火山岩气藏地层采用常规钻井技术出现的井漏、储层保护难度大、机械钻速低、井控风险大等开发难题，并针对石炭系火山岩地质特征提出相应全过程欠平衡钻井技术措施。

全过程欠平衡钻井 不压井起下钻 井下套管阀 火山岩气藏

近几年来,先后在新疆准噶尔盆地陆东-五彩湾地区石炭系、滴南凸起石炭系获得系列重大勘探发现。彩55井获工业油气流。滴中1井、陆东1井在石炭系地层获良好油气显示,天然气勘探获重大突破。

陆东-五彩湾地区主要地质特征为：石炭系大量发育中、基性火山岩。陆东-五彩湾地区火山岩地层不仅裂缝发育，且受沉积环境的影响，各种孔洞也较发育，存在有裂缝--孔隙双重储集空间的特点。

1 准噶尔盆地石炭火山岩气藏勘探开发难点

1.1 储层保护困难

石炭系火山岩地层多为低压低渗，且地层本身裂缝、孔洞较为发育，对钻井过程中影响储层伤害程度的工程因素更加敏感。

采用常规钻井技术，在正压差作用下，钻井滤液以及固相颗粒一旦进入储集层中，会对本身低压低渗且裂缝、孔洞发育的石炭系火山岩地层造成严重的储层伤害(见图1)。进入储层孔道和裂隙的固相颗粒堵塞会导致侵入带地层渗透率降低，影响油气发现以及油气产量，增加后期地层改造费用；钻井滤液与储层岩石不配伍会诱发水敏、盐敏、碱敏、润湿反转、表面吸附等储集层潜在伤害，钻井滤液与地层流体不配伍会诱发储层油气通道的无机盐沉淀、水锁、乳化堵塞等。且石炭系火山岩地层压力与漏失压力十分接近，当钻井液柱压力超过地层破裂压力或钻井液在储集层中的流动阻力时，就有井漏的风险。

图1 储层伤害示意图

1.2 非生产时率高

2004年以来，对陆东已完井进行统计，事故时率为1.1%，复杂时率为5.6%。其中井漏损失时间占全部事故、复杂时间的79%。随着火山岩勘探井数量的增多，井漏问题在钻井过程中尤显突出。造成井漏因素很多，其主要原因有：一是同一地层本身地层压力与漏失压力十分接近，安全钻井密度窗口窄；二是地层本身裂缝、孔洞较为发育，在准噶尔盆地钻井的漏失问题，尤其以陆东-五彩湾地区最为突出，严重制约了钻井速度，影响了勘探进程。

1.3 井控风险大

采用常规钻井井口装置,在气井中进行起下钻作业,起钻过程中井控风险大。若进行压井作业,易对裂缝性-孔洞发育的石炭系储层造成极大地伤害。

1.4 机械钻速低

准噶尔盆地西部隆起克-乌断裂带石炭系地层机械钻速低，火成岩类，包括安山岩、玄武岩等岩石坚硬，机械钻速极低（最低0.4m/h），钻头损坏严重；陆东地区已钻井石炭系地层埋深2 722～4 310m，岩性主要由火山岩和火山碎屑岩、安山岩、玄武岩组成，可钻性级值在8级以上。石炭系地层钻进速度慢，钻头损坏严重。

2 全过程欠平衡钻井技术的技术优势

针对准噶尔盆地石炭火山岩气藏勘探开发过程中出现的以上钻井难点，可采用全过程欠平衡钻井技术实现发现、保护油气藏、防止井漏、降低井控风险、有限提高机械钻速的目的。全过程欠平衡钻井是指从钻井到完井的各个环节都实现欠平衡的一种钻完井方式。该技术的优势：

（1）实现欠平衡钻进过程中“边喷边钻”，降低了钻井过程中钻井液对地层的伤害，有效的防止钻井过程中井漏的发生，实现钻进过程发现和保护油气藏的目的。

（2）实现全过程欠平衡钻井，以往欠平衡钻井起下钻需压井后方能进行起下钻作业，而全过程欠平衡钻井在起下钻过程中无需进行压井作业，与以往欠平衡钻井相比，减少了起下钻过程中钻井液对地层的伤害。

（3）实现了欠平衡完井，常规欠平衡钻井后若仍采用传统方法压井、固井完井，势必对产层造成一定程度的伤害，导致产能下降，从而降低欠平衡钻井的综合效益。而全过程欠平衡钻井可进行不压井下入完井管柱，降低完井过程中钻井液对储层的伤害。目前，全过程欠平衡完井方式包括裸眼完井、带压射孔完井以及利用套管阀下筛管完井。

针对石炭系火山岩气藏，采用全过程欠平衡钻井技术解决常规钻井过程中出现的难点，应加强对其地质概况、储层物性了解的基础上优化技术措施，提出解决准噶尔盆地石炭火山岩气藏勘探开发过程中出现的钻井难点的全过程欠平衡钻井技术对策。

3 火山岩气藏全过程欠平衡钻井技术对策

3.1 选择合理欠压值是欠平衡钻井的核心

根据石炭系地层的三压力分布情况，设计欠压值。然后对井口旋转防喷器压力进行校核，并对地面处理设备处理能力进行分析，确定预设欠压值设计合理性。并根据设计欠压值确定合理的欠平衡钻井液密度。

3.2 井下套管阀（DDV）的应用是全过程欠平衡作业的硬件基础

该装置是一个随上一层套管下入井下的可根据需要进行开关控制从而将井筒分割成上下两部分的阀体。当其在开启状态时，其通径与套管一致，可进行正常的作业；当其在关闭状态时，它把井筒分成了上下两部分，欠平衡状态时地层压力不会传到井口，井口可以敞开进行正常作业。其开关是在地面由液压进行控制的。在起下钻施工前，先进行循环洗井，尽量减少环空钻井液柱中的天然气含量，使井底压力达到近平衡状态（见图2）。

图2 井下套管阀压力控制原理图

3.3 全过程欠平衡钻井技术措施

3.3.1 优化井身结构

石炭系地层上部石炭系顶部存在风化壳、破碎带等不稳定地层，要求实施欠平衡钻井井段的上层套管下入目的层顶界，封固上部不稳定地层。

3.3.2 全过程欠平衡钻井技术措施

（1）钻遇气层：应及时确定实际的地层压力，并依据实测地层压力确定合理的钻井液密度，并密切关注气测全烃值、返出口情况以及立压、套压、出口液量、气量等值变化，合理控制好节流阀的开启度，燃烧管线出口保持常明火源，以保证储层段欠平衡钻进的安全顺利实施。

（2）钻遇破碎带：可能带来卡钻的危险，此时应上、下活动钻具循环观察，同时这种情况下将导致井筒内岩屑增加，增加节流管汇堵塞的风险，此时应监视节流管汇以及返出情况，及时调整钻井液性能，钻穿破碎带后，可考虑采用注水泥或是下入膨胀管等技术措施封固不稳定地层，以便于下部井段欠平衡钻井安全顺利进行。

（3）钻遇高压水层：应先钻穿含水地层后，采取注水泥或是下入膨胀管等技术措施封固含水地层，保证下部欠平衡钻井安全顺利实施。

（4）由于全过程欠平衡钻井技术采用井下封井器配合欠平衡钻井井口控制装置，提钻前，首先节流循环，进一步减少井底压力与地层压力差值，实现井底压力近平衡状态。

（5）目的层段起下钻要平稳，防止抽汲引发压力激动等复杂情况，当钻头起下至套管鞋、井下封井器及井口时，应注意提下钻速度。

（6）尽可能缩短关井时间。

4 全过程欠平衡钻井技术推广应用及效果分析

近年来，围绕“油气发现和保护、提高钻井速度、解决钻井难题”的目的，积极开展欠平衡钻井适应性分析，在陆东、五彩湾和红车探区火山岩地层探索应用了包括液相全过程欠平衡、泡沫流体欠平衡、空气钻井等多种形式的欠平衡钻井技术。2007～2008年总计实施欠平衡钻井31口，其中液相欠平衡20口，液相欠平衡钻井保护发现效果显著，五彩湾地区石炭系地层成功实现“边喷边钻”，达到探井发现、保护油气藏的目的。

4.1 全过程欠平衡钻井技术在彩551井的应用

彩551井三开石炭系地层储层预测地层压力系数1.16，平均孔隙度为7.59%，平均渗透率为7.94× 10-3μm2，属于裂缝-微裂缝发育低压低渗储层，可钻性差，为实现安全快速钻井及最大程度保护储层的目标，本井三开实施全过程欠平衡钻井。

4.1.1 施工参数（见表1）

表1 彩551井施工参数

4.1.2 施工简况

彩551井欠平衡施工采用钾盐聚磺钻井液体系，2008年10月23日凌晨开始欠平衡施工,始钻井深3 319.80m，密度为1.06g/cm3；钻至井深3 327m，地质录井气测显示全烃71%，峰值达90%，欠平衡点火成功,火焰高度2～10m，录井显示油气层位置3 322～3 325m，实现了“边喷边钻”。钻至井深3 335.28m，钻时异常加快，返出钻井液经分离器后气测值维持在30%以上，火焰高度未下降，油气显示好（见图3）。11月10日钻至设计井深3 800m完钻。彩551井三开钻进、起下钻、取心等各工况井底均处于欠平衡状态，完成了设计要求的全过程欠平衡作业。

4.1.3 取得的成果

（1）彩551井在欠平衡钻进过程中，成功地实现了“边喷边钻”，达到及时发现、保护油气藏的目的，与常规钻井相比，极大的降低了钻井液对地层的伤害。彩551井钻至井深3 327～3 335.28m，气测油气显示好，全烃峰值达90%，点火火焰高2～10m；在井深3 335.28～3 800m井段油气显示良好。

图3 彩551井“边喷边钻”效果图

（2）采用欠平衡气测装置，用于引出未被除气的泥浆，以满足地质录井原始泥浆录井的需要。保证了欠平衡钻井录井气测值的准确性。

（3）采用了我院研制的井下套管封井器与欠平衡钻井设备配合，完全实现了不压井起下钻。井下套管封井器开关、关闭动作性能稳定、可靠，保证了全过程欠平衡钻井作业的正常进行。与常规欠平衡钻井相比，节约了泥浆调整的费用，减少储层伤害，保护了储层，为储层评价提供了有力的保障。

4.2 应用效果分析

2007～2008年全过程欠平衡钻井在新疆油田应用井数为8口，其中大多数井均取得了良好应用效果（见表2）。

4.2.1 油气藏发现与保护效果分析

2007～2008年，全过程欠平衡钻井8口，占全部欠平衡钻井井数的40%。该项技术在石炭系勘探开发中，均未发生井漏，发现、保护油气藏效果显著。以五彩湾区块彩55井为例（见图4），中途测试，日产天然气5.9×104m3/d，实际投产后，日产天然气达到12×104m3/d，有效的保护和开采油气藏。

表2 2007～2008年全过程欠平衡钻井效果分析

图4 彩55井石炭系地层边喷边钻效果图

4.2.2 提速效果分析

欠平衡钻井与常规钻井相比，由于环空液柱压力的降低，压持效应降低，机械钻速有一定的提高，但是提速幅度有限（见图5），在五彩湾区块液相欠平衡井较邻近的常规井机械钻速提高20%～40%。

图5 提速效果分析图

在提高欠平衡钻井机械钻速方面，可有效结合常规钻井在提高机械钻速方面的经验，进行钻头优选，选择适合石炭系火山岩地层的钻头，如：参照莫深1井在石炭系使用钻头的成功经验，优选HF系列钻头及PDC钻头。强化如泵压等钻井参数的方法，实现提高机械钻速的目的。

5 结论与建议

2007～2008年全过程欠平衡钻井技术在准噶尔盆地石炭系地层勘探开发中的应用情况，表明该项技术在有效防止井漏，发现和保护油气藏方面有其技术优势。

由于全过程欠平衡钻井技术应用井型大多为探井，地层资料不准确，也导致部分井施工终止。因此，在石炭系火山岩气藏地层应用过程中，应充分了解石炭系火山岩气藏地层的地质状况，包括地层岩性、储层敏感性评价、储层孔隙压力、储层流体类型等，并结合所用钻井设备的特点，制定出详细的全过程欠平衡钻井施工方案，如合理压差的设计、多相流在井筒的分布规律、井壁稳定分析等。并在施工中加强随钻监测的力度和手段，确保该项技术在石炭系火山岩气藏的应用取得新的突破。

According to some difficult drilling problems existing in the exploration and development of the carboniferous volcanic rock gas reservoirs,coupled with the achievements of underbalance drilling technology made in Xinjiang oilfields between 2007 and 2008, it is presented that the integrated underbalance drilling technology should be applied to the carboniferous volcanic rock reservoir.In this way,the advantages of the integrated underbanlance drilling technology can be used effectively so as to solve some difficult problems such as the lost circulation,the large degree of difficulties about reservoir protection,the low rate of penetration,and the big risk of well control,which usually appear when the routine drilling technology is used in the exploration of the carboniferous volcanic rock reservoir.Meanwhile,some corresponding measures about the integrated underbalance drilling technology are put forward according to the geological characteristics of carboniferous volcanic rock.

integrated underbalance drilling technology;pressure balance round trip/snubbing round trip;downhole casing valve; volcanic rock gas reservoirs

陶冶（1964-），男，高级工程师，从事系列欠平衡钻井技术研究和工程技术服务工作。

张箫铃

2011-05-23