氮气水平井钻井难点、处理对策及现场试验

钟显禄（中石化西南石油局广西石油基地服务中心，广西 南宁 530023）

胡挺（中石油西部钻探钻井工程技术研究院，新疆 鄯善 838202）

随着氮气欠平衡钻井技术水平的提升和应用效果的展现，氮气欠平衡钻井技术已成为勘探开发的前沿技术手段，其主要优越性在于对地层无污染，可提高单井产能，提高机械钻速和有效评价储层。而氮气欠平衡钻井与水平井钻井结合则是高效勘探开发难动用储层的更有效方式。随着勘探开发的深入，氮气欠平衡钻井技术与水平井技术结合应用将是钻井技术发展的必然趋势。但气体水平井钻井中经常出现地层出水、井壁失稳等技术难点，是制约氮气水平井钻进技术发展的主要瓶颈。因此，加强相关难点技术的研究，制定相应的对策显得尤为重要。

1 氮气水平井钻井难点分析与处理对策

1.1 地层出水

吐哈油田实施氮气欠平衡钻井已达15余井次，通过实践表明，氮气欠平衡钻井实施成功的关键在于井壁稳定、地层含水少或不含水和有效的现场组织。为此进行氮气欠平衡钻井设计前首先需要做地层适应性论证，准确掌握地层含油、气、水情况。并制定合理的施工措施，确保氮气欠平衡钻井的施工成功率。

1.1.1 地层出水的预测方法

目前预测水层的主要方法是依靠地震、地质和测井等资料，其中对测井资料进行详细分析是精准预测水层的最佳方法，当前常规钻井预测水层的主要测井方法有最小电阻率交会法、储层与泥浆电阻率交会法等对出水层进行有效识别，但气体钻井识别水层较常规钻井要困难的多，经常出现水层漏判现象。为此，结合气体钻井的实际情况利用阿尔奇公式以及束缚水含水饱和度计算模型，通过计算、优选出能反映地层出水的敏感性参数（表1），形成一套气体钻井水层预测技术，以便对气体钻井提供指导。

表1 氮气水平井钻井出水层位判断标准

1.1.2 地层出水地面现象分析

结合吐哈油田氮气欠平衡钻井现场应用时遇到的实际情况，通过分析总结，将地层出水分为3个级别：微量出水（0～2m3／h），一般出水（2～5m3／h），大量出水（5m3／h以上）。地层出水主要体现在转盘扭矩、立管压力、注气压力、钻井速度等地面参数上，因此密切关注地面各项钻井参数的变化，是准确判断井下情况的最佳依据。表2给出了地层出水时的地面现象。

表2 地层出水地面现象分析及处理对策

1.1.3 地层出水的处理对策

氮气水平井钻井技术成败的关键之一在于地层是否出水，施工中若钻遇到地层出水，那么首先应增加气量进行循环；若增大气量后不能保持井下正常，则应视地层出水情况转换成泡沫钻井、充气钻井或液相欠平衡钻井。具体处理对策见表2。

1.2 井壁稳定性

导致井壁失稳的原因主要有力学因素和物理化学因素两种。物理化学因素是指钻井液与泥页岩地层发生物理化学作用引起水化膨胀和分散，致使近井壁岩屑强度下降，导致井壁失稳。但氮气水平井钻井过程中不存在钻井液对井壁的物理化学作用，因此影响氮气水平井井壁稳定性的主要因素是岩石的力学性质。

1.2.1 氮气水平井井壁稳定性评价方法

目前对氮气水平井井壁稳定性评价主要采用库仑－莫尔强度理论和剪切破坏理论，利用测井资料结合这两个理论公式可以计算出影响氮气水平井井壁稳定性的固有内聚力和临界崩落内聚力，当固有内聚力大于临界崩落内聚力时，表明井壁比较稳定，井壁出现坍塌的可能性较小。当固有内聚力小于临界崩落内聚力时，则表明井壁不稳定，出现坍塌的可能性较大。图1以牛东平8－13井为例，绘制出了氮气水平井钻井的固有内聚力和临界崩落内聚力两条关系曲线，以评价该井水平段的井壁稳定性。由图1可知，在1500～1950m井段岩石的内聚力大于临界崩落内聚力，说明该井段井壁比较稳定。但在1950～2100m井段岩石的内聚力与其临界崩落内聚力比较接近，因此在实施氮气欠平衡钻井施工作业过程中，应密切关注转盘扭矩、立管压力、注气压力、钻具活动情况等地面现象，并做好井壁坍塌的处理预案。

图1 牛东平8－13井水平段井壁稳定性评价

1.2.2 氮气水平井钻井井壁失稳地面现象分析

井壁稳定研究的重要性等同于地层出水，同样是关系到氮气水平井钻井成败的关键因素，因此在实施氮气水平井钻井之前，首先应做好地层适应性论证，以确保氮气水平井钻井的成功率。井壁失稳性按照失稳程度可分为井壁掉块和井壁坍塌两种，主要体现在转盘扭矩、立管压力、注气压力、岩屑返出情况等地面现象上，因此氮气水平井钻井施工作业过程中应密切关注地面各项钻井参数的变化（表3），对井下情况进行准确的认识与判断。

表3 氮气水平井井壁失稳地面现象分析及处理对策

1.2.3 氮气水平井钻井井壁失稳处理对策

井壁稳定性是顺利进行氮气水平井钻井的先导性条件，因此在实施氮气水平井钻井作业过程中，一旦出现井壁失稳，导致井下掉块或坍塌，应立即停止钻进，加大气量循环，尽量将钻具提离井底到较高位置［1］，判断井下失稳程度，根据判断结果制定下一步措施。具体对策见表3。

1.3 水平段岩屑携带

氮气水平井钻井水平段较垂直段携岩要困难得多，岩屑易在水平段沉积形成岩屑床，若地层出液可能使岩屑黏结成团，如果不加以处理，岩屑团会越结越大，大尺寸岩屑团会沉降在水平段的下井壁［2］，导致井眼净化不良、环空堵塞或卡钻等井下复杂事故。

1.3.1 水平段岩屑携带难点

氮气水平井钻井水平段岩屑携带难点主要体现在3个方面：①岩屑一旦被破碎、脱离井底后，很难再次回到井底被钻头重复破碎，而是以小颗粒形式被气流带走，大颗粒则可能会滞留在水平段某处的下井壁处。②岩屑的重力方向与气体流动方向相垂直，气体流动不能像在垂直井筒内那样直接克服重力沉降而使岩屑运移［3］。③重力使钻具躺在下井壁处，这种偏心环空会造成下井壁处的低速区，而这些低速区恰好是岩屑在重力作用下的滞留区［4］。

1.3.2 提高水平段岩屑携带的处理对策

结合氮气水平井钻井的现场应用经验，通过分析，总结和提炼得出了5项提高氮气水平井钻井水平段岩屑携带的综合措施：①足够的气量是氮气水平井钻井岩屑携带出井筒的保证，同时也是当井下出现复杂情况时及时处理复杂情况的重要保证。②采用变径短节、扶正器等器具使钻柱抬升，脱离下井壁，消除下井壁处偏心环空造成的低速区，以免造成岩屑堆积。③保持水平段钻柱旋转，以改善水平段的岩屑滞留、堆积现象［5］。④经常短距离地上提下放钻具，使钻头提离井底后再回到井底，将钻头附近大颗粒岩屑推回井底重复破碎。⑤限制钻速，采用低钻压、高转速方式钻井，使钻头第1次破碎产生的岩屑不至于过大［6］。

1.4 井眼轨迹监测与控制

氮气水平井钻井是以氮气作为循环介质，MWD（LWD）（随钻测量／随钻测井）在气体中无法传输脉冲信号；因此，无法进行无线随钻监测。有线随钻监测井口高压循环头位置只对具有较高黏度和稠度的泥浆进行密封，对清水密封都会发生泄漏；它对气体几乎没有密封作用，因此不能使用于气相钻井体系钻井。

1.4.1 氮气水平井井眼轨迹监测与控制难点

在充气或纯气体欠平衡钻井作业中，MWD（LWD）无法传输脉冲信号。无法对井眼轨迹进行随钻监测，不能保证井身结构质量，难以确保中靶目标。由于氮气水平井钻井改变了井底岩石的结构应力状态，使得地层各向异性明显增加，极易发生井斜，致使氮气水平井钻井中井眼轨迹控制难度加大。氮气水平井钻井中狗腿度难以控制，加之氮气水平井钻井本身岩屑携带难度就比较大，双重难度加剧了发生卡钻的可能。

1.4.2 提高氮气水平井钻井的井眼轨迹监测与控制的处理对策

用于氮气水平井钻井的井眼轨迹监测与控制的仪器主要有EM－MWD地质导向系统和可投捞式轨迹测量工具两种，通过在牛东平1井和牛东平8－13井两口氮气水平井的现场试验，证明两种仪器均能较好地对氮气水平井钻井的井眼轨迹进行监测与控制。

EM－MWD地质导向系统在进行气体钻井作业时，可实时获取井斜角、方位角等工程参数，掌控井下增斜或降斜情况，根据要求可及时调整钻具组合、钻进参数以及注气量。同时可随钻监测井下钻具的振动，以便施工人员随时了解井下钻具的情况，预防井下复杂情况的发生。

针对利用EM－MWD地质导向系统服务费用高的难题，研发了一种用于氮气水平井钻井井眼轨迹控制的投捞式轨迹测量工具。但是在现场施工过程中不能对井眼轨迹进行随钻监测与控制，在测量的时候需要将钻具起至垂直井段或井斜小于45°的井段，完成投放过程，下钻至井底完成测量后再起钻至垂直井段完成打捞过程。通过地面数据分析，确定下步钻井参数、注气量及钻具组合，阶段性调整井斜和方位，达到对井眼轨迹的有效监测与控制。

2 氮气水平井钻井现场试验

2.1 牛东平1井

牛东平1井是吐哈油田部署的第1口氮气水平井，井眼直径152.4mm。水平井段纯氮气钻进井段为1666.66～1702.34m；充氮气钻进井段为1702.34～1947.17m。施工中结合岩屑运移机理及氮气钻水平段携岩的难点，开始氮气注入量为80～90m3／min；但钻进2个单根后，钻具下放不到井底；循环划眼时间较长，出于安全施工考虑，后将氮气注入量提高至90～120m3／min，有效地解决了岩屑携带问题，恢复正常氮气钻井。在钻至1702.34m时因地层出水，钻具遇卡，排砂口无气体返出，氮气注入量提高至150m3／min，排砂口排出大量灰尘，并伴有大量块状岩屑团；为了防止井下复杂情况进一步恶化，转化为充氮气欠平衡钻井。该井在用氮气钻水平段的过程中井眼轨迹的监测与控制采用可投捞式轨迹测量工具，对水平段井眼轨迹的控制提供了重要的参考数据。

2.2 牛东平8－13井

牛东平8－13井，井眼直径152.4mm，水平井段纯氮气钻进井段为1587.25～1807.09m；充氮气钻进井段为1807.09～2087m。该井在分析总结了牛东平1井氮气水平井钻井过程中出现的问题，水平段氮气钻井过程中氮气注入量为90～120m3／min，在水平段增加变径短节、扶正器等，再次破碎大颗粒岩屑并使之变小，以有效满足水平段岩屑携带要求，循环时间大大缩短，机械钻速达12.78m／h，是邻井常规钻井机械钻速的3～7倍。

牛东平8－13井在水平井段氮气钻井井眼轨迹监测与控制采用EM－MWD测量工具，钻井过程中随时的调整井斜和方位，依据地层伽马、电阻率两个地质参数，有效地控制了井眼轨迹，并在邻井常规地质解释为干层的情况下，分别在1701m和1736m时钻遇低产油层，达到了发现和保护油气层的目的，后钻至1807.09m在起下钻过程中遇阻严重，出于井下安全考虑，将氮气钻井转为充气钻井，EM－MWD水平段监测及控制段长499.75m。牛东平8－13井在完井后直接投产较邻井产量提高了5～8倍。

3 认识与建议

1）地层出水、井壁失稳是直接关系到氮气水平井钻井成功与否的关键因素，因此在优选氮气水平井钻井的井位时，必须对其进行精准、严密的可行性论证。

2）氮气水平井钻井过程中，应保持钻具旋转，经常的短起下钻，控制钻速，还要采用抬升钻具的方法避免钻具重力造成偏心环空，同时在变径短节、扶正器等处的外侧面镶硬质合金，在水平段增加重复破碎功能，以提高水平段的携岩能力。

3）由于氮气钻水平井改变了水平段岩石的结构应力状态，使得地层各向异性明显增加，极易发生井斜，因此氮气水平井钻井的井眼轨迹极难控制。

［1］杨令瑞，杨玻，肖润德，等 .四川天然气欠平衡钻井完井技术研究与应用 ［J］.天然气工业，2005，25（3）：105～108.

［2］孟英峰，练章华，李永杰，等 .气体钻水平井的携岩研究及在白浅111井的应用 ［J］.天然气工业，2005，25（8）：50～53.

［3］莫跃龙，王华 .欠平衡水平井技术探讨 ［J］.西部探矿工程，2008，20（6）：55～57.

［4］周英操，翟洪军 .欠平衡钻井技术与应用 ［J］.北京：石油工业出版社，2003.

［5］窦金勇，陆凤德 .气体钻井常见问题分析 ［J］.西部探矿工程，2010，22（12）：73～75.

［6］陈方远，胡挺，孙新江，等 .稠油油藏氮气欠平衡钻完井技术研究与应用 ［J］.钻采工艺，2010，33（1）：11～13.