气体钻井技术研究与应用效果分析

周尊鹏

（胜利钻井工程技术公司定向井公司,山东 东营 257000）

1 气体钻井技术应用的前期准备工作

面对低压、低渗、低丰度、低产的“四低”油气田开发，在工程技术应用上需要采用“非常规”方式，一是采用欠平衡方式打开气层，最大限度的保护储层；二是采用气体钻井方式提高机械钻速，缩短钻井周期。胜利油田钻井工程技术公司开展了以天然气为循环介质打开储层的钻井技术研究与实践，取得了初步成果，进而又开展了提高机械钻速的气体钻井实践，通过研究与试验，验证了气体钻井是常规钻井机械钻速提高3-9倍，并初步形成了地层出水、稳定性评价、井眼净化技术以及天然气钻井HSE文件。

实施气体钻井技术要首先需要开展气体钻井地区进行储层敏感性伤害评价，主要对其酸敏、速敏、盐敏、水敏以及水锁进行评价，评价结果的特点是：

（1）具有强水锁、中偏弱速敏、弱水敏、无酸敏特征。

（2）岩心实验证明：储层遇水后，使得气相渗透率急剧下降，当含水饱和度超过60%时，天然气的渗透率降到原来的1/6～1/8,甚至为0，且很难恢复。

2 气体欠平衡钻井技术应用研究

2.1 井身结构的优化研究

国外气体钻井实践表明，当地层出水量大、地层不稳定都会造成施工无法完成，究竟是那些地层出水、出水量多大，那些地层不稳定，井下是否安全这些都是实施天然气钻井需要考虑的问题。当地层出水量小、井壁稳定或有轻微坍塌可以用加大注气量、雾化／泡沫钻井解决。如果某段地层出水量大或井壁坍塌严重，解决的办法就是改变井身结构，共该井段用水泥封固。因此，需要对地层进行综合评价分析，优化井身结构。

2.1.1 地层出水量和气体携水能力研究

（1）地层出水量的计算：根据不同井深的孔隙度、渗透率、地层压力、密度以及地层流体的性质，计算出水量大小。经预测计算延长组的出水量达到33.8m3/h，如此大的出水量应用气体钻井在经济上是不合算，而且地层水对泥岩的水化作用使得井下复杂。

（2）气体携水能力研究：纯气体有效携水的流态是环雾流，其沉降速度为8m/s。当注气量很大时，气体上移，水被气体继续分割，即可带出，当注气量小时，液体会发生聚并，聚并大于分散，形成积液（块状搅动流），这为携水极限。

（3）泡沫携水能力：当气体不能有效携带地层水时，就应转换为雾化或泡沫钻井。根据实验初步估算，良好泡沫流体携水量可达基液流入量的5～6倍(15-18 L/s),要求泡沫质量稳定、良好。

2.2 井眼稳定性研究

从钻井液钻井壁失稳原因可知，泥岩被水化降低岩石本身强度是井壁失稳的关键。增强泥页岩稳定性的关键点是如何减少泥页岩与水的接触机会，或减弱水对页岩的水化作用。采用气体做为循环介质，彻底解决了外来水对页岩的“入侵”，由于没有液相，页岩中无任何液相侵入，无任何内部破坏应力增加，泥页岩强度无任何降低，此时泥页岩内的微裂隙也处于挤压，闭合状态，此时的井壁稳定变成是纯力学问题。

根据井壁稳定理论及井壁失稳原因分析，建立了气体钻井条件下，井壁稳定性评价分析模型，并利用测井资料对油气田的地层稳定性进行了评价分析。当井壁上岩石受地应力作用产生的临界崩落压力大于或接近岩石本身的内聚力时，井壁有坍塌的趋势。

2.3 井身结构的确定

根据地层出水、井眼稳定性评价结果，以及井控安全等研究结果，确定合理的井身结构。从地层出水、井眼稳定性评价计算结果得到如下结论及井身结构：

（1）干气钻井条件下，二开井段最薄弱地段（井深约3220m）的安全余量为5%；地层垮塌的可能性比较大，不适宜气体欠平衡钻井；其它井段墓本安全。

（2）地层出水量大时，不适宜气体钻井；延长组出水量不容忽视，要采用泡沫钻井技术解决。

（3）如果考虑到泥页岩水化对岩体的影响，泥岩地层可能会有轻微失稳，要采取泡沫钻井技术解决。

2.4 井眼净化的试验分析

（1）钻杆内压力随井深增加、气体受压压力随之增加；环空内气体在上返过程中不断膨胀，压力随之减小。

（2）气体在井底上返速度最低，岩屑运移速度也最低，气体在上返过程中不断膨胀，返速也不断增大，岩屑运移速度也不断增大，到达井口二者均增至最大。

（3）井底处岩屑浓度较高，是井眼净化的重点区域，故必须有足够大的传输比，较小的岩屑浓度，一般认为井眼良好净化的标准是：岩屑传输比大于70-80%，环空岩屑浓度小于3‰。

（4）如果岩屑在地层水的作用下粘结，则岩屑团粒尺寸加大，岩屑滑沉速度增大，传输比降低，携岩能力就会变差。

3 气体钻井技术应用效果

2011年～2013年，先后在胜利油田16口井上进行了气体钻井现场应用。

3.1 在保护储层中的应用

新疆油田是以保护储层为目的，因此，主要钻进储层段，钻进过程中储层有少量天然气（850～1000m3/d)进入井筒，如此小的产气量用钻井液钻井根本无显示。由此可见，在天然气钻井条件下，能够真实的反应储层物性及产能，为正确评价储层，提高勘探精度及勘探开发方案部署提供决策依据。

3.2 提高钻井速度

新疆油田勘探开发中，由于储层具有“低压、低渗、低产”特点，用常规钻井液相对钻井成本高，经济效益差。主要原因是下部井段（约2170(3450m）机械钻速比较慢，纯钻时间占全井的70%左右。

3.3 技术成果

通过3年来对气体钻井技术的系统研究及16口井的现场应用取得了以下技术成果：

（1）形成了一套适用胜利油田特征的储层保护、提高钻井速度、提高勘探开发效率的配套的工艺方法，初步形成了气体钻井配套技术，成为开发低压、低渗、低丰度、低产的“四低”油气田的重要技术之一。

（2）通过对气体钻井钻头冷却机理、钻头破岩机理、钻头寿命分析研究，形成了钻头选型的理论基础，结合现场试验结果优选出了气体钻井钻头。

（3）建立了地层出水、井眼稳定性综合评价、天然气钻井注入参数数学模型，并形成了计算软件。

（4）现场应用不仅最大限度的保护了储层，而且大幅度提高了机械钻速，创造了全国气体钻井连续进尺1091.91m最高记录。

（5）形成了防塌雾化液／泡沫液及优质压井液体系，对井壁稳定起到了良好作用。

（6）形成了适合天然气欠平衡钻井、空气钻井的HSE文件及钻井操作规程。

主要技术创新点：

（1）首次以天然气为循环介质钻开储层，实现了正确评价储层物性及真实产能，达到了保护储层的目的。

（2）首次全井段应用天然气钻井技术提高钻井速度，创造了气体钻井连续进尺1091.91m的全国记录，机械钻速提高3～9倍。

（3）首次系统地对地层出水预测、气体钻井井眼稳定性评价、注气参数计算进行了研究，并建立了数学模型。

4 几点认识

（1）应用天然气钻井技术能够最大限度地保护储层，真实的反应储层物性，正确评价储层的真实产能，探明储量，为部署勘探开发方案提供决策依据。

（2）应用气体欠平衡钻井技术可有效降低油气田勘探开发综合成本。

（3）应用气体钻井技术取得的成功，为高效开发油气田提供了技术支撑，也为国内“低压、低渗、低产”油气田的勘探开发开辟了新的途径。

（4）实践证明，采用气体钻井技术既可以达到保护储层，又可以提高钻井速度降低综合开发成本，其经济效益、社会效益都是巨大的，具有良好的推广应用前景。

[1]王京龙.气体钻井安全监控系统在胜利油田的应用[J].中小企业管理与科技,2011(06).

[2]刘合,杨智光,张书瑞,孔凡军,姜玉芳,刘志焕.大庆油田气体钻井技术研究与应用[J].大庆石油地质与开发,2009(05).