库车坳陷X井致密砂岩储层氮气钻井实践与认识

张晓东　汪　凯　王延民　陶赟　蔡光林　何　石（.西南石油大学机电工程学院，四川成都　60500；.塔里木油田公司，新疆库尔勒　84000；.西南油气公司川东北采气厂，四川阆中　67400）

库车坳陷X井致密砂岩储层氮气钻井实践与认识

张晓东1汪凯1王延民2陶赟2蔡光林2何石3
（1.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；2.塔里木油田公司，新疆库尔勒841000；3.西南油气公司川东北采气厂，四川阆中637400）

通过欠平衡钻井技术的理论研究和室内试验，形成了一套较完善的适用于高压高产致密砂岩储层的氮气钻井方案，具有合理的注气设备配套方案、钻具组合、井身结构设计以及整套工艺流程。以库车坳陷东部的X井为例，通过与多口邻近致密砂岩储层的常规钻井液钻井技术相比，X井的机械转速最大提高了24.3倍，钻井周期最多缩短了62 d，单井产量是邻井的4.2倍。致密砂岩储层氮气钻井在X井的成功应用，再次证明了在致密砂岩储层使用氮气钻井技术可以提高机械钻速、缩短钻井周期、提高单井产量的目的。同时验证了氮气钻井技术和装备的安全可行性，为库车地区乃至全国推广高压高产致密砂岩储层氮气钻井技术奠定了基础。

致密砂岩储层；氮气钻井；机械钻速；钻井周期；单井产量；应用前景

近年来，致密砂岩储层的钻井技术逐渐成为我国油气勘探开发技术的研究热点。据统计，致密油气资源具有含油气多、油气藏类型多、分布区域广的特点，其产量已超过油气总产量的1/3［1］。我国现在低渗透油气产量为 21.07×109t，占总量的22.41%［2］。在中国众多的含油气盆地例如准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地，以及四川盆地西部发现了致密砂岩储层，另外在松辽、塔里木、江汉、吐哈等盆地均发现致密砂岩天然气储层的分布［3-7］。X井位于库车坳陷东部，是探索致密砂岩、深盆气勘探潜力的一口重点预探井。在邻井中使用常规的钻井液钻井技术，多次发生卡钻事故，不仅没有获得预期的产量，还对储层造成了不同程度的损害，甚至导致井眼报废。通过对欠平衡钻井技术理论的分析和室内试验，形成了适用于致密砂岩储层的氮气钻井方案，并成功的应用于X井。

1　X井储层特征

对于X井总体评价为低孔低渗-特低孔低渗储层，含少量中孔中渗储层，渗透率主要为0.01～41.2 mD，平均渗透率1.42 mD。储层类型为裂缝-孔隙型，孔隙型储层以原生粒间孔、粒间溶孔为主，粒内溶孔少量。地层压力68.59～81.47 MPa，压力系数1.73～1.84。在X井的邻近几口井，采用的是常规钻井液钻井，机械钻速慢，钻井周期长，没得到相应的预期产量。结合X井的储层类型和地层压力采用氮气钻井技术来钻开储层。

2　致密砂岩储层氮气钻井技术难点

对致密砂岩储层氮气钻开储层的X井，燃爆是钻进过程中最大难题。高压储层气体钻井的燃爆是由于储层与井筒间的压力差造成近井底附近岩石的突然爆破。燃爆主要导致以下钻井技术难题：（1）井壁坍塌与卡钻［4］。天然气释放后破坏了原有的压力体系，井壁就会出现不同程度的坍塌，扭矩和立压波动严重，严重的会引起卡钻事故；（2）钻柱内防喷系统失效。钻遇到高压产层时，燃爆引起的大量高压气体携带大量坍塌物颗粒和粉尘通过钻头水眼涌入钻柱内，造成近钻头的箭型止回阀及其他钻柱内防喷系统的流道堵塞而导致井控失效，严重的会造成重大的井喷井涌事故。

3　库车坳陷X井工艺措施

3.1氮气钻井工艺

氮气钻井工艺流程是以氮气为钻井介质，使用空压机把空气输送到制氮设备产生氮气，然后经过增压机将氮气增压后注入井内。钻井介质具有携带岩屑和消除粉尘的功能，氮气和固体颗粒通过井口进入排砂管线，最后到燃烧池，在排砂管线上安装1个岩屑取样器便于取样分析。场地布置见图1。

图1　氮气钻井现场布置

3.2致密砂岩储层氮气钻井配套设备

3.2.1注气设备配置方案

以X井为例，氮气钻井井段为4 708～4 811.38 m，层位是侏罗系阿合组，Ø204 mm生产套管固井，Ø165.1 mm井眼氮气钻进。按钻井参数要求，现场配套设备见表1。

表1　注气设备配置方案

3.2.2钻具组合

与常规钻井液钻井相比，主要在于加强钻柱内防喷系统。由于钻开高压气层时，气固两相流在高压作用下会进入钻具水眼，导致内防喷工具失效和钻头堵塞。针对X井，在钻铤上部安装箭形阀，避免密封冲蚀失效。备用投入式止回阀或遥控旋塞，在近钻头内防喷工具全部失效后，为完井射孔创造条件。同时在接头上使用了HT型扣型，提高抗扭强度和密封性能。具体钻具组合如下：斜坡钻杆×S135I+箭形止回阀 HT40（母）×NC40（公）+旋塞阀 HT40（公）×NC40（母）+斜坡钻杆×S135I+转换接头×DS38（公）×HT40（母）+斜坡钻杆×S135I+转换接头×NC35（公）×DS38（母）+钻具旁通阀NC35+投入式止回阀NC35+箭型止回阀NC35+钻铤+箭型止回阀NC35+箭型止回阀NC35+钻铤+双母箭型止回阀×330×NC35（母）+钻头。

3.3防堵方案

内防喷工具是氮气钻井中重要的井控工具，能迅速起到钻柱内防喷的目的。在X井使用了一种新型双密封箭形止回阀，这种箭形止回阀是专门针对气体钻井提出的，采用了金属和橡胶双密封结构，解决了密封失效和通道堵塞的问题，确保了氮气钻井的井控安全。此外，针对气体钻井防堵问题，还设计出了一种防堵接头，这种防堵接头接在近钻头上防止溢流或井涌等现象发生时固相颗粒的上返而引起钻柱内通道堵塞的问题。这些工具的结构在对应专利中有具体的介绍。

加强现场监测也是一个重要的有效途径，针对高压储层氮气钻井的X井在常规检测的基础上增加了对注气量和地层岩性的检测，分析地层性质，掌握燃爆的发生时间和强度，保证了氮气钻井的井控安全。

4　致密砂岩储层氮气钻井技术现场应用

X井井身结构设计：井深4 878 m，层位阿合组，Ø250.83 mm套管下深4 708 m，4 708～4 811.38 m氮气钻进储层，井身结构设计见图2。

图2　井身结构设计

第1趟钻在4 766.5 m钻遇第1个产层，注气压力上涨，立压最高上涨至20 MPa，扭矩增大、上提钻具多提31.4 t。测试：Ø10 mm油嘴，产气量45 204 m3/d。第2趟钻在4 878 m钻遇主力产层，钻遇高产气层后，及时关井，带压起钻至套管鞋。环空测试Ø10 mm油嘴，环空压力45.32 MPa，产气量589 861 m3/d，产油量69.6 m3/d。

5　应用效果分析

从表2可见，X井氮气钻井平均机械钻速6.81 m/h，是邻井3井钻井液钻进的24.3倍，邻井4井的18.9倍。X井氮气钻井钻井周期比邻井3缩短了85 d，比邻井4井缩短了62 d。X井测试层位：侏罗系阿合组，测试井段4 708～4 811.38 m。测试产量：Ø10 mm油嘴，套压45.32 MPa，天然气589 861 m3/ d，油69.6 m3/d，为邻井的4.2倍（邻井1井同层段为141 531 m3/d）。X井氮气钻井试验取得重大突破，证实氮气钻井是保护低渗致密砂岩气藏、最大限度提高单井产能的有效途径。

表2　机械钻速、钻井周期与邻井比较

6　结论

（1）使用全新理念的钻柱内防喷系统，提高低渗透高压高产储层的井控安全，确保井场安全。

（2）随着致密砂岩储层氮气钻井技术的进一步的试验，再次验证氮气钻井具有最大限度地减少钻井施工中与压力有关的问题；减少油层伤害，提高产能，边钻进边进行油气藏描述的优势。

（3）初步证明氮气钻井工艺技术和装备的安全可行性，为库车地区乃至全国推广高压高产储层氮气钻井工艺技术奠定了基础。

［1］张晓峰，侯明才，陈安清. 鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组致密砂岩储层特征及主控因素［J］. 天然气工业，2010，30（11）：34-38.

［2］蒋凌志，顾家裕，郭彬程. 中国含油气盆地碎屑岩低渗透储层的特征及形成机理［J］. 沉积学报，2004，22（1）：13-19.

［3］胡宗全. 致密裂缝性碎屑岩储层描述、评价与预测［M］.北京：石油工业出版社，2005：1-7.

［4］王金琪. 中国大型致密砂岩含气区展望［J］. 天然气工业，2000，30（1）：10-26.

［5］王素兵，叶登胜，尹丛彬，等. 非常规气藏增产改造与监测技术实践［J］. 天然气工业，2012，32（7）：38-42.

［6］王树江，曹强，陈彦彪. 氮气钻井技术在普光202-1井的应用［J］. 石油钻采工艺，2007，29（5）：23-25.

［7］何世明，安文华，唐继平，等. 满东2井氮气钻井实践与认识［J］. 石油钻采工艺，2008，30（3）：15-18.

（修改稿收到日期2015-01-23）

〔编辑薛改珍〕

Practice and understanding on nitrogen drilling of tight sandstone reservoir in Kuqa Depression Well X

ZHANG Xiaodong1, WANG Kai1, WANG Yanmin2, TAO Yun2, CAI Guanglin2, HE Shi3
（1. Mechanical and Electrical Engineering College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Tarim Oilfield Company, Korla 841000, China; 3. Northeast Sichuan Gas Production Plant, Southwest Oil & Gas Company, SINOPEC, Langzhong 637400, China）

Through theoretical research and inhouse test on under-balanced (UBD) drilling technology, a set of complete nitrogen drilling programs applicable to high pressure and high production tight sandstone reservoir has been formulated, which includes reasonable gas injection equipment supporting program, bottom hole assembly, well configuration design as well as the whole technological process. Take X-Well in the east of Kuqa Depression as an example, compared with the conventional drilling fluid drilling technology used in drilling of tight sandstone reservoirs in a number of adjacent wells, the penetration rate of X Well was improved by 24.3 times as a maximum, and the drilling cycle was shortened by 62 d to the most extent, and the single well production was 4.2 times that of offset well. The success of nitrogen drilling in tight sandstone reservoir in X Well shows again that the use of nitrogen drilling technology in tight sandstone reservoir can increase the ROP, shorten the drilling cycle and increase the single well productions. It also verifies the safe practicability of nitrogen drilling technology and equipment, laying out a foundation for promoting this nitrogen drilling technology in tight sandstone reservoir of high pressure and high production in Kuqa region and even nationawide.

tight sandstone reservoir; nitrogen drilling; penetration rate; drilling cycle; single well production; application prospect

TE348

A

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0024 – 03

10.13639/j.odpt.2015.02.007

国家重大科技专项大型油气田及煤层气开发项目“塔里木盆地库车前陆冲断带油气开发示范工程”（编号：2011ZX05046）。

张晓东，1959年生。1995年毕业于北京科技大学矿山机械专业，获工学硕士学位，现从事石油钻采设备新技术、现代设计理论与方法的教学和井下动力钻具及井下工具的研发工作，教授、博士生导师。电话：028-83037223。E-mail：zxd123420@126. com。

引用格式：张晓东，汪凯，王延民，等.库车坳陷X井致密砂岩储层氮气钻井实践与认识［J］.石油钻采工艺，2015，37（2）:24-26.