秦 疆

（中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100029）

欠平衡井底欠壓值設(shè)計新方法研究及應(yīng)用

秦 疆*

（中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100029）

在欠平衡鉆井設(shè)計和施工過程中，井底欠壓值的設(shè)計和控制是決定欠平衡鉆井成敗的關(guān)鍵因素，在目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和常規(guī)設(shè)計中考慮了地層3個壓力剖面、井眼的力學(xué)穩(wěn)定性、地面設(shè)備的控制能力以及儲層的應(yīng)力敏感特性，基本上滿足了現(xiàn)場需求，但對于一些低滲且水敏性強(qiáng)的地層、凝析氣井僅僅考慮上述約束條件還難以滿足現(xiàn)場需要，針對這一問題，提出了一種欠平衡井底欠壓值設(shè)計的新方法，在綜合考慮以上條件的基礎(chǔ)上，同時考慮了毛細(xì)管壓力對儲層傷害的影響、凝析油反凝析對儲層傷害的影響，并給出了欠壓值的設(shè)計流程。應(yīng)用此方法在B區(qū)塊油田MKSR-0002高溫高壓凝析氣井進(jìn)行了實(shí)際的設(shè)計和應(yīng)用，施工完成后測試表皮系數(shù)-3.4，取得了良好的儲層保護(hù)效果。

欠平衡鉆井；欠壓值；毛細(xì)管壓力；凝析氣井；儲層傷害

欠平衡井底欠壓值是指在欠平衡鉆井過程中井底壓力與井底地層孔隙壓力的差值，其設(shè)計值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到能否安全、快速的完成欠平衡鉆進(jìn)。如果設(shè)計值過小，易造成井底壓力過平衡，引起儲層污染，失去欠平衡鉆井的意義和目的；若設(shè)計值過大，易造成井口設(shè)備過載甚至失控，從而引起重大鉆井事故[1-4]。

目前常規(guī)的欠平衡井底欠壓值設(shè)計時主要考慮以下設(shè)計準(zhǔn)則[5-9]：

（1）為保持井眼穩(wěn)定，欠壓值小于地層孔隙壓力與坍塌壓力之差。

（2）應(yīng)根據(jù)地層產(chǎn)液(氣)量的大小，并結(jié)合地面設(shè)備能力進(jìn)行欠壓值設(shè)計，主要包括旋轉(zhuǎn)防噴器的控制能力、節(jié)流管匯的控制能力、液氣分離器的處理能力等。

（3）根據(jù)儲層類型和巖性特點(diǎn)確定欠壓值的大小，避免儲層發(fā)生應(yīng)力損害。

（4）對于長水平段水平井，應(yīng)考慮水平段的環(huán)空壓耗，避免在鉆頭處形成過平衡。

以上設(shè)計準(zhǔn)則基本上滿足了現(xiàn)場欠平衡鉆井的設(shè)計要求，但對于一些低滲且水敏性強(qiáng)的地層、凝析氣井，僅僅考慮上述設(shè)計準(zhǔn)則依然會在欠平衡鉆井過程中引起比較嚴(yán)重的儲層傷害。本文在此基礎(chǔ)上，提出了一種欠平衡井底欠壓值設(shè)計的新方法，在綜合考慮以上條件的基礎(chǔ)上，同時考慮了毛細(xì)管壓力對儲層傷害的影響、凝析油反凝析對儲層傷害的影響，并給出了設(shè)計流程和應(yīng)用實(shí)例。

1 毛細(xì)管吸入壓力的影響

在鉆井過程中，即使井底循環(huán)壓力等于地層孔隙壓力，由于毛細(xì)管吸入壓力的影響井筒中的液體也會進(jìn)入地層，形成一定的損害，尤其對高含粘土礦物的水敏性地層而言，更要盡量避免這種狀況。因此在進(jìn)行欠壓值設(shè)計時，井底欠壓值要大于毛細(xì)管吸入壓力。

油藏巖石的流動孔隙可看做一系列大小不同的毛細(xì)管，因此油藏中的水油、氣水不是一個平面，而是一個過渡帶。從理論上，講過渡帶的高度取決于最細(xì)毛細(xì)管中水（油）柱的上升高度。

對于水油界面：

對于水氣界面：

式中：Pcwo、Pcwg——水油、水氣界面毛管力，MPa；

σwo、σwg——水油、水氣表面張力，N/m；

θwo、θwg——水油、水氣界面接觸角，（°）；

r——孔喉半徑，μm。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測量巖石毛管力的方法主要有半滲隔板法、壓汞法和離心法，這3種方法的基本原理相同，即巖芯飽和濕相流體，當(dāng)外加壓力克服毛管喉道的毛管力時，非濕相進(jìn)入該孔隙，將其中的濕相驅(qū)出，最常用的是壓汞法。

2 凝析氣反凝析帶來的油鎖傷害

對于凝析氣藏而言，隨著地層壓力的下降，凝析氣可能會以凝析油的形式在地層中析出，堵塞地層孔隙，形成油鎖傷害。圖1表明了B區(qū)塊凝析氣田巖芯滲透率的實(shí)測情況，凝析油飽和前后巖芯的滲透率發(fā)生了明顯的變化，大約降低了80%左右，說明該巖芯存在明顯的油鎖傷害。因此在對凝析氣藏進(jìn)行欠平衡欠壓值的設(shè)計時，必須考慮凝析氣藏的露點(diǎn)壓力，井底壓力要大于露點(diǎn)壓力，避免凝析油在地層中的析出，圖2是B區(qū)塊凝析氣藏的PVT相圖，由圖可知，該氣藏地層溫度167.8℃，在該溫度下凝析氣露點(diǎn)壓力為22.68MPa，因此在欠平衡鉆井過程中要保持井底壓力不低于22.68MPa。

圖1 B區(qū)塊凝析氣藏油飽和前后滲透率的變化情況

圖2 B區(qū)塊凝析氣藏PVT包絡(luò)圖

3 井底欠壓值的設(shè)計流程

具體的欠壓值設(shè)計流程見圖3。

圖3 井底欠壓值的設(shè)計流程

此外井底欠壓值的設(shè)計還受井的深度、井隊(duì)技術(shù)素質(zhì)、操作水平的影響等。通過對各因素的綜合分析，一般把設(shè)計的欠壓值控制在1.0～5.0MPa之間，多口井的實(shí)踐證明，欠壓值控制在這一范圍是合理的。

4 設(shè)計及應(yīng)用實(shí)例

B區(qū)塊油田MKSR-0002井是一口高溫高壓凝析氣井，設(shè)計井深5472m。主要目的層為底部奧陶系Sarah組，巖性為厚—薄層的深—褐灰色中至細(xì)粒巖屑石英砂巖，夾粗粒巖屑石英砂巖，屬于低孔、低滲、高壓致密性砂巖儲層。

室內(nèi)巖芯水敏評價實(shí)驗(yàn)采用SY/T5358-2002標(biāo)準(zhǔn)，選取FRAS-0001井SAHRA組巖芯4986～5096m深度巖芯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4，結(jié)果表明巖芯水敏程度為中等偏弱，水敏指數(shù)32.4%～49.3%。

圖4 水敏測試實(shí)驗(yàn)曲線

采用毛管自吸裝置進(jìn)行水鎖評價。根據(jù)敏感性評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用5%的KCl鹽水作為自吸液體，以排除堿敏、水敏、鹽敏對水鎖結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)步驟如下：先測定氣體滲透率及孔隙度，然后巖芯吊在KCl溶液上方，巖芯端面進(jìn)入溶液1～2mm，在毛管力的作用下，自吸24h，然后返排24h，測定返排壓力及氣測滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 巖芯水鎖試驗(yàn)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，B區(qū)塊致密巖芯水鎖后滲透率恢復(fù)值從25%～62.6%，屬于中等程度水鎖。

通過室內(nèi)煤油對巖芯的驅(qū)替試驗(yàn)，采用SY/ T6540-2002標(biāo)準(zhǔn)，選取FRAS-0001井SAHRA組巖芯（4986～5096m），測量污染前后煤油滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。表明滲透率恢復(fù)率為77.6%左右，存在較為明顯的油鎖傷害。因此在欠平衡設(shè)計和施工過程中要盡量防止油鎖和水鎖的發(fā)生。

表2 巖心油鎖試驗(yàn)

通過對該地區(qū)已鉆井的井壁穩(wěn)定性分析表明，該地區(qū)井壁穩(wěn)定性較好，在井底承受15MPa以內(nèi)的欠壓值情況下不會發(fā)生井壁垮塌現(xiàn)象。

巖芯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測得在Sarah組的毛細(xì)管吸入壓力為：水氣界面毛細(xì)管吸入壓力0.737～1.48MPa，油氣界面毛細(xì)管吸入壓力0.48～0.96MPa。為了防止由于毛細(xì)管吸入壓力引起的儲層損害，在欠平衡鉆井過程中應(yīng)盡可能保持井底的欠壓值大于毛細(xì)管的吸入壓力，因此在欠平衡壓差取值時欠壓值應(yīng)保持在1.5MPa以上。

為了防止鉆井過程中產(chǎn)生油鎖，必須避免凝析油在地層中析出，即在鉆井施工過程中，尤其是欠平衡鉆井施工時，必須控制井底壓力大于露點(diǎn)壓力，通過鄰井已取樣的PVT試驗(yàn)可知，該地層在地層溫度下露點(diǎn)壓力為22.68MPa，由于該井使用水基鉆井液的鉆井施工中液柱壓力都在50MPa以上，一般不會產(chǎn)生油鎖現(xiàn)象。但在測試過程需控制上部井段掏空的長度，防止出現(xiàn)凝析油堵塞儲層孔隙現(xiàn)象的發(fā)生。

流動控制矩陣建立的流動控制起到了井涌和井口流動不同狀態(tài)下的回壓控制作用（見表3），建立可調(diào)區(qū)域是為了有充足的安全反映時間來調(diào)節(jié)到可控條件下，關(guān)閉鉆機(jī)防噴器意味發(fā)生井控事件。

表3 欠平衡鉆井流動控制矩陣

通過上述約束條件的綜合分析，井底欠壓值的范圍是1.5～15MPa，考慮到井控安全，初步確定鉆進(jìn)時井底欠壓值的選取在2.5～10MPa，具體根據(jù)現(xiàn)場實(shí)鉆情況進(jìn)行調(diào)整。

MKSR-0002井Sarah組鉆進(jìn)過程中鉆井液密度在1.69～1.71g/cm3，正常鉆井過程井底均保持了2.58MPa以上的欠壓值；取芯作壓井底欠壓值為2.80～3.12MPa；起鉆過程中井底欠壓值在3.80MPa以上；下鉆過程中由于激動壓力的存在和回壓值稍大，短時間欠壓值較小，為1.78MPa；接立柱過程，井底壓力有一定的波動，總體都保持了2.80MPa左右的井底欠壓值；整個施工過程中共溢流40.3m3，證明整個鉆井過程中未造成地層過壓。

測試后sarah組表皮系數(shù)S=-3.4，說明MKSR-0002井鉆井液取得了良好的保護(hù)油氣層效果，施工過程中鉆井液未對地層造成污染。

5 結(jié)論和建議

（1）本文在常規(guī)欠平衡井底欠壓值設(shè)計的基礎(chǔ)上，引入了毛細(xì)管吸入壓力、凝析氣井反凝析對欠壓值設(shè)計的影響，并考慮了儲層的水鎖以及油鎖等特性，從而使得該設(shè)計方法能最大限度地防止儲層傷害，解放油氣井產(chǎn)能，提高了油氣的發(fā)現(xiàn)率。

（2）通過MKSR-0002井實(shí)際的現(xiàn)場應(yīng)用表明，該設(shè)計方法能有效地防止儲層污染并保證井控安全，鉆井過程中有溢流發(fā)生，但在可控范圍之內(nèi)，測試后表皮系數(shù)-3.4，說明儲層沒有受到污染，欠平衡鉆井取得了預(yù)期效果。

[1]蘇勤，侯緒田.窄安全密度窗口條件下鉆井設(shè)計技術(shù)探[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39（3）：62-65.

[2]陳永明.全過程欠平衡鉆井中的不壓井作業(yè)[J].石油鉆探技術(shù)，2006，34（2）：22-25.

[3]Bennion D Brant．Screening Criteria Help Select Formations for Underbalanced Drilling[J].Oil&Gas Journal，1996（01）.

[4]Wilson J.Optimizing Drilling of Underbalanced Wellbores with Data Acquisition Systems[C]//Paper Presented at the 1995 1st International Underbalanced Drilling Conference,October 2-4.

[5]楊順輝.UBD/MPD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2011(7)：38-40.

[6]Taylor J，McDonald C，F(xiàn)ried S.Underbalanced Drilling Total Systems Approach[C]//Paper Presented at the 1995 1st International Underbalanced Drilling Conference，October 2-4.

[7]Iain Sutherland，Brain Grayson.DDV Reduces Times to Round-trip Drilling by Three Days，Saving 400,000 Pounds [R].SPE/IADC 92595，2005.

[8]趙向陽，孟英峰，李皋，等.充氣控壓鉆井氣液兩相流流型研究[J].石油鉆采工藝，2010，32（2）：6-10.

[9]Dharma Nyoman，Toralde Julmar Shaun S.Combining MPD with Downhole Valve Enables High Rate Gas Wells[J].World Oil，2008，229(3)：10-12.

TE24

A

1004-5716(2015)12-0055-04

2015-07-30

2015-07-31

秦疆（1968-），男（漢族），新疆阿克蘇人，高級工程師，現(xiàn)從事海外勘探開發(fā)工作。