也門1區(qū)塊惡性漏失地層氣體鉆井實踐

郭京華，夏柏如，田 鳳

（1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京100083;2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100029;3.中國石化中原油田采油四廠，河南濮陽 457001）

也門1區(qū)塊惡性漏失地層氣體鉆井實踐

郭京華1，2，夏柏如1，田 鳳3

（1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京100083;2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京100029;3.中國石化中原油田采油四廠，河南濮陽 457001）

也門1區(qū)塊地表覆蓋著約300 m厚堅硬灰?guī)r，區(qū)塊內斷層多，廣泛存在著漏失層，采用常規(guī)鉆井技術，機械鉆速慢，井漏頻繁，鉆井難度很大。從地質條件、循環(huán)介質以及經濟性等方面評價了氣體鉆井在1區(qū)塊的適應性?，F(xiàn)場應用初期，砂巖地層井漏、下套管遇阻問題非常突出，氣體鉆井發(fā)揮的作用有限。針對這些問題，通過優(yōu)化井身結構和注氣注液參數(shù)，優(yōu)選泡沫、充氣鉆井基液配方、首選充氣盲鉆作為快速鉆穿惡性漏失層的主要技術等，并制訂完善的技術措施?，F(xiàn)場3口井的應用表明，1區(qū)塊地層復雜，單一的空氣、泡沫或氣體鉆井技術只能解決部分鉆井問題，綜合運用氣體鉆井技術，才能滿足提高鉆速、穩(wěn)定井壁和預防井漏等多方面的要求，從整體上提高鉆井時效。

空氣鉆井;泡沫鉆井;充氣鉆井;井漏;機械鉆速

也門1區(qū)塊地貌特殊，區(qū)內溝壑縱橫，懸崖峭壁林立，井場位于山頂?shù)貏萜教固?。在早期勘探過程中，鉆井工程面臨機械鉆速慢，常規(guī)鉆井液很難建立循環(huán)等諸多難題。中石化進入該區(qū)塊后，積極引用氣體鉆井技術解決這些問題?，F(xiàn)場應用初期，由于經驗和認識方面存在不足，鉆進中一旦發(fā)生嚴重井漏，鉆井液完全失返，就改用清水盲鉆，下套管遇阻問題也非常突出，氣體鉆井技術的優(yōu)勢沒有充分發(fā)揮出來。后來，通過分析1區(qū)塊地層特點，優(yōu)化井身結構，分層位優(yōu)選循環(huán)介質配方，完善現(xiàn)場工藝技術等措施，使氣體鉆井技術逐步應用于鉆井全過程，鉆井時效得到很大提高。

1 地質特征和鉆井難點

也門1區(qū)塊位于也門中部馬里卜-夏布瓦盆地的東南邊緣，氣候干旱少雨，地下潛水層埋深約400～700 m，油氣儲層主要是前寒武系的基底地層。受早期強烈構造運動的影響，區(qū)域內斷層非常發(fā)育，各層位巖性和厚度橫向變化很大，地層分層及主要巖性數(shù)據(jù)見表1。該區(qū)塊鉆井難點主要表現(xiàn)在2方面:一是表層大井眼鉆井難度大，堅硬灰?guī)r地層裂隙發(fā)育，常規(guī)鉆井液很難建立循環(huán)，機械鉆速慢;另一個難點在中下部井段，惡性漏失層多，由于漏失層位沒有確切的深度，預防堵漏的難度非常大，嚴重井漏導致鉆井液失返，無法獲取巖樣，影響地質資料錄取工作。

表1 地層分層數(shù)據(jù)

2 選擇使用氣體鉆井技術的依據(jù)

氣體鉆井是欠平衡鉆井的一種，按照循環(huán)介質的差異，可分為純氣體鉆井（空氣、氮氣、二氧化碳、天然氣）、霧化鉆井、泡沫鉆井（穩(wěn)定泡沫、硬膠泡沫）和充氣鉆井。氣體鉆井具有循環(huán)介質密度低的特點，井底循環(huán)當量密度能夠降至很低的范圍，純氣體鉆井可以在0.012 g/cm3以下，泡沫和充氣鉆井在0.036～0.83 g/cm3之間［1］。另外，氣體鉆井還具有循環(huán)當量密度調節(jié)范圍大的特點，可以根據(jù)地層壓力、井壁穩(wěn)定等方面的需要靈活調節(jié)，圖1是模擬計算311.2 mm井眼在1850 m深度注氣量和注液量對循環(huán)當量密度的影響，基液選用氯化鉀鉆井液，密度1.05 g/cm3。由圖1可以看出，注氣量恒定，循環(huán)當量密度隨注液量增加而增加;注液量恒定，循環(huán)當量密度隨著注氣量的增加而降低。正是因為具有這些特點，氣體鉆井被廣泛用來在非儲層井段提高機械鉆速和預防井漏，在儲層井段減少對油氣層的傷害［2～4］。

圖1 注氣量和注液量對循環(huán)當量密度的影響

評價一個區(qū)塊是否能夠應用氣體鉆井，要考慮多方面的因素［5，6］，包括地層壓力、巖性、流體產出和循環(huán)介質的要求，同時還要考慮人員設備和經濟方面的影響。獨特的地層條件，促使也門建立了相對完善的氣體鉆井設備和技術服務體系，具有推廣氣體鉆井的基礎條件［7，8］，各方面因素分析如下。

2.1 地層條件

1區(qū)塊厚灰?guī)r表層和長井段漏失層制約了常規(guī)鉆井的鉆井時效。一開大井眼需鉆穿300 m厚的灰?guī)r地層，常規(guī)鉆井機械鉆速平均1.5 m/h，Khawan-2井只有0.3 m/h。表2是Abyed-1井的井漏情況，從表中可以看出，漏失層段多，頻繁的靜止堵漏，堵漏效果差，用時長，也是造成時間損失的主要因素。相對于常規(guī)鉆井，氣體鉆井在機械鉆速和預防井漏2方面都具有優(yōu)勢，因此，要提高1區(qū)塊的鉆井時效，氣體鉆井技術是一個很好的選擇。

表2 Abyed-1井井漏情況

2.2 循環(huán)介質的要求

氣體鉆井技術主要應用于1區(qū)塊油氣儲層以上地層，可以選擇空氣作為氣體介質。各地層適宜的循環(huán)介質分析如下。

灰?guī)r地層采用純氣體或泡沫鉆井可以最大程度降低循環(huán)當量密度，空氣潛孔錘可以發(fā)揮其沖擊回轉破巖方式的優(yōu)勢，提高機械鉆速。

穆卡拉組上部砂巖地層，具有流沙的特征，要求鉆井流體具有較低的循環(huán)當量密度，避免惡性漏失，也要有很好的懸浮攜帶能力，保持井眼清潔，要滿足這些要求，選用泡沫鉆井。

膠結性差的泥巖和砂巖地層，選用膨潤土充氣鉆井，基液配方簡單實用，能在井壁上快速形成泥餅，具有預防井漏，保持井壁穩(wěn)定的優(yōu)點。

泥頁巖和灰質泥巖地層，井壁穩(wěn)定和預防井漏之間存在尖銳的矛盾。前者希望鉆井液要具有相對高的密度來支撐井壁，后者要求循環(huán)當量密度要適當?shù)?。此外，還需要重點考慮如何抑制泥頁巖水化分散。綜合考慮各種因素，選用充氣鉆井，循環(huán)當量密度容易調節(jié)，氯化鉀鉆井液作為基液，能夠提供抑制泥頁巖水化的鉀離子，有利于井壁穩(wěn)定。

2.3 經濟方面

國外鉆井日費昂貴，在也門1區(qū)塊這樣的地區(qū)，提高鉆井時效帶來的效益完全能夠彌補氣體鉆井所花費的費用。另外，1區(qū)塊水源匱乏，水源井遠離井場，所需用水主要依靠罐車拉運，鉆井用水成本非常高。氣體鉆井可以減少地層漏失，節(jié)約清水和鉆井液用量，因此，無論是從鉆井時效還是從用水方面，氣體鉆井都有降低鉆井費用的空間。

3 應用初期遇到的問題及改進措施

3.1 鉆遇問題

3.2 改進的鉆井技術措施

3.2.1 井身結構優(yōu)化

潛水層的存在，對空氣/泡沫鉆井是一大威脅。國內采用空氣鉆井，地層出水大于3 m3/h時就要轉換成其他鉆井方式［6］。鑒于同樣的考慮，Abyed-1井鉆穿灰?guī)r后嘗試充氣鉆井。由于空氣和水全部漏失，無法建立循環(huán)，于是遣返氣體鉆井設備，強行清水盲鉆，因為供水緊張，排量偏低，井底堆積沉砂，造成了下套管遇阻。針對這種情況，對井身結構進行了優(yōu)化，優(yōu)化方案見表3。兩種方案的區(qū)別在于井眼尺寸和一開井深。Abyed-1井一開套管下得深，用來封隔潛水層，井眼尺寸小，目的層段為152.4 mm井眼。方案優(yōu)化后，一開井眼變淺，不用封隔潛水層，一開井段可全部用空氣泡沫鉆進，用以預防井漏，井眼尺寸擴大，為應急套管預留空間，以應對復雜的井下情況。

表3 井身結構優(yōu)化方案

3.2.2 注氣注液參數(shù)優(yōu)化

注氣注液參數(shù)的變化，對循環(huán)當量密度有很大的影響。由圖1還可以看出，要維持一定的循環(huán)當量密度，可以有很多注氣注液組合，這就需要優(yōu)化，以選擇合適的環(huán)空返速，滿足井眼清潔的需要。環(huán)空返速對井眼清潔的影響很大，Y.Rojas等人指出［9］，灰?guī)r地層泡沫鉆井，311.1 mm 井眼最小環(huán)空返速為13.7 m/min，才能滿足井眼清潔的要求。A.M.F.Lourenco等人根據(jù)實驗井得出的數(shù)據(jù)表明［10］，在直井和定向井中充氣鉆進，滿足井眼清潔的有效環(huán)空返速為36.6～45.7 m/min。通過觀察振動篩返砂和起下鉆是否暢通，評估井眼清潔狀況，認為1區(qū)塊不同井眼環(huán)空返速最低要求為30.5 m/min?，F(xiàn)場配備專業(yè)計算軟件，計算井底循環(huán)當量密度和環(huán)空上返速度，優(yōu)選注氣注液參數(shù)，指導鉆井生產。

3.2.3 基液配方的改進

考察了2種發(fā)泡劑，一種是Weatherford公司的FMA-100，另一種是MI公司的S-FOAM。由圖2和圖3可以看出，兩種發(fā)泡劑最佳加量范圍均為0.3% ～0.6%，隨著加量的增加，發(fā)泡劑FMA-100產生的泡沫有更好的穩(wěn)定性。現(xiàn)場首選FMA-100作為發(fā)泡劑。泡沫鉆井液的配方為:

圖2 發(fā)泡劑加量對泡沫體積的影響

圖3 發(fā)泡劑加量對泡沫半衰期的影響

穩(wěn)定泡沫配方:水 +0.4%FMA-100（發(fā)泡劑）。泡沫半衰期8.7 min，適用于灰?guī)r地層。

硬膠泡沫配方:2%膨潤土漿+0.3%PAC（提粘劑）+0.6%FMA-100。泡沫半衰期645 min，適用于泥巖和砂巖地層。

充氣鉆井液基液有2種:一種是預水化膨潤土漿，適用于二開地層;另一種是氯化鉀鉆井液，適用于三開地層。氯化鉀基液配方為:2%膨潤土漿+0.2%Polysal（改性淀粉）+0.5%PAC-R（聚陰離子纖維素）+0.4%Duo-Vis（生物聚合物）+6%氯化鉀+2%Asphasol（磺化瀝青）。用燒堿調節(jié)pH值，用MI-Cide作為殺菌劑。

3.2.4 惡性漏失層鉆進技術措施

一般情況下，清水盲鉆是快速鉆穿惡性漏失層的有效手段［11］。但是，清水盲鉆需要有充足的供水，以保證鉆進過程的連續(xù)性。以444.5 mm井眼設計排量3.8 m3/min的一半估算，清水盲鉆一天，消耗的水量要超過2000 m。1區(qū)塊水源匱乏，清水盲鉆面臨缺水的窘境，而充氣盲鉆具有注液量低的優(yōu)勢，成為穿越惡性漏失層的首選技術。具體的措施有:合理選擇注氣注液參數(shù)，要參考正常鉆井時的數(shù)值，適當下調循環(huán)當量密度，降低井底壓力，維持環(huán)空返速，確保鉆屑能充分攜帶至漏失層;起鉆前，先后泵入15～20 m3堵漏漿和適量高粘度鉆井液至漏失層，用于防止井底沉砂。

4 現(xiàn)場應用情況

現(xiàn)場應用3口井，表4列出了氣體鉆井在每一口井的詳細應用情況?？傮w來說，空氣、泡沫對表層大井眼鉆進發(fā)揮了很好的效果，在3口井的應用過程都很順利，而充氣鉆井的應用相對保守，隨著對其認識的深入得到了逐步推廣。下面以Reema-1井為例簡要介紹現(xiàn)場應用情況。

現(xiàn)場配備5臺空氣壓縮機組，最大排氣量5000 SCFM（142 m3/min），壓力2500 psi（17.2 MPa），1 臺霧化泵，最大排液量60 GPM（0.23 m3/min），壓力1500 psi（10.3 MPa）。

5 應用效果分析

1區(qū)塊灰?guī)r地層的機械鉆速，常規(guī)鉆井平均為1.5 m/h，空氣鉆井:Abyed-1 井為11.2 m/h，Abyed-2井為16 m/h，Reema-1井 15.1 m/h。以補心高10 m計算，3口井的灰?guī)r平均厚度為290 m，空氣鉆井節(jié)約的純鉆進時間為6.98～7.30天，大幅度降低了一開大尺寸井眼的鉆井時間和鉆井費用。

Abyed-1井灰?guī)r以下地層采用常規(guī)鉆井，井漏非常頻繁，鉆井工作時常因此而中斷:340～733 m砂巖地層無法建立循環(huán)，強行盲鉆，漏失清水8600 m3，因供水不足，中間停鉆等水2.8天;井深1077 m，停鉆堵漏用時8天，2005～2438 m井段，每鉆進一個單根就需要泵入5～10 m3堵漏劑靜止堵漏一次。Abyed-1井全井漏失清水和鉆井液17300 m3。綜合運用空氣、泡沫和充氣鉆井，緩解了Abyed-2井和Reema-1井的井漏，上部砂巖地層采用泡沫鉆井，沒有發(fā)生漏失;下部井段采用充氣鉆井，避免了滲透性漏失的發(fā)生;對于惡性漏失層，采用充氣盲鉆，漏失量大大降低，與Abyed-1井相比，平均單井漏失量降低了75%，鉆井生產的連續(xù)性得到了保障。

6 結論

（1）空氣/泡沫鉆井對灰?guī)r地層機械鉆速和砂巖地層預防井漏都有很好的效果，此項技術的應用，提高了也門1區(qū)塊表層大尺寸井眼的鉆井時效，為井身結構優(yōu)化奠定了良好的基礎。

（2）通過改進基液配方，制訂完善技術措施，充氣鉆井的應用逐步成熟。對具有大裂縫的地層，充氣鉆井雖然不能避免惡性漏失，但是由于其注液量低，降低了對鉆井液的依賴程度，停工等水現(xiàn)象得以杜絕，保證了鉆井生產的連續(xù)性。

（3）單一的空氣、泡沫或充氣技術不能解決也門1區(qū)塊的鉆井問題，綜合運用氣體鉆井各項技術是1區(qū)塊優(yōu)快鉆井的基礎，各工藝之間的協(xié)調轉換是應用成功的關鍵，這對鉆井生產的組織協(xié)調能力提出了更高的要求。

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Practice of Gas Drilling in Severe Loss Formation of Yemen Block 1

GUO Jing-hua1，2，XIA Bai-ru1，TIAN Feng3（1.School of Engineering ＆ Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.Sinopec International Petroleum Exploration and Production Corporation，Beijing 100029，China;3.The 4th Production Plant of Zhongyuan Oil Field，SINOPEC，Puyang Henan 457001，China）

This paper focuses on field experience in block 1 of Yemen Republic.The wells have to be drilled through hard limestone and severe fractured thief zone.Low rate of penetration（ROP）and total mud loss were encountered during drilling operations.On the basis of geological characteristics，drilling fluids and economy，the adaptability of gasified fluids drilling in block 1 was evaluated.At the beginning of field application，gasified fluids drilling was only used in the surface interval because some downhole problems，such as lost circulation in sand formation with aerated fluids and the casing stuck.According to these problems，the well structure，air and fluids injection parameters，formulas of foam and aerated base fluids were optimized，and aerated blind drilling was chosen as the principal means to penetrate the severe lost circulation formation，the perfect technical measures were also formulated.The experience of 3 field wells showed that with only air，only foam or only aerated fluid could deal with a part of drilling problems;the integrated application of gas drilling could satisfy the requirements of ROP improvement，borehole wall stability and leakage prevention.

air drilling;foam drilling;aerated fluids drilling;lost circulation;rate of penetration

TE242.6

A

1672-7428（2012）07-0001-05

2011-12-14;

2012-05-24

郭京華（1971-），男（漢族），山東章丘人，中國地質大學（北京）在讀博士研究生，中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司高級工程師，鉆井工程專業(yè)，從事國外石油鉆探技術服務和管理工作，北京市海淀區(qū)學院路29號工程技術學院，guojh71@163.com。