谷玉堂, 蓋兆賀, 陳紹云, 于洪波, 陳琳琳

(1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413； 2.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163400)

徐深氣田開展天然氣鉆井的可行性分析

谷玉堂1, 蓋兆賀1, 陳紹云1, 于洪波2, 陳琳琳1

(1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413； 2.大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163400)

為了提高大慶地區(qū)深層鉆井速度，保護(hù)和發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層，依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，引進(jìn)非線性校正系數(shù)，建立了大慶地區(qū)深井地層坍塌壓力預(yù)測(cè)模型，并從地質(zhì)條件、氣源井條件、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及技術(shù)條件等幾方面分析了徐深氣田進(jìn)行天然氣鉆井的可行性。優(yōu)選徐東、徐中、豐樂、升平區(qū)塊的泉二段至營(yíng)城組中部(2700～4000 m)為天然氣鉆井井段。研究結(jié)果表明，應(yīng)用天然氣鉆井來提高大慶地區(qū)深層的鉆井速度是完全可行的，并有利于提高深層天然氣勘探發(fā)現(xiàn)效率。

天然氣鉆井；鉆井速度；坍塌壓力；徐深氣田

氣體鉆井技術(shù)系列(包括空氣鉆井、氮?dú)忏@井、天然氣鉆井、柴油機(jī)尾氣鉆井)由于其具有大幅度提高鉆速、解決長(zhǎng)段井漏問題、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效保護(hù)儲(chǔ)層，從而降低勘探開發(fā)綜合成本等優(yōu)點(diǎn)，正在成為我國(guó)勘探開發(fā)的主導(dǎo)技術(shù)之一[1]。大慶油田的徐深21井、徐深302井的空氣鉆井試驗(yàn)表明，徐深氣田深層可以應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)提高鉆速，與常規(guī)提速技術(shù)相比，鉆速可以提高5倍以上，提速效果有質(zhì)的飛躍[2]。但是，空氣鉆井鉆開儲(chǔ)層后，存在井下燃爆危險(xiǎn)，鉆進(jìn)井段有限，提速整體效果受到限制。天然氣鉆井就是應(yīng)用天然氣作為循環(huán)介質(zhì)的氣體鉆井技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可用于儲(chǔ)層鉆進(jìn)，不會(huì)與地層可燃物質(zhì)發(fā)生井下燃爆。對(duì)徐深氣田來說，應(yīng)用天然氣鉆井可以顯著地(和空氣鉆井相比)增加氣體鉆井井段長(zhǎng)度，最大限度地發(fā)揮氣體鉆井的提速優(yōu)勢(shì)，從而有效地縮短整個(gè)鉆井周期。

1 國(guó)內(nèi)天然氣鉆井技術(shù)概述

1.1 天然氣鉆井的優(yōu)點(diǎn)

天然氣鉆井除具有氣體鉆井提速、防治井漏的優(yōu)點(diǎn)外，主要可用于儲(chǔ)層鉆進(jìn)，不會(huì)產(chǎn)生空氣鉆井的井下燃爆，保護(hù)儲(chǔ)層，增大發(fā)現(xiàn)。

1.2 天然氣鉆井的不足和局限性

(1)需要?dú)庠淳蜌庠摧敋夤芫€使其應(yīng)用受到一定程度的限制；(2)沒有天然氣回收循環(huán)利用技術(shù)手段條件下消耗天然氣成本較高；(3)存在地面供氣管線燃爆和著火危險(xiǎn)；(4)如果環(huán)境溫度低，輸氣管線可能冰堵。

1.3 國(guó)內(nèi)天然氣鉆井實(shí)踐情況

目前為止，國(guó)內(nèi)共進(jìn)行了32口天然氣鉆井實(shí)踐，其中川慶鉆探工程公司完成20口，其余為其它鉆探公司完成。2000年以來國(guó)內(nèi)開展的天然氣鉆井基本情況見表1。從表1可以看出，平均機(jī)械鉆速達(dá)到7.36 m/h，而同井段采用常規(guī)鉆井方式機(jī)械鉆速為2.58～3.16 m/h，提高了185.27%～132.91%。

表1 2000年以來國(guó)內(nèi)開展的天然氣鉆井的基本數(shù)據(jù)

1.4 天然氣鉆井工藝流程

氣源井的天然氣引進(jìn)到鉆井井場(chǎng)后，通過專用增壓設(shè)備增壓，達(dá)到氣舉壓力后，進(jìn)行氣舉替換鉆井液作業(yè)。氣舉完成后，便開始天然氣鉆進(jìn)作業(yè)。循環(huán)出的天然氣及攜帶的巖屑一同到排污燃燒口，天然氣被燃燒。天然氣鉆進(jìn)井段鉆進(jìn)完成后，進(jìn)行壓井作業(yè)，壓井后采用普通鉆井液一直到完鉆，如圖1所示。

圖1天然氣鉆井注入工藝流程

2 天然氣鉆井的可行性分析

2.1 天然氣鉆井的限定條件

(1)地層固結(jié)較好，井壁穩(wěn)定。

(2)非高壓地層，地層壓力梯度一般不超過1.05 MPa/100 m。

(3)附近有天然氣氣源，能滿足所鉆井眼尺寸的供氣量。

(4)地層不產(chǎn)油水或產(chǎn)微量油水。

(5)所鉆儲(chǔ)層不含硫化氫或硫化氫含量<20 mg/m3。

(6)預(yù)測(cè)產(chǎn)量一般不超過50×104m3/d。

2.2 井壁穩(wěn)定性分析

依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，引進(jìn)非線性校正系數(shù)η，則地層坍塌壓力預(yù)測(cè)模型為：

(1)

式中：Pb——地層坍塌壓力當(dāng)量密度，g/cm3；η——非線性修正系數(shù)，取1；σH——水平最大主應(yīng)力，MPa；σh——水平最小主應(yīng)力,MPa；c——巖石粘聚力,kPa；K——塑性系數(shù)，取1；α——巖石內(nèi)摩擦角,(°)；Pp——地層孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3；H——井深，m。

利用該模型，考慮分層地應(yīng)力，以徐深302井的測(cè)井、錄井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制的坍塌壓力曲線見圖2。

圖2 天然氣鉆井坍塌壓力曲線

常溫、常壓下天然氣的密度一般為0.75～0.8 kg/m3，由圖2可見，徐深氣田2500 m以深地層井壁穩(wěn)定性較好(坍塌壓力當(dāng)量密度基本低于0.75 g/cm3)，3000 m以深地層井壁穩(wěn)定性優(yōu)于上部地層，徐深21、徐深302井的實(shí)鉆情況說明，徐中、徐東區(qū)塊在2300～3000 m井段進(jìn)行氣體鉆井不存在井壁失穩(wěn)情況。因此，理論計(jì)算和實(shí)鉆情況都說明徐深氣田泉一段以下進(jìn)行氣體鉆井不會(huì)出現(xiàn)井眼坍塌問題[3]。

在保證井壁穩(wěn)定的情況下，天然氣鉆井的層位選擇主要考慮的是地層不含水。為掌握徐深氣田鉆井地層可能出水的分布情況，對(duì)滿足氣源井條件的已鉆井測(cè)井和錄井解釋結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，徐東區(qū)塊、安達(dá)附近的升平區(qū)塊，徐中區(qū)塊、豐樂區(qū)塊的泉二—營(yíng)城組中部(2700～4000 m)，水層少，干層與差氣層相間，適合天然氣鉆井。

2.3 施工安全性分析

徐深氣田深層自上而下揭示的地層為泉頭組二、一段，登婁庫(kù)組四、三、二段，營(yíng)城組及沙河子組。

2.3.1 孔隙特征

火山巖儲(chǔ)層，以凝灰?guī)r為主，孔隙類型以溶孔+微孔型為主，裂縫不發(fā)育，巖心孔隙度為2.96%～10%，水平滲透率為(0.04～0.17)×10-3m2，垂直滲透率平均為0.018×10-3m2，屬于低孔、特低滲儲(chǔ)層。

礫巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于營(yíng)城組的營(yíng)四段，礫石成分以中—酸性火成巖為主。孔隙度一般0.8%～6.6%，平均為3.4%，滲透率一般為(0.04～1.93)×10-3μm2。

2.3.2 溫度和壓力

徐深氣田地溫梯度在4.00～4.20 ℃/100 m左右。地層壓力梯度在0.85～1.14 MPa/100 m，較多集中在0.95～1.06 MPa/100 m。綜上所述，徐深氣田地層壓力梯度大多符合天然氣鉆井限定條件“壓力梯度不超過1.05 MPa/100 m”的要求，雖然少數(shù)層系壓力梯度略高，在1.10 MPa/100 m左右，但孔隙壓力和滲透率較低，井口壓力能夠保證在可控范圍內(nèi)。同時(shí)大慶油田已累計(jì)開展空氣鉆井23口，其中15口井均點(diǎn)火成功，旋轉(zhuǎn)防噴器、排砂管線、燃燒管線、防火止回閥、自動(dòng)點(diǎn)火裝置等設(shè)備保證了地面安全，因此適合開展氣體鉆井。

2.4 氣源井分析

應(yīng)用angel公式，考慮氣壓和溫度的影響，計(jì)算出?215.9 mm井眼天然氣鉆井需要的氣源井產(chǎn)氣量為15.84×104m3/d。徐深氣田目前共有48口井產(chǎn)氣量達(dá)到要求，且這些井油壓在10 MPa以上，可考慮不用增壓機(jī)。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)氣體鉆井系列的3大種類：空氣鉆井、氮?dú)忏@井、天然氣鉆井的設(shè)備成本投入進(jìn)行對(duì)比，鉆進(jìn)井段800 m，機(jī)械鉆速8 m/h，天然氣消耗按75萬m3計(jì)算，鉆進(jìn)時(shí)間6 d，待機(jī)時(shí)間6 d。天然氣源頭與要施工井的距離對(duì)安裝管線成本有影響，根據(jù)大慶井位部署和井網(wǎng)密度得知，輸氣管線成本基本低于10萬元。投入費(fèi)用按租用設(shè)備計(jì)算，則天然氣鉆井的設(shè)備成本投入比空氣鉆井降低21%，比氮?dú)忏@井降低58%[4]。

2.6 小結(jié)

綜上所述，認(rèn)為在徐深氣田深層利用天然氣作為介質(zhì)進(jìn)行鉆井是可行的：首先從地質(zhì)條件看，徐深氣田有適合氣體鉆井地層：井壁穩(wěn)定、氣源豐富、地層壓力系數(shù)低、水層少及不含H2S；從安全看,只要論證及準(zhǔn)備工作充分，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范操作，可以保證安全性；從經(jīng)濟(jì)對(duì)比看，在使用增壓機(jī)條件下，天然氣鉆井相比空氣鉆井投入高一些，但天然氣鉆井井段可延長(zhǎng)，綜合效益好。如果不用增壓機(jī)，則投入成本可降低21%。從技術(shù)看大慶油田已購(gòu)買了全套空氣、氮?dú)忏@井設(shè)備，進(jìn)行了23口氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)施天然氣鉆井奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)[5-8]。

因此，建議在徐深氣田開展天然氣鉆井試驗(yàn)。

3 結(jié)論與建議

(1)大慶徐深氣田從地質(zhì)條件、氣源井條件、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及技術(shù)條件幾方面均具備了開展天然氣鉆井的可行性。應(yīng)用天然氣鉆井將大幅度提高徐深氣田深層機(jī)械鉆速，顯著縮短深井鉆井周期，加快勘探開發(fā)進(jìn)程。建議在徐深氣田開展天然氣鉆井技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，擴(kuò)大氣體鉆井的應(yīng)用規(guī)模。

(2)天然氣鉆井由于地面工藝簡(jiǎn)單，可用于儲(chǔ)層鉆進(jìn)，增加應(yīng)用層位和井段。若解決天然氣鉆井的天然氣回收問題，進(jìn)一步降低天然氣鉆井成本，將比空氣和氮?dú)忏@井具有更廣闊的應(yīng)用前景，建議開展天然氣鉆井回收利用技術(shù)的研究。

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FeasibilityAnalysisonNaturalGasDrillinginXushenGasField/

GUYu-tang1,GEZhao-he1,CHENShao-yun1,YUHong-bo2,CHENLin-lin1

(1.Drilling Engineering Technology Research Institute of Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation, Daqing Heilongjiang 163413, China; 2.No.1 Drilling Company of Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation, Daqing Heilongjiang 163400, China)

In order to improve deep drilling speed, protect and detect reservoir of Daqing, based on Mohr-Coulomb criterion and by the introduction of linear correction coefficient, the model of formation caving prediction for deep well was established. The feasibility analysis is made on the natural gas drilling in Xushen gas field about geological conditions, gas well conditions, safety, economy and technical conditions. The second section of Quantou formation to central Yingcheng formation(about 2700～4000m)of Xudong, Xuzhong, Fengle and Shengping blocks are determined by optimization as natural gas drilling sections. The results show that it is feasible to improve deep drilling speed by natural gas drilling, which is also beneficial to deep natural gas exploration in Daqing.

natural gas drilling; drilling speed; caving pressure; Xushen gas field

P634.5;TE242

：A

：1672-7428(2017)08-0059-04

2016-11-18；

：2017-05-31

谷玉堂，男，漢族，1966年生，鉆井工程專業(yè)，主要從事鉆井工藝相關(guān)科研和現(xiàn)場(chǎng)管理工作，黑龍江省大慶市八百坰鉆井研究院設(shè)計(jì)中心，guyutang@163.com。