欠平衡钻井条件下录井技术研究_欠平衡钻井技术研究

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欠平衡钻井条件下录井技术研究

摘 要:随着欠平衡钻井技术的应用,综合录井如何尽快适应这一新技术的发展和挑战,已成为录井界面临的重要研究课题之一。文章阐述了欠平衡钻井工艺概况,欠平衡钻井工艺对录井的影响,相应提出了一套较为全面的录井措施和配套技术。对同类型作业的录井施工具有指导意义。

关键词:欠平衡;录井;影响;措施;应用;认识

在石油钻探过程中,为了更有利于发现油气层,保护储层,提高钻井速度,保障井下安全,越来越多地采用欠平衡钻井技术,并取得了十分显著的效果。随着欠平衡钻井新技术的应用,现有录井技术和方法已不能满足这一新技术的发展。目前,随着这一新技术的大量应用,必须开展与之相配套的录井技术的研究工作,以适应勘探形势的发展,促进录井技术及综合解释评价技术的全面提高。欠平衡钻井工艺概况及配置 1.1 基本原理及方式

欠平衡钻井技术是指在钻井过程中使钻井液的循环压力(包括液柱压力和循环回压),低于地层的孔隙压力,允许地层流体进入井眼,并将其循环到地面并加以有效控制的一种钻井技术,又称负压钻井技术。

按照循环介质的性质来分类,主要有以下两种方式:(1)液相欠平衡钻井:主要采用低密度钻井液来实现欠平衡钻进。适用于地层压力系数大于1.05的地层。

(2)气相欠平衡钻井:包括干空气钻井、氮气钻井、天然气钻井、雾钻井、泡沫钻井、充气钻井。适用于地层压力系数小于1.05的地层。

1.2 工艺特点

1.2.1 液相欠平衡钻井工艺特点欠平衡钻进过程中,从井筒内返出的混合物经过井口钻井四通、再经过节流管汇节流阀的降压控制,进入液气分离器将气相分离出来,被分离出的可燃气体通过燃烧管线排出井场并燃烧掉,液相和固相进入固控系统将固相清除,液相进入撇油系统后将油与钻井液分离开,油进入储油罐,干净的钻井液被泵回循环系统。

1.2.2 气相欠平衡钻井系列工艺特点 气相欠平衡钻井系列可分为以下几种:(1)气体钻井:包括空气、天然气、废气和氮气等介质,密度适用范围为小于0.02 g/ cm3。

(2)雾化钻井:密度适用范围0.02～0.07g/ cm3;

(3)泡沫钻井液钻井:包括稳定泡沫、硬胶泡沫、可循环泡沫钻井,密度适用范围为0.07～0.70g/ cm3;(4)充气钻井液钻井:在钻进的同时往钻井液中注气,其密度适用范围为0.7～0.95 g/ cm3 ,是广泛应用的一种欠平衡钻井方法。

其主要优点为：

(1)应用广泛,适用于地层压力系数小于1的低压、枯竭的以及用液相欠平衡钻井技术无法成井的储层;(2)最大限度地减少对低压产层的损害,进而降低完井成本;(3)提高勘探开发效率,缩短勘探周期,降低勘探费用;(4)机械钻速提高2～5倍,提高单只钻头进尺,降低钻机作业时间;(5)可以消除发生在低压漏失层的钻井液漏失、卡钻等事故;2 欠平衡钻井工艺对录井的影响

欠平衡钻井施工过程中,由于钻井工艺、流程和循环体系的改变,常规录井设备、方法已经难以满足现场录井工作的需要,部分技术缺少理论基础,主要反映在以下方面: 2.1 仪器设备的安装受到限制

欠平衡钻井过程中,由于钻井设备的增加和改进,所需设备的数量和安装条件发生了变化,致使部分仪器设备的安装、使用及操作需做相应的变动。

由于是负压钻井,对地层油气的敏感性较强,如果钻遇油层或含有H2 S地层,油层内油气会随着循环物直接排出,油气的分离和处置或H2 S的处置在现场直接进行,给现场带来了安全隐患,因此对录井系统的安全防护技术提出了新的、更高的要求。

同时现场存在多个高压区,对设备和人员的安全及设备性能提出了更高的要求。

2.2 录井技术和方法的不足 在欠平衡钻井条件下,常规录井的一些技术和方法已经不能满足录井工作的要求,需要改进和创新。

(1)岩屑录井

首先,是岩屑采集的问题。由于欠平衡钻井采用密闭循环体系,无法采用常规的振动筛实现分离液固相的方式来收集岩屑。

其次,是岩屑的识别问题。由于钻井液密度较低,携砂能力差,返出的岩屑样品数量少,岩屑细小、混杂,代表性差;在使用油基泥浆、泡沫泥浆等泥浆体系的条件下对岩屑的评价与分析比较困难。

第三,是岩屑归位问题。传统的岩屑录井是在取得了对应于某一深度之处的岩屑进行岩性的识别与油气层的监测,由于欠平衡钻井工艺流程的变化,岩屑是经过液固或气固分离器后才能排出循环系统,岩屑是某一层位的混合物,根本无法归位。

(2)气测录井由于钻井工艺流程的变化,主要带来以下几方面的问题: 一是以泥浆脱气为主的气体采集系统没有了基础,也就是说从井口上来的就是气体,直接进机分析,常规以脱气为主的工艺要改变为如何在高压力下采集到有代表性的气体。

二是欠平衡钻井如果采用油基泥浆,气测采集分析的是经油气分离器分离之后的流体内的气体,背景值较高,对地层油气发现有影响,同时若井口回压控制较高,原油容易进入气管线造成污染而发生漏测。

三是在以液相作为钻井介质的欠平衡钻井中,流体呈间断返出,并因分离器中的气体不能充分排净形成的滞留气的影响,使得信息被混淆、或被干扰、叠加,同时因欠平衡钻井,上部地层流体源源不断地进入井筒,对新钻遇油气层的发现造成困难。而以气相为钻井介质时,地面有机气体(有些地区部分井采用天然气钻进)将直接影响气测监测,而其中的无机气体则将影响CO2、H2、N2 的监测。

(3)地层压力录井

由于钻井介质发生变化,岩石破损机理跟常规钻井也有所不同,传统dc指数、sigma指数地层压力监测法已缺少相应的理论支持,需要重新认识与研究。在使用密闭循环系统进行钻井时增加了对钻井负压值进行实时监测的难度。

(4)工程事故预报 由于欠平衡钻井工艺发生了变化,常规钻井条件下的部份工程事故预报的机理发生了变化,需要重新认识与研究。

(5)钻井液录井

采用气体、雾化、泡沫等介质钻井,原有综合录井所采用的钻井液录井技术失去效用,从而减少了发现及评价油气层的相关参数。2.3 录井技术缺少相应的理论支持

在常规钻井过程中,循环系统采用泥浆泵入的方式,在欠平衡钻井条件下,由于钻井工艺的变化,循环系统也发生了变化,迟到时间的计算具有不确定性,缺少理论支持,具体表现在岩屑采集和气体监测方面,不能真实反映相应井深的地层信息。欠平衡钻井条件下录井措施

通过对欠平衡钻井工艺技术条件的分析及对录井施工作业的影响,需要对录井设备和技术加以改进和完善。

3.1 录井设备改进

3.1.1 安全防护设备的改进

从增加现场录井人员的安全性要求为内容,确保现场可燃气体不能进入仪器房,增加了录井房增压防爆装置。

以加强现场作业人员的安全性出发,增加了H2 S检测传感器和可燃气体报警器,声光报警系统及防护设备以便及时采取措施从消除现场安全隐患出发对仪器房、地质房中的各种电器、电路、电源等按防爆要求进行改进完善。

3.1.2 录井传感器的改进

除常规录井需要配置的传感器外,在附加的欠平衡泥浆罐上增加一套出口泥浆性能传感器,在欠平衡振动筛上增加一只H2 S传感器。根据设计泥浆密度范围,对低密度的泥浆体系选择使用适合量程的传感器,或对传感器性能进行改进。

更换适合欠平衡钻井的套管压力传感器,配备测量范围在70MPa以上的套管压力传感器。为确保工程按照设计施工,增加电磁流量计和气体流量计,实时监控钻井介质的流量。

3.1.3 捞取岩屑装置的改进 在欠平衡钻井过程中岩屑捞取可采用以下两种方式:(1)利用液气分离器从井底返出的携带岩屑的钻井介质经过液气分离器分离后,流经振动筛,采集岩屑。

(2)采用改进装置,在循环管线上捞取岩屑设计了二种简易的岩屑取样装置。

将取样装置安装于钻井介质返出管线靠近排出口3～4 m的地方,岩屑返出时在挡板的作用下进入收集器,收集岩屑时打开闸门,岩屑靠重力及气流的推力排出来实现岩屑采集。

3.1.4 气体检测装置的改进

(1)配置双套脱气器,一套安装于常规缓冲罐用于常规录井的气体检测,一套安装于欠平衡振动筛用于欠平衡钻井的气体检测。采用双套脱气器,可以在钻井状态进行体内循环和体外循环的转换时保证地层气体连续、实时监测。

(2)欠平衡钻井如果采用气相介质时,可以在液气分离器之后的排气管线上安装一套气体取样装置,井内返出混合气体在进入气管线之前,经过滤筛网一方面过滤掉固相物,同时也起到了减压缓冲作用,即可直接进机分析。

3.1.5 安装气体流量计

对于采用气相介质的欠平衡钻井,可以在气液分离器之后的燃烧管线上安装气体流量计,以便于监测密闭钻井过程中经气液分离器脱出的钻井液气体流量变化和在不中断钻进的情况下初步产能计算。

3.2 录井技术的改进和完善 3.2.1 岩屑录井技术

欠平衡钻井由于钻井液密度较低,携砂能力差,返出的岩屑样品数量少,而且岩屑细小、混杂,代表性差,对岩屑的识别带来困难。对于此种情况,振动筛应改为80目以上的筛布,尽量减少细小真岩屑从振动筛上流失,洗样时应尽量采用小水流,轻搅拌,稍微沉淀后倒去混水再换清水漂洗的方法,防止细小的真岩屑在清洗过程中流失。

3.2.2 气体监测评价技术

密闭钻井时,钻井液在从环空到达振动筛之前,需要经过液气分离器,经液气分离器除气后流向振动筛,这样,一方面在油气显示不好的情况下,可能会漏掉油气层;另一方面,由于色谱采集分析的是油气分离之后流体内的原油伴生气或残余气。在油气显示较好的情况下,会因为气体值较高,容易造成气路管线甚至色谱柱的污染,造成后续井段的假显示,增加气测解释的困难,同时若井口回压控制较高,原油容易进入气路管线也会造成污染。为了解决以上问题,可以采用下面的方法予以解决:(1)定时对排气管线中的气体进行取样分析,见显示时加密取样。(2)比较气体流量计输出的流量曲线与色谱曲线变化进行解释。在色谱被污染的情况下甚至可以用气体流量曲线确定显示层位,同时用取样分析数据进行解释。

(3)在进行地层评价时,比较随钻气体分析数据和定时取样分析数据,取其相对较高中的值为实际地层气体数据。

3.2.3 OFA定量荧光分析技术

液相欠平衡钻井泥浆体系通常采用混油和加处理剂的方法来降低泥浆密度,这就使常规的岩屑荧光录井技术和方法受到了很大的局限。为了解决这一问题,可以采用OFA定量荧光技术对录井岩屑进行分析,根据定量荧光数据和图谱不仅可以确定岩屑中的真假油气显示,还可以确定地层油气含量和油气性质。

3.2.4 地层压力监测技术

传统综合录井的地层压力监测方法主要为Dc指数法和Sigma指数法。在欠平衡钻井过程中,如果采用液相介质钻井,这两种方法仍然是检测地层压力异常的主要手段,如果采用气相介质钻井,传统的Dc指数法和Sigma指数法已缺少理论依据。通过研究,我们提出了两种另外解决办法,即井底流压监测法和井口压力监测法。

(1)井底流压法

井底流压是流动泥浆对井底地层产生的压力,录井上称作循环当量密度(ECD)。密闭钻井时,我们用循环当量密度与设计的井底流压值进行比较来实现钻井欠压值的监测。

在不同的钻井深度,录井程序通过计算循环当量密度,并与设计的井底流压低值和高值进行比较,若循环当量密度值界于设计井底流压低值和高值之间,则欠压值是合理的;若循环当量密度值大于设计井底流压高值,则没有达到欠压效果;而若循环当量密度值小于设计井底流压低值,则欠压值过大,容易造成井下事故的发生。

实际录井时,根据循环当量密度实时变化曲线,适时调整设计井底流压低值与高值的报警门限,就可比较直观地掌握井底流压变化情况。

(2)井口压力监测法

通过实时检测套管压力来检测井口压力变化,从而达到实时检测井口欠压值变化的目的。钻进中通过对比井口套管压力与设计井口压力的变化来调整钻井欠压值。正常欠平衡钻井时,套管压力值应小于设计的最大井口压力值。当套管压力大于设计的井口压力时,则欠压值过大,需要采取措施防止钻井事故的发生。

3.2.5 工程事故预报

除了常规钻井条件下的工程事故预报方法外,更要总结和加强欠平衡钻井条件下的工程事故预报。具体表现在:(1)如果注气压力增大,排出口有水喷出,则可能地层出水。

(2)如果排砂管线出口出现火焰,停止注气后,仍有气体排出并见火焰,则可能地层出气。

(3)如果注气压力增大,火焰增高,并且伴有黑烟,则可能地层出油。(4)如果注气压力增大,同时转盘扭矩增大,上提钻具阻力增大,下钻遇阻,有可能发生地层坍塌。欠平衡钻井条件下录井技术的应用

窿x井是玉门油田分公司部署在酒泉盆地青西凹陷窟窿山逆冲断裂带窟窿山构造南翼上的一__口预探井,在井段2 970 m至3 300 m采用欠平衡钻井技术,期间交替运用了气体、泡沫、雾化液三种钻井介质。录井作业采用DR ILLBYTE增压防爆型综合录井仪录井,具体措施如下:(1)岩屑录井

在岩屑和钻井介质返出口附近,安装一个取样管线和闸门,为减小压力起缓冲作用,安装两个闸门,取样时先打开上闸门,让岩屑进入取样管线,然后关闭上闸门,接着打开下闸门,在取样口采集岩屑。

(2)气测录井 配置双套脱气器,一套安装于常规振动筛用于常规录井的气体检测,一套定量脱气器安装于欠平衡振动筛用于欠平衡钻井的气体检测。在气相介质钻进过程中,在岩屑和钻井介质返出管线上做一出气口,为防止岩屑等杂物进入气路管线,在出气口与气路管线之间做一个减压筛网,地层反出气体通过气路管线直接进入色谱仪器进行分析。

在进行欠平衡钻井时,在液气分离器之后的排气管线上安装一套气体取样装置,对液气分离器从泥浆中分离出的气体定期取样,做vms分析,供地层气体解释时使用和参考。

(3)工程录井

除常规录井需要配置的传感器外,还在立管上加装了入口电磁流量计,出口架空管线上安装用于测量出口钻井液流量的电磁流量计。

为了监测密闭钻井过程中经气液分离器脱出的钻井液气体流量变化,在气液分离器之后的燃烧管线上安装气体流量计。在附加的欠平衡泥浆罐上增加一套出口泥浆性能传感器,在欠平衡振动筛上增加一只H2 S传感器。结论与认识

随着钻井技术的更新和发展,尤其是欠平衡钻井技术的应用,传统录井技术面临许多新的挑战,录井应适时研究新的技术及方法,只有这样,录井才能适应新的环境及要求,得以生存和发展。通过此次的探索总结,有针对性的提出了一些欠平衡条件下的岩屑捞取、气体检测、工程实时监测及油气层识别和评价等现场录井方法,但由于欠平衡钻井条件下的录井工作经验有限,加上现场各种钻井条件的限制,上述的一些方案和设想并没有能够在实际工作中完全实施并得到验证,还有待于进一步的总结和完善,相应的技术和理论体系还需认识和研究。目前存在的问题有:(1)由于行业所限,欠平衡条件下录井技术研究缺乏广泛的研究基础,部分技术和方法缺少相应的理论支持。

(2)目前研究与实施的录井方法还不全面,还有待于进一步的探索和完善。(3)欠平衡钻井工艺的录井设施还不完善,有些不具备推广价值。(4)缺乏针对欠平衡钻井工艺的录井软件,行业有待进一步研究与开发。