气体钻井的适应性评价技术

倡本文为国家高技术研究发展计划（８６３计划）项目“气体钻井技术与装备”（编号：２００６ＡＡ０６Ａ１０３）的研究成果。

作者简介：李皋，１９７６年生，副研究员，博士；从事欠平衡钻井、气体钻井与储层保护方面的研究工作。

地址：（６１０５００）四川省成都市新都区西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室。

电话：（０２８）８３０３４７８６。

Ｅ‐ｍａｉｌ：ｌｇｍｉｃｈａｅｌ＠２６３．ｎｅｔ气体钻井的适应性评价技术倡李皋１　孟英峰１　蒋俊１　肖长久２　王延民１　刘厚彬１　丁振龙３１．西南石油大学　２．中国石油西南油气田公司川东北气矿　３．川庆钻探工程公司国际工程公司 李皋等．气体钻井的适应性评价技术．天然气工业，２００９，２９（３）：５７‐６１． 摘　要　气体钻井对地质条件、设备及工艺的要求较高，因适应性评价不充分而导致气体钻井失败的实例屡见不鲜，目前国内还缺乏相应的气体钻井适应性评价技术体系。

基于气体钻井的必要性、工程可行性、经济可行性评价所涉及的关键技术，建立了气体钻井适应性评价技术体系，开发了相应的评价软件系统。

此举有利于促进气体钻井的科学选区、选井和选层，减少决策的盲目性，推进气体钻井技术在油气田、煤层气田勘探开发领域的高效应用。

关键词　气体钻井　适应性　储层损害　钻井速度　井壁稳定 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００‐０９７６．２００９．０３．０１６０　引言 气体钻井是２０世纪５０年代始于美国的一项钻井技术，在低渗油气田的开发、克服井漏、钻井提速、煤层气开发、井下作业等诸多领域得到了较广泛的应用［１］。

国内２０世纪６０年代，在四川盆地对８口井尝试了利用天然气打开产层，后由于设备不配套和井控问题停止了试验［２］。

２０世纪８０年代又重新开始了对泡沫钻井等气基流体钻井的探索，２０世纪９０年代末逐步在国内四川、新疆、玉门、长庆、吐哈、大庆，以及国外的伊朗ＴＡＢＮＡＫ和ＳＨＡＮＵＬ等油气田开展了上百口井的气体钻井现场试验，取得了重大技术进步［３‐１２］。

同时气体钻井又是一项对设备、地质条件和施工工艺要求较高的一项复杂钻井技术，不适宜地质对象的选择、不合理的井身结构设计、不合理的施工工艺参数、设备能力不足以及工具缺陷均可能导致气体钻井失败。

Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ公司的欠平衡钻井对象筛选和适应性评价主要采用专家评分方式，即根据已经实施欠平衡钻井的经验，针对不同类型的油气藏，列出若干项判断指标，根据工程师利用油气藏基本参数对相应的指标评分高低来确定能否实施欠平衡钻井。

Ｗｅａｔｈｅｒｆｏｒｄ公司针对欠平衡钻井适应性评价开发了ＳＵＲＥ（ＳｕｉｔａｂｌｅＵｎｄｅｒ‐ｂａｌａｎｃｅｄＲｅｓｅｒｖｏｉｒＥｖａｌｕａｔｉｏｎ）系统，主要用于欠平衡钻井适宜的地质对象筛选。

国内欠平衡钻井和气体钻井技术起步较晚，关于欠平衡与气体钻井的适应性分析主要是集中在对工程可行性的一些具体分析上［１３‐１６］。

目前国内外还均没有针对气体钻井的适应性评价系统。

已经开展的气体钻井现场试验由于缺乏成体系的科学决策依据，盲目选区、选井、选层，致使气体钻井事故多发，技术经济效益受到严重影响。

这对于规模推广气体钻井技术，促进复杂油气藏的高效勘探开发无疑是一种制约。

为此，研究了其适应性评价技术。

１　适应性评价原理 气体钻井应用对象可分为产层和非产层。

应用于非产层的气体钻井目前以提速为主要目的，也有部分以防漏治漏、减少井下复杂事故为目的；应用于产层的气体钻井多以良好保护储层、提高勘探发现率和开发效果为主要目的。

无论是何种目的的气体钻井，首先需要从技术上论证是否必须用气体钻井才能达到良好的效果，即气体钻井必要性评价。

必要性评价主要涉及：①储层保护潜力评价，即与常规技术相比，气体钻井所能达到的储层保护效果，主要针对产层；②提速潜力评价，即与常规钻井技术相比，气体钻井能够提高机械钻速的程度，主要针对非产层；③克服井下复杂潜力评价，即对于常规钻井容易发生井漏、井喷、水敏性井壁坍塌、压差卡钻等的情况，论证利用气体钻井克服上述复杂的必要性。

气体钻井受井壁稳定、地层流体产出、地层压力、井身结构及场地设备等多方面因素的影响，评价工程上的可行性也是气体钻井适应性评价的关键内容。

主要涉及：①井壁稳定评价；②井眼净化能力评价；③地层流体产出评价，主要评价流体产出对井壁稳定、井眼净化、压力控制及人身安全的影响；④井下燃爆安全的评价，主要针对空气钻井的情况；⑤设备及施工条件评价。

前４项属于重点评价内容。

除论证气体钻井必要性和工程可行性外，还需要评价与常规钻井技术、增产措施相比，气体钻井通过储层保护提高产能、通过提速和克服井下复杂事故缩短建井周期、减少复杂事故处理费用等是否具有获得的经济效益优势，即气体钻井的经济可行性评价。

２　适应性评价关键技术２．１　地质工程基础分析 地质工程特征分析是气体钻井的适应性评价的基础任务，所需基础资料主要包括地质资料和已钻井资料。

通过地质基础资料分析可以全面掌握地质对象的特征，找出可能影响气体钻井适应性的关键因素。

主要包括：①地层与构造特性，包括岩性剖面、构造特征、砂体展布特征；②岩石特性，包括矿物组成、岩石微观结构、岩石理化特性、孔隙空间、渗透率等；③流体特性，包括流体组成、性质、产出量、有毒气体产出情况；④温度压力特征。

已钻井工程资料分析主要包括：①井史资料分析，分析已钻井的井身结构、钻井工艺、钻井液、出现的井下复杂情况；②录井、测井资料分析，主要对钻时、钻井流体产出情况、实钻岩石剖面等系统分析；③完井及测试资料分析；④增产措施分析，分析所采用的增产措施及取得效果和投入产出情况。

通过地质工程基础评价，可以根据一些关键制约因素，比如地层产出Ｈ２Ｓ等有毒气体超标、地层产液量和地层压力已经大大超出经验值、地层岩性明显不满足井壁稳定要求等初步排除不适宜气体钻井的地质对象。

２．２　储层损害评价 主要针对储层气体钻井开展该项评价，包括：①液相钻井条件下的固液相损害，确定主要的储层损害类型和可能的储层损害程度；②液相钻井、完井投产过程中的储层损害程度及产能恢复程度；③所采用的主要增产措施可能存在的主要损害类型、程度及增产改造效果；④气体钻井条件下的储层损害评价，主要包括应力敏感性评价、钻井液转换以及完井过程中的储层损害评价。

评价手段包括流动实验、微观分析测试、现场资料分析、模型计算等多种储层损害评价手段，应根据地质对象确定需要评价的项目。

根据评价结果，存在以下几种情况：①某些储层损害只有气体钻井才能克服；②某些储层采用气体钻井可以获得更好的储层保护效果；③采用常规的钻井技术配套的储层保护措施可以获得理想的储层保护效果；④常规钻井储层损害后通过增产改造实现较好的产能；⑤某些储层受自身产能局限，即使采用气体钻井仍无法达到理想产能而必须采用后续的增产措施；⑥对于以勘探发现为目的的探井，如果采用气体钻井比常规钻井技术更有利于发现产层，则需要考虑气体钻井技术。

２．３　提速潜力评价 非储层的提速钻井需要研究气体钻井条件下的提速潜力，气体钻井提速潜力评价的流程见图１。

主要内容包括：①气体及液体钻井条件下的地应力及井底应力分析；②气体及液体钻井条件下的图１　气体钻井提速潜力评价流程图岩石力学参数及可钻性参数测试；③建立气体及液体条件下可钻性与岩石力学参数及测井信息之间的关系模型；④结合室内实验数据与测井信息校正获取地层可钻性剖面；⑤获取气体钻井钻速预测剖面；⑥对比液体钻井可钻性及钻速剖面，评价气体钻井提速潜力。

通过气体钻井提速潜力评价，可以确定利用气体钻井提速的预期效果并可以为提速方案提供科学依据。

２．４　井壁稳定评价 气体钻井循环介质不同于常规钻井，井筒内没有液柱压力平衡井壁应力。

气体钻井一旦井壁失稳缺乏有效的井壁稳定措施，极易导致气体钻井失败。

因此，气体钻井对井壁稳定的要求较高。

气体钻井的井壁稳定性评价也不同于常规钻井，在气体钻井条件下能够开展的测井项目非常有限，很难通过已有气体钻井的资料获得气体钻井井壁稳定评价的测井资料。

目前气体钻井所用测井资料仍然通过常规钻井的测井项目获得。

应用常规钻井条件下的测井资料进行气体钻井井壁稳定评价时必须结合室内测试进行测井信息校正。

此外，气体钻井还必须考虑地层流体和液体产出，以及气体钻井转换为液相钻井过程的井壁稳定分析。

气体钻井井壁稳定性评价的主要任务包括：井眼应力状态分析、易失稳地层特性分析、岩石力学特性等参数测试、液相侵入规律分析、利用测井信息校正获取气体钻井条件下的岩石力学特性、气体钻井坍塌密度剖面和井眼半径预测剖面（图２）。

２．５　井眼净化能力评价 气体携岩能力要远远低于液体，气体钻井的井眼净化能力与井身结构、钻具组合、注气量、注气压力、地层流体产出、井眼几何形状、井底岩屑性质等密切相关。

在井身结构、钻具组合、井眼形状、岩屑性质一定的情况下，井眼净化能力的评价需要重点评价地层无流体产出、地层产气、地层产液条件下的井眼净化能力，包括所需最小注气量、推荐注气量、注气压力、岩屑速度、岩屑浓度、允许的地层极限产气量及极限产液量分析等。

气体钻井井眼净化能力评价的主要途径包括：通过多相流研究和气体动力学研究，建立气体钻井井眼携岩模型；建立大型的室内模拟装置，模拟气体钻井的不同情况，包括地层无流体产出的干气钻井、局部层段产气及局部层段产液的情况，模拟实验结果可为模型修正及气体钻井参数设计提供依据。

２．６　井下燃爆安全评价 在空气钻井中钻遇的任何油气层，都有发生井下燃爆的可能，天然气和原油等烃类物质与含氧气体混合后，在混合量达到燃爆范围并有着火条件的情况下，井下就可能发生燃爆，给钻井带来巨大的损失；在以提高机械钻速、缩短建井周期，降低钻井成本为主的非产层、长井段的空气钻井过程中，钻遇含微量、少量油气的地层的可能性随着井段的增长而增大，发生井下燃爆的危险性也在增加［１６］。

在空气钻井提速应用之前，需要对地层流体产出类型、产出量进行分析，通过理论计算和室内模拟实验评价气体钻井井下燃爆安全界限，确定空气钻井井下燃爆安全性。

２．７　气体钻井经济效益评价 根据不同的钻井目的，气体钻井经济可行性评图２　气体钻井井壁稳定性评价流程图价考虑的因素不同：①对于以提速为目的的气体钻井，需要结合气体钻井提速潜力评价分析气体钻井的投入及其与常规钻井提速措施相比是否存在明显的经济优势，同时也考虑气体钻井事故引起的额外钻井成本增加；②对于以提高开发效果为目的的储层气体钻井，需要结合目标区已采用的常规钻井措施及配套的增产改造工艺的投入和产出分析，分析气体钻井的投入和产出是否具有明显的经济效益；③而对于以提高勘探发现率为主要目的的气体钻井，若从技术上分析气体钻井是必需的技术手段且在工程上可行，则只需分析气体钻井的投入是否为投资计划所能接受。