塔里木迪北区块深层致密碎屑岩气损害机理与钻开方式选择策略

时间：2024-09-03

李宁，康毅力，郭斌，闫霄鹏，晏智航，王艺钧，罗威

(1中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司油气工程研究院 2油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学)

近年来，随着世界范围内油气勘探的不断推进，深层油气资源的开发已成为许多国家扩大油气储量的重要途径[1-3]。其中，对深层碎屑岩油气藏的勘探，已成为我国油气工业未来最重要的发展方向之一[4]。而深层裂缝性致密油气藏已成为塔里木盆地油气勘探开发的重要对象[5-6]。在塔里木盆地迪北发现了典型的深层裂缝性碎屑岩气藏，工区已完钻井曾使用水基、油基、氮气钻以及氮气钻转液体等多种钻开液体系和工艺，尚未探索出一条适合工区有效开发的工程技术体系，使得区块合适的钻开方式及工艺不明确。迪北区现今构造运动活跃，煤系地层、深井、高应力、高地层压力条件下，对勘探工程技术体系与开发工程技术体系要求差异显著，并对当前各类先进技术应用提出更加严峻的挑战。本文以工区工程地质特征为基础，深化认识了钻井及完井过程储层损害机理。并从油气勘探开发技术要求出发，考虑全过程储层保护观、工程作业系统工程观，明确了不同钻开方式优缺点与技术关键，形成了适用于工区的钻开方式选择策略。

一、钻井及完井过程储层损害机理

1.水相圈闭损害

因损害储层岩石孔喉致密、毛管压力高，使得水相圈闭损害成为制约气藏高效开发最为严重的储层损害类型之一。为了进一步明确工区水相圈闭损害程度，开展了水相圈闭损害评价实验，实验操作步骤详见参考文献[7]。水相圈闭损害评价实验结果表明，基块岩样液相返排率5.9%～7.4%，水相圈闭损害率93.47%～97.16%，水相圈闭损害强。迪北区块储层孔喉细微、毛管压力高、混合润湿特性以及局部超低含水饱和度，在正压差或者负压差作业过程中液相极易进入储层。进入储层的液相会继续通过自吸作用进入储层的深处。返排时，由于排驱压力高，使得侵入孔喉的液相难以返排出来[8]。

2.储层流体敏感性损害

迪北阿合组共计13块岩样流体敏感性评价结果表明，速敏中等偏弱～强，水敏中等偏弱～中等偏强，盐敏中等偏强，酸敏中偏弱，碱敏弱～中等偏强。阿合组岩样黏土矿物中伊利石平均含量高于60%，伊利石的产状以毛发状为主，主要分布在粒间孔、粒间缝等渗流通道的关键位置。流体流动过程中，较大孔隙中的伊利石可能被冲断，脱落堵塞细微吼道，诱发速敏损害。黏土矿物中绿泥石含量较高，易诱发酸敏损害。迪北阿合组储层属煤系地层，酸性沉积环境，易与碱性工作液发生反应，诱发碱敏损害。

3.应力敏感性损害

采用应力敏感系数法[8]，获取迪北阿合组基块岩样与裂缝岩样的应力敏感性，结果表明，阿合组岩样中基块应力敏感性系数0.64～0.67，应力敏感性中等偏强，原地条件下(30 MPa有效应力)渗透率0.014 0～0.016 0 mD；裂缝岩样应力敏感程度中等偏强，原地条件下裂缝开度3.2～8.5 μm。

工区存在正压差与负压差两种工况，其中正压差作业主要包括水基或油基钻开液钻进过程、压井过程，负压差作业有气体揭开储层过程以及气井生产过程[9]。正压差作业过程中储层的有效应力会进一步减小，岩石的渗透率会增大；而负压差作业条件下储层岩石压实作用增强，渗透率会进一步降低。

水基或油基正常钻进，滤液主要沿基块孔喉与天然微裂缝滤失；由于工区岩石应力敏感性较强，在压力激动、正压差过大或天然微裂缝防漏效果不佳条件下，会诱发应力敏感引起的漏失性的深部损害[10]，因而形成高质量滤饼以及裂缝封堵层是水基和油基钻开储层的重中之重。

4.固相侵入损害

工区现场用水基钻开液固相粒度进分析表明，钻开液D90为39.8 μm。岩心造缝模拟原地有效应力实验法得到的原地条件下裂缝开度在0.001～0.005 mm之间，依据测井与试井数据获得的裂缝宽度分布范围0.06～0.30 mm，根据漏失数据反算出的裂缝宽度可达1 mm。根据裂缝封堵的D90原则，原钻开液D90远小于储层裂缝宽度，无法有效封堵裂缝，将导致钻井液中的固相在漏失时沿裂缝侵入储层，引起固相堵塞损害。

钻开液裂缝封堵层承压能力评价结果显示，钻开液对缝宽100 μm及以下的裂缝具有较好的封堵能力，对150 μm缝宽的裂缝在7 MPa下失去封堵能力，对缝宽大于200 μm无封堵能力。裂缝封堵层承压能力不足带来的重复性漏失和水泥浆漏失同样将造成严重的固相侵入损害。此外，气体钻井揭开储层后，近井地带随着气体产出会产生压力亏空[11]，气体转液体压井过程工作液更易发生漏失损害。

二、工区的钻开方式选择策略

从油气勘探开发技术要求(高效、安全、绿色)出发，考虑全过程储层保护观、工程作业系统工程观，形成了以下适用于工区的钻开方式技术路径选择策略：①“战略层次”，从油气勘探开发技术要求角度出发，一个好的工程技术需要满足安全、高效、绿色的原则；②“战役层次”，一个好的工程技术需要遵循全过程储层保护观：必须同时满足有利于油气层及时发现，有利于油气层准确评价，有利于油气层高效开发；③“战术层次”，一个好的工程技术需要考虑工程作业系统工程观：首先必须将本环节作业高质量、安全、经济地完成好，不能把上一个环节作业已取得的功效削弱、甚至彻底消除，尽可能为下一个环节作业创造良好的施工(井眼及井周地层)条件，至少不设置明显障碍，导致后续作业难度增加。

基于钻开方式技术路径选择策略，从工区前期钻井、完井、增产改造及试油试气工程实践出发，系统分析了不同钻开方式下钻开液体系的适用性(表1)。

表1 不同钻开方式下钻开液体系的适用性

备注：√—有利；○—末涉及或不考虑；×—不利。

氮气钻开有利于油气层及时发现，准确评价，可预防固相、液相损害，预防泥页岩水化失稳，大幅度提高钻速。氮气钻开适用于裂缝发育的储层，高压气体冲蚀带来的井控风险大，高压气体的产出也会诱发岩体结构失稳[12]。气体钻井完井配套工艺有待完善，与后续作业衔接困难。气井安全管理、井下岩体结构稳定性管理、完井及生产管柱完整性管理是氮气钻开储层的技术关键。

氮气钻进钻遇不可控高压气层或遇到井下负责事故时，需转换为液体完井。气体钻开过程会带来井筒干化，近井地带含水饱和度较低。且气体钻开揭开储层后，随着气体的产出会造成近井地带压力亏空。当气体转液体完井时，工作液更易发生漏失，井筒干湿交替更易失稳。气体钻开转液体完井储层损害方式与液体钻开相同，但损害程度有进一步加剧的趋势。气体钻开转液体完井难以为下一个环节作业创造良好的施工(井眼及井周地层)条件，导致后续作业难度增加。气体钻开转液体完井彻底抵消了气体钻开储层已取得的功效。

油基钻开液适用储层类型多样，预防泥页岩水化失稳，储层保护能力好，利于顺利钻进，技术较为成熟。其缺点为易于发生漏失性储层损害，影响固井质量，环保压力较大。与水基钻开储层相同，油基钻开储层的技术关键也是防漏堵漏。

水基钻开储层适用储层类型多样，成本可控，安全性好，技术成熟与后续技术作业环节衔接紧密。水基钻开储层的不足为潜在泥页岩水化失稳，易于漏失，致储层损害。其技术关键为形成高质量滤饼以及裂缝封堵层，防漏堵漏是水基钻开储层的重中之重。水基钻开储层以其环境友好性、低成本以及与后续作业环节优良的配伍性，已经成为裂缝性碎屑岩气层钻开方式的一种可行的选择。