緬甸M區(qū)塊上部復(fù)雜地層鉆井技術(shù)研究與實(shí)踐

楊鴻波

(中海油田服務(wù)股份有限公司)

緬甸M區(qū)塊上部地層(1200 m以上)情況復(fù)雜,斷層較發(fā)育,高陡推覆體構(gòu)造的存在導(dǎo)致地層擠壓破碎嚴(yán)重,地層主要是極易蠕變的粘塑性軟泥巖,地層孔隙壓力和坍塌壓力高,同時氣層異常發(fā)育,因此該地區(qū)以往的鉆井施工中事故率較高,許多井因卡鉆、井漏及井噴等事故而中途報廢。2005—2007年中海油作業(yè)者在該區(qū)塊先后鉆了 RM 19-1-1和RM 19-3-1兩口探井,也遇到了諸多技術(shù)難題。在認(rèn)真總結(jié)RM 19-1-1井和RM 19-3-1井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)技術(shù)措施,于2009年在該區(qū)塊連續(xù)成功完成了STH1、STH2、STH3和 STH4等4口井的鉆井作業(yè)。本文是對緬甸M區(qū)塊上部復(fù)雜地層鉆井工程難點(diǎn)和所采取的主要技術(shù)措施的總結(jié)。

1 鉆井工程難點(diǎn)

鉆井工程難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)井壁穩(wěn)定性差

M區(qū)塊上部地層多次推覆嚴(yán)重,構(gòu)造應(yīng)力集中,斷層交錯(圖1),推覆構(gòu)造在斷層處形成強(qiáng)烈的破碎帶,加上大段塑性軟泥巖,井壁穩(wěn)定性差,極易發(fā)生井壁坍塌、縮徑等井壁失穩(wěn)問題,鉆井液密度控制稍有不當(dāng),很快就會引起摩阻增加、阻卡等井下復(fù)雜情況,處理不當(dāng)將會發(fā)生卡鉆事故。例如RM 19-1-1井和RM 19-3-1井在鉆井作業(yè)過程中軟泥巖縮徑嚴(yán)重,劃眼困難,頻繁蹩泵蹩扭矩,2口井劃眼時間占鉆井周期的比例分別約為27%、12%,且在鉆進(jìn)及起下鉆過程中因縮徑和井壁坍塌掉塊造成卡鉆的情況很嚴(yán)重,其中 RM 19-1-1井因卡鉆而導(dǎo)致側(cè)鉆。

圖1 緬甸M區(qū)塊斷層構(gòu)造剖面

(2)地層可鉆性差

M區(qū)塊RM 19-1-1、RM 19-3-1井所鉆遇的上部地層主要為大段塑性軟泥巖,可鉆性差,機(jī)械鉆速低(表 1)。

表1 緬甸M區(qū)塊 RM 19-1-1、RM 19-3-1井上部地層機(jī)械鉆速統(tǒng)計

(3)鉆井液的選擇和維護(hù)困難

由于M區(qū)塊上部地層主要是大段塑性軟泥巖,為了能保證鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行,選擇合適的鉆井液體系和維護(hù)好鉆井液性能至關(guān)重要。根據(jù)RM 19-1-1井和 RM 19-3-1井的鉆井情況,上部地層如果使用抑制性鉆井液體系,易引起縮徑導(dǎo)致鉆進(jìn)及起下鉆困難;如果使用分散性鉆井液體系,由于該區(qū)塊孔隙壓力較高(使用的鉆井液密度最高達(dá)2.0 g/cm3以上,圖2),同時地層造漿能力極強(qiáng),這使得高密度分散性鉆井液的性能維護(hù)非常困難。

圖2 緬甸M區(qū)塊已鉆井鉆井液密度統(tǒng)計

(4)氣層活躍,固井難度大

由于M區(qū)塊儲層淺、地層壓力高、氣層活躍,存在水泥添加劑選擇困難、水泥漿強(qiáng)度發(fā)展緩慢和防氣竄難度大等困難。RM 19-1-1井和RM 19-3-1井大部分井段固井質(zhì)量不合格,固井后存在井口冒氣現(xiàn)象。

RM 19-1-1井和RM 19-3-1井由于復(fù)雜情況、事故、修理設(shè)備及其他原因停工等造成的非生產(chǎn)時間占鉆井周期的比例分別達(dá)到61%、40%,鉆井周期分別為70 d、50 d(井深達(dá)到1200 m時)。

2 鉆井作業(yè)中所采取的主要技術(shù)措施

2.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)物探資料,結(jié)合區(qū)域周圍已鉆井的測井、鉆井和地質(zhì)資料,對M區(qū)塊將要鉆遇地層的孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力進(jìn)行了初步預(yù)測(圖3)。

圖3 緬甸M區(qū)塊地層壓力預(yù)測曲線(深度從海平面算起)

遵循降低作業(yè)難度、提高作業(yè)效率、確保作業(yè)安全的原則,依據(jù)地層壓力預(yù)測曲線,M區(qū)塊新鉆4口井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果為:φ444.5mm井眼×φ339.7 mm表層套管×60 m+φ311.2 mm井眼×φ244.5 mm技術(shù)套管×(400～490 m)+φ215.9 mm井眼×φ177.8 mm油層套管×(849～1201 m)。

以前該區(qū)塊所鉆井的套管下深不夠合理,特別是二開技術(shù)套管下深偏大,導(dǎo)致二開井段鉆入了高壓地層(高壓低滲地層),這時如果提高鉆井液密度可能會造成一開井段發(fā)生井漏(由于一開井段套管下入淺),因此表層井段實(shí)際鉆井液密度不足是導(dǎo)致不能有效抑制井眼縮徑造成鉆進(jìn)、起下鉆困難的主要原因。由此將二開φ244.5 mm套管下深原則確定為:以保證不打開高壓地層且保證套管鞋處地層有足夠承壓能力(根據(jù)地層壓力預(yù)測曲線得出φ311.2 mm井段完鉆鉆井液密度 1.6～1.7 g/cm3)。鉆井時實(shí)際鉆井液密度參照地層壓力預(yù)測曲線,并根據(jù)井下實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整。

2.2 高密度分散性鉆井液及其工程配套措施

2.2.1 高密度分散性鉆井液優(yōu)化

鉆RM 19-1-1井時在上部井段使用的是 KCl/PLUS抑制性鉆井液體系,上部軟泥巖蠕動縮徑嚴(yán)重和鉆井液的強(qiáng)抑制性導(dǎo)致了劃眼非常困難,進(jìn)而發(fā)生了卡鉆。為了能將井眼縮徑的泥巖分散或?qū)⒕谀鄮r軟化后通過機(jī)械方式(通井或劃眼)破壞掉,鉆RM 19-3-1井時在上部井段改用了鈣處理粗分散性鉆井液,井眼情況有所改善,劃眼的困難程度減小,但由于當(dāng)時鉆井液密度不足,井眼縮徑情況仍比較嚴(yán)重。

在總結(jié)RM 19-1-1井和RM 19-3-1井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,新鉆4口井的鉆井作業(yè)中對鈣處理粗分散性鉆井液進(jìn)行了優(yōu)化,調(diào)整鈣處理劑為土般土聚合物。土般土聚合物分散體系鉆井液在高密度條件下操作較簡單,性能維護(hù)較容易,對土般土含量容量限度較高,具有良好的流變性。新鉆4口井三開井段鉆井液密度為1.75～1.95 g/cm3,鉆進(jìn)過程中根據(jù)地層情況逐步提高鉆井液密度。由于本井段地層壓力較高,鉆井液密度高,平均鉆速較慢,巖屑研磨的較細(xì),溶入井漿中造成MBT上升較快,鉆井液流變性難以控制,采取了以下維護(hù)鉆井液性能的主要技術(shù)措施:

(1)開鉆前,盡可能將上井段老漿排放,配制新漿。將泥漿槽、沉砂池清理干凈,減少不必要的巖屑污染。

(2)使用稀釋劑來增強(qiáng)鉆井液的MBT容量上限,改善高M(jìn)BT含量鉆井液的流變性。

(3)由于土般土聚合物鉆井液體系的局限性,作業(yè)周期不宜過長,因此完鉆后在測井及下套管前置換部分老漿。

(4)鉆井液密度在1.80～2.00g/cm3時采用活化重晶石加重,鉆井液密度超過2.00g/cm3時采用鐵礦粉加重。

2.2.2 工程配套措施

(1)根據(jù)鉆進(jìn)、起下鉆過程中的阻卡情況及循環(huán)時氣全量情況,及時提高鉆井液密度(圖4),以抑制軟泥巖縮徑;使用分散性鉆井液體系,將井壁縮徑的泥巖分散或?qū)⒕谀鄮r軟化后通過機(jī)械方式(通井或劃眼)破壞掉;使用劃眼能力強(qiáng)的鉆頭和具有劃眼齒的扶正器,并盡量使鉆具結(jié)構(gòu)簡化,通過加強(qiáng)劃眼、短起下鉆等措施及時將井壁縮徑泥巖清理出井眼,以維持正常的鉆進(jìn)作業(yè)和防止卡鉆。

圖4 緬甸M區(qū)塊新鉆4口井鉆井液密度

(2)M區(qū)塊淺部地層壓力高但滲透率較低,參考以前該地區(qū)鉆井時淺部地層使用旋轉(zhuǎn)防噴器的情況,新鉆4口井在表層套管下入后安裝了常規(guī)的井口控制裝置,并采用以下技術(shù)措施:①二開鉆入新地層后,泵入該井段可能使用的最高密度的鉆井液,以驗(yàn)證地層的承壓能力;②鉆進(jìn)及起下鉆過程中監(jiān)測后效氣顯示及油氣上竄速度,及時調(diào)整鉆井液密度;③起鉆若發(fā)現(xiàn)撥活塞現(xiàn)象則及時采用開泵起鉆。

通過采取以上井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高密度分散性鉆井液優(yōu)化及其工程配套措施,在新鉆4口井的鉆井作業(yè)中有效地控制了軟泥巖地層的井眼縮徑和井壁坍塌掉塊,鉆進(jìn)和起下鉆過程中的劃眼時間極大縮短(4口井劃眼時間占鉆井周期的比例平均為5.9%),未出現(xiàn)卡鉆事故,保證了鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。

2.3 提高機(jī)械鉆速

對收集到的周邊地區(qū)已鉆井的測井聲波時差、自然伽馬和地層密度資料進(jìn)行處理,得到了已鉆井的地層抗鉆特性力學(xué)參數(shù),并根據(jù)層位對比分析對要鉆遇地層的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(圖5)。

圖5 緬甸M區(qū)塊地層抗壓強(qiáng)度預(yù)測曲線

從圖5預(yù)測結(jié)果看M區(qū)塊泥巖地層的抗壓強(qiáng)度并不高,但該區(qū)已鉆井的機(jī)械鉆速很低,分析認(rèn)為,M區(qū)塊泥巖地層塑性很強(qiáng),先前已鉆的2口井鉆頭選型不夠合理(更多的考慮了提高鉆頭的研磨性,導(dǎo)致鉆頭吃入較差),并且井眼尺寸大,同時由于使用高密度鉆井液造成壓持效應(yīng)增強(qiáng),導(dǎo)致鉆頭重復(fù)破碎巖屑。為此,新鉆4口井主要采取了以下技術(shù)措施:

(1)采用小尺寸井眼。在保證鉆井作業(yè)安全的前提下,分別采用φ444.5 mm和φ311.2 mm井眼代替原φ660.4 mm和φ444.5 mm井眼,提高了機(jī)械鉆速。

(2)優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)。PDC鉆頭刀翼數(shù)量由6刀翼變成5刀翼、降低布齒密度、減小 PDC切削齒后傾角等,提高了鉆頭吃入地層能力。

(3)優(yōu)化鉆具組合。在保證控制井斜的前提下,減小下部扶正器與鉆頭之間的距離,以提高鉆壓。

(4)在保證鉆井作業(yè)安全的前提下,鉆井液密度采用下限值,減小了高密度鉆井液的壓持效應(yīng)。

通過采取以上技術(shù)措施,新鉆4口井的平均機(jī)械鉆速得到了明顯提高(表2)。

表2 緬甸M區(qū)塊新鉆4口井機(jī)械鉆速統(tǒng)計

2.4 高密度防氣竄固井技術(shù)的改進(jìn)

淺層低溫高壓固井是個世界性難題。實(shí)測數(shù)據(jù)表明,M區(qū)塊淺層具有低溫高壓特征(表3、圖4)。在總結(jié)RM 19-1-1、RM 19-3-1井固井技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在新鉆4口井的鉆井作業(yè)中對原固井方案進(jìn)行了改進(jìn)(表4),并采取了相關(guān)的技術(shù)措施成功地克服了這一難題,固井合格率達(dá)到了100%。

表3 緬甸M區(qū)塊STH3井實(shí)測井底溫度

表4 改進(jìn)后的固井方案與原方案的對比

防氣竄固井相關(guān)技術(shù)措施包括:

(1)提高頂替效率技術(shù)措施。①使用紊流型雙作用隔離液。②電測完后下鉆通井至井眼順暢。③固井前降低泥漿漏斗粘度、塑性粘度和屈服值。④固井前循環(huán)過程中上下活動套管2～3 m。⑤套管重疊段水泥漿附加保證重疊段有純水泥封固。⑥全程低速塞流頂替。

(2)防竄工藝技術(shù)措施。①體系中加入防氣竄劑 GAS-A,控制氣竄。②固井全過程保證壓穩(wěn)高壓氣層。固井前充分循環(huán)處理泥漿,將后效氣控制低于5%以下;固井全過程不注入低密度的液體,固井前置液和水泥漿高于泥漿密度10%左右;采用雙凝水泥漿,尾漿稠化時間為施工時間+30 min;固井全過程避免停頓,保證施工的連續(xù)性。

3 實(shí)施效果

采用以上措施,于2009年在M區(qū)塊安全、順利地完成了 STH1(井深849 m)、STH2(井深 887 m)、STH4(井深 1201 m)、STH3(井深1027 m) 等4 口井的鉆井作業(yè)和地層評價工作,4口井實(shí)際鉆井周期共計79.6 d,比設(shè)計時間提前5.4 d,各項鉆井指標(biāo)(包括井身質(zhì)量、井斜、固井質(zhì)量等)均達(dá)到了設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

合理的井身結(jié)構(gòu)、高密度分散性鉆井液性能優(yōu)化和高密度防氣竄固井技術(shù)的改進(jìn)是保證緬甸M區(qū)塊上部復(fù)雜地層鉆井成功的關(guān)鍵,通過采用小尺寸井眼、優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)與鉆具組合以及高密度鉆井液采用密度下限值等措施可以提高塑性地層的機(jī)械鉆速。