鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)踐效果

李炎軍 吳 江 黃 熠 羅 鳴

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)踐效果

李炎軍 吳 江 黃 熠 羅 鳴

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

李炎軍,吳江,黃熠，等.鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)踐效果[J].中國(guó)海上油氣，2015,27(4)：102-106.

Li Yanjun,Wu Jiang,Huang Yi,et al.Key technology and application of HTHP drilling in mid-deep formations in Yinggehai basin[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(4):102-106.

針對(duì)鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井過(guò)程中存在的地層壓力預(yù)測(cè)精度低、井身結(jié)構(gòu)要求高、高壓井段泥餅質(zhì)量差、粘塑性地層可鉆性差等難題，通過(guò)多機(jī)制復(fù)合計(jì)算方法預(yù)測(cè)地層壓力、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、套管選材、機(jī)械鉆速提高、鉆井液優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了一套適用于該地區(qū)中深層高溫高壓鉆井技術(shù)體系，已在該地區(qū)中深層19口高溫高壓井的鉆井作業(yè)中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鉆井作業(yè)時(shí)效高、事故率低、費(fèi)用控制合理的目標(biāo)。目前這一技術(shù)體系已推廣到瓊東南盆地高溫高壓鉆井作業(yè)中，可為今后類似地區(qū)高溫高壓井的鉆井作業(yè)提供借鑒。

鶯歌海盆地；中深層；高溫高壓；地層壓力預(yù)測(cè)；井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化；套管選材；機(jī)械鉆速提高；鉆井液優(yōu)化

鶯歌海盆地中深層具有溫度高(150℃)、壓力高(地層孔隙壓力68.95 MPa)和安全壓力窗口窄(孔隙壓力和破裂壓力安全窗口壓力系數(shù)僅0.3)的特點(diǎn)，加之海上作業(yè)環(huán)境的限制，給鉆井作業(yè)帶來(lái)很大挑戰(zhàn)[1]。研究表明，高溫高壓鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素較多[2-6]，采取單一措施很難滿足高溫高壓鉆井作業(yè)要求。例如，高溫高壓地層因安全壓力窗口窄，迫使采用非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)[7-10]；高密度鉆井液性能調(diào)控難，高溫易使鉆井液處理劑裂解，造成體系性能惡化[11-12]；高密度水泥漿注水泥期間易發(fā)生井漏、插旗桿等復(fù)雜情況，同時(shí)因泥餅清除困難，影響固井膠結(jié)質(zhì)量[13-16]。

近年來(lái)，針對(duì)鶯歌海盆地中深層的地質(zhì)特征，中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司先后在地層壓力預(yù)測(cè)、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、套管選材、鉆井提速、固井及鉆井液等方面進(jìn)行了—系列技術(shù)攻關(guān)研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐和優(yōu)化，逐步摸索形成了一套適應(yīng)于該地區(qū)高溫高壓地層特點(diǎn)的新的鉆井技術(shù)體系，并在該地區(qū)中深層19口高溫高壓井鉆井作業(yè)中取得成功應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)高溫高壓探井鉆井作業(yè)時(shí)效高、事故率低、費(fèi)用控制合理的目標(biāo)。本文是對(duì)鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐的總結(jié)，旨在為今后海上類似高溫高壓井鉆井作業(yè)提供借鑒。

1 中深層高溫高壓鉆井面臨的難題

鶯歌海盆地中深層構(gòu)造特征受泥底辟活動(dòng)影響，黃流組二段為主要目的層(以灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，夾灰色泥巖)，井底最高溫度在150℃左右，最大地層壓力系數(shù)達(dá)2.0，高溫高壓帶來(lái)的鉆井難題主要表現(xiàn)在以下方面：

1) 鶯歌海盆地地處區(qū)域性活動(dòng)斷裂交匯處，地應(yīng)力各向異性強(qiáng)，傳統(tǒng)的壓力預(yù)測(cè)方法由于對(duì)壓力機(jī)制認(rèn)識(shí)不清，僅根據(jù)地球物理資料對(duì)單點(diǎn)地層壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)的精度差，使鉆井設(shè)計(jì)與地層實(shí)際情況匹配性不好，易造成鉆井液密度設(shè)計(jì)不合理而發(fā)生井涌、井漏等復(fù)雜情況，導(dǎo)致被迫下套管或增加非常規(guī)套管結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響鉆井工程安全和效率。

2) 鶯歌海盆地主要目的層段井底壓力高(最大地層壓力系數(shù)達(dá)2.0)、壓力窗口窄(孔隙壓力和破裂壓力安全窗口壓力系數(shù)僅0.3)，對(duì)鉆井井身結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，在鉆開(kāi)高壓地層之前要求上部技術(shù)套管具有足夠的承壓能力，同時(shí)鉆井過(guò)程中要嚴(yán)格控制當(dāng)量循環(huán)密度以免壓漏地層。

3) 鶯歌海組二段到黃流組上部的泥巖段易水化，易造成井眼水化膨脹、巖屑成團(tuán)、成球，從而發(fā)生起鉆困難等復(fù)雜情況。同時(shí)，高壓目的層井段鉆井液密度高，固相含量高，泥餅虛厚，易造成儲(chǔ)層污染而影響油氣發(fā)現(xiàn)。

4) 高溫高壓井段鉆進(jìn)時(shí)，高密度鉆井液引起的壓持效應(yīng)以及地層隨著溫度壓力升高使粘塑性增強(qiáng)，容易導(dǎo)致機(jī)械鉆速低、時(shí)效低。

2 高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)踐效果

2.1 多機(jī)制復(fù)合計(jì)算方法預(yù)測(cè)地層壓力

針對(duì)單純欠壓實(shí)機(jī)制計(jì)算方法預(yù)測(cè)的地層壓力精度低的問(wèn)題，通過(guò)多舉措逐漸摸索形成了多機(jī)制復(fù)合計(jì)算方法預(yù)測(cè)超壓成因地層壓力，即：根據(jù)微電阻率井周成像資料分析鉆井誘導(dǎo)縫或井壁崩落現(xiàn)象，得到地層各主應(yīng)力方向；依據(jù)高精度的鉆井地質(zhì)模型，對(duì)變形介質(zhì)進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度賦值和應(yīng)力模擬，構(gòu)建三維構(gòu)造應(yīng)力；基于三維鉆井地質(zhì)體和構(gòu)造應(yīng)力體，形成靶區(qū)三維地層壓力體，輸出一維或二維地層壓力剖面，指導(dǎo)鉆前鉆井設(shè)計(jì)；通過(guò)鉆井地質(zhì)建模和構(gòu)造應(yīng)力建模，獲取它源超壓參數(shù)。對(duì)比表明，多機(jī)制復(fù)合計(jì)算方法解決了只考慮欠壓實(shí)作用地層壓力預(yù)測(cè)精度不高的問(wèn)題，地層壓力預(yù)測(cè)相對(duì)誤差在5%以內(nèi)(表1)，為合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

表1 多機(jī)制復(fù)合計(jì)算方法與單純欠壓實(shí)計(jì)算方法預(yù)測(cè)地層壓力精度對(duì)比

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3 套管選材

高溫高壓鉆井套管選材要以避免環(huán)空帶壓、保證井筒完整性為原則，考慮到高溫高壓的影響，強(qiáng)度校核安全系數(shù)較常規(guī)井要求高[3]。高溫工況下鋼材會(huì)發(fā)生強(qiáng)度衰退，且不同鋼種、磅級(jí)的材料強(qiáng)度的降低梯度差別較大，須根據(jù)儲(chǔ)層溫度對(duì)應(yīng)的材料彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度重新計(jì)算套管強(qiáng)度和安全系數(shù)，且安全系數(shù)值應(yīng)符合規(guī)定值。在套管強(qiáng)度滿足要求的前提下，盡可能選擇壁厚的套管，有利于套管磨損后剩余強(qiáng)度的保證。

對(duì)于高溫氣井工況，螺紋選擇尤為關(guān)鍵，應(yīng)考慮接頭的抗溫密封性能及連接強(qiáng)度，其中尾管及上層技術(shù)套管通常選擇氣密性螺紋，生產(chǎn)套管螺紋要求抗拉、抗壓、抗擠等連接強(qiáng)度達(dá)到管體的100%。

此外，套管選材還要考慮儲(chǔ)層的腐蝕環(huán)境。鶯歌海盆地中深層儲(chǔ)層高含CO2(CO2分壓值平均高達(dá)8.76 MPa),對(duì)于碳含量高的鋼材易造成點(diǎn)蝕，因此生產(chǎn)套管尾管段宜采用碳含量低的超級(jí)13Cr及改良型13Cr材質(zhì)，回接部分可以采用普通13Cr材質(zhì)。

2.4 機(jī)械鉆速提高

高密度鉆井液體系易造成壓持效應(yīng)，導(dǎo)致重復(fù)切屑，降低鉆頭切屑效率[4-5]。同時(shí)，高密度鉆井液造成的液柱壓力增大(黃流組地層液柱壓力最高達(dá)64 MPa)，會(huì)導(dǎo)致巖石塑性強(qiáng)度增大。通過(guò)系統(tǒng)分析鶯歌海盆地高溫高壓氣田難鉆地層的分布規(guī)律及巖性特征，研發(fā)出了適合高溫高壓條件下的提高機(jī)械鉆速的新型PDC鉆頭(圖1)。新型PDC鉆頭切屑齒強(qiáng)度高、切屑齒大，采用4刀翼分布，并且鉆頭出刃度高、布齒密度低，配套使用水力脈沖空化射流提速技術(shù)，使機(jī)械鉆速得以明顯改善(圖2)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年鶯歌海盆地中深層所鉆22口探井的高溫高壓井段平均機(jī)械鉆速由2.12 m/h提高到了5.32 m/h，提高幅度非常明顯。

2.5 鉆井液優(yōu)化

油基鉆井液在高溫高壓井鉆井過(guò)程中穩(wěn)定性較好，但維護(hù)費(fèi)用高、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)大，限制了其在海上的使用。因此，鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井過(guò)程中優(yōu)選使用了水基改良型抗高溫鉀基聚磺鉆井液體系，該體系配方以抗高溫降失水劑和抗高溫穩(wěn)定性材料為主，抗高溫能力達(dá)180℃以上?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，針對(duì)鶯歌海組至黃流組灰色泥巖和灰色粉砂質(zhì)泥巖活性較高、水敏性極強(qiáng)、易粘結(jié)成團(tuán)的特點(diǎn)，優(yōu)選使用聚丙烯酰胺膠液及液體聚胺提高鉆井液抑制性，解決了鉆井期間井眼縮徑、起泥團(tuán)、鉆具泥包的問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)高密度鉆井液易出現(xiàn)虛厚泥餅的問(wèn)題，引入新型抗高溫穩(wěn)定劑來(lái)改善有機(jī)樹(shù)脂類加量，并選用有機(jī)鹽類降濾失劑，提高了泥餅質(zhì)量(圖3)。

圖1 適用于鶯歌海盆地中深層新型PDC鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型鉆頭應(yīng)用前后鶯歌海盆地高溫高壓井段機(jī)械鉆速對(duì)比

圖3 鶯歌海盆地高溫高壓井鉆井液優(yōu)化前后性能對(duì)比

2.6 壓穩(wěn)防竄固井

圖4 無(wú)膠乳和加入18%膠乳后水泥漿防竄能力對(duì)比

表2 DF13-1-5φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表

3 結(jié)束語(yǔ)

鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)先后在該地區(qū)19口高溫高壓井中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鉆井作業(yè)時(shí)效高、事故率低、費(fèi)用控制合理的目標(biāo)。目前這一技術(shù)體系已推廣到瓊東南盆地具有高溫高壓特征地層的鉆井作業(yè)中，取得了良好的應(yīng)用效果，可為類似地區(qū)高溫高壓井的鉆井作業(yè)提供借鑒。

[1] 張勇.南海鶯瓊地區(qū)高溫高壓鉆井技術(shù)的探索[J].天然氣工業(yè)，1999，19(1)：71-75. Zhang Yong.A study of the drilling techniques of high temperature and high pressure wells in Ying Qiong Region of South China Sea[J].Natural Gas Industry,1999，19(1)：71-75

[2] 鄒靈戰(zhàn)，葛云華，張軍,等.龍崗地區(qū)復(fù)雜壓力層系下非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油學(xué)報(bào)，2012，33(增刊2)：189-196. Zou Lingzhan,Ge Yunhua,Zhang Jun,et al.Design and application of unconventional casing program for complex pressure strata in Longgang area,Sichuan Basin[J].Acta Petrolei Sinica，2012，33(S2)：189-196

[3] 王斌，周小虎，李春福，等.鉆井完井高溫高壓H2S/CO2共存條件下套管、油管腐蝕研究[J].天然氣工業(yè)，2007，27(2)：67-69. Wang Bin,Zhou Xiaohu,Li Chunfu,et al.Study on corrosion behavior on casing and tubing and completion operations in HTHP H2S/CO2environment[J].Natural Gas Industry，2007，27(2)：67-69

[4] 郭元恒，張進(jìn)雙.元壩1-側(cè)1井超深井小井眼側(cè)鉆井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(6)：113-115. Guo Yuanheng,Zhang Jinshuang.Sidetrack technology of Well Yuanba1-C1 with ultra-deep slim hole[J].Petroleum Drilling Techniques,2010，38(6)：113-115

[5] 趙靖影，鄧金根，謝玉洪，等.通用地層研磨性預(yù)測(cè)模型的建立及應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2011,23(5)：329-334. Zhao Jingying,Deng Jingen,Xie Yuhong,et al.Establishment and application of a universal prediction model of formation abrasivity[J].China Offshore Oil and Gas,2011,23(5)：329-334

[6] 董星亮，曹式敬，唐海雄，等.海洋鉆井手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011. Dong Xingliang,Cao Shijing,Tang Haixiong,et al.Ocean drilling manual[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2011

[7] 吳志堅(jiān),沈忠厚,楊令瑞.高溫高壓下水平井鉆井中的氣體擴(kuò)散研究[J].天然氣工業(yè)，2006,26(11)：66-69. Wu Zhijian,Shen Zhonghou,Yang Lingrui.Reservoir on gas diffusion during in HPHT horizontal gas wells[J].Natural Gas Industry,2006,26(11)：66-69

[8] 姜偉.海上鉆具失效的力學(xué)特性分析及應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2012,24(3)：45-47. Jiang Wei.Analysis and application of mechanical behavior for offshore drilling tool failure[J].China Offshore Oil and Gas，2012,24(3)：45-47

[9] 張巖，向興金，鄢捷年，等.快速鉆井中泥球形成的影響因素與控制措施[J].中國(guó)海上油氣，2011,23(5)：335-339. Zhang Yan,Xiang Xingjin,Yan Jienian,et al.Influence factors and controlling measures on formation of gumbo balls during fast drilling[J].China Offshore Oil and Gas，2011,23(5)：335-339

[10] 邵詩(shī)軍，趙寶祥，羅鳴，等.半潛式鉆井平臺(tái)水下井口扶正技術(shù)及其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐[J].中國(guó)海上油氣，2011,23(4)：256-258. Shao Shijun,Zhao Baoxiang,Luo Ming,et al.The underwater wellhead centering technology and its application on the semi-submersible drilling platform[J].China Offshore Oil and Gas，2011,23(4)：256-258

[11] 梁文利，趙林.欠平衡鉆井無(wú)粘土相海水水包油鉆井液研究[J].中國(guó)海上油氣，2008,20(2)：121-123. Liang Wenli,Zhao Lin.Study of free clay phase oil in sea water drilling mud used in under balanced drilling[J].China Offshore Oil and Gas，2008,20(2)：121-123

[12] 邵明仁，張春陽(yáng)，陳建兵，等.PDC鉆頭厚層礫巖鉆進(jìn)技術(shù)探索與實(shí)踐[J].中國(guó)海上油氣，2008,20(1)：44-47. Shao Mingren,Zhang Chunyang,Chen Jianbing,et al.Customize PDC bit to drill through long conglomerate interval[J].China Offshore Oil and Gas，2008,20(1)：44-47

[13] 姜偉.海上鉆井隔水導(dǎo)管橫向振動(dòng)特性及其對(duì)鉆井作業(yè)的影響[J].中國(guó)海上油氣，2007,19(6)：394-397. Jiang Wei.Lateral vibration performance of drilling riser and its impact to drilling operation[J].China Offshore Oil and Gas，2007,19(6)：394-397

[14] 張威，謝彬，馮瑋，等.吃水對(duì)深水半潛式鉆井平臺(tái)系泊張力的影響分析[J].中國(guó)海上油氣，2011,23(6)：408-410. Zhang Wei,Xie Bin,Feng Wei,et al.Analysis on the influence of draft to the mooring force of a semi-submersible drilling platform[J].China Offshore Oil and Gas，2011，23(6)：408-410

[15] LAO K,BRUNO M S,SERAJIAN V.Analysis of salt creep and well casing damage in high pressure and high temperature environments[C].OTC 23654,2012

[16] VIDICK B,ACOCK A.Minimizing risks in high-temperature/high-pressure cementing:the quality assurance/quality control approach[C].SPE 23074,1991.

(編輯：孫豐成)

Key technology and application of HTHP drilling in mid-deep formations in Yinggehai basin

Li Yanjun Wu Jiang Huang Yi Luo Ming

(ZhanjiangBranchofCNOOCLtd.,Zhanjiang,Guangdong524057,China)

Aiming at the technical difficulties in the HTHP drilling operations in mid-deep formations of Yinggehai basin, such as the low accuracy in pressure prediction, high requirements on wellbore structure, poor mud cake quality along high pressure hole intervals, poor drillability of viscoplastic formations, compounded research in multiple-mechanism prediction of formation pressure, casing program optimization, casing material selection, ROP improvement and drilling fluid optimization was conducted, and an integrated system of drilling technology suitable for HTHP mid-deep formations was developed. It has been successfully applied for HTHP formations in 19 wells, with high drilling efficiency, low accident rate and reasonable cost control goals achieved. Currently, the technology system has been disseminated to HTHP formations in Qiongdongnan basin and provides a reference for HTHP drilling operations in other similar regions in the future.

Yinggehai basin; mid-deep formation; HTHP; formation pressure prediction; casing program optimization; material selection; ROP improvement; drilling fluid optimization

李炎軍，男，高級(jí)工程師，2003年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油鉆井管理工作。地址：廣東省湛江市坡頭區(qū)22號(hào)信箱(郵編：524057)。E-mail:liyanjun@cnooc.com.cn。

1673-1506(2015)04-0102-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2015.04.014

TE242

A

2014-11-25 改回日期：2015-05-04