渤海潛山油藏鉆井配套技術(shù)的研究與應(yīng)用

和鵬飛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

渤海潛山油藏鉆井配套技術(shù)的研究與應(yīng)用

和鵬飛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

在海上某油田潛山裂縫性油藏鉆井開發(fā)過程中，存在地層易漏失、可鉆性差、鉆具磨損嚴(yán)重、井眼軌跡控制困難等諸多挑戰(zhàn)。在深入分析已鉆探井資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合海上作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，以控壓鉆井技術(shù)配合水包油鉆井液體系，通過優(yōu)選先進(jìn)鉆井工具(鉆頭、EcoScope隨鉆測井工具、減阻器以及螺桿馬達(dá)等)、優(yōu)化鉆井參數(shù)等一系列措施，最終有力保證了潛山井軌跡控制，順利實(shí)現(xiàn)開發(fā)目的，成功避免復(fù)雜情況的發(fā)生。

海上油氣田；潛山油藏；鉆井；鉆具選擇；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

海上某油田是渤海海域遼東灣水域的主力油田之一，開發(fā)層系為太古界變質(zhì)巖潛山基巖和古近系沙二段砂巖。為了增加單井產(chǎn)量、提高采收率，潛山段多口井設(shè)計(jì)為水平井開發(fā)方式。但潛山地層普遍存在易漏失、巖石成分復(fù)雜、質(zhì)地堅(jiān)硬、可鉆性差等問題，開發(fā)初期出現(xiàn)井漏嚴(yán)重、造斜困難等復(fù)雜情況[1-5]。針對以上情況，對作業(yè)難度進(jìn)行了系統(tǒng)分析，采取了優(yōu)選鉆具提升適應(yīng)性、改進(jìn)關(guān)鍵工藝等一系列的舉措，形成一套切實(shí)可行的技術(shù)手段，成功解決該區(qū)域潛山油藏的開發(fā)問題。

1 鉆井作業(yè)難點(diǎn)分析

首先，儲層裂縫發(fā)育，潛山易漏。整個(gè)油田地層自上而下可劃分為第四系平原組(Qp)、上第三系明化鎮(zhèn)組(Nm)和館陶組(Ng)、下第三系東營組(Ed)、沙河街組(Es)及太古界，其中沙河街組二段及太古界為本油氣田的主要含油氣層系。太古界潛山地層儲層具有孔(洞)縫并存、非均質(zhì)程度較高的雙重介質(zhì)特點(diǎn)，承壓能力弱。初期鉆井作業(yè)采用常規(guī)過平衡鉆井工藝，鉆井液漏失嚴(yán)重且堵漏困難，如表1所示。該油田潛山段山頂海拔約為-1720m，孔隙度變化范圍為1.0%～11.7%，平均6.9%；滲透率變化范圍為0.07～351.0mD，多小于10mD。

表1 海上某油田嚴(yán)重漏失情況統(tǒng)計(jì)表

其次，地層質(zhì)地堅(jiān)硬，機(jī)械鉆速低，工具易損壞。本區(qū)潛山段巖性成分主要由二長片麻巖、斜長片麻巖、變質(zhì)花崗巖基體與花崗巖侵入體兩部分組成，如圖1所示。地層堅(jiān)硬、研磨性高、可鉆性差，以探井?dāng)?shù)據(jù)為例平均進(jìn)尺1～5m/h，同時(shí)堅(jiān)硬的地層與長時(shí)間鉆進(jìn)導(dǎo)致造斜工具支撐部位過早磨損、工具造斜失效。圖2所示為某探井出井牙輪鉆頭情況，可以看出磨損嚴(yán)重。

圖1 海上某油田某井巖屑樣品Fig.1 Cuttings of buried hill

圖2 某井潛山段出井鉆頭Fig.2 Bit out of the hole

此外，地層非均質(zhì)化，軌跡控制造斜難度大。該油田潛山井多以水平井為主，完鉆井斜在85°以上，同時(shí)要求命中雙靶。但潛山井入山時(shí)的中完井斜普遍只有50°～60°，潛山段鉆進(jìn)要保證數(shù)百米進(jìn)尺的同時(shí)，還有達(dá)到造斜和中靶精度要求，由此可見潛山軌跡要求難度大。并且由于地層可鉆性差，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等先進(jìn)設(shè)備不適合本區(qū)快速鉆進(jìn)，只能使用常規(guī)馬達(dá)鉆具滑動(dòng)造斜，如此導(dǎo)致一方面摩阻大鉆壓施加困難，另一方面沒有近鉆頭實(shí)時(shí)連續(xù)井斜數(shù)據(jù)，通過隨鉆測量(MWD)儀器測得的井斜數(shù)據(jù)，其測點(diǎn)到鉆頭的距離在20m以上，不利于井眼軌跡的控制。

2 海上潛山油藏鉆井關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 控壓鉆井配套技術(shù)

對于潛山油藏來說，儲層保護(hù)是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的首要前提，因此欠平衡或者微欠平衡鉆井是潛山油藏的首選鉆井方式。但海洋鉆井不同于陸地鉆井，特別是作業(yè)場地極其有限，不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；蛘叽罅吭O(shè)備的擺放和聯(lián)合作業(yè)的大規(guī)模開展。而與欠平衡鉆井技術(shù)相比，壓力控制鉆井(或稱控壓鉆井)不能實(shí)現(xiàn)鉆井全過程的欠平衡狀態(tài)，鉆井結(jié)束后對鉆井液適當(dāng)加重后起鉆。該技術(shù)可很好地適應(yīng)海上場地小設(shè)備擺放困難、環(huán)保壓力大等不利的作業(yè)條件，它繼承了欠平衡鉆井技術(shù)的大部分優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有自身的技術(shù)優(yōu)勢： 有利于發(fā)現(xiàn)油氣層、保護(hù)儲層，提高油氣產(chǎn)量，與常規(guī)鉆井相比可提高產(chǎn)能2～10倍，最高可達(dá)幾十倍。它有利于提高機(jī)械鉆速，提高作業(yè)效率，節(jié)約鉆完井成本。采用低密度鉆井液，對于低壓易漏失儲層，具有非常好的防漏效果。對于特殊的海洋環(huán)境、特殊的海上鉆井平臺等作業(yè)條件要求嚴(yán)格的地區(qū)更便于組織實(shí)施，可順利實(shí)施海洋鉆井油層段“零排放”要求。可以通過控制排量實(shí)現(xiàn)近平衡條件下的安全鉆進(jìn)。完鉆后對鉆井液適當(dāng)加重，不需要井下套管閥或不壓井起下裝置，設(shè)備簡單[6-7]。

控壓鉆井技術(shù)在海上油田有過較多的應(yīng)用實(shí)踐，在渤海油田渤中28-1油田、渤中13-1油田以及錦州9-3油田均有控壓鉆井作業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)[8-9]。海上所用控壓鉆井設(shè)備主要包括旋轉(zhuǎn)控制頭和液氣分離器等地面處理設(shè)備。

旋轉(zhuǎn)控制頭主要技術(shù)參數(shù)如下。靜止工作壓力5000psi(1psi≈6.895kPa)；旋轉(zhuǎn)工作壓力2500psi；軸承總成通徑φ178mm；最大旋轉(zhuǎn)速度150r/min；底部連接符合美國石油學(xué)會(API)標(biāo)準(zhǔn)的13-5/8英寸×5M法蘭(1英寸≈2.54cm)，BX160鋼圈。其他輔助設(shè)備包括監(jiān)控箱、動(dòng)力站、備用膠芯(內(nèi)徑127mm)以及安裝、操作輔助設(shè)備等。地面處理設(shè)備包括： 液氣分離器1臺，處理量200m3/h；節(jié)流管匯1套；燃燒臂2套。

防噴器組合方式為： 旋轉(zhuǎn)控制頭+升高短節(jié)+環(huán)形防噴器+雙閘板防噴器(剪切閘板+φ127mm鉆桿閘板)+鉆井四通+閘板防噴器(φ127mm鉆桿閘板)。

2.2 水包油鉆井液

水包油鉆井液是一種低密度欠平衡水基鉆井流體，既保持了水基鉆井液的特點(diǎn)，又具備了油基鉆井液的特點(diǎn)，適合于井壁穩(wěn)定地層的欠平衡鉆井作業(yè)。水包油鉆井液是將一定量的油分散在淡水或不同礦化度的鹽水中，形成的一種以水為連續(xù)相、油為分散相的水包油乳狀液。它由水相、油相、乳化劑和其他處理劑組成，其中水相是水包油鉆井液的外相(分散介質(zhì))，油相為其內(nèi)相(分散相)，以高閃點(diǎn)、高燃點(diǎn)和高苯胺點(diǎn)的礦物油，如柴油、原油和白油為主。

在該油田潛山鉆井作業(yè)中，結(jié)合先前渤中28-2鉆井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對水包油鉆井液組分進(jìn)行了優(yōu)化?；九浞剑?海水/氣制油(或白油)70∶30+NaOH23kg/m3+PF-WOCOAT 10～15kg/m3+PF-WOEMUL 20～30kg/m3+PF-WOVIS 4～6kg/m3+PF-WODFL 10～15kg/m3。熱滾條件： 110 ℃×16h。為了保證水包油鉆井液在海上安全使用，室內(nèi)分別就其熱穩(wěn)定性、與原油的配伍性、抑制性、潤滑性、油層保護(hù)性進(jìn)行評價(jià)。

2.3 鉆井工具優(yōu)選

2.3.1EcoScope隨鉆測井工具

鑒于本區(qū)塊潛山地層可鉆性差，鉆具磨損情況嚴(yán)重，只能在使用常規(guī)馬達(dá)和牙輪鉆頭的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)選性能先進(jìn)、適應(yīng)性好的鉆具來盡量提高鉆具的整體能力。因此，項(xiàng)目首次引進(jìn)斯倫貝謝新型EcoScope隨鉆測井工具，以輔助解決井眼軌跡控制、控壓等問題，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測井下鉆具動(dòng)態(tài)。

EcoScope多功能隨鉆測井工具是斯倫貝謝公司2002年開始研發(fā)，并于2005年登陸中國市場的一款新型隨鉆測井儀器。它將全套地層評價(jià)、井眼軌跡確定和鉆井優(yōu)化測量組合在一根8～9m長的鉆鋌內(nèi)(近鉆頭使用)，在保留地層評價(jià)參數(shù)傳感器的基礎(chǔ)上，增加了多項(xiàng)井下工具狀態(tài)測量，除提供井斜、方位等數(shù)據(jù)外，還可以提供隨鉆環(huán)空壓力測量(ECD)、實(shí)時(shí)連續(xù)井斜、鉆具三軸震動(dòng)(STICK值)等數(shù)據(jù)，從而在錄取地層地質(zhì)資料的同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測井下工具的作業(yè)狀態(tài)。

圖3 EcoScope儀器
Fig.3 Photo of EcoScope

實(shí)際應(yīng)用表明，ECD值、STICK值以及近鉆頭井斜等參數(shù)對于提高對井眼軌跡的控制、及時(shí)調(diào)節(jié)鉆井參數(shù)，減少井下危險(xiǎn)情況發(fā)生、縮短鉆井周期、保護(hù)油氣層和降低鉆井成本等方面有十分顯著的效果。

2.3.2減阻器的使用

先期鉆井過程中出現(xiàn)過扭矩過大、鉆具損壞過快等情況。通過軟件對井下情況進(jìn)行模擬，鉆臺扭矩達(dá)到35kN·m左右，接近38kN·m的上扣扭矩，因此分析后使用減阻器(見圖4)，以降低扭矩，改善此種狀況。減阻器主要安放在第一造斜段，減少鉆具同套管內(nèi)壁的硬性摩擦，也可以改善受力及扭矩均很大的情況，所以此處安放能大幅降低鉆具受力情況，便于力的傳遞，減小扭矩，保護(hù)鉆具。

圖4 減阻器Fig.4 Drag reducer

2.3.3鉆頭的選擇

針對作業(yè)過程中出現(xiàn)的鉆具蹩跳較嚴(yán)重、鉆頭軸承密封失效快的情況，優(yōu)選Smith公司的GF20鉆頭。軸承壽命為35萬轉(zhuǎn)。折算可使用2.5～3天。

2.3.4螺桿鉆具的選擇

針對牙輪鉆頭的作用機(jī)理，認(rèn)為“對比其他主動(dòng)鉆井參數(shù)，高轉(zhuǎn)數(shù)對潛山地層鉆速無明顯影響”，從而放棄使用“5/6頭常規(guī)馬達(dá)”，改用“7/8頭低轉(zhuǎn)高扭馬達(dá)”[10-11]。通過低轉(zhuǎn)高扭螺桿馬達(dá)和優(yōu)選牙輪鉆頭的配合，降低了牙輪鉆頭的軸承轉(zhuǎn)速，變相延長了牙輪壽命，減少起下鉆次數(shù)，提高了機(jī)械效率。

3 技術(shù)成果應(yīng)用

在上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，又針對單項(xiàng)作業(yè)特點(diǎn)和單井作業(yè)情況制訂了更詳細(xì)的技術(shù)舉措。

以A21H井為例，該井為本區(qū)塊一口潛山水平井，采用三開次井身結(jié)構(gòu)，φ311.15mm段進(jìn)潛山即著陸，之后采用φ215.9mm井眼完成水平段。該井φ215.9mm井眼在垂深1791m(斜深2270m)左右和垂深1904m(斜深2604m)左右分別鉆遇斷距為50m和30m的斷層。實(shí)鉆過程中，鉆遇第一個(gè)斷層時(shí)發(fā)生微漏，通過上述技術(shù)的使用以及提前加入隨鉆封堵劑等材料，處理得當(dāng)，使循環(huán)池液面基本穩(wěn)定。后續(xù)實(shí)施的6口潛山井也均未發(fā)生漏失，如表2所示。

表2 海上某油田后續(xù)潛山井實(shí)施情況

3.1 潛山段鉆具組合

φ215.9mm牙輪鉆頭+φ171.45mm螺桿馬達(dá)(0.75°單彎角)+φ171.45mm浮閥接頭+φ203.2mm扶正器+φ171.45mm EcoScope+φ171.45mm MWD+φ171.45mm無磁鉆挺×2根+φ127mm加重鉆桿×12根+φ171.45mm隨鉆震擊器+φ127mm加重鉆桿×2根。

3.2 鉆井參數(shù)的選擇

結(jié)合鉆頭廠家6～18t的推薦鉆壓，鉆進(jìn)初始鉆壓在8t上下，待正常后逐步加壓至13t左右。開鉆前，通過軟件對鉆具井下受力進(jìn)行模擬，在高扭高阻的井段加放減阻器，改善鉆具受力、降低摩阻，同時(shí)保證鉆壓的有效傳遞。同時(shí)，使用EcoScope工具的STICK值實(shí)時(shí)了解鉆具井下三軸震動(dòng)狀態(tài)，依據(jù)情況及時(shí)做出反應(yīng)，避免工具不必要的損壞。

3.3 潛山段的軌跡控制

使用EcoScope工具，對泥漿排量比重、鉆井參數(shù)、滑動(dòng)位置進(jìn)行檢測，同時(shí)，在第一造斜段120～500m(即鉆具側(cè)向力最大處)使用減阻器減少鉆具磨損，改善受力狀況。

由于潛山地層堅(jiān)硬、趨勢明顯，一旦增斜形成，后續(xù)調(diào)整十分困難；所以對該地層來說，井軌跡控制的重點(diǎn)在于先期處理，將不良趨勢抑制在初始階段，可達(dá)到事半功倍的效果。EcoScope儀器帶有近鉆頭井斜方位傳感器，可先于MWD提供參考數(shù)值，便于數(shù)據(jù)分析和先期處理，為后續(xù)操作留下空間。

EcoScope近鉆頭傳感器距鉆頭位置14m；MWD傳感器距鉆頭23m，兩者相距9m，通過對這9m數(shù)據(jù)的分析，可看出地層趨勢，及早采取下一步措施。A21H井的三開設(shè)計(jì)狗腿度2.1°/30m，即每9m的變化率應(yīng)該在0.6°～0.8°，現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)是井斜增長控制在0.8°/9m以內(nèi)。對比分析數(shù)據(jù)如表3所示。

從2832m開始井斜呈現(xiàn)加速增長趨勢，并在2855m 附近達(dá)到0.8°/9m。鑒于此，在2858m處進(jìn)行了滑動(dòng)作業(yè)，工具面放在左150°～180°，將這一過快增長趨勢抑制住了。A21H井鉆進(jìn)過程中，密切關(guān)注井斜方位變化，經(jīng)數(shù)次滑動(dòng)，軌跡基本與設(shè)計(jì)吻合，達(dá)到了油藏目的。

3.4 控壓技術(shù)的實(shí)施

現(xiàn)場所用水包油鉆井液原漿密度為0.95g/cm3，經(jīng)由專業(yè)軟件進(jìn)行模擬不同排量下的循環(huán)當(dāng)量密度，得出表4數(shù)據(jù)。海上某油田的潛山壓力系數(shù)為0.98g/cm3，現(xiàn)場所需循環(huán)當(dāng)量密度越接近該值越好，對照表4可知，鉆進(jìn)時(shí)排量應(yīng)控制在1500～1750L/min為宜。同時(shí)，通過EcoScope工具對ECD值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。對起下鉆產(chǎn)生的壓力激動(dòng)或巖屑堆積濃度過大引起的壓力激動(dòng)起到提示作用，以及時(shí)對鉆井液密度及排量進(jìn)行調(diào)整，確保ECD控制在1.08g/cm3以下，從而達(dá)到避免井漏的目的。

表3 MWD和EcoScope測斜數(shù)據(jù)對比分析

表4 不同排量下的井底循環(huán)當(dāng)量密度

4 結(jié) 語

遼東灣太古界潛山油藏開發(fā)正在逐步成為渤海油田增產(chǎn)的主要目標(biāo)點(diǎn)。近幾年太古界潛山油藏開發(fā)技術(shù)也在不斷發(fā)展，盡管潛山地層存在地質(zhì)堅(jiān)硬、研磨性高等特點(diǎn)，但通過對軌跡的優(yōu)化、工具的選擇以及參數(shù)的使用可以解決上述情況帶來的問題，最終達(dá)到對井眼軌跡的良好控制，成功達(dá)到作業(yè)要求。以A21H井為例的太古界潛山水平井軌跡控制技術(shù)的成功實(shí)施，為后續(xù)潛山壓控鉆進(jìn)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為今后勘探和開發(fā)潛山裂縫性地層提供了新的開發(fā)思路。同時(shí)可知，控壓鉆井技術(shù)、水包油鉆井液技術(shù)、先進(jìn)鉆井工具優(yōu)選等技術(shù)的配套使用是海上某潛山油氣層的開發(fā)中的首要選擇，EcoScope等先進(jìn)工具的使用，可更好地控制井眼軌跡，了解井下動(dòng)態(tài)，與太古界潛山油藏的高效、安全開發(fā)形成了配套技術(shù)。

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ResearchandApplicationofDrillTechniqueinBohaiOilfieldBuriedHillReservoir

HE Peng-fei

(CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Tianjin300452,China)

Different problems such as presence of formation leakage, poor drillability, drilling tool wear, difficult well trajectory control exist in offshore oilfield buried hill reservoir drilling development process. To solve these problems, first of all, an in-depth analysis of the drilling, is made. Based on the analysis results, combined with the experience of offshore operations, several measures are applied, including managed pressure drilling (MPD), oil in water mud system, optimization of tools (especially bit, EcoScope, drag reducer and screw motor) and parameters optimization. With the application of these measures, trajectory control is achieved for all buried hill wells, the reservoir development purpose is attained, and no drilling accident happens. The use of these technologies forms a series of supporting solutions to the development of offshore oil field in buried hill wells.

offshore oil and gas field; buried hill reservoir; drilling; tools selection; parameter optimization

TE53

A

2095-7297(2017)01-0019-06

2017-01-06

和鵬飛(1987—)，男，工程師，主要從事海上鉆完井監(jiān)督技術(shù)工作。