深水鉆井表層套管下深優(yōu)化技術可行性分析

郝希寧， 孫麗麗， 殷志明， 王 宇

[1.中海油研究總院，北京 100028；2.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083]

深水鉆井表層套管下深優(yōu)化技術可行性分析

郝希寧1， 孫麗麗2， 殷志明1， 王 宇1

[1.中海油研究總院，北京 100028；2.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083]

深水表層套管的下入深度決定了套管鞋的承壓能力和下一井段鉆井作業(yè)的安全密度窗口，直接影響井身結構和套管層次。針對海外某深水區(qū)塊上部井段井壁穩(wěn)定性差、鉆井復雜情況頻發(fā)等問題，進行Pump & dump技術應用可行性分析，以增加表層無隔水管井段鉆井深度，優(yōu)化井身結構，降低作業(yè)工期和費用。通過水力學分析確定表層鉆井所需鉆井液體積等關鍵參數(shù)，并對鉆井工期和費用進行對比，探索該技術應用于現(xiàn)場的可行性，為深水鉆井降本增效提供新的思路和方法。研究表明，Pump & dump技術是增加表層鉆井深度、優(yōu)化井身結構切實可行的方法之一，每口井可節(jié)約費用上千萬美元，建議在地層可鉆性較好、表層套管增加下深不超過300m的目標井中考慮使用。

深水鉆井；Pump & dump；深水表層；無隔水管鉆井；井身結構；降本增效

0 引 言

深水油氣田是全球油氣資源的重要開發(fā)領域，然而，深水鉆井作業(yè)投資大、風險高，如何降本增效是關鍵問題。深水鉆井一般包括表層無隔水管作業(yè)和下部有隔水管作業(yè)兩個階段。深水表層無隔水管鉆井作業(yè)，一般直接采用海水開路鉆進，通過稠漿清掃來輔助攜巖，保障井眼清潔。然而，隨著深水勘探開發(fā)領域的拓展，淺層遇到的難度和挑戰(zhàn)也越來越大，如淺層氣、淺層水流、大段鹽層等[1—2]。在巴西Santos盆地，存在大段鹽層，若采用海水鉆井易發(fā)生井眼擴大，且鹽層上部地層段穩(wěn)定性差。該區(qū)域鉆井時效低，復雜情況多，尤其是表層井段，經常發(fā)生卡鉆等復雜情況，甚至發(fā)生了多次井眼報廢事故，給鉆井作業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)[3]。

為應對更加復雜的地層條件，深水表層無隔水管工藝也需要有針對性的改進和完善。Pump & dump技術，是通過泵入密度更高、抑制性和濾失性更好的鉆井液來平衡地層壓力，保持井壁穩(wěn)定，增加表層套管下入深度，提高套管鞋承壓能力，有利于擴大下部井段的作業(yè)窗口，達到優(yōu)化井身結構、減少套管層次的目的[4—6]。對于復雜井，可增大產層套管尺寸，以滿足勘探開發(fā)的需要。在目前低油價時代，減少鉆井工期和降低作業(yè)成本更是至關重要。

Pump & dump技術在墨西哥灣已應用于很多深水井，主要用來應對淺層氣或者淺層水流。其中，限制Pump & dump技術的主要因素是較大的泥漿用量和后勤支持能力[3]。由于表層井眼尺寸大，井眼清潔所需排量大，開路循環(huán)鉆井所需鉆井液體積大，平臺可儲存和提供的加重鉆井液體積有限。另外，由于表層鉆井排量大，對平臺設備混漿能力要求較高，并且需要平臺人員的熟練操作及配合。鉆井液密度動態(tài)調節(jié)裝置是深水表層鉆井混漿的關鍵設備，目前，通過自主研發(fā)已實現(xiàn)了該設備的國產化，可滿足同時混合重漿、海水和添加劑三種流體的要求，最大排量達到 8.0m3/min，密度精度控制在0.02g/cm3以內，在自營深水鉆井中已替代了國外同類產品[7]。

本文基于深水鉆井降本增效的需要，針對海外深水表層無隔水管鉆井中遇到的復雜情況，開展Pump & dump技術應用可行性分析。通過水力參數(shù)計算分析，確定深水表層鉆井所需鉆井液體積和最大表層套管下入深度，并對方案優(yōu)化前后的工期和費用進行對比，從技術和經濟兩方面探討該技術在深水鉆井井身結構優(yōu)化和降本增效中的應用可行性。

1 深水表層套管下深優(yōu)化技術關鍵參數(shù)計算分析

1.1 理論最小排量計算

對于無隔水管鉆井，需要確定的最重要參數(shù)是鉆井液體積。鉆井液體積與排量密切相關，排量的確定需要根據(jù)保障井眼清潔所需的攜巖最小排量來選取。因此，首先需要根據(jù)環(huán)空中巖屑顆粒在鉆井液中的沉降速度來計算理論最小排量[8—9]，具體方法如下。

基于非牛頓流體固液兩相流理論，當巖屑顆粒在鉆井液中下沉力和阻力達到平衡時，得到沉降末速為

(1)

式中：vs為沉降末速，m/s；g為重力加速度；ds為巖屑直徑，mm；ρs為巖屑密度，kg/m3；ρf為鉆井液密度，kg/m3；Cd為阻力系數(shù)。

沉降末速的求取關鍵是確定阻力系數(shù)，其與巖屑大小、形狀，流體的密度、流變參數(shù)、流速、巖屑濃度等因素有關，目前沒有統(tǒng)一的計算模型?？紤]到經驗參數(shù)的適用范圍，需根據(jù)具體情況選取適合的方法。

以賓漢流體為例，得到顆粒雷諾數(shù)為

(2)

式中：Res為顆粒雷諾數(shù)；Dw為井眼直徑，m；Dp為鉆柱外徑，m；μ為鉆井液塑性黏度，mPa·s；τ0為鉆井液動切力，Pa。

當巖屑濃度較大時，需考慮巖屑濃度的影響，另外，還需考慮巖屑形狀的影響，通過巖屑濃度和巖屑形狀因子等對沉降末速進行修正[10—11]。

以28英寸(1英寸≈2.54cm)井眼為例。加重鉆井液參數(shù)為： 密度1.20g/cm3，塑性黏度20mPa·s，動切力10Pa，巖屑直徑5mm。計算得到最小排量為3.21m3/min，參照自營及海外深水實鉆數(shù)據(jù)，取泵排量為3.80m3/min。

1.2 鉆井液體積

對于深水表層無隔水管井段，上部地層仍使用海水開路鉆進，打稠漿清掃；進入下部不穩(wěn)定地層后，開始使用密度更高、抑制性更好的飽和鹽水。限制該技術應用最主要的因素是平臺可儲存和提供的飽和鹽水體積。

根據(jù)表層鉆井優(yōu)選出的排量、不穩(wěn)定井段長度以及平均機械鉆速，可以得到所需飽和鹽水用量為

V=QH/vd，

(3)

式中：Q為泵排量，m3/min；H為井深，m；vd為機械鉆速，m/h。

由于開路循環(huán)鹽水消耗量大，儲存高密度過飽和鹽水，待表層鉆井作業(yè)時再稀釋，有利于解決平臺儲存能力不足的矛盾。關于過飽和鹽水的稀釋，需要注意其不遵從理想流體按密度配比的關系，過飽和鹽水與海水混合稀釋時體積不守恒[12—13]，鹽離子會找到水分子間的空隙，即一桶過飽和鹽水和一桶海水混合后的體積并不是兩桶，不同密度下NaCl含量以及所需NaCl固體和海水如表1所示。

表1 不同密度下每立方米溶液中NaCl含量和所需海水體積Table 1 NaCl content and required seawater volume in each cubic meter at different densities

結合以往經驗，在1m3飽和鹽水中加入280kgNaCl固體形成過飽和鹽水，在作業(yè)過程中再進行稀釋，1m3過飽和鹽水與海水混合后可變成2m3飽和鹽水，大大緩解了平臺儲存及運輸?shù)拿堋τ邴}層上部井段，在影響井徑擴大不明顯的前提下，可考慮使用略欠飽和鹽水以提高機械鉆速。另外，考慮到鹽水的腐蝕作用等，為防止震擊器、馬達等井下工具發(fā)生點蝕，需要加入防腐劑等添加劑。

對于深水鉆井平臺等鉆井裝備，泥漿池容量一般在1000m3以上，再加上浮筒和守護船可儲存的體積，目標井理論所需飽和鹽水盡量不要超過2000m3，以免給平臺儲存和供應帶來太大挑戰(zhàn)。假設泵排量為3.8m3/min，機械鉆速為20m/h，需要鉆井液量為11.4m3/m，折算為過飽和鹽水可得到最大可鉆深度為350m。然而，地層可鉆性不能太差，需保障一定的機械鉆速，應用于現(xiàn)場時，需泵入飽和鹽水的不穩(wěn)定層段最好不超過300m，以確保后勤可提供足夠的鉆井液。

2 現(xiàn)場應用可行性分析

海外某深水油田初始設計采用四開井身結構，由于巨厚鹽層的影響，給鉆井作業(yè)帶來了很大的難度和挑戰(zhàn)，多次發(fā)生上部井眼報廢事故，后被迫增加一層套管，改為五開井身結構?？紤]到淺部地層承壓能力不足，在鹽層以上套管選型及校核中減少22英寸套管的下深，將22英寸套管下至鹽層頂部以上50～100m提前封固，在22英寸套管上懸掛18英寸尾管，下至鹽層頂部以下150～200m，以保障上部地層的安全鉆進，如表2所示。

表2 五開井身結構Table 2 Five phases well structure

由于深水鉆井日費高昂，300m左右的井段增加一層套管，會大大增加鉆井工期和費用，另外，18-1/8英寸×22英寸井段屬于非常規(guī)井眼鉆進，鉆井作業(yè)時效低，平均非生產時間占30%以上，因此，作業(yè)者希望通過技術手段進行井身結構優(yōu)化，保障該區(qū)塊鉆井作業(yè)安全、高效地完成。從已鉆鄰井的作業(yè)經驗可知，該區(qū)域存在因幾個位置的鹽層隆起而造成的斷層，鉆井過程中可能有頁巖/砂巖的崩塌，采用純海水可能無法對蒸發(fā)巖上面相對較長的鹽上段進行成功鉆進。若能通過泵入加重鉆井液來增加表層套管下深，可對該區(qū)塊鉆井作業(yè)的降本增效提供有力的支持。

以該區(qū)塊某目標井為例，其五開井身結構設計如圖1(a)所示，計劃提前將22英寸的套管坐封在3078m處，該位置在鹽層以上約50m，再通過18英寸尾管下至3564m，該位置位于鹽層中部，然后進行16英寸井段的鉆進，下入13-5/8英寸套管封固整個鹽層。

如采用泵入飽和鹽水增加表層套管下深，通過28英寸鉆頭開路循環(huán)鉆至鹽層頂部以下約150m，以提高22英寸套管鞋承壓能力及封固上部不穩(wěn)定層段，再下入防噴器和隔水管后，通過16英寸井段鉆至鹽層底部，下入13-5/8英寸套管封固整個鹽層，則可減少一層套管柱，如圖1(b)所示。

(a) 優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后圖1 井身結構方案對比Fig.1 Comparison of well structure

結合本文中實例井，假設需采用飽和鹽水鉆進的井段長度為234m，泵排量為3.8m3/min，機械鉆速為20m/h，計算得到所需鉆井液體積如表3所示，平臺儲存能力可滿足鉆井需要。

表3 需要鉆井液體積表

井身結構優(yōu)化后，鉆井作業(yè)可少下一層套管及固井、少起下一趟管柱，鉆井工期可減少15天左右，具體工期對比如表4所示。加之避免了低效的非常規(guī)井段作業(yè)，初步估算，每口井鉆井作業(yè)費用至少可節(jié)約一千萬美元。

表4 鉆井工期對比Table 4 Comparison of drilling duration

因此，本實例井可通過Pump & dump技術增加表層套管下深和優(yōu)化井身結構，達到減少鉆井工期和作業(yè)費用的目的，為深水鉆井作業(yè)降本增效提供一種新的思路和方法。

3 結 語

(1) 針對含有大段鹽巖的深水表層鉆井階段，通過泵入飽和鹽水開路循環(huán)鉆井，可增加表層套管下深，簡化井身結構，縮短鉆井工期，降低鉆井作業(yè)成本，為目前低油價環(huán)境下深水鉆井降本增效提供一種切實可行的技術手段。

(2) 平臺可儲存和提供的鉆井液體積是制約表層鉆井深度最重要的因素，通過過飽和鹽水稀釋等方法可緩解平臺存儲大量鉆井液的矛盾。建議該技術應用于表層套管延長下深不超過300m的目標井。

(3) 地層可鉆性、不穩(wěn)定地層長度等決定了表層鉆井周期和所需加重鉆井液體積，對于機械鉆速過低、不穩(wěn)定井段長度較大的井段不建議使用Pump & dump技術。

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FeasibilityAnalysisofSurfaceCasingDepthOptimizationinDeepwaterDrilling

The strength of casing shoe and the drilling window of next section depend on the depth of shallow casing running, which influences the wellbore structure and casing level. According to the features of formation in an oversea deepwater block, in order to increase the depth of shallow casing and simplify the wellbore structure, the weighted drilling fluid is used to replace sea water for pump & dump drilling. The pump & dump drilling program and critical parameters are analyzed, so as to provide a new idea and method for reducing cost and improving efficiency in deepwater drilling. As the study shows, pump & dump is a good technology to increase shallow casing depth and optimize wellbore structure, which can reduce about $10M for a deepwater well. It is suggested to apply this technology to the deepwater well of which the drillability is good and the increasing depth of shallow casing is no more than 300m.

deepwater drilling; pump & dump; deepwater shallow layer; riserless drilling; wellbore structure; cost-saving and efficiency-increasing

2017-01-17

國家科技重大專項(2016ZX05028-001)；第七代超深水鉆井平臺(船)創(chuàng)新專項

郝希寧(1983—)，男，工程師，主要從事深水鉆完井井筒流動及控制方面的研究。

TE52

A

2095-7297(2017)05-0271-05

HAO Xi-ning1， SUN Li-li2， YIN Zhi-ming1， WANG Yu1

(1.CNOOCResearchInsititute，Beijing100028,China； 2.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083,China)