土耳其高溫地?zé)徙@井關(guān)鍵技術(shù)

曹繼飛， 趙洪山， 余廣興， 劉 峰， 甘贈(zèng)國(guó)

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017； 2.中石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井公司，山東 東營(yíng) 257100)

0 引言

地?zé)豳Y源是指能夠被有效經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)和利用的地?zé)崮?、地?zé)崃黧w及其有用組分，屬于清潔的可再生能源，具有分布廣、可直接利用的特點(diǎn)。我國(guó)是世界上地?zé)豳Y源儲(chǔ)量較大的國(guó)家之一，在低碳經(jīng)濟(jì)和石油資源日益緊張的壓力下，世界各個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)地?zé)豳Y源的力度不斷加大；我國(guó)高溫地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用程度相對(duì)較低，國(guó)家“十三五”規(guī)劃要求加快高溫地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，積極開(kāi)展高溫地?zé)岚l(fā)電應(yīng)用，提高地?zé)豳Y源消費(fèi)比重，形成相關(guān)技術(shù)序列、條件成熟進(jìn)行推廣應(yīng)用。

土耳其ECOLOG公司Geo2E地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目是中石化勝利石油工程公司承攬的首個(gè)高溫地?zé)徙@井大包項(xiàng)目，鉆井過(guò)程中面臨著諸多技術(shù)難題，目前已完成7口井的現(xiàn)場(chǎng)施工(一期4口，二期3口)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槲覈?guó)高溫地?zé)衢_(kāi)發(fā)鉆井施工提供有效借鑒。

1 土耳其高溫地?zé)岬刭|(zhì)概況

土耳其高溫地?zé)峋┕さ陌⒗x希爾區(qū)域位于地中海——喜馬拉雅地?zé)釒?，其熱?chǔ)層為中生界/古生界的變質(zhì)巖及灰?guī)r，熱儲(chǔ)類(lèi)型為水熱型，最高溫度為230 ℃。上部地層主要以新生界砂巖、礫巖為主，紅泥巖夾雜細(xì)沙巖、粉砂巖。該地區(qū)地質(zhì)分層如表1所示。

2 土耳其高溫地?zé)徙@井技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)鄰近區(qū)塊完鉆井資料及區(qū)域地質(zhì)資料分析，該地區(qū)高溫地?zé)峋@井過(guò)程中面臨著一系列技術(shù)難點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：

表1 土耳其高溫地?zé)岬貙鱼@遇情況

(1)目的層地層較老，巖石硬度大，抗壓強(qiáng)度高，研磨性強(qiáng)，使得單只鉆頭進(jìn)尺小，機(jī)械鉆速慢。鄰近區(qū)塊OB-61井基巖段地層鉆進(jìn)全部使用牙輪鉆頭為主，平均機(jī)械鉆速僅為2.5～3.5 m/h，使得鉆井周期較長(zhǎng)。

(2)地溫梯度大，根據(jù)鄰井實(shí)鉆地層溫度情況，待鉆區(qū)塊500 m處預(yù)計(jì)100 ℃，井底預(yù)計(jì)在200 ℃ 以上，這就給鉆井工具、鉆井液體系及地面裝備的選擇提出了較大的挑戰(zhàn)。

(3)目的層地層壓力低，發(fā)育有裂縫、溶洞，局部含有CO2、H2S，鉆進(jìn)過(guò)程中極易發(fā)生上噴下漏的問(wèn)題，鄰近區(qū)塊基巖地層鉆進(jìn)發(fā)生多次失返性惡性漏失。

(4)斷層發(fā)育明顯，地層傾角大，基巖井段井斜難以控制，直接影響鉆井質(zhì)量和效率。

(5)考慮高溫環(huán)境及建成井的壽命要求，高溫、易漏及腐蝕介質(zhì)多等問(wèn)題對(duì)鉆井液性能、固完井質(zhì)量要求高。

3 土耳其高溫地?zé)徙@井關(guān)鍵技術(shù)

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證安全、快速鉆進(jìn)的前提，在充分借鑒相似區(qū)塊完鉆井施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定了區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則：(1)采用四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，表層套管下至250 m處，二開(kāi)采用13in(1 in=25.4 mm)套管封固上部常溫地層,下至中新統(tǒng)中上部；(2)三開(kāi)9in套管封固漏層、裂縫發(fā)育帶；(3)四開(kāi)基巖井段定深完鉆，若進(jìn)入熱儲(chǔ)層發(fā)生失返性惡性漏失，強(qiáng)鉆50 m后完鉆。表2為該區(qū)塊某井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。

3.2 高溫地?zé)徙@井提速技術(shù)

3.2.1 優(yōu)選鉆頭類(lèi)型，提高全井機(jī)械鉆速

土耳其高溫地?zé)釁^(qū)塊上部沉積巖地層以砂巖、礫巖為主，下步基巖井段以灰?guī)r、變質(zhì)巖為主，鉆頭類(lèi)型的優(yōu)選較為困難。針對(duì)區(qū)塊地層巖石特性，優(yōu)選鉆頭類(lèi)型，在上部井段選用PDC鉆頭提高單只鉆頭機(jī)械鉆速和進(jìn)尺，基巖井段根據(jù)地層溫度情況優(yōu)選抗溫能力強(qiáng)、牙齒保徑和掌背加強(qiáng)的牙輪鉆頭，同時(shí)對(duì)比分析不同廠(chǎng)家牙輪鉆頭的經(jīng)濟(jì)效果，提高基巖井段鉆進(jìn)的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)高溫地?zé)峋母咝А⒔?jīng)濟(jì)鉆進(jìn)。以K4井為例，如表3所示，在1500～2109 m井段選用PDC鉆頭，單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)到609 m，下部基巖井段采用抗高溫牙輪鉆頭，平均機(jī)械鉆速達(dá)3.5 m/h。

表2 土耳其高溫地?zé)峋斫Y(jié)構(gòu)

表3 K4井鉆頭使用情況

3.2.2 優(yōu)化鉆具組合，防斜與提速并舉

高溫地?zé)釁^(qū)塊基巖地層裂縫、斷層發(fā)育，地層傾角大，地層自然造斜能力強(qiáng)，前期施工鉆進(jìn)過(guò)程中直井段井斜難以控制，下入螺桿糾斜且糾斜后井斜仍增長(zhǎng)過(guò)快。針對(duì)后續(xù)施工井地質(zhì)特征，細(xì)化層段鉆具組合，在砂泥巖與基巖結(jié)合位置使用塔式鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，進(jìn)入變質(zhì)巖層段，采用雙扶、三扶鉆具組合，起到較好的防斜效果。同時(shí)針對(duì)部分層段傾角較大的問(wèn)題，在地層溫度較低層段提前下入小角度螺桿(不帶扶正器)，將井斜控制在合理范圍，然后下入滿(mǎn)眼鉆具組合配合水力加壓器來(lái)控制井斜的增長(zhǎng)，達(dá)到防斜與提速并舉。以K3井為例，通過(guò)使用優(yōu)化后的鉆具組合，在1700～2500 m易斜井段將井斜控制在3°以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足了甲方設(shè)計(jì)要求。

3.3 抗高溫鉆井液技術(shù)

高溫地?zé)峋畬?duì)鉆井液體系性能要求較為嚴(yán)格，施工區(qū)塊上部地層為砂泥巖，易水化分散，同時(shí)壓力系數(shù)低，容易發(fā)生漏失，攜帶困難等，選用抑制性聚合物鉆井液體系，以解決軟泥巖分散導(dǎo)致的鉆井液流型差、固相含量難以控制等難題，同時(shí)減少了因流型調(diào)整產(chǎn)生的鉆井液排放量，降低環(huán)保壓力。

針對(duì)下部基巖地層地層壓力系數(shù)低、高溫、易漏等問(wèn)題，優(yōu)選了抗高溫低固相聚合物鉆井液體系。該體系具有低密度、低粘度、低切力、低濾失、耐溫能力強(qiáng)等特點(diǎn)，選用的抗高溫的處理劑可以在長(zhǎng)時(shí)間高溫下不會(huì)降解失效。施工前，在套管內(nèi)利用配置好的抗高溫聚合物膠液，一次性將鉆井液的MBT降至20 g/L左右，密度降至1.08 g/cm3、粘度40 s、切力降至2～7 Pa、濾失量6 mL、pH值保持在9.5以上。調(diào)整好鉆井液性能后開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)補(bǔ)充配置好的抗高溫聚合物膠液，并利用三級(jí)固控設(shè)備清除鉆井液中的有害固相，保持鉆井液的低固相。同時(shí)自主設(shè)計(jì)了鉆井液冷卻裝置，采取多種措施保證鉆井液出口溫度在合理范圍內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該體系性能穩(wěn)定，具有強(qiáng)抑制性、良好的流變性和潤(rùn)滑性能、性能穩(wěn)定周期長(zhǎng)、維護(hù)工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，滿(mǎn)足了該地區(qū)高溫地?zé)崾┕ぜ夹g(shù)要求。

3.4 抗高溫安全鉆井技術(shù)

土耳其高溫地?zé)峋@井施工過(guò)程中存在一系列風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為：上部大井眼憋跳鉆嚴(yán)重，對(duì)鉆具及鉆頭損害較大，容易造成斷鉆具、卡鉆等復(fù)雜情況；全井段都有井漏風(fēng)險(xiǎn)，特別是熱儲(chǔ)層有可能發(fā)生只進(jìn)不出的漏失，存在沉砂卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)；熱儲(chǔ)層溫度高，易產(chǎn)生閃蒸或停待時(shí)間長(zhǎng)發(fā)生蒸汽井噴，可能會(huì)發(fā)生CO2等酸性氣體氣侵，并且鉆井液因溫度高流變穩(wěn)定性變差。

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，從工程風(fēng)險(xiǎn)控制、井漏風(fēng)險(xiǎn)控制、井控及鉆具風(fēng)險(xiǎn)控制三方面著手，總結(jié)形成了適合該地區(qū)的高溫地?zé)岚踩@井技術(shù)。

3.4.1 工程風(fēng)險(xiǎn)控制

上部大尺寸井眼鉆進(jìn)加裝減震器，減少憋跳鉆等現(xiàn)象；三開(kāi)及四開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)使用滾輪扶正器，簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)，降低扭矩以減少斷鉆具情況的發(fā)生。鉆頭使用方面嚴(yán)格遵循施工方案，在目的層鉆進(jìn)時(shí)選用抗溫性能好、強(qiáng)耐磨的牙輪鉆頭，保證井下安全。

3.4.2 井漏風(fēng)險(xiǎn)控制

針對(duì)可能發(fā)生的井漏風(fēng)險(xiǎn)，非熱儲(chǔ)層以橋漿堵漏為主，水泥堵漏為輔；熱儲(chǔ)層發(fā)生井漏，以補(bǔ)充清水聚合物為主，堅(jiān)持鉆進(jìn)，上提下放鉆具觀(guān)察沉砂情況，如有放不到底或摩阻扭矩增大情況發(fā)生，則及時(shí)停鉆、泵入高粘聚合物鉆井液清掃井底、保證井下安全。

固井過(guò)程若發(fā)生失返，先注一定數(shù)量尾漿，保證套管鞋處固井質(zhì)量，再?gòu)沫h(huán)空注清水頂替漏層以上水泥漿進(jìn)漏層，保證通道暢通，待漏層下水泥漿稠化后，再?gòu)沫h(huán)空注足量的低密度水泥漿，保證水泥返高滿(mǎn)足要求。

3.4.3 井控及鉆具風(fēng)險(xiǎn)控制

高溫地?zé)峋@進(jìn)過(guò)程熱儲(chǔ)層易發(fā)生井漏、井涌并誘發(fā)出井噴。鉆進(jìn)過(guò)程中隨鉆監(jiān)測(cè)和一次井控工作至關(guān)重要，需密切關(guān)注鉆井液進(jìn)出口溫度與密度變化、液面及返出流量變化、懸重、鉆速及砂樣狀況等。同時(shí)為防止井口滲漏蒸汽傷人，安裝易于開(kāi)關(guān)的井口設(shè)備，控制裝置置于地面以上，做到遠(yuǎn)程控制。準(zhǔn)備10倍于井內(nèi)最大容積的冷水，必要時(shí)采用“冷水控噴”。

鉆具安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要包括：(1)制定好軌跡控制措施，保證井眼“狗腿度”盡可能??；(2)起下鉆對(duì)易疲勞井段鉆具進(jìn)行倒換，減少長(zhǎng)期疲勞損傷情況；(3)計(jì)算鉆具震動(dòng)區(qū)間，加裝合適的減震器、穩(wěn)定器以保護(hù)鉆具。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

目前土耳其高溫地?zé)徙@井大包項(xiàng)目已完成7口井的鉆井施工，高溫地?zé)徙@井提速、抗高溫鉆井液及安全鉆井技術(shù)的應(yīng)用起到了很好的效果，從表4中可以看出，2800 m左右施工井鉆井周期較項(xiàng)目初期減少5～10 d，且施工井全部實(shí)現(xiàn)盈利，施工經(jīng)驗(yàn)的積累和鉆井關(guān)鍵技術(shù)的成熟應(yīng)用能夠?yàn)槎陧?xiàng)目后續(xù)施工井的高效進(jìn)行提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

表4 土耳其高溫地?zé)峋?jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)總結(jié)

5 結(jié)論及建議

(1)高溫地?zé)徙@井關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用為土耳其高溫地?zé)岣咝с@井提供了技術(shù)保障，但仍存在基巖井段機(jī)械鉆速慢的問(wèn)題，下步將吸取石油鉆井硬地層提速經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水力加壓器、扭沖工具等提速工具的推廣，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

(2)鉆頭類(lèi)型的優(yōu)選是基巖地層高效提速的關(guān)鍵，下步將根據(jù)該地層特性進(jìn)行耐磨混合鉆頭的研發(fā)及優(yōu)化，提高基巖地層的鉆井速度。

(3)卡鉆、井漏及井控風(fēng)險(xiǎn)的控制對(duì)高溫地?zé)岚踩@進(jìn)至關(guān)重要，建議制定相應(yīng)的高溫地?zé)岚踩@進(jìn)技術(shù)規(guī)范，進(jìn)一步提高高溫地?zé)徙@井過(guò)程的安全性。