渤中潛山高溫凝析氣藏鉆井關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

周長所 幸雪松 耿亞楠 何英明

(中海油研究總院有限責任公司， 北京 100028)

渤中凝析氣田是近年來在華北地區(qū)發(fā)現(xiàn)的一處大型海上氣田，其儲量規(guī)?？蛇_千億方。該氣田的發(fā)現(xiàn)，對建成渤海海上第一大氣田、保障華北地區(qū)天然氣能源供應(yīng)具有重大意義。研究目的層為太古界潛山層，其儲層埋深超過4 700 m，部分構(gòu)造儲層埋深超過5 000 m。埋深過大導(dǎo)致儲層流體溫度較高，在4 700 m垂深下，地層溫度超過了170 ℃。潛山儲層屬于裂縫型花崗片麻巖儲層，具有研磨性強、可鉆性極差的特點，且極易發(fā)生漏失。該氣田鉆井作業(yè)復(fù)雜情況頻發(fā)，嚴重制約了鉆井時效。為了減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生，提高各井段鉆井時效，確保鉆井作業(yè)安全，我們針對氣田鉆井作業(yè)面臨的主要難點展開了技術(shù)優(yōu)化研究。

1 鉆井作業(yè)難點分析

1.1 儲層埋深過大、溫度過高

潛山儲層的埋深超過了4 700 m，井底溫度高于170 ℃，最高可達210 ℃。儲層埋深過大，給鉆井軌跡與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)，過高的井底溫度也給鉆具、井下工具以及鉆井液和生產(chǎn)油套管的應(yīng)用帶來困難。當井下溫度高于150 ℃時，常用的造斜工具和隨鉆測量工具大多無法使用，選用的鉆井液也必須適應(yīng)更高井底溫度的要求才能使用。同時，過高的井底溫度會加劇套管、油管的強度熱衰減效應(yīng)，使井筒的完整性面臨挑戰(zhàn)。因井底溫度過高，所產(chǎn)生的熱傳遞效應(yīng)會使整個井筒產(chǎn)生巨大的熱膨脹應(yīng)力，對井口抬升帶來威脅。海上采氣作業(yè)中，與采氣樹連接的生產(chǎn)管線通常為剛性管線，因而一旦井口抬升，將會嚴重影響到生產(chǎn)安全。

1.2 儲層漏失頻繁，鉆井安全及儲層保護難度高

渤中區(qū)域潛山儲層屬于裂縫型儲層，物性較差，滲透率低，儲層傷害類型多樣。儲層本身基巖強度高，但微裂縫普遍發(fā)育。在實際鉆探過程中，儲層漏失現(xiàn)象頻繁發(fā)生，不僅對鉆井安全造成威脅，同時也給儲層帶來了污染，影響最終開發(fā)效果。

1.3 鉆遇地層復(fù)雜，鉆井提速難度大

渤中區(qū)域深部地層抗壓強度高，且研磨性極強。其中，潛山儲層的最高抗壓強度可超過276 MPa(約40 000 psi)，在中深部的沙河街和潛山機械鉆速僅1～4 mh。常規(guī)的提速工具難以在這種強度高、研磨性強的地層中發(fā)揮作用，給鉆井提效帶來很大壓力與挑戰(zhàn)。同時，鉆遇地層復(fù)雜，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象突出，館陶組與東營組地層井壁掉塊、失穩(wěn)現(xiàn)象突出，鉆井時效性差。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

初期開發(fā)的目的層埋深為4 300～4 900 m，地層自上而下分別為平原組、明化鎮(zhèn)、館陶組、東營組、沙河街、潛山層。鉆井過程中，在上部的明化鎮(zhèn)與館陶組地層常見阻卡、井壁掉塊等現(xiàn)象；在東營組上部常見阻卡現(xiàn)象，東營組下段地層壓力逐步上升，最高壓力系數(shù)達到1.52。東營組和沙河街的巖層以泥巖為主，地層壓力系數(shù)在進入儲層后恢復(fù)到1.15左右。潛山層以花崗片麻巖為主。

為了進一步實現(xiàn)氣藏的高效開發(fā)，需采用水平井及大斜度定向井開發(fā)方式。根據(jù)儲層深度和地層特性，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮以下因素：單個井段裸眼段長度及效率；復(fù)雜地層及異常壓力封隔；水平井水平段精確入窗技術(shù)[1]。

根據(jù)上述基礎(chǔ)條件及設(shè)計要點，對井身結(jié)構(gòu)進行以下優(yōu)化[2-3]：

(1) 采用Φ508 mm套管作為表層套管，封固上部松軟地層，建立井口，下入深度在400～500 m，為下部井段鉆進提供足夠的地層承壓能力。

(2) 采用Φ339.7 mm套管作為技術(shù)套管，下至明化鎮(zhèn)中下部承壓能力強的地層。本井段不宜過深，如果繼續(xù)鉆進，長時間的鉆井液循環(huán)會對上部套管鞋處造成嚴重沖刷，影響上層套管鞋處承壓能力；同時，該井段鉆頭繼續(xù)深鉆，機械鉆速會顯著下降，反而使鉆井時效變差。

(3) 采用Φ244.5 mm套管作為技術(shù)套管，下至東營組地層高壓層頂部，封隔高壓層上部地層。館陶組及東營組上部鉆進過程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)，因此在鉆開高壓層之前，單獨利用一層套管封隔高壓層上部的復(fù)雜地層，防止復(fù)雜地層及壓力異常地層同時鉆進，以降低井下復(fù)雜情況發(fā)生的概率，為高壓層鉆進創(chuàng)造條件。

(4) 采用Φ177.8 mm尾管，下至潛山面穩(wěn)斜段，封固上部高壓層及沙河街地層，為鉆開潛山層及儲層保護創(chuàng)造條件。

(5) 采用Φ152.4 mm鉆頭，鉆進潛山儲層裸眼段。當鉆至完鉆井深后，下入割縫管以支撐儲層井眼，然后回接Φ177.8 mm尾管至井口并固井，以強化井筒的完整性。

2.2 井筒溫度場及管材選型影響因素優(yōu)化設(shè)計

與常溫生產(chǎn)井不同，高溫生產(chǎn)井的井底溫度較高，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中沿井深的各層套管溫度上升，而溫度的升高導(dǎo)致了鋼材屈服強度下降。同時，井筒環(huán)空會因為溫度的升高，逐漸產(chǎn)生圈閉壓力變化。尤其對于環(huán)空空間較小的井段，因溫度產(chǎn)生的圈閉壓力可能會達到幾十兆帕，對生產(chǎn)封隔器及生產(chǎn)套管的完整性形成嚴重威脅。開發(fā)井套管設(shè)計當中，應(yīng)著重考慮因高溫帶來的管材強度下降及環(huán)空圈閉壓力等因素的影響[4]。

根據(jù)生產(chǎn)井的油氣水產(chǎn)量，模擬生產(chǎn)工況下沿井筒的環(huán)空及套管溫度。在典型生產(chǎn)井工況條件下，井筒的環(huán)空及套管溫度如圖1所示。

圖1 典型生產(chǎn)井生產(chǎn)工況條件下井筒的環(huán)空及套管溫度剖面圖

如前所述，鋼材的屈服強度隨著溫度的升高而逐步降低。與室溫條件相比，每攝氏度的升溫導(dǎo)致鋼材屈服強度降低約0.05%。根據(jù)該強度下降梯度，計算出典型開發(fā)井各層套管強度因溫度升高而降低的梯度(見表1)。

在模擬生產(chǎn)條件井筒溫度下，可模擬計算各環(huán)空流體在生產(chǎn)工況下因溫度升高膨脹而產(chǎn)生的圈閉壓力。以典型開發(fā)井為例，計算各套管環(huán)空圈閉壓力(見表2)。

表1 典型開發(fā)井各層套管屈服強度下降梯度

表2 典型開發(fā)井各層套管環(huán)空圈閉壓力計算結(jié)果

根據(jù)表2所示數(shù)據(jù)可知，若不對井口環(huán)空壓力進行管理，生產(chǎn)過程中因溫度升高而引起的各層套管環(huán)空壓力最高可達53.7 MPa。因此，在生產(chǎn)井套管選型設(shè)計過程中，需要充分考慮圈閉壓力對套管的影響，制定相應(yīng)的環(huán)空壓力管理方案?？紤]溫度影響后，根據(jù)其套管強度和套管環(huán)空壓力，結(jié)合各層套管實際可能承受的壓力剖面及磨損量，即可針對各層套管進行強度校核及優(yōu)選。

2.3 井口抬升分析及技術(shù)措施

高溫除了給套管強度帶來影響外，還會引起套管伸長及井口抬升。針對海上井口抬升的處理措施有限，且影響重大，因此，準確預(yù)測開發(fā)井的井口抬升，并積極制定合理的技術(shù)措施，對確保高溫生產(chǎn)井的安全至關(guān)重要。

造成井口抬升的主要原因是油套管受熱引起管材熱膨脹，而溫度是引起管材熱膨脹的關(guān)鍵因素。在開展井口抬升分析之前，需要對生產(chǎn)工況下的井筒溫度剖面進行準確計算。根據(jù)各層套管實際載荷情況及計算得到的溫度剖面，可計算出各層管柱自由段在考慮溫度影響條件下的綜合受力情況；根據(jù)管柱受力及管串自身剛度，可計算出各層管柱因溫度變化導(dǎo)致的管柱升高量。

按照以上分析流程，針對典型生產(chǎn)井不同套管的自由段長度，對井口整體升高的高度進行了敏感性分析(見圖2)。

當固井水泥返高至井口，即套管自由段長度為0 m時，井口不會發(fā)生抬升。當水泥返高距離井口250 m時，因生產(chǎn)帶來的溫度提升會導(dǎo)致井口整體抬升約8.9 cm，從而對海上生產(chǎn)作業(yè)形成嚴重威脅。對于高溫生產(chǎn)井，確保固井水泥返高及固井質(zhì)量極為關(guān)鍵。固井后需測量固井質(zhì)量，若發(fā)現(xiàn)返高不夠，就應(yīng)采取相應(yīng)措施，以確保后期的生產(chǎn)安全。

圖2 典型生產(chǎn)井各層套管自由段長度井口升高敏感性

2.4 控壓鉆井技術(shù)

潛山屬于裂縫型儲層，在潛山目的層鉆探過程中，井下漏失現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，漏溢同存的現(xiàn)象也有。井下漏失不僅嚴重影響到鉆井安全，造成儲層污染，同時還將影響鉆井作業(yè)時效。為了解決此類問題，需要對井底壓力進行精確控制。應(yīng)用控壓鉆井技術(shù)對回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)進行綜合控制，使整個井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，實現(xiàn)平衡或近平衡鉆井，可有效控制地層流體侵入井眼的程度，減少井涌、井漏、卡鉆等復(fù)雜情況，有利于儲層保護[5-6]。目前，常用的控壓鉆井技術(shù)有井底恒壓控壓鉆井、泥漿帽控壓鉆井、雙梯度控壓鉆井、微流量控壓鉆井、HSE控壓鉆井、井口恒壓控壓鉆井、充氣控壓鉆井。

與常規(guī)鉆井系統(tǒng)不同的是，微流量控壓鉆井系統(tǒng)為一個閉合循環(huán)系統(tǒng)。當鉆井液不能平衡地層壓力，甚至導(dǎo)致溢流或井噴時，回壓泵即啟動，在井口施加一個回壓，從而能夠快速地平衡地層的壓力，使鉆井作業(yè)能夠安全、快速地進行。微流量控壓鉆井系統(tǒng)可實時監(jiān)測不同層位和各種工況下的鉆井液參數(shù)，并判斷參數(shù)出口值與采樣值的差值是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，然后通過控制器發(fā)出指令，再由井控設(shè)備來實現(xiàn)對目標的有效控制。微流量控壓鉆井系統(tǒng)具有精度高、反應(yīng)迅速的優(yōu)點，鉆井液控制體積一般不大于0.8 m3，能實現(xiàn)裂縫性壓力敏感地層的有效鉆進，非常適合裂縫性壓力敏感地層。渤中潛山凝析氣田正是采用了微流量控壓鉆井系統(tǒng)，其工作流程如圖3所示，其應(yīng)用效果如表3所示。

圖3 微流量控壓鉆井系統(tǒng)工作流程圖

2.5 鉆井提速技術(shù)

在上部地層，由于巖石強度較低、可鉆性較好，因此，主要采用Φ 406.4 mm鉆頭鉆進，該井段長度為1 600～1 800 m。針對該井眼鉆進作業(yè)進行優(yōu)化提速，優(yōu)選強攻擊性PDC鉆頭(19 mm切削齒、5刀翼)，配合大尺寸馬達鉆進。采用上述提速技術(shù)，使該井段鉆井機械鉆速達到了71 mh，比初期鉆井的機械鉆速提高了一倍。

在中下部地層，巖石強度逐漸提高，可鉆性逐步變差，主要采用Φ311.15 mm、Φ215.9 mm鉆頭鉆進。其中Φ311.15 mm鉆頭鉆進的井段長度為1 800～2 000 m，鉆遇地層以泥巖為主。針對該井段，采用高轉(zhuǎn)速馬達進行提速，同時配合使用防泥包的水力優(yōu)化PDC鉆頭，使得該井段機械鉆速由最初的17 mh提高到了27 mh，提速效果顯著。

Φ215.9 mm鉆頭的鉆進井段長度為800～1 000 m，該井段鉆遇地層主要是東營組及沙河街組，地層強度及研磨性逐步加強，鉆頭使用需要同時考慮防泥包及保徑。因此，鉆頭優(yōu)選的是6刀翼水力優(yōu)化防泥包PDC鉆頭。同時，為了提高鉆井時效進行了優(yōu)化設(shè)計，采用復(fù)合沖擊提速工具進行提速。通過這些優(yōu)化措施，使該井段機械鉆速由4.5 mh提高到了12 mh。

表3 微流量控壓鉆井技術(shù)在目標氣田應(yīng)用效果

Φ152.4 mm鉆頭鉆進打開儲層，鉆遇地層為潛山層，巖性為花崗片麻巖。該地層強度及研磨性極高，地層可鉆性極差，為提高該井段鉆井效率，曾嘗試了多種提速手段。目前提速效果相對顯著的方式是，采用扭力沖擊器及配套PDC鉆頭，使該井段機械鉆速由1.9 mh提高到了3.9 mh[7-11]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

目前，渤中潛山凝析氣田總計已完鉆11口氣井。通過一系列技術(shù)優(yōu)化，這11口井在井深不斷加深的條件下，鉆井工期明顯縮短，鉆井時效顯著提高(見圖4)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，鉆井工期由最初的88.8 d，縮短到目前的62.0 d，提高鉆井時效30%。在各井鉆井過程中，非生產(chǎn)時間占比、儲層使用鉆井液密度對比等數(shù)據(jù)見表4。

圖4 渤中潛山凝析氣田已鉆井的鉆井時效

由上述圖表中數(shù)據(jù)可見，通過系列技術(shù)優(yōu)化，在井深不斷加深的條件下，氣田鉆井工期實現(xiàn)了穩(wěn)步縮短，非生產(chǎn)時間占比逐步降低，鉆井時效不斷提升。同時，通過應(yīng)用控壓鉆井技術(shù)，使得儲層段鉆井液使用密度大幅度降低，井底壓差極大下降。這不僅有利于儲層段機械鉆速提高，更使得井下環(huán)境接近平衡狀態(tài)，井下漏失現(xiàn)象得以有效控制，儲層得到保護。生產(chǎn)測試結(jié)果顯示，使用微流量控壓鉆井技術(shù)完鉆的9口井，其表皮系數(shù)為負。

表4 目標氣田已鉆井非生產(chǎn)時間占比及儲層使用鉆井液密度

4 結(jié) 語

針對渤中潛山凝析氣田，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化各井段井下鉆具組合及應(yīng)用提速工具等技術(shù)手段，有效提高了氣田的鉆井速度，降低了鉆井非生產(chǎn)時間，提升了鉆井作業(yè)時效。通過建立生產(chǎn)過程中的井筒溫度剖面，計算分析了井下高溫對井筒套管強度的影響及井筒環(huán)空的圈閉壓力，并合理選用套管型號，確保了高溫氣井的井筒完整性。根據(jù)建立的井筒溫度剖面，針對井口抬升進行了敏感性分析。分析結(jié)果顯示，即便生產(chǎn)井套管串僅有250 m的自由段，在生產(chǎn)中因溫度的升高也會產(chǎn)生近9.0 cm的井口抬升高度，給生產(chǎn)安全帶來嚴重威脅。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)控制開發(fā)井各層套管固井質(zhì)量及水泥面返高，以降低生產(chǎn)過程因溫度升高導(dǎo)致的井口抬升。實踐表明，對于潛山裂縫型儲層，采用微流量控壓鉆井技術(shù)能夠有效地解決儲層段井下漏失的問題。通過控壓鉆井技術(shù)，極大地降低了儲層鉆井液的使用密度，既有助于機械鉆速的提高，更有利于潛山儲層的保護。