尼日爾Agadem油田井壁穩(wěn)定技術(shù)對策

(中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司，山東 東營257000)(中石化河南油田分公司第二采油廠，河南 南陽 473400)(中石油長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京 100101)

Agadem油田位于非洲尼日爾東南部撒哈拉沙漠腹地，是中國在尼日爾勘探開發(fā)的主力油氣藏，為中高孔中高滲油氣藏。該油田根據(jù)地層復(fù)雜程度可分為3大區(qū)塊7小區(qū)塊： Sokor區(qū)塊，Gani 區(qū)塊； Agadi區(qū)塊，F(xiàn)aringa區(qū)塊，Goumeri區(qū)塊，Dougoule區(qū)塊，Jaouro區(qū)塊； Karam區(qū)塊。其中 Sokor區(qū)塊和Gani區(qū)塊最為復(fù)雜，最高鉆井液密度為1.25～1.30g/cm3；其次為Agadi區(qū)塊和Dougoule區(qū)塊，最高鉆井液密度為1.22～1.25g/cm3。鉆井整體呈現(xiàn)“北易、中平、南難” 的特點(diǎn)[1～6]。前期Agadem油田鉆探發(fā)現(xiàn)，井下復(fù)雜事故頻發(fā)，發(fā)生層段大多為 Sokor泥巖、 Sokor低速泥巖以及Sokor砂泥巖互層，雖然不同區(qū)塊間的地層分布、 斷層結(jié)構(gòu)不盡相同，但鉆井過程中遇到的復(fù)雜問題具有相似性，即Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層縮徑、坍塌掉塊引起的井壁失穩(wěn)問題[7～8]。黏土層上部為軟泥巖，容易引起縮徑，下部是硬脆性泥巖，容易發(fā)生剝落掉塊，且地層膠結(jié)程度較差，穩(wěn)定性差，若鉆井液液柱壓力不足以保持地層穩(wěn)定性，就容易引起地層坍塌。為了滿足Agadem油田勘探開發(fā)的需要，實(shí)現(xiàn)安全快速鉆井和儲(chǔ)層保護(hù)的目的，亟需探求井壁失穩(wěn)的內(nèi)在因素，選用合適的鉆井液體系及配套的工藝措施，解決Agadem油田的井壁失穩(wěn)難題。

1 地層特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

1.1 地層特點(diǎn)

Agadem油田自上而下鉆遇Recent泥巖、Sokor泥巖、Sokor低速泥巖、Sokor砂泥巖互層，目的層為Sokor砂泥巖互層。上部地層Sokor泥巖層主要以泥巖及成巖性差的軟泥巖、黏土巖、砂巖頁巖夾層為主，膠結(jié)差，Sokor低速泥巖層主要以砂巖黏土互層為主。

鉆探發(fā)現(xiàn)，Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層井壁失穩(wěn)嚴(yán)重，縮徑、坍塌問題突出，如Kaola-1D井二開擴(kuò)大井眼占該開次的90%，起下鉆遇卡，掉塊卡鉆、下套管下不到底的復(fù)雜情況在該區(qū)塊頻繁發(fā)生。Sokor泥巖、Sokor低速泥巖地層的井壁失穩(wěn)縮徑、坍塌問題是Agadem油田的井壁失穩(wěn)的主要表征。對典型區(qū)塊Gololo W-1 地層Sokor 低速泥巖的泥頁巖進(jìn)行理化性能分析，其組成大致是：伊-蒙混層占53%，高嶺石占44%，伊利石占3% ；在伊-蒙混層中，伊利石占60%，蒙脫石占21.2%，而且存在于伊-蒙混層的泥巖中，這種巖性組分決定了該地區(qū)的地層不容易分散，造漿性能不強(qiáng)，容易膨脹。當(dāng)鉆井液密度不能平衡坍塌壓力時(shí)，硬脆性泥頁巖地層表現(xiàn)為掉塊、坍塌，軟泥巖地層表現(xiàn)為縮徑，即表現(xiàn)為Sokor泥巖地層井壁的掉塊、坍塌，Sokor低速泥巖地層井壁的坍塌、縮徑。

1.2 難點(diǎn)分析

Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層失穩(wěn)問題主要原因?yàn)殂@井液密度不合理、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等。

1)鉆井液密度不合理 對于大多數(shù)井而言，完鉆前將鉆井液密度提高到1.25g/cm3，可減輕井下復(fù)雜情況發(fā)生。但Agadem油田為提高油氣層發(fā)現(xiàn)率，嚴(yán)格控制鉆井液密度在1.20～1.22g/cm3區(qū)間波動(dòng)，不能有效平衡地層坍塌壓力，導(dǎo)致了坍塌掉塊、縮徑問題頻繁出現(xiàn)。雖然鉆井速度大幅提高，鉆井周期大幅降低，降低了井筒浸泡的時(shí)間，并加入聚合醇提高鉆井液的防塌性能，但由于密度偏低，并不能有效解決井壁失穩(wěn)難題。

2)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理 合理的井身結(jié)構(gòu)應(yīng)以地層特點(diǎn)為依據(jù)，可以減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生，降低鉆井液對裸眼地層的浸泡時(shí)間。為節(jié)約成本，Agadem油田基本選用二開次井身結(jié)構(gòu)，且采用滿足油氣層的較低鉆井液密度，結(jié)果造成上部Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層浸泡時(shí)間過長，地層水化膨脹嚴(yán)重，坍塌、縮徑問題突出。

2 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

2.1 鉆井液密度對井壁穩(wěn)定性的影響

合理的鉆井液密度是Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層井壁穩(wěn)定的前提，基于Agadem油田不同區(qū)塊地層巖心的強(qiáng)度參數(shù)及鉆井、鉆井液、測井?dāng)?shù)據(jù)，得出巖石強(qiáng)度參數(shù)，并根據(jù)三壓力模型[9～11]計(jì)算出Agadem油田三壓力剖面(地層孔隙壓力pp、地層破裂壓力pf和地層坍塌壓力pb)的分布情況,見表1。

表1 Agadem油田三壓力分布情況

為了穩(wěn)定井壁，鉆井液密度需大于地層孔隙壓力當(dāng)量密度和地層坍塌壓力當(dāng)量密度中最大的一個(gè)。表1表明，尼日爾Agadem油田地層坍塌壓力普遍高于地層孔隙壓力，因此，只有鉆井液密度高于地層坍塌壓力當(dāng)量密度時(shí)，才能保持較好的井壁穩(wěn)定性?，F(xiàn)場所用鉆井液密度最高為1.25g/cm3，而最大坍塌壓力當(dāng)量密度基本都在1.30g/cm3以上，Sokor泥巖地層坍塌壓力當(dāng)量密度最高達(dá)到1.37g/cm3。鉆井液密度偏低，不能平衡地層坍塌壓力，導(dǎo)致了力學(xué)上的不穩(wěn)定性，鉆井過程中易出現(xiàn)疏松泥巖砂巖的坍塌、泥巖縮徑等復(fù)雜問題。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，二開施工比較順利的井，所用鉆井液密度均高于或接近于地層坍塌壓力當(dāng)量密度。

2.2 井眼裸露時(shí)間對井壁穩(wěn)定性的影響

Agadem油田采用二開次井身結(jié)構(gòu)，裸眼井段長，Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層伊-蒙混層含量高。經(jīng)長時(shí)間浸泡，井壁泥巖水化膨脹嚴(yán)重，在水化應(yīng)力和強(qiáng)度降低的雙重作用下，坍塌壓力越來越大，液柱壓力難以維持井壁的穩(wěn)定性，從而引起井壁坍塌、縮徑，造成鉆具難以下入、劃眼困難等。表2為假定井眼擴(kuò)大率達(dá)到15%時(shí)在水化應(yīng)力作用下的浸泡時(shí)間和鉆井液密度之間的關(guān)系。

由表2可以看出，井壁裸露時(shí)間超過4d，超過實(shí)用的鉆井液密度而造成井壁坍塌，而浸泡時(shí)間超過15d后，鉆井液密度達(dá)到1.32g/cm3以上，鉆井液密度基本上達(dá)到最大值。

表2 浸泡時(shí)間和鉆井液密度之間的關(guān)系

通過統(tǒng)計(jì)Agadem油田二開Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層的復(fù)雜情況和浸泡時(shí)間關(guān)系，得出鉆井液密度從1.15g/cm3提高到1.25g/cm3，其時(shí)間間隔以不大于15d為最佳時(shí)間，即Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層的浸泡時(shí)間不能超過15d。15d內(nèi)完成的井施工比較順利，16～20d完成的井會(huì)發(fā)生復(fù)雜情況，大于20d完成的井，井下復(fù)雜情況就可能會(huì)加劇。因此，要維持井壁穩(wěn)定，必須通過提高鉆井速度、減小完井周期，或設(shè)計(jì)合理井身結(jié)構(gòu)保證15d內(nèi)盡快把Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層鉆穿并完成完井作業(yè)。圖1是Goumeri區(qū)塊開發(fā)初期2口鄰井的井徑曲線對比， Goumeri-7井二開鉆井時(shí)間24.5d，Goumeri-8井二開鉆井時(shí)間17d，從井徑曲線上可以看出Goumeri-7井井徑不規(guī)則，有坍塌現(xiàn)象，而Goumeri-8井井徑則相當(dāng)規(guī)則。

圖1 Goumeri區(qū)塊2口鄰井井徑曲線對比

2.3 鉆井參數(shù)對井壁穩(wěn)定性的影響

泵壓、排量影響鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度和井底壓力，不當(dāng)操作引起的液柱壓力波動(dòng)會(huì)造成井壁失穩(wěn)，環(huán)空流速過大，沖刷井壁也會(huì)影響井壁穩(wěn)定。目前Agadem油田的鉆井泵壓一般控制在10～18MPa，排量控制在43～48L/s。每鉆進(jìn)200m(或24h)堅(jiān)持短起下作業(yè)，同時(shí)長短起時(shí)盡量起到套管鞋或者Sokor泥巖地層頂部，對修正井壁進(jìn)而穩(wěn)定井壁有很大幫助。

2.4 井身結(jié)構(gòu)對井壁穩(wěn)定性的影響

表3 不同的井身結(jié)構(gòu)由于井下復(fù)雜情況引起的擴(kuò)劃眼時(shí)間

合理的井身結(jié)構(gòu)可以減少鉆井液浸泡時(shí)間和事故處理時(shí)間，表3是Agadem油田開發(fā)初期6口二開井和6口三開井因井下復(fù)雜情況引起的擴(kuò)劃眼時(shí)間統(tǒng)計(jì)。從表3可以看出，二開井的平均擴(kuò)劃眼時(shí)間為17.44h，遠(yuǎn)大于三開井的平均擴(kuò)劃眼時(shí)間;對于千米的完井周期，三開井比二開井多1.46d，除去二開完井作業(yè)時(shí)間(約5～6d)，三開井的鉆井周期要遠(yuǎn)低于二開井。因此，采用合理的井身結(jié)構(gòu)或選用三開次井身結(jié)構(gòu)，下技術(shù)套管封固Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層，可以減少井下復(fù)雜情況發(fā)生，進(jìn)而縮短建井周期和保護(hù)油氣層。

3 井壁穩(wěn)定技術(shù)對策

3.1 鉆井液體系優(yōu)化及抑制性評價(jià)

為提高Agadem油田的井壁穩(wěn)定性，在原有KCl聚合醇鉆井液體系的基礎(chǔ)上引入了硅酸鹽防塌劑，優(yōu)化形成了強(qiáng)抑制性KCl硅酸鹽鉆井液體系，利用K+、硅酸鹽和聚合醇的協(xié)同作用機(jī)理，進(jìn)一步提高該鉆井液的防塌性能[12～14]，使該體系對易失穩(wěn)的 Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層具有強(qiáng)抑制能力，從而達(dá)到進(jìn)一步穩(wěn)定井壁、降低密度的目的。優(yōu)化后的鉆井液性能如下：密度1.12～1.7g/cm3，漏斗黏度45～55s，塑性黏度15～25mPa·s，動(dòng)切力5～10Pa，初/終切力(1.5～5)Pa/(6～12)Pa，濾失量≤4mL，高溫高壓濾失量≤8mL， pH值9.5～11，Cl-質(zhì)量濃度7500～35000 mg/L, 土般土含量10～35g/L。

圖2 不同鉆井液體系抑制性對比

對比普通聚合物鉆井液體系、KCl聚合醇鉆井液體系、KCl硅酸鹽鉆井液體系、飽和鹽水聚磺鉆井液體系、KCl飽和鹽水聚磺鉆井液體系的抑制性，結(jié)果見圖2。圖2中，A表示普通聚合物鉆井液體系，B表示 KCl聚合醇鉆井液體系，C表示KCl硅酸鹽鉆井液體系，D表示飽和鹽水聚磺鉆井液體系，E表示 KCl飽和鹽水聚磺鉆井液體系。從圖2可以看出，KCl硅酸鹽鉆井液體系表現(xiàn)為強(qiáng)抑制性，無論一次回收率還是二次回收率都比較大。從測回收率所用巖心外觀狀態(tài)來看，KCl硅酸鹽鉆井液體系巖心經(jīng)二次回收率測試后的完整性比KCl聚合醇鉆井液體系和飽和鹽水聚磺鉆井液體系好的多。

3.2 工藝技術(shù)措施優(yōu)化

KCl硅酸鹽鉆井液體系基本解決了Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層的井壁失穩(wěn)難題，但還需配套鉆井工藝技術(shù)措施才能達(dá)到穩(wěn)定井壁的效果，如合理的通井措施、鉆井排量優(yōu)化及提高機(jī)械鉆速等。

3.2.1 通井措施

通過通井措施修復(fù)井壁，可使地應(yīng)力得到有效釋放，保證井壁光滑，井眼暢通，可部分解決Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層井壁的縮徑問題。要求該層位鉆進(jìn)時(shí)每鉆進(jìn)200m(或24h)時(shí)一短起，400m時(shí)一長起，長起時(shí)，要求盡量提到Sokor泥巖地層頂部，保證通井拉井壁時(shí)，Sokor泥巖地層井壁都得到修復(fù)。一般情況下，該層位經(jīng)過3～4遍的長起拉井壁，完井時(shí)各項(xiàng)作業(yè)均很順利。短起時(shí)，用高黏度段塞清洗井底，起下鉆控制速度，嚴(yán)禁起鉆抽吸，減少激動(dòng)壓力對井壁的破壞；落實(shí)灌漿制度，避免液柱壓力變小導(dǎo)致井壁坍塌。

3.2.2 鉆井排量優(yōu)化

鉆進(jìn)Sokor泥巖地層時(shí)，提高泥漿泵排量，一般是在正常排量基礎(chǔ)上提高5%～8%，對井壁進(jìn)行沖刷，增加該井段的井眼擴(kuò)大率，可減少Sokor泥巖地層井壁縮徑引起的起下鉆劃眼耗時(shí)。近幾年實(shí)踐表明，317.5mm井眼排量由45L/s左右提高到48L/s左右，250.8mm井眼排量由43L/s左右提高到46L/s左右，215.9mm井眼排量由30L/s左右提高到33L/s的左右，可有效改善井眼狀況，減少起下鉆擴(kuò)劃眼時(shí)間。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在尼日爾Agadem油田全面使用強(qiáng)抑制性KCl硅酸鹽鉆井液體系后，大大提高了鉆井液的防塌性能，有效地提高了井壁穩(wěn)定性，基本解決了Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層井壁不穩(wěn)定難題。

4.1 時(shí)效和密度效果分析

自2010年8月起，尼日爾Agadem油田共計(jì)完井150余口，前期主要使用KCl聚合醇鉆井液體系，后期主要使用強(qiáng)抑制性KCl硅酸鹽鉆井液體系。由于KCl硅酸鹽鉆井液主要應(yīng)用于Sokor泥巖和Sokor低速泥巖等不穩(wěn)定地層，地層埋深小于3000m，對于井深大于3000m的井，只統(tǒng)計(jì)了該井3000m以內(nèi)的施工情況。KCl聚合醇鉆井液體系和KCl硅酸鹽鉆井液體系抑制性對比結(jié)果見表4。

表4 KCl聚合醇鉆井液體系和KCl硅酸鹽鉆井液體系抑制性對比結(jié)果

由表4可看出，KCl硅酸鹽鉆井液比KCl聚合醇鉆井液抑制性更強(qiáng)，使用KCl硅酸鹽鉆井液的井，井深小于2000m的井段平均擴(kuò)劃眼時(shí)間減少9.57%，井深2000～3000m的井段平均擴(kuò)劃眼時(shí)間減少21.91%，總體平均減少15.75%；井深小于2000m的井段平均機(jī)械鉆速提高16.94%，井深2000～3000m的井段平均機(jī)械鉆速提高13.84%，總體平均提高15.6%，縮短了建井周期；井眼擴(kuò)大率總體平均降低4.70個(gè)百分點(diǎn)。使用KCl硅酸鹽鉆井液體系，鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)垮塌、劃眼。同時(shí)，使用該體系后，Agadem油田不同區(qū)塊平均鉆井液密度降低了0.02～0.03g/cm3，充分實(shí)現(xiàn)了降低鉆井液密度鉆井的設(shè)想，更有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層。

表5 不同鉆井液體系的井眼擴(kuò)大率對比

4.2 井徑效果分析

分別統(tǒng)計(jì)Agadem油田不同區(qū)塊的典型直井和定向井的井眼擴(kuò)大率(見表5)，發(fā)現(xiàn)使用KCl硅酸鹽鉆井液的井平均井眼擴(kuò)大率要低于使用KCl聚合醇鉆井液的井，井徑相對規(guī)則的多。

5 結(jié)論

1)Agadem油田Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層的巖性組分決定了該地區(qū)的地層不易分散，易發(fā)生剝落坍塌和縮徑。

2)鉆井液密度不合理和井身結(jié)構(gòu)不合理是引起Agadem油田地層鉆井復(fù)雜情況發(fā)生的主要原因。

3)強(qiáng)抑制性KCl硅酸鹽鉆井液體系有效解決了Agadem油田地層井壁失穩(wěn)問題。

4)合理的通井措施、鉆井參數(shù)優(yōu)化可降低Sokor泥巖和Sokor低速泥巖地層的擴(kuò)劃眼時(shí)間、減少地層浸泡時(shí)間，能進(jìn)一步提高井壁穩(wěn)定性能。