伊拉克M 油田鹽膏層固井技術(shù)與實(shí)踐

胡勤峰，楊建政，劉海龍，

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300456；2.中海油有限公司天津分公司，天津 300456）

鹽膏層鉆井一直是困擾石油行業(yè)的技術(shù)難題，現(xiàn)有的石油資源中，有10%至20%埋藏于深部鹽膏巖下，而鹽膏在地下深部高溫高壓環(huán)境下具有極強(qiáng)的蠕變特性，易造成卡鉆，固井質(zhì)量難以保證。鹽膏層巖的坍塌周期和蠕變速率是制約鹽膏層定向鉆井和固井作業(yè)安全、順利高效鉆井的主要因素。國外一些油田[1-5]采用了一系列鉆井技術(shù)，為解決復(fù)合鹽膏層鉆井技術(shù)難題提供了依據(jù)[6-19]。

伊拉克M 油田上部地層以鹽膏層為主，厚度約800.0 m，屬典型的巨厚鹽膏層。A 儲層距離鹽膏層底最小垂深距離只有40.0 m，受制于埋藏在儲層上部的巨厚超高壓鹽膏層，A 儲層的開發(fā)方式一直以來局限于直井開發(fā)。為實(shí)現(xiàn)該儲層的“少井高產(chǎn)”高效開發(fā)目標(biāo)，伊拉克M 油田中方作業(yè)者充分研究了M 油田A 儲層及其上覆超高壓鹽膏層特性和其他油田灰?guī)r儲層水平井施工成果，并借鑒國內(nèi)外類似油田的鉆井成功經(jīng)驗(yàn)，嘗試?yán)盟骄_發(fā)，成功解決了超高壓鹽膏層造斜定向鉆進(jìn)，鹽下大造斜率連續(xù)增斜至水平段著陸并完鉆，安全泥漿密度窗口窄，易漏和易卡鉆等一系列鉆井技術(shù)難題。通過精準(zhǔn)研究、精細(xì)設(shè)計和周密施工，目前已成功鉆井11 口。

1 地質(zhì)情況分析

M 油田鹽膏層為蓋層，儲層為灰?guī)r，根據(jù)已鉆直井資料，將水平開發(fā)井預(yù)測地質(zhì)分層及巖性進(jìn)行描述如表1。

表1 M 油田水平開發(fā)井預(yù)測地質(zhì)分層及巖性描述

Lower Fars 組以石膏、鹽巖、頁巖沉積為主，高壓鹽水層發(fā)育，是區(qū)域蓋層，厚約800.0 m。Lower Fars（mb5-mb2）的壓力系數(shù)為2.04 g/cm3（實(shí)鉆泥漿密度2.23 g/cm3），而下部的Lower Fars（mb1）及A 儲層的壓力系數(shù)為1.04 g/cm3（實(shí)鉆泥漿密度1.22 g/cm3）。為避免一趟鉆揭開兩套壓力體系，直徑244.5 mm 技術(shù)套管必須下至Lower Fars（mb1）頂部不超過0.8 m。采用水平井開發(fā)方式，倘若造斜點(diǎn)依然選擇在鹽膏層下方，直徑215.9 mm 井段造斜率至少需要達(dá)到約17°/30 m，以目前的工具及技術(shù)水平根本就無法施工，鉆井技術(shù)人員只能選擇在鹽膏層段定向造斜，這給在斜井段鹽膏層固井帶來了困難。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

鹽膏層段定向造斜，必須保證鹽膏層造斜井段的井眼穩(wěn)定，且具有良好的套管抗外擠能力和固井質(zhì)量。

2.1 鹽膏層造斜段的井眼穩(wěn)定分析

井壁的穩(wěn)定性不僅與地應(yīng)力大小有關(guān)，而且與井眼軌跡緊密相關(guān)。根據(jù)M 油田鹽膏層地應(yīng)力、層位測井?dāng)?shù)據(jù)，分別對鹽膏層的坍塌壓力和破裂壓力隨井斜方位的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。計算結(jié)果表明，在不同方位上鉆水平井的坍塌壓力為2.10～2.28 MPa。在最小地應(yīng)力方位120°方向上，以井斜30°～50°鉆進(jìn)時，坍塌壓力最低，風(fēng)險最小，有利于井壁穩(wěn)定，施工過程中利于控制風(fēng)險（圖1）。

2.2 鹽膏層套管抗外擠能力校核

鹽膏層在一定條件下會發(fā)生溶解、蠕變、滑移或塑性流動，對套管產(chǎn)生相當(dāng)大的外擠載荷，致使套管壓扁、彎曲、變形甚至錯斷；鹽膏層彎曲井段套管受力模型如圖2 所示。統(tǒng)計結(jié)果表明，鹽層段發(fā)生套管受損的比例隨鹽層傾角和鹽層厚度增大而增大；在鹽膏層段造斜，造斜率的選擇顯得尤為重要。現(xiàn)場研究了套管對鹽膏層段抗擠強(qiáng)度隨井眼曲率的變化，確定適用于鹽膏層段的套管曲率范圍。

圖1 層坍塌壓力當(dāng)量密度隨井斜角的方位角變化

圖2 彎曲井段套管受力模型

共對三組樣品進(jìn)行了彎曲條件下抗外擠失效實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)彎曲度為3°/30 m、5°/30 m、7°/30 m，保持彎曲度不變2 min，開始加外壓至試樣失效，失效實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

在曲率為0°/30～7°/30 m 情況下，彎曲套管抗擠實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與套管理論計算的結(jié)果下降趨勢基本一致。結(jié)合理論、實(shí)驗(yàn)及軟件校核，考慮軸向載荷情況下，為滿足套管抗擠強(qiáng)度要求，鹽膏層彎曲井段造斜率應(yīng)控制在5°/30 m 以下。根據(jù)定向井軌跡要求，最終確定按照造斜率3°/30 m 進(jìn)行設(shè)計。

表2 彎曲條件下外壓至失效實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 鹽膏層造斜段固井作業(yè)

依據(jù)調(diào)研資料及作業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鹽膏層蠕變應(yīng)力引起高鋼級套管擠毀的情況較少，大多數(shù)情況下鹽膏層套管會產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致鉆具無法通過。綜合來看，鹽膏層造斜井段固井質(zhì)量如果不能得到保證，可能會導(dǎo)致套管周圍只存在部分水泥環(huán)，剩下的環(huán)空被泥漿填充，會導(dǎo)致套管縱向上產(chǎn)生彎曲變形，鹽膏層發(fā)生蠕變后直接接觸套管，進(jìn)一步惡化套管受力（圖3），在受非均勻載荷情況下，可能會導(dǎo)致套管發(fā)生擠毀失效，縮短油井壽命。

圖3 鹽膏層套管固井不良非均勻載荷模型示意圖

為提高鹽膏層尤其是定向井段固井質(zhì)量，本文優(yōu)化了固井水泥漿配方。采用15.83%的鹽水作為水泥漿的配漿水，密度為2.36 g/cm3，新添加劑配方見表3。

表3 鹽膏層固井水泥漿體系配方

水泥漿的稠化時間更為合理，初始稠度更低，便于水泥漿的泵送。該水泥漿體系失水量低至20 mL，比優(yōu)化前降低44%，自由水的含量為0，抗鹽性好。

設(shè)計和優(yōu)化固井施工參數(shù)，施工時間為105.9 min，預(yù)留60.0～100.0 min 的時間，水泥漿稠化時間為325.0 min，施工時間能夠獲得保障。

根據(jù)ECD 分析結(jié)果，井底壓力介于安全密度窗口內(nèi)，能夠保證壓穩(wěn)且不壓漏地層。井口泵壓最大值為12.1 MPa，能夠滿足現(xiàn)場施工要求（表4）。

表4 M 油田鹽膏層固井技術(shù)設(shè)計

針對伊拉克M 油田鹽膏層定向井段固井作業(yè)難點(diǎn)，已形成了一整套適于M 油田水平井高效開發(fā)的鹽膏層造斜段的固井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了M 油田“少井高產(chǎn)”的突破，單井日產(chǎn)量由318 m3提高到797 m3。

3 結(jié)論與建議

（1）伊拉克M 油田采用的水平井開發(fā)方式，存在鹽膏層井眼穩(wěn)定性差、固井質(zhì)量難以保證、套管易發(fā)生抗外擠變形等一系列鉆井技術(shù)難題，須在鹽膏層段造斜。

（2）分析鹽膏層不同軌跡下井眼坍塌和破裂風(fēng)險，優(yōu)化定向段軌跡，對不同全角變換率套管抗外擠能力校核確定造斜率，優(yōu)化固井水泥漿配方及施工參數(shù)，保證了鹽膏層固井質(zhì)量。