寧國(guó)凹陷復(fù)雜工況關(guān)鍵鉆井工藝

劉 兵，朱恒銀，蔡正水，王 強(qiáng)，蘆文成

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì),六安 237010)

近年來(lái),上、中揚(yáng)子地區(qū)的頁(yè)巖氣勘探取得了重大突破[1-7],下?lián)P子地區(qū)的油氣頁(yè)巖氣資源調(diào)查工作已成為中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的重點(diǎn)保障工作[8]。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心在下?lián)P子地區(qū)做了大量的工作,取得了階段性的進(jìn)展[8-13],特別是皖油地1井、港地1井實(shí)現(xiàn)了寧國(guó)凹陷的油氣發(fā)現(xiàn)[14],對(duì)下?lián)P子油氣資源勘探具有重要意義。

截至目前,下?lián)P子頁(yè)巖油氣勘探主要是以小口徑地質(zhì)調(diào)查井為主,多采用繩索取心鉆井技術(shù),終孔直徑一般介于73～122 mm[13,15-16],不能滿(mǎn)足試油試氣等下一步工作的需要。皖油地1井是大口徑地質(zhì)調(diào)查井,終孔直徑215.9 mm,區(qū)域內(nèi)無(wú)此類(lèi)口徑的鉆井,可利用的鉆井資料少[17],因此安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)在皖油地1井鉆井工程實(shí)施過(guò)程中開(kāi)展了適用于該區(qū)域地層的大口徑鉆井技術(shù)研究,為寧國(guó)凹陷大口徑鉆井工程奠定工程技術(shù)基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)特征

皖油地1井位于蘇皖南坳陷寧國(guó)凹陷水東向斜。自晉寧期下?lián)P子褶皺基底形成以來(lái),下?lián)P子區(qū)經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造演化時(shí)間。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造行跡復(fù)雜,多褶皺和斷層,形成了一套復(fù)雜的構(gòu)造格局,這一現(xiàn)象導(dǎo)致了本區(qū)的地層完整性差[18]。裂隙發(fā)育容易出現(xiàn)漏失等事故,大大增加了鉆井施工的難度。

根據(jù)鉆探揭示,鉆井自上而下鉆遇的地層情況見(jiàn)表1。

表1 地層劃分及巖性特征

2 施工設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)

皖油地1井鉆井井身結(jié)構(gòu)如表2所示。根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì),一開(kāi)及二開(kāi)上部井段采用磨盤(pán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；二開(kāi)非取心井段采用螺桿鉆具孔底液動(dòng)鉆進(jìn)；取心井段采用了大口徑不提鉆取心鉆進(jìn)和KT-194鉆具[19]聯(lián)合螺桿兩種鉆進(jìn)方法。

表2 鉆井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

一開(kāi)鉆具組合為Φ311.2 mm牙輪鉆頭+Φ177.8 mm鉆鋌+Φ114.3 mm鉆桿,鉆進(jìn)至72.14 m,后采用Φ430 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔至47.88 m。下入Φ339.7 mm套管(鋼級(jí)J55)至47.88 m,封固第四系和松散層,固井,水泥返至地面。

二開(kāi)592 m以淺井段采用Φ311.2 mm牙輪鉆頭+Φ177.8 mm鉆鋌+Φ114.3 mm鉆桿鉆進(jìn),592 m以深采用Φ311.2 mm牙輪/金剛石復(fù)合片鉆頭+Φ172 mm螺桿+Φ177.8 mm鉆鋌+Φ114.3 mm鉆桿鉆進(jìn)。下入Φ244.5 mm套管(鋼級(jí)N80S)至814.74 m。固井,水泥返至地面。

三開(kāi)非取心井段采用Φ215.9 mm金剛石復(fù)合片/牙輪鉆頭+Φ172 mm螺桿+Φ177.8 mm鉆鋌+Φ114.3 mm鉆桿鉆進(jìn)。鉆遇泥巖、灰?guī)r(非頂?shù)装?等可鉆性好地層時(shí)采用金剛石復(fù)合片鉆頭,硬地層及頂?shù)装宓貙硬捎醚垒嗐@頭。

三開(kāi)取心井段采用了兩種取心鉆具,不提鉆取心鉆具(口徑215.9 mm,巖心外徑Φ80 mm)和KT-194鉆具。

2.2 主要設(shè)備

主要設(shè)備見(jiàn)表3。

表3 主要鉆井設(shè)備

2.3 鉆井液

2.3.1 鉆井液性能

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)和鉆井工程的需要,皖油地1井非目的層的鉆井液性能見(jiàn)表4,其中黏度采用蘇式漏斗黏度計(jì)測(cè)量。

表4 鉆井液性能

2.3.2 鉆井液凈化與維護(hù)

鉆井液凈化以機(jī)械凈化為主,化學(xué)絮凝為輔。根據(jù)分離顆粒的尺寸,振動(dòng)篩、除泥器和離心機(jī)等三級(jí)固控除砂、除泥,控制鉆井液固相含量。

鉆井液循環(huán)系統(tǒng)合理設(shè)置,采用鉆井液罐防止雨水、污水滲入破壞鉆井液性能和防止鉆井液污染環(huán)境。

3 關(guān)鍵工藝技術(shù)

皖油地1井完井井深2 012.16 m。為縮短施工周期和保證工程的順利完成,主要采用了井壁穩(wěn)定方法、石膏層鉆頭泥包處理方法和窄鉆井液密度窗口條件下的鉆進(jìn)方法等工藝技術(shù)。

3.1 井壁穩(wěn)定方法

皖油地1井主要目的層段為二疊系大隆組、龍?zhí)督M和孤峰組,其中龍?zhí)督M巖石破碎嚴(yán)重,如圖1所示。但為了保證油氣顯示,根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心要求,目的層井段取心鉆進(jìn)時(shí)鉆井液密度須保持在1.07 g/cm3及以下。低密度鉆井液形成的液注壓力不能平衡地層壓力,井內(nèi)發(fā)生坍塌,如圖2所示。

圖1 龍?zhí)督M巖心圖(1 356.16～1 358.46 m)Fig.1 Core drawing of Longtan Group(1 356.16～1 358.46 m)

圖2 掉塊圖Fig.2 Drawing of falling cuttings

為此,通過(guò)研究不同鉆井液黏度時(shí)的掉塊尺寸(振動(dòng)篩處取樣),優(yōu)選適宜的鉆井液黏度。如圖3所示。

圖3 掉塊尺寸隨鉆井液黏度變化圖Fig.3 Diagram of falling cuttings size changing with drilling fluid viscosity

在目的層段,在鉆井液密度不能升高的情況下,加入高-中黏羧甲基纖維素(CMC)/高效增黏劑提高鉆井液黏度至30 s以上,增大了鉆井液切力,提高了鉆井液懸浮能力,使其攜帶出大量沉渣,降低了鉆井液含砂量,且CMC還具有一定的潤(rùn)滑性,減小鉆具和井壁之間的摩擦和降低鉆井液循環(huán)流動(dòng)阻力。

同時(shí)加入腐殖酸鉀(KHm)/磺化褐煤(SMC)鉆井液失水量至4.5 mL/30 min以下,減小自由水向井壁的滲透,提高了鉆井液防塌能力,起到穩(wěn)定井壁的效果。處理后鉆井液性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 處理后鉆井液性能參數(shù)

調(diào)整鉆井液參數(shù)適宜后,再多次短起劃眼和循環(huán)鉆井液清洗井底,待新井段應(yīng)力釋放至達(dá)成新的平衡后繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆穿龍?zhí)督M后,完成了主要目的層的鉆進(jìn)工作,達(dá)到了地質(zhì)目的。在保護(hù)儲(chǔ)層的同時(shí),申請(qǐng)將鉆井液密度調(diào)整至設(shè)計(jì)密度(1.16 g/cm3),保持地層壓力和液注壓力的近平衡。

3.2 漏失地層的處理方法

皖油地1井鉆進(jìn)至1 544 m時(shí)發(fā)現(xiàn)地層漏失,測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)顯示1 523.4～1 631.1 m井段存在三層裂縫層,如表6所示。

表6 漏失位置

由于上部井段井壁不穩(wěn)定,大泵量的鉆進(jìn)可能導(dǎo)致鉆井液嚴(yán)重沖刷井壁造成井壁失穩(wěn),施工中采用低泵量頂漏作業(yè)。但是低泵量條件下螺桿轉(zhuǎn)速降低,不利于快速鉆進(jìn)。為此主要通過(guò)以下技術(shù)方法進(jìn)行控制:①控制失水量,鉆井液失水量最低至3.5 mL/30 min；②提高鉆井液的抑制能力,加入多種強(qiáng)抑制劑(如:K-PAM),抑制劑也具有一定降低濾失量的效果；③增加鉆井液的黏度和加入暫堵性堵漏材料，加入多種增黏劑(CMC、PAM),并加入鋸末、核桃粉等堵漏材料。

3.3 石膏層鉆頭泥包處理方法

皖油地1井鉆進(jìn)石膏層井段1 543～1 545 m時(shí)鉆頭發(fā)生泥包,石膏層的厚度約2 m,圖4為振動(dòng)篩除出的石膏層巖屑樣。

圖4 石膏層巖屑樣Fig.4 Debris sample of gypsum layer

鉆進(jìn)至石膏層,鉆頭發(fā)生泥包,主要現(xiàn)象有:①鉆時(shí)明顯變長(zhǎng),鉆時(shí)由60 min增加至180 min,甚至更長(zhǎng)；②改變鉆壓時(shí)電流表波動(dòng)小,對(duì)鉆進(jìn)效率無(wú)明顯影響。

結(jié)合地層情況,研究認(rèn)為：①泥頁(yè)巖雖成巖,但易于水化分散,井眼內(nèi)泥質(zhì)或固相含量增大；②地層中含有純石膏井段,分散石膏造成鉆井液污染后,鉆井液中的有害固相難于清除；③為防止地層漏失,排量小,不能有效清洗井底及鉆頭,同時(shí)上返速度不足,巖屑在井內(nèi)滯留時(shí)間長(zhǎng),黏附于井壁形成厚泥餅。三種原因的疊加作用造成了鉆頭的泥包。

針對(duì)鉆頭泥包,結(jié)合地層情況,主要的處理方法如下:①調(diào)整鉆井液性能:加堿和增加離心機(jī)工作時(shí)間,降低鉆井液固相含量；降低鉆井液黏度、切力,及時(shí)清除劣質(zhì)固相,增加無(wú)熒光潤(rùn)滑劑投入量,使鉆屑不易黏附到鉆頭上；加大鉆井液中聚合物含量,控制失水,提高泥餅質(zhì)量。②下鉆中途進(jìn)行循環(huán),沖洗鉆頭,防止下鉆時(shí)鉆頭不斷刮削井壁,井壁上的泥餅或滯留于井內(nèi)的鉆屑會(huì)在鉆頭下堆積。③下鉆到底后,充分循環(huán)鉆井液,清洗井眼,防止起鉆后滯留在井眼的鉆屑繼續(xù)水化分散。④精細(xì)操作,均勻加壓；發(fā)現(xiàn)鉆頭泥包時(shí),上提鉆頭脫離井底,提高轉(zhuǎn)速增加離心力去除泥塊。

3.4 窄鉆井液密度窗口條件下的鉆進(jìn)方法

皖油地1井鉆進(jìn)過(guò)程中,進(jìn)入黃龍組以后發(fā)生漏失(表6)。由于上部龍?zhí)督M地層存在坍塌、黃龍組地層存在漏失(上塌下漏),鉆井液密度窗口窄。鉆進(jìn)過(guò)程中積極探索了適宜的鉆井液密度。

為保持龍?zhí)督M井壁穩(wěn)定,鉆井液密度需保持在1.20 g/cm3以上。鉆井液密度為1.20 g/cm3時(shí),鉆井液泵頻率須小于等于40 Hz(泵量為27.58 L/s),泵壓小于等于8.5 MPa。實(shí)測(cè)螺桿壓降為5.5 MPa,因此環(huán)空壓降為3 MPa。結(jié)合式(1)計(jì)算ECD：

(1)

式(1)中：ECD為當(dāng)量循環(huán)密度；ESD為當(dāng)量靜態(tài)密度；ΔP為環(huán)空壓降；H為井深。經(jīng)計(jì)算,龍?zhí)督M鉆井液當(dāng)量密度ECD的窗口為1.18～1.22 g/cm3。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)皖油地1井的施工,為區(qū)域類(lèi)油氣鉆探提供了寶貴的地層資料和鉆井經(jīng)驗(yàn)。

(2)寧國(guó)凹陷二疊系龍?zhí)督M泥頁(yè)巖地層易坍塌,低密度的鉆井液不能穩(wěn)定保持鉆井液液注壓力和地層壓力平衡,易造成井壁失穩(wěn)。

(3)寧國(guó)凹陷棲霞組、船山組和黃龍組存在裂縫性地層,地層漏失；船山組存在純石膏層,易造成鉆頭泥包,應(yīng)當(dāng)提前防范。

(4)通過(guò)窄鉆井液密度窗口條件下的鉆進(jìn)方法的研究,為研究區(qū)鉆井工程積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn),有利于區(qū)域內(nèi)下一步鉆井工藝的優(yōu)化。