深水高溫高壓氣田窄壓力窗口地層鉆井安全概率區(qū)間

李 中 謝仁軍 袁俊亮

中海油研究總院有限責(zé)任公司

0 引言

南海西部鶯瓊盆地屬于新生代大型走滑盆地，位于印澳—?dú)W亞—太平洋三大板塊交界處[1-2]。該盆地油氣資源豐富，儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)面積近2×104km2，并且70%的資源量都蘊(yùn)含于深水區(qū)，部分儲(chǔ)層具有高溫高壓特點(diǎn)，如古近系黃流組二段儲(chǔ)層，該儲(chǔ)層段埋深在4 000 m左右，地層溫度超過(guò)200 ℃，地層壓力系數(shù)超過(guò)2.25。1984年，阿科石油公司（ARCO）在黃流組二段鉆探了第1口高溫高壓井，在之后的20余年里，CHEVRON、BP、SHELL等多家國(guó)際石油公司先后鉆探了15口高溫高壓井，由于受到當(dāng)時(shí)設(shè)備和技術(shù)條件的限制，大多數(shù)探井未成功鉆達(dá)地質(zhì)目標(biāo)[3-5]。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)海油）依托國(guó)家科技重大專項(xiàng)、總公司重大科技專項(xiàng)等科研項(xiàng)目，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海上高溫高壓鉆完井關(guān)鍵技術(shù)。截至2020年7月，中國(guó)海油在鶯瓊盆地已累計(jì)完成深水高溫高壓井鉆井作業(yè)十余口[6-7]，使國(guó)內(nèi)首個(gè)深水高溫高壓氣田——陵水25-1氣田得以發(fā)現(xiàn)。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)向“雙深”（深水、深層）領(lǐng)域挺進(jìn)，鉆井作業(yè)將面臨更大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)深水高溫高壓氣井安全鉆井壓力窗口窄的問(wèn)題，為了提升鉆井安全性，以鶯瓊盆地某高溫高壓氣田黃流組實(shí)測(cè)地層孔隙壓力和破裂壓力為樣本，分析數(shù)據(jù)分布特征，然后基于Mode-C模型建立地層孔隙壓力、破裂壓力當(dāng)量密度的概率密度函數(shù)，進(jìn)而確定不同方位、井斜角的定向井在窄窗口地層的鉆井安全概率，以期為未來(lái)深水高溫高壓油氣田的安全高效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 高溫高壓氣田面臨的工程挑戰(zhàn)

南海西部鶯瓊盆地前期鉆探結(jié)果顯示，該區(qū)域深水氣田呈現(xiàn)“三高、一窄”的特點(diǎn)，即高地層溫度、高壓力系數(shù)、高含CO2、極窄壓力窗口。地層溫度最高達(dá)到214 ℃；地層壓力系數(shù)最高達(dá)到2.31；氣體組分中CO2含量最高達(dá)70%，并且部分探井的鉆桿地層測(cè)試結(jié)果顯示地層中氣體還包含劇毒腐蝕性氣體——H2S；安全鉆井壓力窗口窄至0.1。如此惡劣的地質(zhì)條件使鉆井作業(yè)者面臨極大的工程挑戰(zhàn)，尤其高地層壓力帶來(lái)的一系列難題將影響氣田勘探開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，研究地層壓力分布規(guī)律具有重要意義。

1.1 鉆井風(fēng)險(xiǎn)高

高溫高壓區(qū)異常壓力成因復(fù)雜，除自源成因（由欠壓實(shí)沉積造成地質(zhì)加載而形成）以外，他源成因（構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓、裂縫充注、高溫流體膨脹等）也起著重要作用[3-4]。由于受到這些因素的綜合影響，使得儲(chǔ)層段地層壓力高，而破裂壓力低，儲(chǔ)層段安全鉆井寬度窗口將收窄至0.1左右。因此，在鉆井作業(yè)過(guò)程中極有可能發(fā)生井漏或者溢流、井涌甚至井噴，對(duì)人員和設(shè)備安全造成嚴(yán)重威脅。

1.2 井涌監(jiān)測(cè)難

在高溫高壓環(huán)境下的鉆井作業(yè)中必須采用高密度鉆井液，在井底高液柱壓力下氣體膨脹量小、溶解量高，早期的微弱氣侵難以被及時(shí)識(shí)別，至累積侵入的氣體上竄后再關(guān)井[5]，則容易造成關(guān)井套壓較高，井控處理余地小。

1.3 固井質(zhì)量面臨挑戰(zhàn)

一方面，高密度鉆井液與固井水泥漿的流變性接近，加之固井排量低，在定向井偏心環(huán)空中頂替效率難以保證；另一方面，高溫（180 ℃以上）、高酸性環(huán)境對(duì)水泥漿的穩(wěn)定性和完整性提出了更高要求，若不能滿足將會(huì)出現(xiàn)水泥早凝和環(huán)空帶壓的問(wèn)題[6-7]。

1.4 測(cè)井質(zhì)量面臨挑戰(zhàn)

由于各類處理劑、穩(wěn)定劑加量大，儲(chǔ)層更容易受到鉆井液濾液的侵染，測(cè)井曲線可能無(wú)法反映原狀地層的真實(shí)特質(zhì)。在電纜測(cè)井方面，180 ℃的靜止高溫對(duì)測(cè)井工具中電子元器件的穩(wěn)定性、傳輸速率和壽命提出了較大挑戰(zhàn)[8-9]；在隨鉆測(cè)量方面，由于鉆井液本身密度高，維持隨鉆測(cè)井（LWD）/隨鉆測(cè)量（MWD）工具數(shù)據(jù)傳輸所需的最低排量（約950 L/min）可能會(huì)引起環(huán)空當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度（ECD）超過(guò)破裂壓力。

1.5 錄井顯示度低

高溫高壓目的層埋深通常超過(guò)4 000 m，儲(chǔ)層孔隙度、滲透率不高，平均孔隙度為10%，平均滲透率為2.5 mD，由于高密度鉆井液可能會(huì)污染儲(chǔ)層，使得氣測(cè)、巖屑、熒光等錄井手段的顯示度低[7,10]。

1.6 健康、安全、環(huán)保（HSE）壓力大

由于海上平臺(tái)空間有限，在鉆探高溫高壓并且含H2S的氣層時(shí)，一旦發(fā)生氣侵或溢流，即轉(zhuǎn)入二級(jí)井控狀態(tài)，由于關(guān)井套壓會(huì)較高，使井口、防噴器等井控設(shè)備的承壓能力面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)平臺(tái)上作業(yè)人員的安全造成較大威脅[10-12]。

1.7 開(kāi)發(fā)成本高

由于腐蝕性氣體CO2的含量高達(dá)70%，加之地層壓力高使得CO2分壓也高，對(duì)油套管選材的防腐要求苛刻，如油管和封隔器以下的套管，其材質(zhì)的防腐等級(jí)要求高，均需選擇22Cr以上的材質(zhì)[13]；窄窗口地層鉆井需調(diào)用日費(fèi)高的控壓鉆井或連續(xù)循環(huán)設(shè)備；在循環(huán)溫度超過(guò)180 ℃地層鉆進(jìn)，需要特別訂制耐高溫型定向工具，以及單價(jià)昂貴的甲酸銫抗高溫完井液[14-15]。受到前述因素的綜合影響，高溫高壓開(kāi)發(fā)井每米鉆井成本可能是常規(guī)開(kāi)發(fā)井的5～6倍。

2 地層孔隙壓力當(dāng)量密度的概率密度分布規(guī)律

研究數(shù)據(jù)樣本的分布規(guī)律時(shí)，樣本數(shù)據(jù)頻率分布曲線通?？梢詣澐譃檎龖B(tài)分布、左偏態(tài)分布、右偏態(tài)分布3類[16-18]。呈正態(tài)分布的曲線形態(tài)為鐘形，即中間高、兩端低，并且左右對(duì)稱。與正態(tài)分布不同，呈左/右偏態(tài)分布的曲線形態(tài)表現(xiàn)為左右不對(duì)稱，并且峰值靠近某一端[19-20]。

根據(jù)鶯瓊盆地某高溫高壓氣田黃流組儲(chǔ)層段的實(shí)測(cè)地層壓力數(shù)據(jù)49項(xiàng)，計(jì)算相應(yīng)的地層孔隙壓力當(dāng)量密度，然后以0.02 g/cm3為間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到地層孔隙壓力當(dāng)量密度出現(xiàn)的頻率。如圖1所示，該氣田儲(chǔ)層段地層孔隙壓力當(dāng)量密度介于1.70～1.90 g/cm3的頻數(shù)為1次，介于1.90～2.00 g/cm3的頻數(shù)為2次，介于2.00～2.10 g/cm3的頻數(shù)為5次，介于2.10～2.20 g/cm3的頻數(shù)為11次，介于2.20～2.30 g/cm3的頻數(shù)最高，為28次，大于2.30 g/cm3的頻數(shù)為2次。如圖1所示，該氣田儲(chǔ)層段地層孔隙壓力當(dāng)量密度頻率分布形態(tài)為左偏態(tài)，之后計(jì)算得到地層孔隙壓力當(dāng)量密度的概率密度函數(shù)。

圖1 鶯瓊盆地某高溫高壓氣田儲(chǔ)層段地層孔隙壓力當(dāng)量密度頻率分布統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)地層孔隙壓力當(dāng)量密度頻率分布形態(tài)，選用描述左偏態(tài)的Mode-C模型，采用最小二乘法對(duì)地層孔隙壓力當(dāng)量密度的概率密度函數(shù)f(ρp)進(jìn)行擬合，得

式中ρp表示孔隙壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

由式（1）可知，f(ρp)為ρp的單值函數(shù)，對(duì)該函數(shù)進(jìn)行積分則得到地層孔隙壓力當(dāng)量密度累積概率曲線。如圖2所示，由積分得到的累積概率曲線（藍(lán)色實(shí)線）與實(shí)測(cè)的累積概率曲線（黑色實(shí)線）吻合較好。地層孔隙壓力當(dāng)量密度低于2.00 g/cm3的概率約為8%，低于2.20 g/cm3的概率約為35%，而低于2.28 g/cm3的概率約為85%。根據(jù)地層孔隙壓力當(dāng)量密度累積概率分布曲線，當(dāng)使用的鉆井液密度值位于藍(lán)色曲線右側(cè)時(shí)，具有相應(yīng)概率可以防止井涌/氣侵發(fā)生，進(jìn)而保障鉆井安全。

圖2 地層孔隙壓力當(dāng)量密度累積概率分布曲線圖

3 破裂壓力當(dāng)量密度的概率密度分布規(guī)律

下面，采用同樣的思路來(lái)分析前述高溫高壓氣田儲(chǔ)層頂部泥頁(yè)巖的破裂壓力當(dāng)量密度分布規(guī)律。數(shù)據(jù)來(lái)源為244.48 mm套管鞋附近地層的地漏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和由鉆井過(guò)程中發(fā)生漏失時(shí)的井底壓力計(jì)算得到的鉆井液當(dāng)量密度。以0.02 g/cm3為間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到破裂壓力當(dāng)量密度出現(xiàn)的頻率。如圖3所示，該氣田儲(chǔ)層段的破裂壓力當(dāng)量密度介于2.20～2.22 g/cm3的頻數(shù)為1次，介于2.24～2.26 g/cm3的頻數(shù)為1次，介于2.28～2.30 g/cm3的頻數(shù)為2次，介于2.30～2.32 g/cm3的頻數(shù)為2次，介于2.32～2.34 g/cm3的頻數(shù)為4次，介于2.34～2.36 g/cm3的頻數(shù)為5次，介于2.36～2.38 g/cm3的頻數(shù)最高，為6次，介于2.38～2.40 g/cm3的頻數(shù)為3次；破裂壓力當(dāng)量密度頻率分布形態(tài)呈左偏態(tài)，之后，計(jì)算得到破裂壓力當(dāng)量密度的概率密度函數(shù)。

圖3 破裂壓力當(dāng)量密度頻率分布統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)破裂壓力當(dāng)量密度頻率分布形態(tài)，選用描述左偏態(tài)的Mode-C模型，采用最小二乘法對(duì)破裂壓力概率密度函數(shù)f(ρf)進(jìn)行擬合，得

式中ρf表示破裂壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

對(duì)該函數(shù)進(jìn)行積分，得到破裂壓力當(dāng)量密度累積概率曲線。如圖4所示，計(jì)算的破裂壓力當(dāng)量密度累積概率曲線（紅色實(shí)線）與由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制的累積概率曲線（黑色實(shí)線）吻合較好。破裂壓力當(dāng)量密度低于2.30 g/cm3的概率約為15%，低于2.36 g/cm3的概率約為55%，低于2.40 g/cm3的概率約為98%。根據(jù)破裂壓力當(dāng)量密度累積概率分布曲線，當(dāng)使用的鉆井液密度位于紅色曲線右側(cè)時(shí)，有相應(yīng)概率會(huì)造成井筒破裂，從而發(fā)生鉆井液的漏失。

圖4 直井地層破裂壓力當(dāng)量密度累積概率分布曲線圖

基于上述對(duì)破裂風(fēng)險(xiǎn)的概率分析，根據(jù)概率互斥基本法則，計(jì)算直井井筒破裂風(fēng)險(xiǎn)安全的累積概率。如圖5所示，目的層上覆蓋層破裂壓力當(dāng)量密度高于2.30 g/cm3的概率約為85%，高于2.36 g/cm3的概率約為45%，高于2.40 g/cm3的概率僅為2%。當(dāng)使用的鉆井液密度低于紅色曲線時(shí)，有相應(yīng)概率能夠避免井筒破裂。

圖5 直井井筒破裂風(fēng)險(xiǎn)安全累積概率分布圖

4 開(kāi)發(fā)井鉆井安全概率區(qū)間

上述分析的井主要是直探井，為了分析定向井的鉆井安全概率，需要確定不同方位不同井斜角的定向井地層破裂壓力（pf定向井）分布規(guī)律。在現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)中，地漏實(shí)驗(yàn)通常僅在直探井中進(jìn)行，實(shí)測(cè)的pf定向井樣本數(shù)量無(wú)法達(dá)到一定的規(guī)模。在此情況下，筆者通過(guò)分析定向井與直井地層破裂壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得pf定向井的概率分布規(guī)律。在孔隙壓力方面，由于靜水壓力各向同性，定向井與直井的孔隙壓力概率分布規(guī)律一致。

首先，根據(jù)孔隙線彈性連續(xù)介質(zhì)理論[21-23]，利用Matlab語(yǔ)言編制了pf定向井計(jì)算程序；然后，采用黃流組二段砂巖巖心，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得pf定向井計(jì)算參數(shù)（表1）；運(yùn)行程序計(jì)算不同方位、不同井斜角的定向井pf定向井與直井地層破裂壓力（pf直井）之比。如圖6所示，以鉆進(jìn)方位為N90°E的定向井為例，若井斜角為30°，pf定向井為pf直井的99.2%，若井斜角為45°，pf定向井為pf直井的98.5%，若井斜角為90°，pf定向井為pf直井的96.5%。在缺乏定向井地漏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，采用該方法可以分析定向井的井筒破裂風(fēng)險(xiǎn)概率。

綜合圖2、5、6，得到開(kāi)發(fā)井安全鉆井概率區(qū)間（圖7）。圖7中藍(lán)色曲線代表孔隙壓力當(dāng)量密度低于某值的概率，紅色曲線表示不同井斜角開(kāi)發(fā)井地層破裂壓力當(dāng)量密度高于某值的概率。藍(lán)色與紅色曲線共同構(gòu)成的綠色區(qū)域即為開(kāi)發(fā)井的安全鉆井概率。

表1 pf定向井計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖6 不同鉆進(jìn)方位下定向井與直井地層破裂壓力之比與井斜角關(guān)系曲線圖

如圖7所示，對(duì)于直井而言，采用常規(guī)鉆井手段維持井底壓力當(dāng)量密度介于2.25～2.35 g/cm3，波動(dòng)幅度為0.1 g/cm3，有60%的概率能實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)安全，同時(shí)則有40%的概率可能發(fā)生復(fù)雜情況。若采用控壓鉆井技術(shù)將波動(dòng)幅度控制在0.02 g/cm3以內(nèi)，則有85%的概率能實(shí)現(xiàn)安全鉆井，有15%的概率可能發(fā)生復(fù)雜情況。

對(duì)于井斜角為45°的開(kāi)發(fā)井，維持井底壓力當(dāng)量密度介于2.23～2.33 g/cm3，波動(dòng)幅度為0.1 g/cm3，則有45%的概率能實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)安全，有55%的概率可能發(fā)生復(fù)雜情況。若采用控壓鉆井技術(shù)將波動(dòng)幅度控制在0.02 g/cm3以內(nèi)，則有75%的概率能實(shí)現(xiàn)安全鉆井，有25%的概率可能發(fā)生復(fù)雜情況。

對(duì)于井斜角為90°的水平井，維持井底壓力當(dāng)量密度介于2.18～2.28 g/cm3，波動(dòng)幅度為0.1 g/cm3，則有30%的概率能實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)安全，有70%的概率可能發(fā)生復(fù)雜情況。若采用控壓鉆井技術(shù)將波動(dòng)幅度控制在0.02 g/cm3以內(nèi)，則有55%的概率能實(shí)現(xiàn)安全鉆井，有45%的概率可能發(fā)生復(fù)雜情況。

值得注意的是，由于該結(jié)果是基于已鉆高溫高壓井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的概率分析，反映的是樣本的整體特征，目的是為了在鉆前評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，因此該方法僅適用于區(qū)域上的整體預(yù)測(cè)，并不適用于具體待鉆單井的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。對(duì)具體單井而言，需根據(jù)鉆前地震、地質(zhì)資料、鄰井的鉆井/測(cè)井/錄井資料、目標(biāo)井隨鉆測(cè)井/錄井?dāng)?shù)據(jù)，采用中途VSP地層層速度反演技術(shù)及隨鉆前視技術(shù)，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)下部關(guān)鍵層深度和壓力窗口，實(shí)時(shí)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，調(diào)整套管下入深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆井安全概率的大幅提升。

此次研究聚焦的目標(biāo)儲(chǔ)層段——黃流組在鶯瓊盆地深水區(qū)域和淺水區(qū)域均廣泛分布。針對(duì)不同水深范圍，在不同構(gòu)造獲取探井?dāng)?shù)據(jù)樣本，反算概率密度模型參數(shù)，可以在鉆前階段實(shí)現(xiàn)對(duì)待鉆井的風(fēng)險(xiǎn)概率定量評(píng)估。

5 結(jié)論

1）該氣田黃流組儲(chǔ)層段地層孔隙壓力、破裂壓力當(dāng)量密度頻率分布形態(tài)均為左偏態(tài)，地層孔隙壓力當(dāng)量密度低于2.28 g/cm3的概率約為85%，破裂壓力當(dāng)量密度低于2.30 g/cm3的概率約為15%。

2）對(duì)于直井而言，采用常規(guī)鉆井手段維持井底壓力當(dāng)量密度介于2.25～2.35 g/cm3，波動(dòng)幅度為0.1 g/cm3，有60%的概率能實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)安全，若采用控壓鉆井技術(shù)將波動(dòng)幅度控制在0.02 g/cm3以內(nèi)，則有85%的概率能實(shí)現(xiàn)安全鉆井。

3）對(duì)于井斜角為45°的開(kāi)發(fā)井，維持井底壓力當(dāng)量密度介于2.23～2.33 g/cm3，波動(dòng)幅度為0.1 g/cm3，則有45%的概率能實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)安全，若采用控壓鉆井技術(shù)將波動(dòng)幅度控制在0.02 g/cm3以內(nèi)，則有75%的概率能實(shí)現(xiàn)安全鉆井。

4）對(duì)于井斜角為90°的水平井，維持井底壓力當(dāng)量密度介于2.18～2.28 g/cm3，波動(dòng)幅度為0.1 g/cm3，則有30%的概率能實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)安全，若采用控壓鉆井技術(shù)將波動(dòng)幅度控制在0.02 g/cm3以內(nèi)，則有55%的概率能實(shí)現(xiàn)安全鉆井。

5）所提出的方法僅適用于區(qū)域上的整體預(yù)測(cè)，并不適用于具體待鉆單井的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。對(duì)具體單井而言，需根據(jù)鉆前地震、地質(zhì)資料、鄰井的鉆井/測(cè)井/錄井資料、目標(biāo)井隨鉆測(cè)井/錄井?dāng)?shù)據(jù)，采用中途VSP地層層速度反演技術(shù)及隨鉆前視技術(shù)，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)下部關(guān)鍵層深度和壓力窗口，實(shí)時(shí)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，調(diào)整套管下入深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆井安全概率的大幅度提升。