阿姆河右岸B區(qū)巨厚鹽膏層大斜度井安全鉆井

吳 豐，程 林，郭升濤，杜青云，尹曉明，陳 娜，馬鴻彥

1中國石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 2中國石油渤海鉆探工程有限公司第二鉆井分公司

0 引言

土庫曼斯坦阿姆河右岸目標(biāo)B區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜。地表疏松含流沙層，易垮塌；過路層分布著800～1 000 m的巨厚鹽膏層，且存在次生氣藏和高壓鹽水層；鹽下天然氣資源豐富，儲層壓力高,壓力系數(shù)在1.70～2.20之間，氣藏埋藏深約3 200～3 800 m，鉆井難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高。該區(qū)塊前期已鉆井均為直井，為提高單井開發(fā)效率和投資回報(bào)率，采用大斜度井、水平井增加氣藏泄流面積，提高單井產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)氣藏的目的。但鹽膏層鉆進(jìn)存在諸如地層蠕變縮徑、鉆井液污染嚴(yán)重、井眼軌跡難控制、定向造斜卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大等技術(shù)難題[1-2]，且區(qū)塊無定向井、水平井的實(shí)鉆資料做參考，因此需要針對巨厚鹽膏層大斜度井定向井段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期降低鉆井施工風(fēng)險(xiǎn)。目前關(guān)于鹽膏層鉆井的巖鹽鉆井液性能、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鉆頭優(yōu)選等已做較多工作[3-4]，諸如鹽膏層造斜穩(wěn)斜難度大，高壓鹽水層條件下井下工具易受損、造斜井段長度優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-6]等還存在很多難點(diǎn)。根據(jù)該B地區(qū)鹽膏層特點(diǎn)，本文構(gòu)建出了適合該氣田鉆井的巖鹽蠕變模型，計(jì)算出了安全鉆進(jìn)時間和鉆井液密度，并結(jié)合現(xiàn)場鉆井液體系使用情況，提出了規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)行鹽膏層鉆井液維護(hù)的重要性。同時，綜合考慮氣田儲層目標(biāo)埋深、鹽膏層穩(wěn)定性和造斜工具能力，對巨厚鹽膏層大斜度井造斜點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)選，確定了鹽膏層中上鹽層造斜的方案，并在現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用中驗(yàn)證了該地區(qū)鹽下氣田鹽膏層中造斜的可行性和實(shí)用價值。

1 鹽膏層鉆井液性能

1.1 已鉆井鉆井液體系技術(shù)難點(diǎn)

目標(biāo)B區(qū)塊前期已鉆井均是直井，使用的鉆井液體系如表1所示。

表1 B區(qū)塊原鉆井液體系

存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)上部地層泥巖段長，巖石膠結(jié)性較差，存在井壁失穩(wěn)、大井眼攜砂困難、鉆屑分散造漿、鉆頭泥包等復(fù)雜。

(2)中部長段膏鹽層鉆進(jìn)中，鉆井液面臨鹽、鈣污染、井眼縮徑卡鉆、飽和鹽水鉆井液的流變性和失水控制困難，以及可能鉆遇高壓CaCl2型鹽水對鉆井液性能破壞，導(dǎo)致井下情況變得更復(fù)雜等。

(3)儲層破碎、微裂縫發(fā)育、酸性氣體含量高，滲透性好、安全密度窗口窄、地溫梯度高，對鉆井液的高溫穩(wěn)定性、失水、潤滑性能、流變性和防滲、防硫、防CO2、防噴及儲層保護(hù)等要求高。

1.2 巖鹽蠕變本構(gòu)模型

巖鹽蠕變具有非線性力學(xué)特征，巖鹽的形變狀態(tài)隨著時間而發(fā)生變化。影響巖鹽的蠕變速率的因素包括環(huán)境溫度、壓力、時間等，因此構(gòu)建描述巖鹽蠕變的物理模型[7]：

(1)

假設(shè)該區(qū)塊鹽膏地層地應(yīng)力分布均勻，各向同性，屬于平面應(yīng)變問題，靜水壓載不影響巖鹽蠕變速率。構(gòu)建描述巖鹽蠕變的本構(gòu)關(guān)系：

平衡方程：

(2)

幾何方程：

(3)

物理方程：

(4)

邊界條件：

(5)

式中：εs—穩(wěn)態(tài)蠕變速率，s-1；Q—鹽巖的激活能，cal/mol；R—?dú)怏w摩爾常數(shù)；σ—應(yīng)力差，MPa；T—熱力學(xué)溫度，K；A和B—巖石的蠕變參數(shù)，無因次；σr—徑向應(yīng)力，MPa；σθ—徑向應(yīng)力，MPa；r—半徑，m；εr—徑向應(yīng)變，無因次；εθ—徑向應(yīng)變，無因次；σH—水平最大地應(yīng)力，MPa；σh—水平最小地應(yīng)力，MPa；a—井眼半徑，m；pi—井內(nèi)鉆井液柱壓力，MPa。

1.3 巖鹽蠕變安全鉆井液密度

根據(jù)B區(qū)塊地層資料顯示，儲層上段是高壓膏鹽層，最大溫度110 ℃，最大水平地應(yīng)力梯度2.2 MPa/100 m，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)

借鑒鄰區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)，則維持一定井眼縮進(jìn)率所需的鉆井液密度計(jì)算公式為：

(6)

(7)

式中：n—井眼縮進(jìn)率；a—井眼半徑，mm；H—井深，m；σH—水平最大地應(yīng)力，MPa；σh—水平最小地應(yīng)力,MPa。

1.4 巖鹽蠕變安全鉆井時間

根據(jù)式(6)和式(7)計(jì)算出該地區(qū)維持鹽膏層縮徑率為0.1%的鉆井液密度為1.90 g/cm3，維持時間約100 h，如圖1所示。

圖1 不同鉆井液密度縮進(jìn)率版圖

1.5 巖鹽蠕變安全鉆井液性能

為了保證鹽膏層中安全順利鉆進(jìn)，對鉆井液處理劑進(jìn)行室內(nèi)抗溫、抗鹽實(shí)驗(yàn)評價，優(yōu)選出滿足巨厚鹽膏層鉆井要求的飽和聚磺鉆井液體系，其具體性能見表3。

表3 巨厚鹽膏層飽和鹽水鉆井液性能優(yōu)選

2 大斜度井定向井段優(yōu)化

2.1 水平段長度優(yōu)選

圖2顯示了氣井產(chǎn)能與水平段長度之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著水平段長度增加，氣井無阻流量增大，當(dāng)水平段長增加到400 m后，氣井無阻流量增大趨勢進(jìn)入平緩期?？紤]鉆井綜合成本和施工難度，水平段長度優(yōu)選范圍在400～600 m。同時，根據(jù)鄰井資料預(yù)測本區(qū)域大斜度井日氣產(chǎn)量在100×104m3，考慮到大斜度鉆井難度和完井酸化等施工條件，水平段井眼優(yōu)選?215.9 mm，配合?73.0 mm或?88.9 mm油管均可。

圖2 水平段段長與無阻流量關(guān)系圖

2.2 井眼軌跡優(yōu)化

案例井造斜點(diǎn)設(shè)計(jì)垂深2 650 m，儲層段長400 m，井斜角為82.4°。為了能夠?qū)崿F(xiàn)在鹽層中造斜、增斜、穩(wěn)斜的目的，井眼軌跡優(yōu)化為“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”五段制。優(yōu)化后的井眼軌跡剖面設(shè)計(jì)參數(shù)見表4所示。

表4 案例井軌跡剖面設(shè)計(jì)

2.3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對B區(qū)地質(zhì)特征和儲層特征進(jìn)行分析，結(jié)合大斜度水平段井眼尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果，并參考B區(qū)鄰井已鉆井資料，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)。當(dāng)考慮淺部地層存在次生高壓氣藏和高壓水層時，需要在淺表層增加一級套管，封隔次生氣藏地層，即需采用四開井身結(jié)構(gòu)：?508 mm+?339.7 mm+?244.5 mm+?177.8 mm，其中一開?508 mm表層套管下深15 m左右，安裝具有井控能力的井口，預(yù)防淺層氣藏。案例井中淺部不存在次生高壓氣藏，即采用三開井身結(jié)構(gòu)：?339.7 mm+?244.5 mm+?177.8 mm，各層次套管下深和目的表示如下：

(1)表層套管。一開使用?444.5 mm鉆頭鉆進(jìn)至井深1 420 m，?339.7 mm表層套管下深1 419 m，目的是封隔鹽膏層以上地表淺水層、疏松地層等不穩(wěn)定地層，防止井壁垮塌掉塊，提高地層承壓能力，為鹽膏層安全鉆進(jìn)創(chuàng)造有利條件。

(2)技術(shù)套管。二開用?311.2 mm鉆頭鉆進(jìn)至井深3 272 m(B靶點(diǎn))，用?244.5 mm+?250.8 mm復(fù)合技術(shù)套管下深3 271 m，目的是封隔鹽膏層。

(3)生產(chǎn)套管。三開使用?215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至完鉆井深3 878 m，鉆穿目的灰?guī)r層，并采用?177.8 mm尾管懸掛后，再回接至井口完井，封固裸眼產(chǎn)層。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

根據(jù)表5的鉆井設(shè)計(jì)與實(shí)際周期對比數(shù)據(jù)顯示，案例井在二開后的鹽膏層中鉆進(jìn)時間為65 d，比設(shè)計(jì)天數(shù)縮短27%，穿越鹽膏層的時間顯著縮短，鉆井事故頻次降低。B區(qū)塊采用優(yōu)化后的三開次和四開次大斜度定向井身結(jié)構(gòu)后，平均機(jī)械鉆速提速效果顯著。

表5 案例井鉆井設(shè)計(jì)與實(shí)際周期對比

4 結(jié)論

(1)通過繪制不同鉆井液縮徑率圖版，可得該地區(qū)鹽膏層為維持縮徑率為0.1%的鉆井液密度為1.90 g/cm3，維持時間約100 h。

(2)優(yōu)化井眼軌跡為“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”五段制，設(shè)計(jì)鹽膏層第一增斜段造斜段率為5°/30 m，增斜至30°；第二增斜段造斜率為3.7°/30 m，保證矢量入靶。

(3)通過優(yōu)選各開次鉆井液體系，合理設(shè)計(jì)鉆井液密度，提高鉆井液鹽膏層的抗污染能力，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)與井眼軌跡，克服鹽巖蠕變和卡鉆等難題，形成了一套適合巨厚鹽膏層大斜度井的鉆井液性能和定向井段優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。