墨西哥灣深水鹽下復(fù)雜地層鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用

趙 德

（中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

全球海洋油氣資源44%分布在深水區(qū)。2010年以來，全球重大油氣發(fā)現(xiàn)70%來自深水，排名前50的超大油氣開發(fā)項(xiàng)目中，75%是深水項(xiàng)目。走向具備巨大油氣開發(fā)潛力的深水區(qū)，是海洋油氣資源勘探開發(fā)發(fā)展的大趨勢(shì)[1]。當(dāng)前，世界深水油氣勘探主要集中在墨西哥灣以及南大西洋兩岸的巴西與西非沿海三大海域，被稱為深水油氣勘探的“金三角”，它們集中了當(dāng)前世界大約84%的深水油氣鉆探活動(dòng)，其中墨西哥灣最多，墨西哥灣排行前20位的高產(chǎn)油氣田全部位于深水區(qū)。2000年底開始，墨西哥灣深水油氣田的產(chǎn)量已超過淺水區(qū)的油氣田[2-3]。中海油于2017年購買墨西哥灣2個(gè)區(qū)塊的勘探權(quán)益，區(qū)塊勘探目標(biāo)均位于深水區(qū)域的鹽層構(gòu)造以下，屬于墨西哥灣典型的深水鹽下油藏。該文對(duì)中海油墨西哥灣深水區(qū)塊鹽下油藏勘探鉆井面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，經(jīng)過與區(qū)域鄰井?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)對(duì)比，識(shí)別出主要鉆井風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，制定針對(duì)性的安全鉆井技術(shù)措施，并在一口井的鉆井作業(yè)中得到較好的應(yīng)用。

1 鹽下鉆井技術(shù)挑戰(zhàn)

1.1 鹽下復(fù)雜地層風(fēng)險(xiǎn)

深水鹽下油藏的勘探鉆井作業(yè)面臨兩個(gè)典型的地質(zhì)挑戰(zhàn)：鹽下破碎巖層帶和鹽下異常壓力地層。鹽下破碎巖層帶的成因是該區(qū)域鹽巖運(yùn)移產(chǎn)生的邊界拖動(dòng)摩擦力。墨西哥灣深水盆地的鹽巖非常發(fā)育，基本上覆蓋整個(gè)深水區(qū)，鹽巖活動(dòng)也非常劇烈，鹽底辟頂部甚至接近海底。鹽巖的運(yùn)移為上部新地層提供了極好的封隔層，也是墨西哥灣多個(gè)深水大型油藏的蓋層。但是鹽底劈在穿刺過程中，對(duì)上部地層產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓，在鹽層與新地層的交結(jié)面因拖動(dòng)摩擦力產(chǎn)生幾十米至幾百米不等的破碎巖層帶。破碎巖層帶由于地應(yīng)力復(fù)雜、構(gòu)造裂縫發(fā)育，因此地層強(qiáng)度較低、井壁穩(wěn)定性難度較大、漏失風(fēng)險(xiǎn)較高[4-5]。

另外，由于上覆鹽層地震波速度遠(yuǎn)高于周圍常規(guī)沉積巖且區(qū)域鹽層構(gòu)造復(fù)雜，常規(guī)鉆前地震資料很難形成鹽層底界構(gòu)造的清晰地震圖形，并且影響鹽下地層壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

1.2 區(qū)域鄰井鹽下鉆井復(fù)雜情況

區(qū)域鄰井鉆井?dāng)?shù)據(jù)顯示，鹽下鉆井復(fù)雜情況多發(fā)，其中與地層壓力和井壁穩(wěn)定性相關(guān)的漏失、坍塌卡鉆（鉆具阻卡）、井控問題最嚴(yán)重，見表1。

表1 區(qū)域鄰井鹽下地層鉆井復(fù)雜情況發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 鹽下鉆井技術(shù)方案

2.1 迭代式地震反演地層預(yù)測(cè)技術(shù)

準(zhǔn)確度高的地層預(yù)測(cè)技術(shù)是解決鹽下復(fù)雜地層不確定性帶來的漏失、卡鉆、井控問題的最有效手段，目前主要的鉆前單項(xiàng)地震預(yù)測(cè)手段均無法滿足鹽下地層精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的要求。需要使用測(cè)井資料控制下的迭代地震反演技術(shù)分井段對(duì)目標(biāo)井進(jìn)行精細(xì)化地層壓力預(yù)測(cè)：在出鹽前對(duì)鹽上地層和鹽層的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和隨鉆地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，迭代更新鹽下地層地震反演數(shù)據(jù)，一方面確定鹽底邊界，另一方面提高鹽下地層壓力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，迭代式地震反演地層預(yù)測(cè)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 迭代式地震反演地層預(yù)測(cè)技術(shù)

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

即使在使用了迭代式地震反演地層預(yù)測(cè)技術(shù)后，由于墨西哥灣區(qū)域鹽層構(gòu)造復(fù)雜，而且存在鹽下破碎巖層帶，鹽層和鹽下地層之間往往沒有完整的交結(jié)面，鹽底邊界的確認(rèn)仍然存在不確定性。需要針對(duì)鹽底邊界的不確定性風(fēng)險(xiǎn)制定針對(duì)性的出鹽井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從工程技術(shù)方面防范地質(zhì)不確定性風(fēng)險(xiǎn)。

常規(guī)鹽層出鹽井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：為避免鹽層蠕變?cè)斐傻目ㄣ@風(fēng)險(xiǎn)，盡量鉆穿鹽層后將套管下至鹽下穩(wěn)定泥巖內(nèi)，徹底封隔上部鹽層，或者將鹽內(nèi)最后一層套管下至盡可能接近鹽底邊界深度，減少鹽層裸露長度。由于墨西哥灣區(qū)域鹽層蠕變性較強(qiáng)，鹽內(nèi)鉆井液密度較高（接近鹽內(nèi)上覆巖層壓力當(dāng)量密度的80%，鉆井液密度約1.8 g/cm3）且鹽下巖層破碎帶存在較高的嚴(yán)重漏失風(fēng)險(xiǎn)，不宜將鹽層鉆穿。而鹽底邊界不確定性特殊風(fēng)險(xiǎn)又導(dǎo)致鹽底卡層困難，盡可能將鹽內(nèi)套管下至接近鹽底邊界深度的難度較大。

基于上述挑戰(zhàn)，出鹽前的套管下深設(shè)計(jì)在鹽底邊界以上100 m~150 m。設(shè)計(jì)原則有以下3點(diǎn)：1）在鹽底邊界不確定的情況下，避免鉆穿鹽層。根據(jù)地震解釋資料的精確度（鹽底越深，精確度越低），增加一定安全余量，在出鹽前將套管安全下入，并保證固井質(zhì)量，封固上部大套鹽層。2）為下部破碎巖層帶卡鉆回填側(cè)鉆方案留出空間。鹽下破碎巖層帶井壁失穩(wěn)垮塌風(fēng)險(xiǎn)較高，隨時(shí)間推移垮塌量增多，加劇卡鉆嚴(yán)重度，造成解卡時(shí)間窗口較窄。且深水鉆井船作業(yè)日費(fèi)高昂（綜合日費(fèi)在450萬元/d），在確認(rèn)解卡困難后，盡快回填側(cè)鉆是區(qū)域最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。所以鹽層內(nèi)要為回填側(cè)鉆預(yù)留足夠安全井段空間。3）出鹽井眼軌跡：由于鹽底邊界地應(yīng)力情況復(fù)雜，井壁穩(wěn)定性預(yù)測(cè)困難，出鹽井眼軌跡要盡可能減少井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)出鹽方位垂直于鹽底邊界，或沿最大地應(yīng)力方向。

2.3 鉆井液優(yōu)選技術(shù)

由于區(qū)域鹽層較厚（平均＞1000 m），飽和鹽水鉆井液的穩(wěn)定性控制風(fēng)險(xiǎn)較大且考慮區(qū)域內(nèi)嚴(yán)格的環(huán)保要求，鹽內(nèi)鉆進(jìn)通常使用合成基鉆井液，以有效維持鹽層井壁穩(wěn)定性。鄰井資料顯示，6口鄰井中1口使用斯倫貝謝Rheliant深水合成基鉆井液體系，5口使用哈里伯頓ENCORE深水合成基鉆井液體系。

出鹽鉆遇鹽下破碎巖層帶時(shí)，存在嚴(yán)重漏失可能性（鄰井最大漏失記錄為100m3/h），由于地層漏失原因?yàn)槠扑樾缘貙拥牧芽p性漏失，常規(guī)堵漏材料封堵效果不佳，應(yīng)考慮避免合成基鉆井液大量漏失造成的經(jīng)濟(jì)成本風(fēng)險(xiǎn)。

鹽下鉆井液設(shè)計(jì)方案如下：1）出鹽基礎(chǔ)方案使用合成基鉆井液繼續(xù)鉆進(jìn)。鹽內(nèi)下入最后一層套管后，根據(jù)鹽巖蠕變研究結(jié)果，適當(dāng)降低合成基鉆井液密度，在鹽巖蠕變?cè)试S時(shí)間窗口內(nèi)鉆穿鹽下可能存在的破碎巖層帶，搶下封隔尾管，封隔裸露鹽層和鹽下不穩(wěn)定地層。2）應(yīng)急海水鉆進(jìn)方案。當(dāng)鹽下鉆遇嚴(yán)重漏失層時(shí)，盡快采用段塞堵漏方案，如堵漏無效，替換井內(nèi)合成基鉆井液為海水，繼續(xù)鉆穿鹽下破碎巖層帶，在鉆進(jìn)過程中配合泵入般土漿稠塞攜砂。搶下尾管封隔裸露鹽層和破碎巖層帶。3）鉆穿鹽底破碎巖層帶并下入尾管封固后，下部地層繼續(xù)使用合成基鉆井液鉆進(jìn)，合理控制鉆井液流變性及鉆井速度，盡量降低環(huán)空循環(huán)當(dāng)量密度，減少井底壓力。

2.4 特殊鉆井技術(shù)

在上述各項(xiàng)研究工作的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)鹽下復(fù)雜地層的安全鉆井，仍需要使用配套的相關(guān)特殊鉆井技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)特殊的技術(shù)目標(biāo)：1）控壓鉆井技術(shù)?？貕恒@井技術(shù)可以有效降低井內(nèi)鉆井液密度，從而降低井下漏失風(fēng)險(xiǎn)，在井下嚴(yán)重漏地層以及鹽下壓力不確定性較高地層鉆進(jìn)時(shí)，可有效防范漏失和井控風(fēng)險(xiǎn)，是鹽下安全鉆井的有效技術(shù)。2） 非常規(guī)尺寸擴(kuò)眼技術(shù)。鹽下地層壓力體系不確定性高，基于鉆前壓力預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)制定的井身結(jié)構(gòu)存在較大的變更風(fēng)險(xiǎn)，需要在實(shí)鉆過程中盡可能為下部應(yīng)急井身結(jié)構(gòu)留有空間。擴(kuò)眼技術(shù)可以在常規(guī)鉆頭尺寸基礎(chǔ)上增加井眼尺寸，以下入更大尺寸的套管并保證固井質(zhì)量，有效擴(kuò)展井身結(jié)構(gòu)空間。3） 隨鉆堵漏技術(shù)。在隨鉆測(cè)井工具上方安裝隨鉆堵漏工具，可以通過投球激活堵漏工具旁通，使大顆粒的堵漏材料通過旁通進(jìn)入環(huán)空，避免堵漏材料堵塞測(cè)井工具，釋放堵漏材料尺寸選擇空間，提高堵漏成功率。

3 應(yīng)用案例

以墨西哥灣深水區(qū)塊鹽下井A-1井為例。

A-1井水深1700 m，井身6200 m，在2500m~4300m鉆遇一套1800 m厚鹽層，井底最大地層壓力153 MPa，最高溫度102 ℃，屬于超深水高壓井。設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)6開（備用2開），實(shí)際井身結(jié)構(gòu)7開，鹽下破碎巖層帶未發(fā)生嚴(yán)重漏失，但發(fā)生井壁失穩(wěn)，通過下入應(yīng)急尾管進(jìn)行封隔（圖2）。鹽下地層壓力預(yù)測(cè)值與實(shí)鉆結(jié)果匹配良好，未出現(xiàn)因異常壓力導(dǎo)致的井控和井身結(jié)構(gòu)調(diào)整。

圖2 墨西哥灣A-1井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)

鹽下地層整體壓力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，破裂壓力誤差＜5%（見表2），地層壓力控制穩(wěn)定，鉆井液錄井氣測(cè)值穩(wěn)定，未發(fā)生井控、嚴(yán)重漏失和嚴(yán)重垮塌復(fù)雜情況，僅在鹽下破碎巖層帶井段發(fā)生部分井壁失穩(wěn)垮塌（圖3），未發(fā)生卡鉆事故，鉆穿破碎巖層帶后下套管封固。整體鹽下鉆井作業(yè)對(duì)鹽下地質(zhì)及地層壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，有效規(guī)避了鹽下地層不確定性風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 鹽下破碎巖層帶掉塊

表2 鹽下各開地層破裂壓力對(duì)比

A-1整體鹽下作業(yè)時(shí)效較高，未發(fā)生嚴(yán)重井下復(fù)雜事故，設(shè)計(jì)鹽下井段鉆井工期32 d，實(shí)際工期21 d，節(jié)省工期11 d，節(jié)約綜合費(fèi)用4950萬，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 總結(jié)

墨西哥鹽下地層面臨鹽下破碎帶和地層異常壓力雙重挑戰(zhàn)，針對(duì)性地在地層壓力預(yù)測(cè)技術(shù)、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、鉆井液技術(shù)等方向進(jìn)行了專項(xiàng)研究。

墨西哥灣鹽下復(fù)雜地層地質(zhì)挑戰(zhàn)主要為鹽下破碎巖層帶和異常壓力地層，主要鉆井風(fēng)險(xiǎn)為嚴(yán)重漏失、坍塌卡鉆和井控風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對(duì)上述鉆井技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的鹽下安全鉆井技術(shù)包括迭代式地震反演地層預(yù)測(cè)技術(shù)、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井液優(yōu)選和配套特殊鉆井工具裝備，安全鉆井技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有效解決了鹽下復(fù)雜地層問題，帶來較好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

墨西哥灣鹽層構(gòu)造復(fù)雜，鹽下地層應(yīng)力分布和巖性預(yù)測(cè)不確定性在目前技術(shù)條件下無法完全避免，應(yīng)結(jié)合不同區(qū)塊、不同井位、不同的鹽下復(fù)雜地層進(jìn)行針對(duì)性研究，結(jié)合作業(yè)區(qū)域可用的工程技術(shù)資源，最大限度降低鹽下復(fù)雜地層不確定性風(fēng)險(xiǎn)，提高鹽下安全鉆井技術(shù)的適用性。