鶯歌海盆地高溫高壓氣田定向鉆井關鍵技術

薛 洋

中海油田服務股份有限公司

0 引言

鶯歌海盆地蘊含豐富的天然氣資源，同時又是世界海上三大高溫高壓地區(qū)之一。一方面海上高溫高壓油氣田開發(fā)，多用大斜度井及水平井，由于考慮井控風險，因而井身結構較為復雜，表層井眼尺寸大，叢式井防碰風險高[1-3]。另一方面，隨著溫度上升，對定向隨鉆工具耐溫要求高。同時鉆井液在高溫條件下流變性控制困難，加上復雜的井身結構，使得鉆進期間鉆具摩阻扭矩大，定向井軌跡控制難度增加[4-6]。經(jīng)過多年實踐，探索出一套適應該區(qū)域的高溫高壓油氣田定向鉆井關鍵技術，并在B氣田的開發(fā)過程中得到應用，形成了海上高溫高壓油氣田安全高效的作業(yè)模式。

1 大尺寸井眼防碰風險分析

1.1 井身結構設計

鶯歌海盆地高溫高壓氣田鉆遇地層自上而下依次為：第四系樂東組、新近系鶯歌海組和黃流組。為應對高溫高壓氣田復雜的地層壓力變化，采用多層次套管結構。其井身結構普遍設計為?914.4 mm+?660.4 mm+?444.5 mm+?311.2 mm+?212.7 mm井段，對應下入?762.0 mm+?508.0 mm+?339.7 mm+?244.5 mm+?177.8 mm套管。其中?914.4 mm及?660.4 mm井段分別下入?762.0 mm隔水套管及?508.0 mm表層技術套管，大尺寸套管設計增加了叢式井表層防碰風險。

1.2 防碰風險分析

以B氣田為例，該項目設計井槽排列為4×6，共24個井槽，槽口間距2.286 m，利用打樁錘錘入?762.0 mm隔水套管，入泥71 m。在錘入隔水套管過程中，由于錘入方向、地層巖性、水下暗流等影響，使得隔水套管普遍存在不同程度的偏斜情況（圖1）。

圖1 B氣田隔水套管偏斜情況圖

從已錘入的18口井中，有9口井偏斜角大于1.0°，偏斜最大的是B2井2.25°，管鞋處偏移距離最大2.69 m。而且從圖1可看出，隔水套管偏斜方向還具有不確定性，這進一步加劇了后續(xù)?660.4 mm井段的防碰風險。

1.3 防碰應對措施

理論上井眼相碰風險可通過分離系數(shù)（SF）來評估，即計算設計井或正鉆井和鄰井之間的中心距離除以兩個井眼誤差橢圓的半徑之和（圖2）。

圖2 兩井之間分離系數(shù)的計算參數(shù)示意圖

SF反映井眼理論相交的概率，當SF大于1時，兩個井眼沒有相交的可能性；當SF等于1時，兩個井眼誤差橢圓相切；當SF小于1時，井眼存在碰撞的可能性[7]。SF計算公式為：

式中R1表示參考井井眼的誤差橢圓半徑，m；R2表示鄰井井眼的誤差橢圓半徑，m；L表示兩井中心的距離，m。

從式（1）可知，要降低?660.4 mm井段的井眼防碰風險，在中心距不變的情況下，可降低井眼的誤差橢圓半徑。因此B氣田在錘入?762.0 mm隔水套管后，通過陀螺數(shù)據(jù)，將偏斜角大于1.0°的隔水套管利用Compass軟件計算出分離系數(shù)小于1的井（表1）。

表1 B氣田表層防碰高風險井統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

從表1可看出，軌跡相同情況下，小井眼分離系數(shù)大于大尺寸井眼的分離系數(shù)[8-10]，因此B氣田對防碰風險高的井，組合?311.2 mm領眼定向鉆具鉆進至安全深度后，使用?660.4 mm擴眼器擴眼，順利完成表1中6口高風險井的防碰作業(yè)。

2 超高溫旋轉(zhuǎn)導向工具應用

B氣田開發(fā)的主要目的層——黃流組Ⅰ氣組溫度接近190℃，地層壓力系數(shù)超過2.0，屬異常高溫高壓地層。為保證旋轉(zhuǎn)導向工具的穩(wěn)定性和使用壽命、提高鉆井時效，故在鉆井中使用斯倫貝謝公司PowerDrive Ice（以下簡稱PD Ice）工具。

2.1 PD Ice工具基本信息

PD Ice采用指向式原理來實現(xiàn)導向功能，主要由導向單元和控制單元兩部分組成，通過為鉆頭提供一個與井眼軸線不一致的傾角而產(chǎn)生導向作用[11-13]（圖3）。目前僅有675系列PD Ice高溫高壓旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)（適用于?215.9 mm井眼和非常規(guī)?212.7 mm井眼），最高工作溫度可達到200℃，并且可提供17～50 L/s范圍的排量選擇。

圖3 PD Ice導向示意圖

黃流組上部尤其是高壓層的蓋層垂厚400～800 m，以灰色塑性泥巖為主，不僅磨損鉆頭，而且易產(chǎn)生“拖壓”現(xiàn)象，影響機械鉆速和旋轉(zhuǎn)導向工具的造斜率。指向式旋轉(zhuǎn)導向PD Ice主要優(yōu)點是不與井壁產(chǎn)生接觸就可實現(xiàn)導向功能，使工具保持比較穩(wěn)定的造斜率及更快的機械鉆速。

2.2 高溫對旋轉(zhuǎn)導向工具的影響

鉆具在鉆進過程中，地層的熱量可以通過熱傳導、熱對流、熱輻射三種方式傳遞給工具。此外旋轉(zhuǎn)導向內(nèi)部電子元件在工作時本身也會產(chǎn)生熱量，使得電子部分的溫度會比其他部件高出5～10℃。當進入高溫地層初次循環(huán)時，工具內(nèi)部是溫度較低的鉆井液，工具外部是環(huán)空中的高溫鉆井液，電路板在熱脹冷縮效應下會產(chǎn)生形變。

為提高工具內(nèi)部耐高溫性能，PD Ice電路板采用MCM集成芯片模塊。電子板和線束都是使用高熔點焊料經(jīng)過特殊工藝連接，電子元件盒密封裝配，能夠在高溫高壓環(huán)境下性能穩(wěn)定，正常工作壽命可達2 000 h。在B氣田水平段最長的B2H井?212.7 mm井段，從4 800～5 393 m地質(zhì)導向鉆進期間，創(chuàng)造了指令50%力度下即可達到3°/30 m的造斜率、最高紀錄循環(huán)溫度153℃、工具循環(huán)時間118.3 h等多項紀錄（圖4）。

圖4 B2H井?212.7 mm井段PD Ice實時監(jiān)控圖

3 定向鉆進中降溫保護措施

雖然PD Ice旋轉(zhuǎn)導向工具具有耐高溫的性能，但如果不采取有效手段降低井下溫度，也會加劇工具的損壞風險。因此采取合理的降溫措施不僅能夠提高工具的穩(wěn)定性，更能有效降低井下復雜情況的發(fā)生。

3.1 優(yōu)化軌跡設計

高溫高壓鉆井液具有比重高、流變性控制困難等特點，導致鉆進過程中摩阻扭矩大，因此井軌跡設計要盡量簡單。探井一般為直井，開發(fā)井普遍采用二維軌跡設計，同時上部井段在滿足地質(zhì)需求下盡量采用較低的造斜率，一般為2°/30 m。

B項目大型氣田在開發(fā)前設計?311.2 mm及以上井段軌跡的造斜率均在1.5～2.0°/30 m。通過Wellplan軟件模擬造斜率對摩阻扭矩的影響，對比結果表明，同一口井，當造斜率為2°/30 m時，能比造斜率為3°/30 m時平均降低摩阻扭矩4～6 kN·m（表2）。這就是井眼軌跡設計中盡量采用較低造斜率的原因。

表2 Wellplan軟件模擬造斜率對摩阻扭矩的影響結果對比表

3.2 分段循環(huán)降溫

分段循環(huán)是海上高溫高壓井最常用的一種降溫措施，也是適應井下復雜情況的有效手段。高溫高壓條件下的鉆井液具有高比重、高固相的特點。如果下鉆及鉆進過程中，在鉆井液循環(huán)不充分的情況下直接開泵，容易導致激動壓力大，對于高溫高壓、窄安全密度窗口的井，易觸發(fā)井控風險。而分段循環(huán)可以使鉆井液得到充分循環(huán)，降低安全風險。在循環(huán)過程中，還可充分利用地面冷卻設備來降低鉆井液溫度，同時加入潤滑劑，減少鉆具與井壁的摩擦。表3為B2H井循環(huán)降溫情況統(tǒng)計結果，可以看出，經(jīng)過一定時間循環(huán)，能夠有效降低井底溫度。

表3 B2H井鉆進過程中分段循環(huán)降溫的溫度變化表

4 提速工具對軌跡控制影響

高溫高壓井鉆井液的相對密度高，井內(nèi)液柱壓力與地層孔隙壓力之間的壓差會變大，井底壓差對剛破碎的巖屑有壓持作用，阻礙井底巖屑及時清除，造成鉆頭重復切削，影響機械鉆速。如何在安全的前提下提高鉆井時效，這是高溫高壓井的一個重要研究方向。扭沖工具是海上常用的一種提速工具，它是在鉆頭噴嘴出口形成脈沖射流，在井底產(chǎn)生壓力脈動，提高射流清巖破巖能力，并在井底有限區(qū)域形成低壓區(qū)，減少環(huán)空液柱壓力對井底巖石的壓持效應[14-15]。

B氣田的B7井、B12井為井身結構、軌跡設計等相似的兩口井。B7井使用PD Ice鉆進，B12井使用PD Ice配合扭沖工具鉆進，圖5為兩口井鉆進過程中的機械鉆速及指令記錄對比圖。從圖中可知，扭沖工具能夠降低鉆進過程中的壓實作用，提高機械鉆速約30%。但實際應用中，旋轉(zhuǎn)導向需要比原來提高約40%的力度才能維持相同的造斜率，不利于定向井軌跡控制，因此類似提速工具應用于高溫高壓大斜度井及水平井，需考慮對井眼軌跡控制的影響。

圖5 不同鉆具組合下機械鉆速及指令記錄對比圖

5 現(xiàn)場實施效果

上述相關定向鉆井關鍵技術在鶯歌海盆地B氣田24口開發(fā)叢式井中得到應用，不僅有效降低了表層防碰壓力，而且提高了在高溫高壓目的層的鉆井時效。對比應用此項技術之前的A區(qū)塊與應用之后的B氣田，井下工具故障率從2.87%降到0.5%，單井鉆井周期提高30%，實際工期較基本設計提前10 d。

6 結論

1）在鶯歌海盆地高溫高壓大型叢式井作業(yè)中，針對表層大尺寸井眼、槽口密集環(huán)境下的井眼防碰問題，采取小井眼擴眼技術降低了井眼間的防碰風險，實現(xiàn)了高溫高壓井表層防碰作業(yè)零損失。同時高溫高壓目的層鉆進期間，使用PD Ice高溫旋轉(zhuǎn)導向鉆具及提速工具，并通過軌跡優(yōu)化、循環(huán)降溫等多項措施，在確保井下工具穩(wěn)定性的同時提高了鉆井時效。

2）海上高溫高壓定向鉆井技術的日臻成熟，為超高溫高壓、深水高溫高壓油氣田的勘探開發(fā)提供了參考和借鑒，但仍面臨許多技術難題需要進一步解決和完善。例如：窄窗口密度下大斜度井和水平井的井眼清潔度，高溫高壓井鉆井液對旋轉(zhuǎn)導向等工具合理的水眼配置優(yōu)化，提速工具對旋轉(zhuǎn)導向工具造斜率的影響等。