高壓膏鹽層定向井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

吳臣

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司中海油監(jiān)督中心 天津 300450

高壓膏鹽層是指鹽巖地質(zhì)中存在的一種特殊層位，其特征是含有具有較高黏度的鹽層間隙填充物或溶液，高壓膏鹽層的形成通常是由于鹽層中的鹽溶液或鹽巖礦物在地質(zhì)歷史中發(fā)生了一系列的沉積、溶解和再結(jié)晶過程，這些過程導(dǎo)致了鹽層中的空隙被填充或浸潤(rùn)了具有較高黏度的鹽層間隙填充物，形成了高壓膏鹽層。高壓膏鹽層對(duì)鉆井和采油等工程活動(dòng)具有一定的挑戰(zhàn)性，由于高壓膏鹽層具有較高的黏度和封閉性，可能導(dǎo)致鉆井過程中的困難，如鉆頭堵塞、井眼塌陷等，因此，在鉆井和采油過程中需要針對(duì)高壓膏鹽層的特點(diǎn)采取相應(yīng)的工程措施和技術(shù)手段，以確保操作的順利進(jìn)行[1]。本次研究主要是根據(jù)高壓膏鹽層定向井鉆井的難點(diǎn)，對(duì)高壓膏鹽層定向井鉆井關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以此推動(dòng)高壓膏鹽層定向井鉆井領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

1 高壓膏鹽層定向井鉆井難度分析

1.1 井眼控制

高壓膏鹽層的壓力對(duì)井壁穩(wěn)定性提出了更高的要求，高壓力環(huán)境下，井壁容易發(fā)生塌陷、溶解或斷裂，特別是在膏鹽層中，由于鹽巖的可塑性和可溶性，井壁的穩(wěn)定性更為復(fù)雜和敏感，需要采取適當(dāng)?shù)木壑渭夹g(shù)，如鉆井液和套管設(shè)計(jì)、固井操作等，以保持井壁的穩(wěn)定。高壓膏鹽層中存在氣體和井噴風(fēng)險(xiǎn)，膏鹽層中的高壓氣體或溶解的氣體可能會(huì)在鉆井過程中突然釋放，導(dǎo)致井噴事故發(fā)生，這對(duì)井眼控制和工作人員安全提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需要采取嚴(yán)格的安全措施，包括實(shí)施有效的氣體探測(cè)、井噴防控和應(yīng)急預(yù)案。在高壓膏鹽層中，井眼垮塌和高壓膏鹽層的塑性變形是常見的問題，高壓力會(huì)增加鹽層的變形和流動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致井眼的不穩(wěn)定性和不規(guī)則的井眼形狀，需要采取適當(dāng)?shù)木壑魏凸叹夹g(shù)，以防止井眼的垮塌和高壓膏鹽層的過度變形[2]。膏鹽層地質(zhì)通常非常復(fù)雜，存在多個(gè)層位和結(jié)構(gòu)變化，在高壓膏鹽層中進(jìn)行定向鉆井時(shí)，需要面對(duì)不均勻的地層厚度、不連續(xù)的鹽層、溶洞、斷層等地質(zhì)復(fù)雜性，這對(duì)井眼軌跡設(shè)計(jì)、鉆井方向的選擇和導(dǎo)航等提出了更高的要求，需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘探和評(píng)估。

1.2 鉆井液設(shè)計(jì)

高壓膏鹽層意味著鉆井液需要具備足夠的密度和壓力控制能力，鉆井液必須能夠抵抗高壓力并保持井眼的穩(wěn)定性，以防止井眼垮塌或井壁失穩(wěn)，選擇適當(dāng)?shù)你@井液配方和密度是確保鉆井作業(yè)成功的關(guān)鍵。膏鹽層具有一定的溶解性和可塑性，選擇與鹽層相兼容的鉆井液成為挑戰(zhàn)，鉆井液的成分和pH值需要經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以避免與鹽層發(fā)生不良反應(yīng)，如溶解、滲透或塌陷，同時(shí)鉆井液還應(yīng)具備足夠的抑制鹽層溶解的能力，膏鹽層的高壓力和特殊的地質(zhì)性質(zhì)可能會(huì)對(duì)切削效果和排渣能力造成影響，鉆井液需要具備良好的切削性能，以確保鉆頭在高壓鹽層中的鉆進(jìn)效率，同時(shí)鉆井液的排渣能力也需要優(yōu)化，以防止井眼堵塞和鉆頭卡鉆。高壓膏鹽層通常伴隨著高溫環(huán)境，鉆井液需要具備良好的溫度穩(wěn)定性，高溫會(huì)對(duì)鉆井液的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)致液相分離、降低黏度、降解添加劑等問題，因此選擇和調(diào)整鉆井液的配方和添加劑，以適應(yīng)高溫條件，是鉆井液設(shè)計(jì)的一個(gè)重要考慮因素[3]。

1.3 鉆具選擇

高壓膏鹽層中的鉆具需要具備足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性，以應(yīng)對(duì)高壓力和腐蝕性環(huán)境，高壓力會(huì)對(duì)鉆具施加較大的力量和壓力，因此需要選擇具備高強(qiáng)度和耐磨損能力的鉆具，膏鹽層中可能存在腐蝕性物質(zhì)，鉆具需要具備良好的耐腐蝕性，以延長(zhǎng)使用壽命[4]。膏鹽層通常具有較高的硬度和黏性，對(duì)鉆具的切削效果提出了更高要求，選擇適當(dāng)?shù)你@頭和鉆具設(shè)計(jì)，以確保在高壓膏鹽層中獲得良好的切削效果，提高鉆進(jìn)速度和效率，高壓膏鹽層中的井壁穩(wěn)定性對(duì)鉆具穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)，高壓環(huán)境下，井壁容易發(fā)生塌陷和變形，對(duì)鉆具的支撐和穩(wěn)定性要求更高，選擇具備足夠剛性和穩(wěn)定性的鉆具設(shè)計(jì)，并采取適當(dāng)?shù)木壑渭夹g(shù)，如套管、固井等，以確保鉆具的穩(wěn)定。膏鹽層的高硬度和黏性可能會(huì)對(duì)鉆具的耐磨性造成影響，在高壓膏鹽層中進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，鉆具需要具備良好的耐磨性，以減少磨損和鉆具壽命的降低，膏鹽層中可能存在溶解物和切削渣等難以清除的物質(zhì)，因此，鉆具設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到清潔和沖洗的便利性，以確保鉆具在鉆井過程中的順暢運(yùn)行。

1.4 井下測(cè)量

在高壓膏鹽層中進(jìn)行定向井鉆井作業(yè)時(shí)，準(zhǔn)確地測(cè)量井斜角度和井眼方位非常關(guān)鍵，但是高壓環(huán)境可能導(dǎo)致傳感器受到壓力和溫度的影響，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此，選擇具有高溫和高壓性能的測(cè)量工具是必要的，并需要進(jìn)行校準(zhǔn)和校驗(yàn)，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。在膏鹽層進(jìn)行定向井鉆井時(shí)，了解鉆具的偏心位置對(duì)于井眼軌跡的控制和調(diào)整至關(guān)重要，高壓環(huán)境下，鉆具的偏心位置測(cè)量可能受到壓力和擠壓的影響，因此，需要選擇適用于高壓環(huán)境的偏心位置測(cè)量工具，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償和校準(zhǔn)。高壓膏鹽層中的井深測(cè)量也面臨一些挑戰(zhàn)，由于膏鹽層的地質(zhì)特性，井深測(cè)量工具可能受到鹽層溶解和變形的影響，導(dǎo)致測(cè)量的不準(zhǔn)確，因此，需要選擇適用于膏鹽層環(huán)境的井深測(cè)量工具，并考慮地質(zhì)變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在高壓膏鹽層中進(jìn)行定向井鉆井時(shí)，及時(shí)和準(zhǔn)確地傳輸和記錄測(cè)量數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的，高壓環(huán)境可能對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和記錄設(shè)備造成挑戰(zhàn)，例如傳感器故障、數(shù)據(jù)干擾等，因此，需要選擇可靠的數(shù)據(jù)傳輸和記錄系統(tǒng)，并采取必要的保護(hù)措施，以確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性[5]。

2 高壓膏鹽層定向井鉆井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 合理選擇井眼軌跡

了解膏鹽層的地質(zhì)特征、壓力分布和穩(wěn)定性，同時(shí)考慮工程要求，如產(chǎn)能目標(biāo)、采收率、井下設(shè)備布置等，綜合這些因素，設(shè)計(jì)井眼軌跡以最大化油氣儲(chǔ)層的接觸面積和產(chǎn)能，在高壓膏鹽層中，選擇適當(dāng)?shù)木苯嵌群头轿粚?duì)于井眼軌跡的控制和穩(wěn)定至關(guān)重要，合理的井斜角度可以在保持井眼穩(wěn)定的同時(shí)最大化儲(chǔ)層接觸，方位的選擇應(yīng)考慮膏鹽層的地質(zhì)構(gòu)造和油氣儲(chǔ)層的分布，選擇合適的彎曲半徑有助于控制井眼軌跡的曲率，較大的彎曲半徑可以減小鉆具在膏鹽層中受到的剪切力和壓力，減少井壁穩(wěn)定的問題。膏鹽層的特點(diǎn)之一是容易發(fā)生變形和溶解，在軌跡設(shè)計(jì)中，要考慮鹽層的變形特性，并避免井眼穿越容易溶解的鹽層區(qū)域，通過合理選擇井眼位置和方位，盡量避開鹽層的脆弱區(qū)域。

2.2 開展套管設(shè)計(jì)

首先，進(jìn)行充分的壓力評(píng)估，了解膏鹽層的高壓情況，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，選擇具有足夠抗壓能力的套管材料和尺寸，以確保套管能夠承受膏鹽層的高壓力，使用高強(qiáng)度的套管材料，并確保套管的壁厚能夠滿足高壓環(huán)境的要求。在設(shè)計(jì)套管位置和固定方式時(shí)，特別關(guān)注套管的支撐和固定，考慮使用附加的支撐工具，如夾具、支架和夾環(huán)等，以增強(qiáng)套管的支撐能力，這些支撐工具可以提供額外的支撐力和穩(wěn)定性，確保套管能夠抵御高壓膏鹽層的擠壓和變形。根據(jù)膏鹽層的壓力和井壁穩(wěn)定性要求，進(jìn)行套管尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保套管的內(nèi)徑足夠大，以滿足產(chǎn)能目標(biāo)，并提供足夠的空間用于油氣生產(chǎn)和井下設(shè)備的布置，同時(shí)，考慮到井眼穩(wěn)定性，確保套管的外徑不超過井眼的承載能力。選擇適當(dāng)?shù)奶坠苓B接和固定方式，以確保套管的連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性，采用高強(qiáng)度的套管連接方式，如螺紋連接和焊接連接，以確保套管能夠抵御高壓環(huán)境下的力學(xué)要求，同時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)奶坠芄潭ǚ绞?，如水泥固井和附加固定裝置，以增強(qiáng)套管的穩(wěn)定性。

2.3 選擇合理的鉆井工具

選擇適應(yīng)高壓膏鹽層的鉆頭?？紤]使用具有高強(qiáng)度和耐磨性的鉆頭材料，以應(yīng)對(duì)高壓下的鉆井要求，對(duì)于膏鹽層這種具有特殊地質(zhì)特征的層段，可能需要選擇特殊的鉆頭類型，如鉆探鹽層的特殊鉆頭。選擇適應(yīng)高壓環(huán)境的鉆具連接方式，螺紋連接是常見的連接方式，但在高壓條件下可能存在連接強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)，考慮使用更牢固的連接方式，如焊接連接或壓力密封連接，以確保連接的可靠性和密封性。在選擇鉆具時(shí)，確保其具有足夠的強(qiáng)度和耐壓能力，能夠承受膏鹽層的高壓力，選擇高強(qiáng)度的鋼材制造的鉆具，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行鉆具尺寸和壁厚設(shè)計(jì)，以滿足高壓環(huán)境下的力學(xué)要求。在定向井鉆井作業(yè)中，使用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向系統(tǒng)和測(cè)量工具是關(guān)鍵，選擇精確的測(cè)斜儀、方位工具和導(dǎo)向系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井眼位置和方向，確保井眼軌跡的精確控制。

3 高壓膏鹽層定向井鉆井液優(yōu)化研究

3.1 密度控制

根據(jù)預(yù)測(cè)的高壓膏鹽層壓力范圍，通過調(diào)整鉆井液配方來控制密度，增加或減少重質(zhì)物料的添加量，可以改變鉆井液的密度，利用高密度物料調(diào)整鉆井液的密度，以滿足膏鹽層的高壓力要求，在調(diào)整鉆井液密度的過程中，選擇合適的添加劑來提供所需的密度。常用的添加劑包括重晶石、鉀鹽、鋇鹽等，它們具有較高的密度，并且能夠在鉆井液中穩(wěn)定懸浮，選擇合適的添加劑，使其與其他組分相容，并能夠在高壓環(huán)境下保持穩(wěn)定性。密度控制劑是一種常用的鉆井液添加劑，可以在一定程度上調(diào)整鉆井液的密度，通過調(diào)整密度控制劑的添加量，可以精確控制鉆井液的密度，在膏鹽層鉆井中，使用密度控制劑可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的密度控制，以適應(yīng)高壓力環(huán)境的需求。在鉆井過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液的密度，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，通過密度測(cè)量設(shè)備和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)井下鉆井液的密度變化，如果密度偏離目標(biāo)范圍，及時(shí)調(diào)整鉆井液配方或添加劑的使用量，以保持所需的密度控制。

3.2 抑制溶解和侵蝕

膏鹽層中溶解和侵蝕的程度通常與鉆井液的酸堿性有關(guān)，通過控制鉆井液的pH值，可以減少膏鹽層中的溶解和侵蝕，通常選擇堿性或中性的鉆井液來降低酸性對(duì)膏鹽層的腐蝕作用。針對(duì)膏鹽層的特殊性，可以選擇特殊的鉆井液體系來抑制溶解和侵蝕，例如針對(duì)含有鹽層的高壓環(huán)境，可以使用高密度的鉆井液來減少鹽層的溶解速率，并提供更好的井壁支撐。添加適當(dāng)?shù)那鍧崉┖捅Ｗo(hù)劑可以幫助清除鉆井液中的鹽沉積物，并保護(hù)井壁免受溶解和侵蝕，這些化學(xué)品可以降低鹽層與鉆井液之間的反應(yīng)，減少溶解和侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 防止井眼坍塌

添加防塌劑來保護(hù)井壁，防止井眼坍塌，防塌劑可以增加鉆井液和井壁之間的粘附力，提供額外的井壁支撐。常用的防塌劑包括聚合物、碳酸鈣、硅酸鹽等，保持鉆井液的循環(huán)速度和壓力，確保井壁周圍的鉆井液形成穩(wěn)定的泥層，提供井壁支撐力，良好的循環(huán)可以清除井眼底部的碎屑和雜質(zhì)，減少井眼坍塌的可能性。

4 結(jié)論

綜上所述，我國部分地區(qū)的地層屬于高壓膏鹽層地層，在該種地層開展定向井鉆井作業(yè)的過程中，受到地質(zhì)條件的影響，導(dǎo)致鉆井過程中的難點(diǎn)問題相對(duì)較多，需要從鉆井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)和鉆井液優(yōu)化兩個(gè)角度出發(fā)，分別采取多項(xiàng)措施，以此保障高壓膏鹽層定向井鉆井作業(yè)安全高效進(jìn)行。