高溫高壓高含硫地區(qū)超深井鉆井難點(diǎn)及對(duì)策——以通南巴構(gòu)造帶為例

摘 要

摘要：受特殊沉積環(huán)境及復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，在通南巴構(gòu)造帶上鉆井工程事故頻發(fā)，存在井漏、井壁垮塌、井涌(噴)、卡鉆、高含硫化氫、巖石致密硬度大、井斜等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了安全、
摘要：受特殊沉積環(huán)境及復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，在通南巴構(gòu)造帶上鉆井工程事故頻發(fā)，存在井漏、井壁垮塌、井涌(噴)、卡鉆、高含硫化氫、巖石致密硬度大、井斜等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了安全、優(yōu)質(zhì)快速鉆井。通過(guò)對(duì)通南巴構(gòu)造帶工程地質(zhì)特征的研究，提出如下對(duì)策：①優(yōu)選氣體鉆井、泡沫鉆井、垂直鉆井、復(fù)合鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等鉆井方式，促進(jìn)防斜打直、打快；②優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理確定必封點(diǎn)，科學(xué)確定井眼尺寸；③優(yōu)化鉆井液性能，提高防塌、潤(rùn)滑效果；④強(qiáng)化鉆頭選型，提高破巖效果；⑤細(xì)化防漏堵漏措施，減少非生產(chǎn)時(shí)間等。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆井實(shí)踐，大幅度地提高了機(jī)械鉆速，有效地減少了鉆井復(fù)雜情況，實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)海相超深含硫氣井的優(yōu)快鉆井，并對(duì)同類高溫、高壓、含硫氣井的高效鉆井具有借鑒意義。
關(guān)鍵詞：高溫；高壓；高合硫；通南巴構(gòu)造；超深井；深井；鉆井工程；對(duì)策
1 超深井鉆井的難點(diǎn)
1.1 常見(jiàn)工程地質(zhì)復(fù)雜情況
    受特殊沉積環(huán)境及復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，通南巴構(gòu)造帶工程地質(zhì)特征異常復(fù)雜，鉆井工程事故頻發(fā)，鉆井中存在井漏、井壁垮塌、井涌、卡鉆、高含硫化氫、巖石致密硬度大、井斜等問(wèn)題，嚴(yán)重影響安全、優(yōu)質(zhì)快速鉆井[1]。主要表現(xiàn)在陸相地層易自然井斜、卡鉆、井壁垮塌、井漏、氣體鉆井出水、可鉆性差導(dǎo)致鉆頭磨損嚴(yán)重；海相地層易井漏、卡鉆、井涌(噴)、膏巖侵、硫化氫氣侵。其中井漏最為突出，占76%，其次是卡鉆，占12%。井漏以裂縫性漏失為主，縱向上主要分布于中侏羅侏沙溪廟組、上三疊統(tǒng)須家河組、中三疊統(tǒng)雷三段、下三疊統(tǒng)嘉二段、下三疊統(tǒng)飛三段，平面上受斷層影響明顯，在近斷層部位井漏加劇。如HB-1等7口井井漏231次，漏失鉆井液11919.11m3，其中裂縫性漏失為170次，占73.6%，漏失鉆井液9449.7m3，平均漏速為12.5m3/h；僅HC-1井，由于受米倉(cāng)山構(gòu)造擠壓，裂縫發(fā)育，井漏132次，漏失鉆井液為5195.49m3，平均漏速為10.9m3/h?？ㄣ@主要集中在陸相沙溪廟組、下侏羅統(tǒng)自流井組、須家河組及海相膏巖發(fā)育井段。
1.2 工程地質(zhì)復(fù)雜問(wèn)題的地質(zhì)影響因素
    1) 巖石致密，強(qiáng)度大、硬度大，可鉆性差。通南巴構(gòu)造帶陸相地層為沖積平原沉積體系、湖泊沉積體系和三角洲沉積體系，巖性主要為砂泥巖互層，泥頁(yè)巖發(fā)育，平均厚度占67.5%，巖石密度為2.6～2.8g/cm3，孔隙度為1%～3%。陸相砂巖在圍壓條件下，最大抗壓強(qiáng)度為373.7MPa，平均為241.9MPa，硬度為1000～2000MPa，內(nèi)聚力平均為29.3MPa，須家河組砂巖內(nèi)聚力平均為36MPa，明顯高于上部地層，牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值為5～7，為中硬地層。海相地層巖石圍壓下抗壓強(qiáng)度平均為271.5MPa，內(nèi)聚力平均為25.1MPa，硬度為1500～2800MPa，牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值為5～5.5，PDC鉆頭可鉆性級(jí)值為4～5，為軟-中硬地層?？v向各層位、各巖性巖石力學(xué)性質(zhì)變化較大，且圍壓條件對(duì)各巖石力學(xué)參數(shù)影響大，隨著圍壓的增大巖石抗壓強(qiáng)度線性增大。地層沉積、成巖環(huán)境決定了巖石致密，強(qiáng)度大，硬度大，可鉆性差。
   2) 縱向上多壓力系統(tǒng)，井壁穩(wěn)定性差，易井塌、卡鉆、井涌、井漏。通南巴構(gòu)造帶縱向上存在多壓力系統(tǒng)，地層孔隙壓力縱向分帶明顯，陸相為正常壓力，海相地層整體表現(xiàn)為異常高壓。HB-1井飛三段氣藏實(shí)測(cè)地層壓力為111.11MPa，地層壓力系數(shù)為2.28，嘉二段氣藏實(shí)測(cè)地層壓力為94.77MPa，地層壓力系數(shù)為2.14。陸相地層坍塌壓力高，部分井段甚至高于孔隙壓力，按地層孔隙壓力設(shè)計(jì)的鉆井液密度難以維持井壁穩(wěn)定，造成井壁垮塌、卡鉆，泥巖水化或硬石膏吸水膨脹加劇了井壁失穩(wěn)。進(jìn)入嘉二段后，地層孔隙壓力大幅度增加，安全鉆井液密度窗口與上部井段相比明顯變窄，且嘉二段、飛三段氣藏均為裂縫一孔隙性儲(chǔ)層，裂縫寬度為2～5mm，鉆井中易發(fā)生溢流、井涌、井漏、噴漏同存等復(fù)雜情況，并可能誘發(fā)惡性井噴事故。該構(gòu)造帶鉆井曾多次發(fā)生卡鉆、溢流、井涌、惡性井漏等復(fù)雜事故，井控風(fēng)險(xiǎn)大。
    3) 高溫、含硫化氫、膏鹽巖發(fā)育，鉆井液性能維護(hù)難度大。通南巴構(gòu)造帶海相地層膏鹽巖發(fā)育，且單層厚度大，特別是嘉五段-嘉四段，石膏厚度平均為64.5%，最高為83%，鹽巖厚度平均為16.8%，鹽巖溶解性好，鉆井液濾液中氯離子濃度大，鈣離子濃度高，鉆井中膏鹽侵嚴(yán)重。研究表明，通南巴構(gòu)造帶下三疊統(tǒng)硫化氫由硫酸鹽熱化學(xué)還原作用(TSR)所產(chǎn)生，在嘉二段和飛四段具備生成硫化氫的條件[2]。HB-1、CF-82井嘉二段氣藏實(shí)測(cè)硫化氫含量分別為0.652%、0.951%，飛三段氣藏微含硫化氫，多口井在陸相地層鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生硫化氫氣侵，飛三段氣藏地層溫度為130℃，在高密度、高溫、膏鹽侵、含硫化氫條件下，鉆井液性能維護(hù)難度大。
    4) 陸相地層水分布復(fù)雜，氣體鉆井適用井段受限。實(shí)踐表明，氣體鉆井對(duì)通南巴構(gòu)造帶陸相高陡致密碎屑巖地層鉆井提速、防斜打直效果明顯，而HB-2、HF-203、M-101等11口井氣體鉆井、泡沫鉆井證實(shí)，該構(gòu)造帶陸相地層多個(gè)井段地層出水，特別是沙溪廟組、須家河組。河壩構(gòu)造HF-203等6口井氣體鉆井均在沙溪廟組鉆遇水層，被迫轉(zhuǎn)換為泡沫鉆井或常規(guī)鉆井液鉆井，C-27井須家河組鉆遇高壓鹵水層，出水量為1019.02m3/a，C-23井在須家河組鉆遇鹵水層后壓井失敗而導(dǎo)致工程報(bào)廢，陸相地層測(cè)井解釋縱向存在多層水層或氣水層，表明陸相地層水分布復(fù)雜，限制了氣體鉆井的推廣應(yīng)用。
    5) 地層傾角大，井斜控制難。通南巴地區(qū)由于受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積條件的影響，地層傾角大，巖性變化大，自然造斜能力強(qiáng)。HB-2、M-1、HC-1、CB-88等井地層傾角測(cè)井表明，通南巴構(gòu)造帶地層傾角為2°～35°，陸相地層傾角總體為6°～20°，地表露頭地層傾角為30°～60°。陸相砂泥巖頻繁互層，可鉆性差，鉆井中易自然井斜，如HB-2井自流井組地層傾角為14°，常規(guī)鉆井自然造斜最大井斜為5.25°，制約了鉆壓等鉆井參數(shù)，影響機(jī)械鉆速。
2 實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)快速鉆井的對(duì)策
2.1 優(yōu)選鉆井方式
    結(jié)合通南巴構(gòu)造帶的地質(zhì)特征，有針對(duì)性地優(yōu)選鉆井方式。陸相地層主要優(yōu)選空氣鉆井、氮?dú)忏@井、泡沫鉆井、垂直鉆井等鉆井方式，有利于可鉆性差、地層傾角大的砂泥巖地層提高機(jī)械鉆速、控制井斜；海相地層主要使用螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆井、水平井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井。
    川東北地區(qū)氣體鉆井較常規(guī)鉆井液鉆井提速效果明顯，嚴(yán)重漏失、井斜等復(fù)雜問(wèn)題得到了較好的控制[3]。HF-203井第2次開(kāi)鉆空氣泡沫鉆進(jìn)1348.5m，平均機(jī)械鉆速為11.91m/h，有效地控制了井斜，最大井斜為1.6°。垂直鉆井系統(tǒng)是解決高陡構(gòu)造地層井斜問(wèn)題最有效的手段，該系統(tǒng)根據(jù)可靠的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行連續(xù)性的井斜控制，使鉆井參數(shù)得到完全的解放，確保井眼垂直和最大限度地提高鉆速[4]。經(jīng)HC-1井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，第2次開(kāi)鉆井段477.74～2154.75m使用Power V垂直鉆井技術(shù)，進(jìn)尺為1677.01m，平均機(jī)械鉆速為1.83m/h，第2次開(kāi)鉆未使用垂直鉆井技術(shù)井段平均機(jī)械鉆速為0.74m/h，提速為147.3%，且所鉆遇的上沙溪廟組地層傾角為20°，實(shí)鉆最大井斜角為1.23°，有效地解決了自然造斜問(wèn)題。
    復(fù)合鉆井集成了滑動(dòng)鉆井定向糾斜與旋轉(zhuǎn)鉆井有效減少起下鉆次數(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期。川東北實(shí)鉆表明，海相地層螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆井提速效果顯著[5]。HB-2井第3次開(kāi)鉆使用Ø241.3mm鉆頭對(duì)嘉陵江組3581.78～4071.61m井段采用直螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)，進(jìn)尺為489.83m，平均機(jī)械鉆速為4.07m/h。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井是在鉆柱旋轉(zhuǎn)作業(yè)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的導(dǎo)向控制，鉆進(jìn)時(shí)摩阻與扭矩小、鉆速高、鉆頭進(jìn)尺多、鉆井時(shí)效高、建井周期短、井身軌跡平滑易調(diào)控。HJ-203H井是嘉二段氣藏專層水平井，第4次開(kāi)鉆使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井自3755m開(kāi)始定向鉆進(jìn)，鉆至5766.67m完鉆，水平段長(zhǎng)為501.1m，總進(jìn)尺為2011.7m，平均機(jī)械鉆速為2.85m/h，創(chuàng)河壩構(gòu)造嘉陵江組機(jī)械鉆速的最高水平，且AB靶點(diǎn)縱橫向誤差分別在0.34m、1.88m以內(nèi)，斜井段最大全角變化率為15.80/1OOm。
2.2 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)
    在通南巴構(gòu)造帶地質(zhì)特征基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，合理確定必封點(diǎn)，以盡可能少套管程序封隔地層必封點(diǎn)，促進(jìn)鉆井提速，提高鉆井成功率。川東北地區(qū)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要思路是在傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)系列“Ø508.0mm+Ø339.7mm+Ø244.5mm+Ø177.8mm+Ø127.0mm”的基礎(chǔ)上，形成以技術(shù)套管為設(shè)計(jì)中心，向上向下延伸的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化系列，即技術(shù)套管有一定的強(qiáng)度和較大的尺寸，既封隔陸相復(fù)雜地層，又為順利鉆達(dá)海相目的層提供保證[6]。目前，通南巴構(gòu)造帶普遍采用優(yōu)化后的Ø508.0mm+Ø346.1mm+Ø273.1mm+Ø193.7mm+Ø146.1mm井身結(jié)構(gòu)，考慮了套管層次儲(chǔ)備以及后期儲(chǔ)層改造、高產(chǎn)氣井長(zhǎng)期安全采氣的需要，該井身結(jié)構(gòu)已在HF-203、HB-102、M-1等10余口井中推廣應(yīng)用。如2009年完鉆的HF-203井，該井為開(kāi)發(fā)飛三段氣藏的大斜度定向井，采用Ø508.0mm+Ø346.1mm+Ø273.1mm+Ø193.7mm的井身結(jié)構(gòu)，第4次開(kāi)鉆最大井斜為67.98°，完鉆井深為6191m，鉆井周期為306d，平均機(jī)械鉆速為2.08m/h，提速效果顯著。
2.3 強(qiáng)化鉆頭選型
    通南巴構(gòu)造帶陸相地層傾角大，砂泥巖頻繁交替，互層薄而多，巖性變化大，泥頁(yè)巖發(fā)育，巖石硬度大、抗壓強(qiáng)度大、抗剪切強(qiáng)度大，可鉆性差，鉆頭磨損嚴(yán)重，需強(qiáng)化鉆頭選型，以提高破巖效果。陸相砂泥巖地層可選用寬齒牙輪鉆頭，如517或537系列鉆頭，針對(duì)石英含量高的須家河組，可選用617系列鉆頭；海相石灰?guī)r、白云巖、膏鹽巖地層選用PDC鉆頭或537系列牙輪鉆頭有利于提高機(jī)械鉆速。如M-1井第2次開(kāi)鉆使用HJT537GK鉆頭配合中長(zhǎng)噴嘴，進(jìn)尺為1072.84m，平均機(jī)械鉆速為2.13m/h，單只鉆頭平均進(jìn)尺為134.11m，單只鉆頭最高進(jìn)尺為198.14m，最高鉆速為2.57m/h；HJ-203H水平井第4次開(kāi)鉆自3755m開(kāi)始定向鉆進(jìn)，使用HCD506ZX和M1375型號(hào)PDC鉆頭，配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，總進(jìn)尺為2011.7m(含水平段501.1m)，平均機(jī)械鉆速為2.85m/h，嘉陵江組單只M1375鉆頭最高進(jìn)尺為882m，單只鉆頭平均機(jī)械鉆速最高為3.21m/h，提速效果明顯。
2.4 優(yōu)化鉆井液性能
    川東北海相碳酸鹽巖含硫氣藏存在硫化氫氣侵、鹽膏侵、易井漏、井壁失穩(wěn)、井底溫度高、壓力大等難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)抗高溫處理劑、加重劑、膨潤(rùn)土限量進(jìn)行優(yōu)選，形成了滿足川東北地區(qū)超深井鉆井要求的抗高溫超高密度復(fù)合金屬離子聚磺鉆井液體系[7]。該鉆井液是在常規(guī)聚磺鉆井液中加入一種復(fù)合金屬離子聚合物。該聚合物具有正電膠和兩性離子聚合物兩者的特性，能表現(xiàn)出類似混合金屬氫氧化物鉆井液特殊的流變性和類似兩性離子聚合物鉆井液的強(qiáng)抑制性、低濾失量，具有良好的增黏、防塌效果，能滿足海相超深井、大斜度定向井、水平井鉆井的要求，已在HJ-203H等井取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。HJ-203H水平井第4次開(kāi)鉆旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井段使用復(fù)合金屬離子聚磺鉆井液，順利完成了定向造斜段、穩(wěn)斜段、增斜段和水平段鉆進(jìn)，水平段鉆井液密度為2.08～2.14g/cm3，井眼軌跡平滑，有效地降低了鉆具摩阻和扭矩，減少了井下事故，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆井。
2.5 細(xì)化防漏堵漏措施
    通南巴構(gòu)造帶井漏頻繁，平均漏速大，單次漏失量大，堵漏難度大、堵漏周期長(zhǎng)，漏失類型主要有滲透性漏失、裂縫性漏失以及窄安全密度窗口的噴漏同層漏失，鉆井時(shí)需根據(jù)不同構(gòu)造位置、不同層位的地質(zhì)特征，有針對(duì)性地制訂防漏堵漏措施。針對(duì)陸相地層滲透性井漏，主要采用隨鉆堵漏、無(wú)滲透承壓封堵材料、橋漿或水堵漏，裂縫性井漏則采用復(fù)合堵漏劑間歇關(guān)擠堵漏或無(wú)滲透承壓封堵劑或水鉆井液堵漏；海相地層常規(guī)裂縫性井漏采取隨鉆堵漏、無(wú)滲透承壓封堵材料、橋漿或水堵漏，若規(guī)模較大的裂縫系統(tǒng)或溶洞，則采用清水強(qiáng)鉆、鉆井液堵漏+復(fù)合堵漏劑堵漏等措施[1]。針對(duì)目的層，宜采用屏蔽暫堵技術(shù)堵漏。鉆遇大裂縫系統(tǒng)、大溶洞發(fā)生惡性井漏，常規(guī)堵漏措施效果不明顯時(shí)，可配合使用充氣或泡沫鉆井防漏技術(shù)、速凝膠質(zhì)水泥漿堵漏、化學(xué)凝膠隔水堵漏技術(shù)、惰性材料+水泥漿等防漏堵漏措施[8～17]。
3 結(jié)論
    1) 通南巴構(gòu)造帶鉆井難度大，主要表現(xiàn)在陸相地層易自然井斜、卡鉆、井壁垮塌、井漏、氣體鉆井出水、可鉆性差；海相地層易井漏、卡鉆、井涌(噴)、膏巖侵、硫化氫氣侵。
    2) 陸相地層傾角大、砂泥巖頻繁互層、巖石致密、可鉆性差、井壁穩(wěn)定性差、地層水分布復(fù)雜，海相地層縫洞發(fā)育、溫度高、異常高壓、縱向多壓力系統(tǒng)、含硫化氫、膏鹽巖發(fā)育、安全鉆井液密度窗H窄是鉆井工程復(fù)雜問(wèn)題的主要地質(zhì)影響因素。
    3) 針對(duì)復(fù)雜的工程地質(zhì)特征，提出通過(guò)優(yōu)選氣體鉆井、泡沫鉆井、垂直鉆井、復(fù)合鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等鉆井方式、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)與鉆井液性能、強(qiáng)化鉆頭選型以及細(xì)化防漏堵漏措施等對(duì)策，實(shí)現(xiàn)超深含硫氣井的優(yōu)質(zhì)快速鉆井。
   致謝：成文中，得到了中國(guó)石化西南油氣分公司、勘探南方分公司有關(guān)專家和技術(shù)人員的支持與幫助，在此謹(jǐn)致誠(chéng)摯謝意。
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(本文作者：肖思和1 胡秀玲2 胡永章2 李勇2 鐘敬敏2 劉洪3 1.成都理工大學(xué)；2.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院；3.重慶科技學(xué)院石油工程學(xué)院)