LG地區(qū)超深井鉆井液技術(shù)

摘 要

摘要：通過分析LG地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)和鉆井工程措施要求，針對超深井鉆井液所面臨的難題和挑戰(zhàn)，建立和應(yīng)用“三強(qiáng)”聚合物鉆井液、“三低”防塌鉆井液、欠平衡鉆
摘要：通過分析LG地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)和鉆井工程措施要求，針對超深井鉆井液所面臨的難題和挑戰(zhàn)，建立和應(yīng)用“三強(qiáng)”聚合物鉆井液、“三低”防塌鉆井液、欠平衡鉆井液和抗高溫弱凝膠防卡鉆井液技術(shù)，較好地解決了長井段大尺寸井眼的安全快速鉆井、氣體鉆井后替入鉆井液的井壁穩(wěn)定和井眼通暢、長段紅層泥頁巖井段防塌、欠平衡鉆井和長裸眼小井眼的超深井高溫防卡等技術(shù)難題。形成了LG地區(qū)的特色鉆井液技術(shù)，有力地保障了該地區(qū)的安全快速鉆井。
關(guān)鍵詞：超深井；氣體鉆井；聚合物鉆井液；防塌鉆井液；欠平衡鉆井液；防卡鉆井液
0 引言
    LG地區(qū)廣泛應(yīng)用了氣體鉆井和欠平衡鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超深井的快速鉆井。X井井深6530m鉆井周期為145d，平均機(jī)械鉆速為6.4m/h，定向井W井井深為6431m，鉆井周期為142d，較之前的川渝地區(qū)碳酸鹽巖超深井0.97m/h的平均機(jī)械鉆速有大幅度提升，創(chuàng)造了國內(nèi)碳酸鹽巖超深井鉆井速度的新紀(jì)錄。
1 鉆井技術(shù)方案及存在的鉆井液技術(shù)難題
    LG地區(qū)鉆井井深為6500～7000m，鉆探主要了解長興組生物礁和飛仙關(guān)組鮞灘的儲層分布及含油氣性。鉆井過程中，盡量使用氣體鉆井技術(shù)，以大幅度地提高機(jī)械鉆速。在不具備空氣鉆井或氮?dú)忏@井條件時，轉(zhuǎn)化為鉆井液鉆井[1～7]。在須家河組地層如無氮?dú)忏@井條件，則采用鉆井液欠平衡鉆井，以提高研磨性極強(qiáng)的砂巖地層的鉆井速度。LG地區(qū)油氣藏埋藏深度、巖性、地層水、含硫情況等存在較大差異。該地區(qū)屬于多壓力系統(tǒng)，縱向上存在多個產(chǎn)層，高含H2S，氣體鉆井期間，油氣、地層水、井壁失穩(wěn)等因素導(dǎo)致井下出現(xiàn)復(fù)雜情況，鉆井液鉆進(jìn)中井漏、井涌時有發(fā)生，會嚴(yán)重影響鉆井速度。鉆井中鉆井液所面臨的技術(shù)難題有5個方面：一是長段大井眼井壁穩(wěn)定和井眼清潔問題；二是氣體鉆井后轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆井時的井壁穩(wěn)定和井眼通暢難題；三是長段紅層泥頁巖的防塌問題；四是欠平衡鉆井液技術(shù)問題；五是超深井長段小井眼抗高溫防卡問題。
2 “三強(qiáng)”聚合物鉆井液技術(shù)
    “三強(qiáng)”聚合物鉆井液具有強(qiáng)抑制性、包被性和封堵性，具有很強(qiáng)的防塌抑制能力。“三強(qiáng)”聚合物鉆井液能夠較好地解決井壁穩(wěn)定問題、鉆井液密度與鉆井速度之間的矛盾，為紅層泥頁巖井段實(shí)現(xiàn)“以快制勝”的快速鉆井提供重要保證。
LG地區(qū)第二次開鉆井段使用Ø444.5mm鉆頭，最長裸眼井段為1000m，地層以泥巖和砂巖為主，鉆井中鉆井液環(huán)空返速低，同時Ø444.5mm鉆頭破巖能力較弱，導(dǎo)致地層浸泡時間長，這些都會對井眼條件和鉆井周期造成嚴(yán)重影響。LG地區(qū)已鉆的9口井中，有6口井在第二次開鉆采用了“三強(qiáng)”鉆井液。通過應(yīng)用“三強(qiáng)”聚合物鉆井液，充分發(fā)揮了“以快制勝”的特性，實(shí)現(xiàn)了井壁穩(wěn)定，同時鉆井液密度始終控制在1.05g/m3以下，保證了獲得高的機(jī)械鉆速，還減少了井漏。通過優(yōu)化鉆井液流變性，配合適當(dāng)?shù)你@井液排量，有效地解決了大井眼攜砂問題，實(shí)現(xiàn)了井眼的通暢，使鉆井作業(yè)得以順利進(jìn)行。6口井的鉆探表明，該井段平均機(jī)械鉆速達(dá)4～6m/h，僅用7～9d就完成了近千米的鉆井作業(yè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了Ø444.5mm井眼深井安全快速鉆井。
3 “三低”防塌鉆井液和潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù)
1) 氣體鉆井條件下井眼狀況分析。氣體鉆井中，由于地層和井壁受應(yīng)力的不同，與鉆井液鉆井相比，井壁巖石更容易出現(xiàn)破碎、垮塌，出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象。氣體作為循環(huán)介質(zhì)所鉆成的井眼與常規(guī)鉆井液條件下所鉆成的井眼相比存在許多差別。一是在近井壁周圍形成更大的應(yīng)力釋放縫，氣體鉆井流體液柱壓力極低，井眼周圍地層巖石應(yīng)力得到充分釋放，加之空氣錘和鉆頭及鉆具的機(jī)械震動，在井壁上形成更多的應(yīng)力釋放縫或加劇了井壁周圍微裂縫的發(fā)育；二是井壁更容易發(fā)生應(yīng)力失穩(wěn)，井徑擴(kuò)大率較大和形成“葫蘆串”井眼；三是無外來流體侵入，地層巖石干燥，無水化現(xiàn)象產(chǎn)生；四是井壁無濾餅，替入鉆井液之初液體將非常容易地侵入井壁巖石。氣體鉆井后替入鉆井液，極易引起巖石吸水膨脹、分散、并大幅度地降低巖石剪切強(qiáng)度，從而引起井壁嚴(yán)重失穩(wěn)，形成厚濾餅發(fā)生阻卡或卡鉆，形成“砂橋”劃眼或卡鉆，以及出現(xiàn)井漏等一系列井下復(fù)雜情況。
2) 潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù)的應(yīng)用，為氣體鉆井后替入鉆井液的井壁穩(wěn)定打下基礎(chǔ)。地層巖石在表面性質(zhì)上是強(qiáng)親水性的，而替入鉆井液后無法阻止鉆井液液相對地層侵入。如果最初侵入的液相物質(zhì)能夠改變井壁巖石的潤濕性，使之在最初階段使巖石由親水性改變?yōu)橛H油性，發(fā)生“潤濕反轉(zhuǎn)”，其“憎水性”將一定程度阻止鉆井液水基液相與巖石表面的接觸，同時增大巖石微裂縫的毛細(xì)管吸水阻力，從而、減少最初液相接觸所發(fā)生的水化膨脹程度和因液相侵入微裂縫引起的力學(xué)傳遞，則井壁巖石強(qiáng)度在未形成濾餅前不會有大的降低。潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù)在LG地區(qū)進(jìn)行了初步應(yīng)用。一是使用專門的“潤濕反轉(zhuǎn)劑”，在替入鉆井液前注入一段潤濕反轉(zhuǎn)隔離液，改變近井壁周圍的巖石表面性質(zhì)，防止氣液轉(zhuǎn)化時泥頁巖吸水膨脹垮塌。經(jīng)在2口井的應(yīng)用，收到明顯效果。同時，潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù)作為主要技術(shù)在“三低”防塌鉆井液中進(jìn)行應(yīng)用，收到了顯著效果。
3) “三低”鉆井液技術(shù)集成攻克LG地區(qū)氣液轉(zhuǎn)換難題。“三低”鉆井液是在力學(xué)平衡的前提下，通過減少泥頁巖地層吸水量尤其是形成濾餅前的吸水量來阻止地層水化膨脹。該體系一是引入了潤濕反轉(zhuǎn)防塌技術(shù)。二是引入低滲透防塌技術(shù)，使替入的鉆井液能在較短時間內(nèi)填充封堵微裂縫，形成致密的疏水內(nèi)濾餅，并在井壁表面形成致密的疏水涂層，實(shí)現(xiàn)鉆井液及濾液對井壁的低滲入。三是引入低活度防塌技術(shù)，保持鉆井液的活度低于泥頁巖活度，減少鉆井液的水分子進(jìn)入地層而保持巖石強(qiáng)度的穩(wěn)定。
4) LG地區(qū)逐步實(shí)現(xiàn)了氣體鉆井后替入鉆井液的井下安全和井眼暢通。氣體鉆井替入鉆井液在LG地區(qū)多口井的應(yīng)用，除因氣體鉆井后期造成復(fù)雜和事故被迫轉(zhuǎn)換鉆井液的井以外，各井鉆井液替入后井下正常，均很快恢復(fù)正常作業(yè)，并逐步縮短了通井、劃眼時間。
    5) “三低”防塌鉆井液保證了長段紅層的井壁穩(wěn)定。LG地區(qū)Ø311.2mm井段，是紅層泥頁巖夾砂巖地層，存在水敏性垮塌的極大風(fēng)險，由于最深為3800m的井深，失去了“以快制勝”的先決條件。該井段在空氣鉆井后替入了“三低”鉆井液，繼續(xù)堅持固有的抑制防塌技術(shù)特性，同時維持良好的流變性、潤滑性，工程措施強(qiáng)化、優(yōu)化鉆井參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了井壁穩(wěn)定和井眼通暢。LG地區(qū)各井在此段的鉆井中，沒有出現(xiàn)泥頁巖垮塌現(xiàn)象。
4 欠平衡鉆井液技術(shù)
LG地區(qū)鉆井液欠平衡鉆井主要在須家河組井段實(shí)施。目的是在沒有氮?dú)忏@井的條件時，通過鉆井液欠平衡提高須家河組強(qiáng)研磨砂巖地層的機(jī)械鉆速。欠平衡鉆井液的密度根據(jù)地層壓力和油、氣、水顯示情況具體確定，控壓為1～4MPa，保證以盡可能低的鉆井液密度提高鉆井速度。欠平衡鉆井液應(yīng)具備的功能。須家河組地層主要由砂巖夾泥巖、頁巖組成。因此，鉆井液首先要強(qiáng)化抑制防塌性能。為適應(yīng)欠平衡作業(yè)的需要，鉆井液還必須具備強(qiáng)的抗污染能力和防止硫化氫的能力，具備良好的流變性和脫氣性能。為適應(yīng)鉆進(jìn)和起下鉆不同情況的需要，鉆進(jìn)時降低密度實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆進(jìn)，起下鉆時提高鉆井液密度，以平衡地層壓力，滿足井控及起下鉆作業(yè)需要。同時做好壓井等井控應(yīng)急措施和物資、器材的儲備。目前，在3口井實(shí)施的鉆井液欠平衡作業(yè)中，井壁穩(wěn)定，井口、地面安全，須家河組地層的機(jī)械鉆速達(dá)到了2～5m/h，明顯高于其他地區(qū)須家河組地層的機(jī)械鉆速，提速效果明顯。
5 超深井小井眼抗高溫弱凝膠防卡鉆井液技術(shù)
LG地區(qū)雷口坡組以下井段有Ø215.9mm和Ø149.2mm兩種井眼，其鉆井深度為7000m左右，而Ø149.2mm小井眼井段為500～800m，井底溫度為150～180℃。巖性穩(wěn)定，石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r為主，以及巖鹽和石膏層，巖石可鉆性強(qiáng)。該井段主要以PDC+螺桿為主鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速為6m/h。鉆井液面臨的難題首先是抗高溫穩(wěn)定性。二是井眼小、裸眼長、壓差大，防卡壓力大。三是存在膏鹽層和硫化氫污染。該段鉆井液技術(shù)，以抗高溫入手，強(qiáng)化鉆井液的固相控制，嚴(yán)格控制鉆井液的膨潤土含量，優(yōu)選抗高溫處理劑，補(bǔ)充選擇低濃度處理劑膠液，使之成為觸變強(qiáng)度低、抗污染能力強(qiáng)、固相含量低、流變性好、高溫穩(wěn)定性強(qiáng)的弱凝膠鉆井液體系。同時通過增加鉆井液含油量、加入乳化劑和防卡潤滑劑，使體系的潤滑性大大的提高。強(qiáng)化鉆井液的弱凝膠和低黏切特性，強(qiáng)化對井壁的沖刷，減少了虛厚濾餅，保證了井眼的通暢。
6 結(jié)論與建議
    LG地區(qū)氣體鉆井技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)的應(yīng)用，大幅度地提高了鉆井速度，減少了鉆井過程中的復(fù)雜情況，鉆井周期明顯縮短。“三強(qiáng)”聚合物鉆井液、“三低”防塌鉆井液和高溫弱凝膠防卡鉆井液在LG地區(qū)的應(yīng)用，針對其特定的地層情況和工程措施，有較好的針對性和適用性，能夠有效地提高鉆井速度。優(yōu)質(zhì)的鉆井液性能，必須與合適的工程措施的配合，才能實(shí)現(xiàn)井下安全、井眼通暢和快速鉆井。
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(本文作者：李曉陽 張坤 吳先忠 晏凌 陳懷高 王多金 中國石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程公司)