元壩地區(qū)超深含硫氣井安全快速鉆井難點(diǎn)及對策

摘 要

摘要：川北元壩地區(qū)是中國石化南方海相重點(diǎn)勘探區(qū)域，其鉆井完鉆井深超過7000m，屬于超深含硫氣井。針對該區(qū)陸相地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，井身質(zhì)量控制難度大、海相地層鹽膏層發(fā)育
摘要：川北元壩地區(qū)是中國石化南方海相重點(diǎn)勘探區(qū)域，其鉆井完鉆井深超過7000m，屬于超深含硫氣井。針對該區(qū)陸相地層研磨性強(qiáng)、可鉆性差，井身質(zhì)量控制難度大、海相地層鹽膏層發(fā)育、井漏和井控安全問題突出等施工難點(diǎn)，提出了安全快速鉆井技術(shù)對策：①運(yùn)用氣體鉆井技術(shù)提高機(jī)械鉆速，減少井漏復(fù)雜事故；②結(jié)合鄰井資料，優(yōu)選鉆頭類型，優(yōu)化鉆井參數(shù)；③制訂井下安全鉆井技術(shù)措施，預(yù)防地層掉塊和鍵槽卡鉆、縮徑和壓差卡鉆、斷鉆具和鉆頭等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：元壩地區(qū)；氣體鉆井；鉆頭優(yōu)選；鉆井參數(shù)；技術(shù)；四川；北
0 前言
川北元壩地區(qū)是中國石化南方海相重點(diǎn)勘探區(qū)域，位于九龍山構(gòu)造南翼、通南巴背斜西南側(cè)，屬于川中低緩構(gòu)造帶的一部分。從鄰井鉆探結(jié)果表明，飛仙關(guān)組飛三段鮞灘儲層、嘉陵江組嘉二段粒屑灘儲層、三疊系須家河組砂巖儲層、下侏羅統(tǒng)自流井組、大安寨組介殼灰?guī)r儲層在該區(qū)亦可能發(fā)育，成藏條件優(yōu)越，是川東北地區(qū)尋找大型氣藏的有利區(qū)帶。從區(qū)域沉積特征及鄰井鉆井資料、露頭資料綜合分析，該區(qū)陸相層系可能發(fā)育有須家河組砂巖、千佛崖組砂巖、自流井組砂巖及介殼灰?guī)r儲集層。海相碳酸鹽巖儲層可能發(fā)育有中三疊統(tǒng)雷口坡組中上部白云巖儲層、下三疊統(tǒng)嘉陵江組嘉二段砂屑云巖儲層、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組飛三段鮞粒石灰?guī)r儲層、長興組-飛仙關(guān)組飛二段礁灘相白云巖儲層。
1 安全快速鉆井難點(diǎn)分析
截至2008年上半年，川北元壩地區(qū)已完鉆井4口，分別為元壩1.、元壩1-側(cè)1、元壩2、元壩3等井，正鉆井有10口，分別為元壩4、元壩5、元壩9、元壩11、元壩12、元壩22、元壩101、元壩102、元壩204、元壩27等井。從大量實(shí)鉆資料來看，川北元壩地區(qū)超深井鉆井面臨諸多難題[1～2]。
1.1 儲層埋藏深、鉆遇地層復(fù)雜、可鉆性差、穩(wěn)定性差
地層沉積厚度大(大于5000m)，發(fā)育海陸相兩套地層，自上而下鉆遇下沙溪廟組、千佛崖組、自流井組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組等地層。
上部陸相地層軟硬交替頻繁、砂巖石英含量高、硬度大、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，在鉆進(jìn)中蹩跳鉆現(xiàn)象嚴(yán)重、掉塊、大井眼鉆具欠尺寸等問題；沙溪廟組-自流井組地層不穩(wěn)定，極易水化剝蝕掉塊、易發(fā)生垮塌、鉆進(jìn)中易出現(xiàn)持續(xù)蹩停轉(zhuǎn)盤現(xiàn)象，導(dǎo)致上提遇阻、反復(fù)擴(kuò)劃眼，造成井下復(fù)雜情況和事故，嚴(yán)重制約了鉆井提速。下部雷口坡組雷一段-嘉陵江組嘉四段存在大段鹽膏層、局部比較發(fā)育(元壩2井和元壩102井)，部分井鹽膏層段有縮徑現(xiàn)象、極易發(fā)生卡鉆、下套管困難等問題。
1.2 地層壓力系數(shù)高、鉆井液密度大、井控難度風(fēng)險(xiǎn)大
元壩2、元壩3、元壩101、元壩102等井在須家河組的鉆井液密度高達(dá)1.90～2.22g/cm3，部分井陸相地層含H2S。氣層異?；钴S，在鉆進(jìn)時(shí)全烴值較高；起下鉆后鉆井液氣侵、污染嚴(yán)重，進(jìn)出口密度相差較大，每趟短起下鉆到底之后均需關(guān)井循環(huán)排氣，點(diǎn)火排氣時(shí)間為2～5h，增大了井控作業(yè)的難度。
1.3 非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)、套管選型難度大、固井施工風(fēng)險(xiǎn)大
當(dāng)前，川北元壩地區(qū)超深井采用五開制非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，多數(shù)井技術(shù)套管段套管抗外擠系數(shù)設(shè)計(jì)普遍偏低(小于1.00)，且部分陸相地層含有H2S，使得套管選型難度增大。此外，Ø273.05mm和Ø146.1mm套管固井過程中，由于裸眼井段長、井眼與套管間隙小，下套管和固井施工難度大。
1.4 鉆井設(shè)備和地質(zhì)錄井要求、限制了深部井段應(yīng)用復(fù)合鉆井技術(shù)
川北元壩地區(qū)超深井設(shè)計(jì)或完鉆井深均超過7000m，在五開制Ø165.1mm井眼鉆進(jìn)中，受鉆井泵泵壓或地質(zhì)要求的限制，制約了復(fù)合鉆井技術(shù)的應(yīng)用。在元壩2井中僅使用了PDC鉆頭+轉(zhuǎn)盤常規(guī)鉆井技術(shù)，由于受泵壓限制無法應(yīng)用復(fù)合鉆井技術(shù)，元壩3井、元壩102井受地質(zhì)錄井限制，均未推廣應(yīng)用PDC鉆頭。
2 安全快速鉆井技術(shù)對策
2.1 運(yùn)用氣體鉆井技術(shù)提高機(jī)械鉆速，減小井漏復(fù)雜事故
上部大尺寸井眼在滿足施工條件情況下盡可能地采用空氣鉆井[3～4]，以提高陸相地層的機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，降低鉆井液成本，減少污水排放和處理量，降低整個(gè)鉆井的綜合成本。截至2008年，在川北元壩地區(qū)上部陸相地層應(yīng)用氣體鉆井提速(表1)。
表1 川北元壩地區(qū)上部陸相地層氣體鉆井統(tǒng)計(jì)表
井號
井眼尺寸(mm)
鉆遇井段(m)
進(jìn)尺(m)
純鉆時(shí)間(h)
機(jī)械鉆速(m/h)
元壩1
444.50
104.00～2005.00
1901.11
217.52
8.74
314.10
2032.00～3420.00
1387.09
136.52
10.16
元壩2
444.50
204.30～1502.80
1298.50
180.85
7.18
311.20
1502.80～3147.59
1644.79
112.83
14.68
241.30
3439.47～3727.82
352.01
54.17
6.50
元壩3
444.50
206.00～1540.00
1334.00
76.67
17.40
311.20
1561.65～3521.24
2004.59
274.00
7.32
元壩4
444.50
178.00～1746.25
1548.25
282.08
5.49
311.20
1746.25～3340.00
1593.75
152.75
10.43
元壩5
406.40
204.33～1278.42
1074.09
162.50
6.61
311.20
1545.00～3369.48
1824.48
234.00
7.80
元壩9
444.50
207.00～2104.00
1897.00
110.83
17.12
311.20
2104～3234.65
1130.65
119.83
9.44
元壩11
444.50
203.82～2052.02
1848.20
156.42
11.82
311.15
2052.02～3298.00
1246.78
88.83
13.04
元壩12
444.50
206.97～2006.08
1799.11
123.35
14.59
314.10
2015.98～2749.78
733.80
42.85
17.12
元壩22
479.42
0～164.22
164.22
80.08
2.05
342.90
302.00～1573.68
1266.68
61.30
20.66
元壩101
444.50
239.00～2018.33
1779.33
215.00
8.28
311.20
2018.33～3300.00
1287.67
192.50
6.69
元壩102
444.50
204.00～2053.00
1849.00
213.50
8.06
311.20
2053.00～30308.39
1255.39
131.00
9.58
總體指標(biāo)
32220.49
2771.66
11.62
從表1可知，川北元壩地區(qū)氣體鉆井總進(jìn)尺達(dá)32220.49m，平均機(jī)械鉆速為11.62m/h，應(yīng)用井段達(dá)到川北元壩地區(qū)陸相地層的三分之二，有力地提高了陸相地層大尺寸井段機(jī)械鉆速，同時(shí)有效地杜絕了上部陸相地層惡性井漏問題。此外，在終止氣體鉆井后，積極探索運(yùn)用潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)換鉆井液，確保了井壁穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了快速穿越非目的層，減輕了鉆井液對井壁的浸泡時(shí)間，降低了事故復(fù)雜情況發(fā)生的概率，為全井提速打下了基礎(chǔ)(如元壩5井)。
2.2 結(jié)合鄰井資料，優(yōu)選鉆頭類型，優(yōu)化鉆井參數(shù)
結(jié)合鄰井資料優(yōu)化鉆頭選型(表2)，提高鉆頭破巖效率，認(rèn)真研究評價(jià)各層段巖石可鉆性、研磨性，尤其是可鉆性極差的下沙溪廟組-須家河組地層，開展個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)。此外，結(jié)合鉆頭類型、地層可鉆性等因素進(jìn)行鉆井參數(shù)優(yōu)化，在轉(zhuǎn)速較為敏感的軟-中軟地層中、上部地層提高轉(zhuǎn)速，下部地層屬中硬級，對鉆壓較為敏感，適當(dāng)提高鉆壓。水力參數(shù)選擇采用最大水功率工作方式，上部地層以提高鉆頭水功率為主，下部地層以保證井下攜帶巖屑為主。
1) 上部地層適合用空氣鉆井工藝鉆進(jìn)，施工中選用軸承壽命短，但鉆速較高的川石鉆頭。
2) 陸相地層深部井段，積極利用川東北地區(qū)實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，選用江漢改型(HJT537GK)鉆頭，取得了很好效益。
3) 雷口坡組、嘉陵江組地層使用PDC鉆頭，大大減少了起下鉆次數(shù)，提高了平均機(jī)械鉆速，大幅度地提高了綜合效益。
4) 飛仙關(guān)組、長興組使用江漢產(chǎn)HA537G鉆頭和深圳新速通ST306SN PDC鉆頭，提高了機(jī)械鉆速，減少了起下鉆次數(shù)，應(yīng)用效果良好。
表2 川北元壩地區(qū)超深井鉆井鉆頭選型綜合推薦表
鉆遇地層
推薦鉆頭選型
蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組
SHT22RG、SHT33RG、GA515G
沙溪廟組、千佛崖組、自流井組
江漢537GK、537GK HL、617系列
須家河組
HJT537GK/HJT537GHKL/HJT617G
雷口坡組
HJT537GK/M1375
嘉陵江組
PDC
飛仙關(guān)組
PDC
長興組
PDC、537系列
2.3 制訂井下安全鉆井技術(shù)措施，預(yù)防井下復(fù)雜情況的發(fā)生
川北元壩地區(qū)鉆井復(fù)雜事故主要有卡鉆、斷鉆具和鉆頭事故。實(shí)鉆資料表明：該地區(qū)卡鉆可歸納為井壁掉塊硬卡、鍵槽卡鉆、縮徑卡鉆和壓差卡鉆等，其中井壁掉塊硬卡和鍵槽卡鉆一般發(fā)生在深部陸相地層；縮徑卡鉆和壓差卡鉆則易出現(xiàn)在海相地層鹽膏層和產(chǎn)層段。
1) 預(yù)防地層掉塊和鍵槽卡鉆。①保證循環(huán)排量、強(qiáng)化接單根操作措施、監(jiān)控好井下異常，遇卡不能用力上提，下壓轉(zhuǎn)動是有效的方法。須家河組煤層段是防范重點(diǎn)的井段。②搞好井身質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鍵槽初期征兆，先期破壞鍵槽是關(guān)鍵。采用細(xì)致的倒劃眼措施一般能起出鍵槽井段，切忌強(qiáng)力上提把鉆具卡死。
2) 預(yù)防縮徑和壓差卡鉆。①雷口坡組與嘉陵江組含有鹽、膏層。應(yīng)做好劃眼和保護(hù)井壁的措施；鉆壓放空時(shí)注意控制好鉆時(shí)，監(jiān)控好鉆井液性能變化。主要油氣層段、漏層段鉆進(jìn)時(shí)，為確保井下安全，更好地處理好井下復(fù)雜情況，鉆具組合中不帶井下動力鉆具。②壓差卡鉆在產(chǎn)層的定向井段表現(xiàn)突出，預(yù)防粘卡現(xiàn)象的關(guān)鍵在于：發(fā)現(xiàn)前期征兆并立即采取有效措施。
3) 預(yù)防斷鉆具和鉆頭事故。川北元壩地區(qū)陸相地層蹩跳鉆嚴(yán)重，特別是空氣鉆井，大尺寸鉆頭鉆進(jìn)中應(yīng)加入減震器，盡可能使用新鉆具，并且對鉆具進(jìn)行定期探傷，蹩跳鉆嚴(yán)重的井段，加密探傷，每趟鉆倒換鉆具，更換中和點(diǎn)位置，力爭避免鉆具事故。
3 結(jié)論與建議
1) 上部陸相地層應(yīng)當(dāng)兼顧提速和控制井身質(zhì)量并重的原則，為鉆井提速提供條件。①軟硬膠結(jié)與破碎地層易引起蹩跳鉆，在嚴(yán)重蹩跳鉆井段使用減震器或水力加壓器，確保鉆頭工作的平穩(wěn)性，有利于井身質(zhì)量的控制。②上部大尺寸井段采用Ø279.4mm大尺寸鉆鋌塔式鉆具組合及Ø228.6mm鉆鋌柔性鐘擺鉆具組合防斜、穩(wěn)斜效果良好，可適當(dāng)增加鉆壓，提高機(jī)械鉆速。
2) 充分運(yùn)用好氣體鉆井技術(shù)，確保氣體鉆井順利安全，防止氣體鉆井相關(guān)事故的發(fā)生。氣體鉆井能大幅度地提高上部陸相地層的機(jī)械鉆速，但要嚴(yán)格控制井身質(zhì)量，嚴(yán)防井斜超標(biāo)。同時(shí)防止氣體鉆井?dāng)嚆@具事故及后期轉(zhuǎn)換為鉆井液體系帶來的一系列井下復(fù)雜問題。
3) 海相地層鉆井液體系鉆井，要做好井控安全，承壓堵漏和油氣層保護(hù)工作，防止海相地層惡性井漏和油氣層污染，確保海相地層安全鉆進(jìn)。
4) 總結(jié)區(qū)域堵漏經(jīng)驗(yàn)，針對井漏的預(yù)防和處理，要合理控制鉆井液密度、改善流變性能、使用防漏防滲材料、精細(xì)鉆井操作、嚴(yán)格井口壓力控制，綜合防止誘導(dǎo)裂縫性井漏。
5) 在進(jìn)行承壓堵漏時(shí)要充分分析漏失原因，結(jié)合地層巖石骨架的承壓能力，優(yōu)選堵漏漿的配方，避免因承壓堵漏造成井壁破碎坍塌。做好裂縫性又噴又漏氣層的井控工作。使用酸溶性堵漏工藝，避免漏失對氣層產(chǎn)生嚴(yán)重污染。
6) 川北元壩地區(qū)屬于高含硫氣田，超深井鉆井配套技術(shù)(如氣體鉆井軌跡控制、鉆井液以及超深井固井等)還有待進(jìn)一步通過攻關(guān)來完善。
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(本文作者：涂茂川1 王希勇2 朱禮平2 李群生2 胡大梁2 熊繼有3 1.中國石化石油工程西南有限公司重慶鉆井分公司；2.中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院；3.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué))