土庫曼斯坦薩35-1H水平井鉆井技術(shù)

摘 要

摘要：薩35-1H水平井是土庫曼斯坦第1口水平井，其目的層位于巨厚膏鹽層下，存在著在巨厚膏鹽層中實(shí)現(xiàn)軌跡控制的巨大難題，在土庫曼斯坦國內(nèi)尚無成功鉆井先例。針對(duì)巨厚膏鹽層鉆水平
摘要：薩35-1H水平井是土庫曼斯坦第1口水平井，其目的層位于巨厚膏鹽層下，存在著在巨厚膏鹽層中實(shí)現(xiàn)軌跡控制的巨大難題，在土庫曼斯坦國內(nèi)尚無成功鉆井先例。針對(duì)巨厚膏鹽層鉆水平井的難點(diǎn)，在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌跡優(yōu)化、井眼軌跡控制技術(shù)、鉆井液技術(shù)、安全鉆井等方面采取了一系列對(duì)應(yīng)措施，安全、優(yōu)質(zhì)、高效地鉆成了土庫曼斯坦第1口水平井，完鉆井深為3333m，斜井段長(zhǎng)為1573m，水平位移為1210.6m，最大井斜為92.04°，Φ311.2mm井眼斜穿巨厚膏鹽層624m，Φ215.9mm井眼橫穿產(chǎn)層501.78m，鉆井周期為111.6d。該井的成功為后續(xù)水平井的設(shè)計(jì)和施工奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：巨厚膏鹽層；水平井；土庫曼斯坦；薩曼杰佩氣田
0 引言
薩35-1H井位于土庫曼斯坦薩曼杰佩氣田。該氣田地層自上而下依次是：新近系、古近系、白堊系、侏羅系提塘階組、基末利階組、侏羅系牛津卡洛夫階組。其中牛津卡洛夫階組是目的層，其埋深為2400～2600m，分為硬石膏石灰?guī)r互層、層狀石灰?guī)r層、塊狀石灰?guī)r層。塊狀石灰?guī)r層儲(chǔ)層物性較好，是主要儲(chǔ)層，層狀石灰?guī)r層為次要儲(chǔ)層?；├A組為巨厚鹽膏層，垂厚一般在425m左右，是薩曼杰佩氣田良好的區(qū)域蓋層，主要分為上石膏層、上鹽層、中石膏層、下鹽層、下石膏層。其中純度達(dá)97%以上的純鹽層厚約310m。前蘇聯(lián)在該氣田進(jìn)行了多年的勘探，由于巨厚膏鹽層的存在，工程和地質(zhì)報(bào)廢率各達(dá)到30%，沒有水平井開發(fā)先例。中國石油天然氣股份有限公司獲得該油田的開發(fā)權(quán)后，為減少開發(fā)投資，優(yōu)化井網(wǎng)布置，實(shí)現(xiàn)稀井高產(chǎn)，決定優(yōu)先用水平開發(fā)[1～5]。
1 主要技術(shù)難點(diǎn)
1) 從井深1931～2555m為巨厚膏鹽層，斜厚為624m。鉆井過程中可能遇到高壓鹽水層。由于鹽水層的分布規(guī)律及壓力系數(shù)難預(yù)測(cè)，易出現(xiàn)鹽水浸，發(fā)生鹽析造成井下事故。
2) 鹽巖層本身也極易垮塌和塑性變形，造成縮徑卡鉆或塑性變形擠毀套管。鹽巖層也容易溶解，易形成大肚子，造成攜砂困難，造成井下事故。
3) 鹽巖層地層軟，易形成臺(tái)階造成鉆具或套管下入困難；或形成鍵槽，造成卡鉆事故。
4) 目的層上方緊臨膏鹽層，用水平井開發(fā)時(shí)造斜段無法避開膏鹽層，鉆遇膏鹽層井段較直井更長(zhǎng)，加之必須實(shí)施滑動(dòng)鉆進(jìn)手段，使安全鉆井及軌跡控制難度大大增加。
5) 基末利階組下石膏層和牛津組一卡洛夫階組上部硬石膏層，可鉆性差，鉆時(shí)慢，又加上該處井斜在55°以上，定向滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生卡鉆。
6) 儲(chǔ)層位于垂厚變化大的巨厚高壓膏鹽層之下，優(yōu)質(zhì)塊狀石灰?guī)r儲(chǔ)層深度預(yù)測(cè)困難，增加了井眼軌跡著陸和水平段地質(zhì)跟蹤難度。
7) 由于氣田長(zhǎng)時(shí)間封閉和鄰國強(qiáng)行開采等多種原因、目的層壓力難預(yù)測(cè)，鉆達(dá)目的層發(fā)生漏、噴均有可能，而目的層含硫化氫和二氧化碳，且氣產(chǎn)量大，井控風(fēng)險(xiǎn)大。
    8) 巨厚膏鹽層的封固較困難。為保證技術(shù)套管的封固效果，需帶管外封隔器和套管穩(wěn)定器。復(fù)雜管串結(jié)構(gòu)的套管能否順利下過膏鹽層，成為全井安全完成的關(guān)鍵。
    9) 層狀石灰?guī)r與塊狀石灰?guī)r的區(qū)分較困難，能否及時(shí)卡準(zhǔn)層位，并提供優(yōu)良的井眼軌跡，避免水平段鉆入水層，確保水平段井眼距離氣水界面達(dá)到一定安全高度，是水平井長(zhǎng)期高產(chǎn)的關(guān)鍵。
    10) 儲(chǔ)層屬碳酸鹽巖，裂縫發(fā)育，易出現(xiàn)井漏、井噴等復(fù)雜情況。
    11) 地質(zhì)需要用大斜度井段穿越45m厚的層狀石灰?guī)r段，用水平段穿越塊狀石灰?guī)r段。因此，全井水平位移較大，會(huì)帶來摩阻扭矩增大，井眼凈化困難等工程問題。
2 主要技術(shù)措施
2.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    根據(jù)該井的地層特點(diǎn)、地層壓力及目前鉆井工藝技術(shù)狀況、參考該區(qū)塊鄰井已鉆井實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)，依據(jù)有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井和保護(hù)油氣層的原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)安全鉆井及實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的[1～2]。
2.1.1水平段井眼尺寸及長(zhǎng)度的確定
    經(jīng)過不同水平段長(zhǎng)與產(chǎn)能的數(shù)值模擬，其結(jié)果表明，無阻流量隨水平段長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增大，當(dāng)水平段長(zhǎng)增加到500m后，無阻流量增大趨勢(shì)明顯減緩，故水平段以鉆進(jìn)400～500m為佳。通過對(duì)近似儲(chǔ)層物性條件水平井開發(fā)產(chǎn)量對(duì)比和該區(qū)域直井產(chǎn)量情況分析，預(yù)計(jì)該井完成后，日產(chǎn)量應(yīng)在100×104m3以上。再考慮到鉆井工程的風(fēng)險(xiǎn)，決定水平井段用Φ215.9mm鉆頭施工。
2.1.2技術(shù)套管的優(yōu)化
    該層套管的主要作用是封隔高壓鹽水層。由于目的層為石灰?guī)r且裂縫發(fā)育，壓力系數(shù)低，易發(fā)生井漏。因此，在鉆完石膏石灰?guī)r互層后，進(jìn)入致密石灰?guī)r2m就可固井。為防止膏鹽蠕動(dòng)擠毀套管，技術(shù)套管可考慮復(fù)合套管，在膏鹽段使用加厚技術(shù)套管。為保證封固效果，防止高壓鹽水串，在套管下端加管外封隔器。
2.1.3表層套管的優(yōu)化
封隔古近系布哈爾組高壓水層，封固古近系和土倫階組上部成巖性差，膠結(jié)疏松的不穩(wěn)定地層，套管鞋坐在白堊紀(jì)土倫階組上部地層里，為第2次開鉆順利鉆進(jìn)創(chuàng)造了穩(wěn)定上部井眼的條件，井身結(jié)構(gòu)，見表1。
 
2.2 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)
    該井為大斜度+水平井段的組合定向井，要求用大斜度井段穿過層狀石灰?guī)r段，再用水平段穿越塊狀石灰?guī)r層500m。由于水平位移大，減少摩阻實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)鉆進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的可控性。優(yōu)化井身剖面，保證軌跡平滑，應(yīng)對(duì)地層不確定因素的影響，降低全井最大全角變化率，有利于多采用復(fù)合鉆進(jìn)的控制方法，便于清潔井眼，實(shí)現(xiàn)安全鉆井。薩35-1H井選擇
“直-增-微增-增-穩(wěn)-增-平”7段制剖面。第1增斜段的目的是達(dá)到一定的井斜角，防止后續(xù)施工方位漂移過大。由于微增斜段較長(zhǎng)，該段采用懸鏈線設(shè)計(jì)，有利于減少摩阻。第2增斜段的目的是控制入靶姿態(tài)，達(dá)到矢量入靶。穩(wěn)斜段的目的是大斜度穿越層狀石灰?guī)r層，尋找和確定最佳水平段垂深位置。第3增斜段的目的是實(shí)現(xiàn)水平段著陸，控制入靶姿態(tài)。
2.2.1造斜點(diǎn)的選擇
    由于該井為第1口水平井，鹽層中能否滑動(dòng)鉆進(jìn)及其造斜率大小不確定。因此，把造斜點(diǎn)選在了戈捷里夫階組泥巖層，保證進(jìn)入鹽層時(shí)，井斜為30°左右，防止后續(xù)施工時(shí)，方位產(chǎn)生過大漂移。
2.2.2造斜率的選擇
① 確保在較軟的鹽層中不能形成鍵槽；②適應(yīng)復(fù)的地質(zhì)變化，確保工具造斜率能夠達(dá)到；③能減少造及控制井段，有利于攜砂和降低摩阻和扭矩；④考慮帶有管外封隔器和套管扶正器的管串通過能力。Φ311.2mm井眼造斜率選擇在4.5°～5.5°/30m，Φ215.9mm井眼造斜率選擇在5°～7°/30m，設(shè)計(jì)井眼軌跡剖面數(shù)據(jù)，見表2。
 
2.3 監(jiān)測(cè)手段
直井段采用自浮式單點(diǎn)測(cè)斜儀和電子多點(diǎn)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)；造斜段和水平段用無線隨鉆測(cè)斜儀全程跟蹤監(jiān)測(cè)，用電子多點(diǎn)測(cè)斜儀復(fù)測(cè)。
2.4 鉆井液技術(shù)
直井段采用低固相聚合物體系，膏鹽層段采用聚磺欠飽和一飽和鹽水體系，第3次開鉆井段采用聚磺體系。由于鹽層中高壓鹽水的存在，其存在又無規(guī)律，鹽水浸入又易導(dǎo)致鹽析發(fā)生卡鉆事故，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地層破裂壓力系數(shù)在1.9g/cm3以上。因此，該井膏鹽層使用了比直井更高的鉆井液密度，目的是防止斜井段高壓鹽水浸和鹽層蠕動(dòng)變形。在膏鹽層段主要要提高鉆井液的潤(rùn)滑性，防止阻卡及降低鉆井液的流動(dòng)阻力，提高鉆井液的抗污染能力。有效避免鹽膏層的溶解、污染、縮徑、大井徑、井塌等一系列井下復(fù)雜和事故的發(fā)生，實(shí)際鉆井液性能，見表3。
2.5 井眼軌跡控制技術(shù)
鉆具組合和鉆井參數(shù)優(yōu)選。利用Navigator摩阻扭矩分析軟件進(jìn)行了鉆具屈曲和摩阻的計(jì)算。優(yōu)化了鉆具組合和鉆井參數(shù)。鉆具組合使用簡(jiǎn)易鉆具組合，并在大斜度井段進(jìn)行倒裝，有利于鉆壓的有效傳遞，便于進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)。根據(jù)滑動(dòng)鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)、鉆進(jìn)地層及所用鉆頭的不同，使用合理的鉆井參數(shù)，防止鉆具發(fā)生屈曲造成疲勞損壞，在易鉆地層，控制鉆進(jìn)速度，確保巖屑及時(shí)返出，見表3。
 
    1) 定向增斜段：Φ311.2mm鉆頭+Φ215.9mm1.5°/1.25°單彎螺桿+定向接頭+Φ203mm無磁鉆鋌1根+Φ203mm鉆鋌×1柱+Φ178mm鉆鋌×1柱+Φ127mm加重鉆桿+Φ127mm鉆桿。
    鉆井參數(shù)：定向鉆進(jìn)：鉆壓為40～140kN；排量為38～40L/s。
    復(fù)合鉆進(jìn)：鉆壓為40～80kN；排量為38～40L/s；轉(zhuǎn)速為20～30r/min。
    2) 微增斜段：Φ311.2mmPDC鉆頭+雙母接頭+Φ308mm扶正器+定向接頭+Φ203mm無磁鉆鋌+短鉆鋌+Φ308mm扶正器+Φ203mm鉆鋌×1柱+Φ177.8mm鉆鋌×1柱+Φ127mm加重鉆桿+Φ127mm鉆桿。
    鉆井參數(shù)：鉆壓為60～120kN；排量為38～40L/s；轉(zhuǎn)速為70～90r/min。
    3) 定向增斜段：Φ215.9mmPDC鉆頭+Φ165mm1°單彎螺桿+定向接頭+Φ165mm無磁鉆鋌+Φ127mm鉆桿+Φ127mm加重鉆桿+Φ127mm鉆桿。
    鉆井參數(shù)：定向鉆進(jìn)：鉆壓為100～160kN；排量為38～40L/s。
    復(fù)合鉆進(jìn)：鉆壓為50～60kN；排量為28～31L/s；轉(zhuǎn)速為20～30r/min。
    4) 水平段：Φ215.9mmPDC鉆頭+Φ165mm0.75°單彎螺桿+Φ213/Φ210mm穩(wěn)定器+定向接頭+Φ165mm無磁鉆鋌+Φ127mm鉆桿+Φ127mm加重鉆桿+Φ127mm鉆桿。
    鉆井參數(shù)：定向鉆進(jìn)：鉆壓為100～200kN；排量為28～31L/s。
    復(fù)合鉆進(jìn)：鉆壓為30～50kN；排量為28～31L/s；轉(zhuǎn)速為5r/min。
2.6 斜井段主要措施
    1) 使用滑動(dòng)鉆井與復(fù)合鉆井交替進(jìn)行，嚴(yán)格控制造斜率，防止出現(xiàn)過大的全角變化率。
    2) 堅(jiān)持每根單根測(cè)斜，及時(shí)對(duì)已鉆軌道進(jìn)行計(jì)算描述、做出與設(shè)計(jì)軌道參數(shù)的對(duì)比和偏差認(rèn)定，及時(shí)掌握工具的造斜率，對(duì)鉆頭處狀態(tài)參數(shù)做出較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，計(jì)算出待鉆井眼所需造斜率，提前采取工程技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了軌跡的“平穩(wěn)著陸”和“矢量進(jìn)靶”，防止了軌跡的大幅波動(dòng)。
    3) 記錄鉆井參數(shù)和鉆具扭矩、摩阻情況，及時(shí)分析對(duì)比并采用短起下、擴(kuò)劃眼等對(duì)應(yīng)措施。
    4) 鹽膏層鉆進(jìn)采用進(jìn)一退三原則。每鉆進(jìn)1m上提3m劃眼到底，如劃眼無阻卡、無憋跳鉆顯示則可逐漸增加鉆進(jìn)段長(zhǎng)和劃眼行程。但每鉆進(jìn)4～5m至少上提劃眼一次。
    5) 每次測(cè)斜前，先劃眼2次，井下正常后，才開始停泵測(cè)斜。
    6) 堅(jiān)持短起下鉆，每鉆50～100m，短起下鉆一次；在鹽層中鉆進(jìn)4h(或更短)，短起鉆過鹽層頂部，全部劃眼到底，若無阻卡顯示，可適當(dāng)延長(zhǎng)短起鉆間隔，但不超過30h。
    7) 鹽膏層定向鉆進(jìn)，應(yīng)控制滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)間，每1h上提一次鉆具。
    8) 接立柱前，反復(fù)拉劃井眼，井下無異常才開始接立柱。接立柱時(shí)，盡可能延長(zhǎng)開泵時(shí)間，鉆具坐于轉(zhuǎn)盤后方可停泵，接立柱速度要快。
    9) 對(duì)全角變化大的滑動(dòng)鉆進(jìn)井段，使用復(fù)合鉆擴(kuò)劃眼，及時(shí)修整井眼，保證軌跡平滑。
2.7 水平段主要措施
    1) 水平段選擇“自帶扶正塊彎螺桿+扶正器”的穩(wěn)斜組合。采用復(fù)合鉆進(jìn)為主，滑動(dòng)鉆進(jìn)為輔的方案，考慮到滑動(dòng)鉆進(jìn)的困難性，需要盡量減少滑動(dòng)增斜方法。選用復(fù)合鉆進(jìn)微增斜的鉆具組合。配合定向拉劃降斜來達(dá)到總體穩(wěn)斜的目的。
    2) 由于儲(chǔ)層可鉆性好，應(yīng)適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度，及時(shí)帶出巖屑。
    3) 每鉆100～150m進(jìn)行一次短起下，及時(shí)消除巖屑床。
    4) 確需滑動(dòng)施工時(shí)，使用分段滑動(dòng)方法，控制滑動(dòng)井段和時(shí)間，防止卡鉆事故的發(fā)生。
3 取得的成果
    1) 成功鉆成了土庫曼斯坦第1口水平井，完鉆井深為3333m；斜井段長(zhǎng)為1573m；水平位移為1210.6m；最大井斜為92.04°；Φ311.2mm井眼斜穿巨厚膏鹽層624m；Φ215.9mm井眼橫穿產(chǎn)層501.78m。
    2) 有效地控制了井眼軌跡，實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計(jì)高度吻合，準(zhǔn)確命中3個(gè)靶區(qū)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)目標(biāo)，且井眼平滑，起下鉆順暢。完鉆時(shí)，最大開泵上提鉆具摩阻為10～12t，空轉(zhuǎn)扭矩為8～9kN·m，井眼質(zhì)量?jī)?yōu)良。
    3) Φ311.2mm井眼在井斜達(dá)到65°的情況下，常規(guī)電纜測(cè)井，一次成功，沒有采用傳輸測(cè)井；并在加入了管外封隔器和38只扶正器后，下套管順利到底。固井也非常成功，達(dá)到了封隔高壓鹽水層的目的。Φ215.9mm井眼下入Φ139.7mm篩管也很順利。
    4) 摸索出了一套大井眼膏鹽層定向鉆井的技術(shù)，基本解決了膏鹽層安全鉆進(jìn)與軌跡控制之間的矛盾。
    5) 對(duì)該地區(qū)定向鉆具、常規(guī)鉆具的效能進(jìn)行了摸索，初步掌握了一些規(guī)律，為下步定向井/水平井施工奠定了基礎(chǔ)。
    6) 全井各項(xiàng)作業(yè)施工順利，未出現(xiàn)井下復(fù)雜、事故和定向儀器故障，鉆井周期為111.6d。
    7) 該井用Φ25mm油嘴測(cè)試產(chǎn)量為108×104m3/d，是同構(gòu)造直井平均產(chǎn)量的2.1倍。
4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
    1) 該井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井眼軌跡設(shè)計(jì)、對(duì)付鹽膏層的鉆井液技術(shù)和一整套井眼軌跡控制技術(shù)是成功的；用水平井開發(fā)巨厚膏鹽層下油氣資源是可行的。
2) 鹽層中使用PDC鉆頭滑動(dòng)鉆進(jìn)困難，但用牙輪鉆頭獲得了較好的施工效果，為進(jìn)一步優(yōu)化井眼軌跡，避免在鉆時(shí)慢的泥巖、石膏層滑動(dòng)鉆進(jìn)提供了優(yōu)化依據(jù)。
    3) 水平段用“自帶扶正器彎螺桿+扶正器”的穩(wěn)斜組合，扶正器直徑非常關(guān)鍵，應(yīng)比螺桿自帶扶正器小1～2mm才能穩(wěn)斜，一樣大會(huì)降斜，小到3mm會(huì)增斜。
    4) 水平段盡量選用合適尺寸的穩(wěn)定器，達(dá)到穩(wěn)斜效果，減少定向調(diào)整時(shí)間。如找不到合適的穩(wěn)斜結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先用微增結(jié)構(gòu)，少用微降結(jié)構(gòu)，采用定向拉劃降斜實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜目的，以提高鉆井時(shí)效和保障井下安全。
    5) 合理的鉆井排量配合劃眼短起下鉆等工程技術(shù)措施，不僅消除了巖屑床，保證了井下安全，起下鉆暢通，下套管作業(yè)順利，而且減少了大尺寸井眼鉆井液對(duì)定向儀器的沖蝕，有效保護(hù)了定向儀器。
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(本文作者：譙抗逆1 郭世侯1 白璩1 胡超1 張德軍1 王成學(xué)2 1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院；2.川慶鉆探工程公司國際工程公司)