LG地區(qū)提高超深井鉆井速度的技術途徑

摘 要

摘要：LG地區(qū)侏羅系下部地層油氣顯示活躍，地層壓力與顯示強度在橫向上差異較大并難以準確預測，巖石固有強度普遍低于氣體鉆井臨界強度，井眼不穩(wěn)定問題較為突出。為解決以上難題，利
摘要：LG地區(qū)侏羅系下部地層油氣顯示活躍，地層壓力與顯示強度在橫向上差異較大并難以準確預測，巖石固有強度普遍低于氣體鉆井臨界強度，井眼不穩(wěn)定問題較為突出。為解決以上難題，利用測井手段并結合實鉆資料分析了LG地區(qū)地層壓力剖面特征、侏羅系地層氣體鉆井的井眼穩(wěn)定性和主要鉆井工程地質問題，提出如下技術措施：①合理控制氣體鉆井的深度，有效規(guī)避氣體鉆井的作業(yè)風險，提高氣體鉆井效率；②在侏羅系下部地層不適合氣體鉆井的層段，實施欠平衡鉆井和PDC鉆頭復合鉆井，來進一步提高超深井鉆井速度。
關鍵詞：鉆井工程；地質；超深井；氣體鉆井；測井；欠平衡鉆井；復合鉆柱
0 引言
    LG地區(qū)超深井鉆井速度比四川盆地已鉆超深井有大幅度的提高，特別是該區(qū)的某井，通過應用氣體鉆井和常規(guī)成熟配套工藝技術，僅用145d鉆達井深6530m完鉆，實現(xiàn)了四川油氣田超深井鉆井速度的歷史性突破。LG地區(qū)已鉆探井相關統(tǒng)計分析表明：①氣體鉆井(特別是采用空氣錘取代牙輪鉆頭)是提高鉆井速度非常有效的手段。與常規(guī)鉆井相比，在侏羅系地層Ø311.2mm井段平均機械鉆速和單只鉆頭進尺均可分別提高10倍以上；須家河組高研磨性地層實施氣體(氮氣)鉆井也可顯著提高機械鉆速，實鉆統(tǒng)計其平均機械鉆速是欠平衡鉆井的5倍，是平衡鉆井的9倍多。②氣體鉆井作業(yè)風險不能忽視。個別井在氣體鉆井中發(fā)生了嚴重事故和井下復雜情況，被迫側鉆，損失較大，顯著降低了全井鉆井速度。③PDC鉆頭及復合鉆井技術的應用對提高石灰?guī)r地層鉆速作用顯著，機械鉆速和鉆頭進尺明顯高于牙輪鉆頭與轉盤鉆井，實現(xiàn)了深井段與超深井段小井眼快速鉆井。
1 LG地區(qū)廣義地層壓力剖面特征分析
1.1 利用測井精細解釋方法建立廣義地層壓力剖面
    利用LG地區(qū)已鉆井的測井及實鉆資料，對某井3個壓力(孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力)進行了定量計算，建立了較完整的廣義地層壓力剖面(圖1)[1～5]。
 
1.2 計算廣義地層壓力剖面特征分析
    1) 大部分地層層段孔隙壓力為正常壓力，侏羅系下部地層有異常高壓存在。計算結果表明，LG地區(qū)上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組至上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M大部分層段為常壓地層，但侏羅系下部有異常高壓存在。飛仙關組和長興組計算的地層壓力亦為常壓，與測試壓力系數(shù)基本吻合。
    2) 破裂壓力較高。計算破裂壓力系數(shù)普遍在1.6以上，涼高山組-須家河組和嘉四段-嘉五段相對較低，淺層遂寧組可超過2.0。
    3) 坍塌壓力較低。在常規(guī)鉆井條件下，從總體上看，LG地區(qū)地層穩(wěn)定性較好，大部分層段計算地層坍塌壓力系數(shù)在1以下，但沙一段-須二段和嘉五段-嘉四段地層坍塌壓力系數(shù)相對較高，計算坍塌壓力系數(shù)平均值在1.30左右。
1.3 侏羅系地層油氣顯示情況及地層壓力特征
    LG地區(qū)侏羅系地層油、氣、水顯示頻繁，尤其是在空氣鉆井條件下，顯示更為活躍。其中，蓬萊鎮(zhèn)組以井漏及水浸為主，遂寧組空氣鉆井見氣測異常，其余顯示主要分布在沙溪廟組、涼高山組及大安寨組，在LG構造的西南側，也就是越靠近大川中，油氣顯示越活躍。
    實鉆情況和地層壓力計算結果表明：LG地區(qū)侏羅系地層在縱向上，沙溪廟組沙一段、涼高山組涼上段以及大安寨組均是區(qū)域性含油氣層，但沙一段、涼上段的含油氣性要優(yōu)于大安寨組含油氣性；在橫向上，各含油氣層顯示強度和地層壓力差異均較大，以珍珠沖組為例，多數(shù)井表現(xiàn)為常壓，但個別井則為異常高壓，平衡鉆井液密度最高達1.56g/m3。LG地區(qū)各含油氣儲層在橫向上的不均質特性十分顯著，這是各井油氣顯示強度和地層壓力差異較大的主要原因。
2 LG地區(qū)侏羅系地層氣體鉆井的井眼穩(wěn)定性分析評價
2.1 氣體鉆井井眼穩(wěn)定條件與井眼穩(wěn)定分析預測方法
    1) 氣體鉆井過程中，由于井筒內氣體介質平衡壓力極低，井壁不可能發(fā)生張力破壞，井壁失穩(wěn)主要是周圍巖石所受應力超過巖石自身強度而產生剪切破壞，對脆性地層會產生井壁掉塊坍塌、井徑擴大，而塑性地層則井壁因塑性變形而產生縮徑。
    2) 氣體鉆井中井壁坍塌與否和井壁圍巖的應力狀態(tài)及強度特性等密切相關。利用測井資料可以對井壁圍巖的應力狀態(tài)及強度特性進行定量分析。但是，常規(guī)測井資料都是在液體介質(鉆井液)條件下獲得的，其對井壁圍巖的應力狀態(tài)、強度特性及孔隙壓力的影響不能忽視，運用鉆井液與地層相互作用定量分析模型，消除鉆井液浸入對井壁圍巖的應力狀態(tài)及強度特性的影響，即可建立原始地層應力和巖石強度剖面，從而對氣體鉆井條件下井眼穩(wěn)定性
進行分析評價。利用此方法對七里北101井、龍17井及LGX井氣體鉆井井段實鉆資料驗證分析表明，當?shù)貙幽滁c的巖石固有強度小于氣體鉆井條件下保持井壁穩(wěn)定的臨界強度時，井壁不穩(wěn)定，否則井壁處于穩(wěn)定狀態(tài)。
2.2 LG地區(qū)已鉆井氣體鉆井井眼穩(wěn)定性分析與評價
    利用上述方法對LG地區(qū)已鉆井氣體鉆井條件下井眼穩(wěn)定性作了分析計算(圖2)，對比各井分析結果可得出以下認識：
    1) 侏羅系地層氣體鉆井臨界強度值較穩(wěn)定，變化幅度小而且與井深基本上呈正比例關系，各井氣體鉆井臨界強度梯度差異不大，為0.050～0.058。
    2) 地層固有強度變化幅度大，這是砂泥巖地層巖性特征的表現(xiàn)。
3) 以沙一段底為界，大多數(shù)井在其上井段巖石固有強度總體上高于氣體鉆井臨界強度，氣體鉆井過程中井眼基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有個別氣井沙二段底至沙一段底井段巖石固有強度接近或低于臨界強度，實鉆過程中有遇阻和掛卡情況發(fā)生；進入涼上段后，巖石固有強度明顯低于氣體鉆井臨界強度，實鉆中井眼穩(wěn)定問題突出，個別氣井發(fā)生嚴重坍塌卡鉆。
 
3 LG地區(qū)超深井鉆井主要工程地質問題
    1) 沙一段、涼上段以及大安寨組油氣顯示活躍，而且由于儲層的不均質性，地層壓力和顯示強度在橫向上差異較大，難以做出準確預測，空氣鉆井作業(yè)風險較大。當鉆遇異常高壓顯示時，平衡地層壓力的鉆井液密度較高，對鉆井速度的影響很大。
    2) 涼上段至珍珠沖組底，巖石固有強度普遍低于氣體鉆井臨界強度，氣體鉆井中井眼不穩(wěn)定問題較突出。
    3) 在常規(guī)鉆井條件下，沙一段-須二段和嘉五段-嘉四段地層坍塌壓力系數(shù)相對較高。淺地層出水，第二次開鉆不能普遍開展空氣鉆井，影響鉆速。
    4) 下侏羅統(tǒng)地層巖性與上侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)地層差異較大且變化頻繁，細、粉砂巖研磨性很高、可鉆性低，加之為大尺寸井眼，在平衡鉆井(特別是高密度)條件下鉆井速度很低。
    5) 須家河組長段中粗粒石英砂巖地層研磨性極高，在平衡鉆井條件下可鉆性差，機械鉆速低，單只鉆頭進尺低，對鉆井速度的影響大。
    6) 飛仙關組和長興組儲層流體含硫化氫，對氣井完整性要求高。
4 進一步提高LG地區(qū)超深井鉆井速度的技術途徑
4.1 有效控制氣體鉆井的作業(yè)風險，防止井下重大復雜情況與事故的發(fā)生
    1) 充分認識氣體鉆井存在的施工作業(yè)風險。在鉆井設計中和施工作業(yè)前應認真做好氣體鉆井作業(yè)條件與風險評估，制定好出現(xiàn)復雜情況時的處理預案。
    2) 合理控制氣體鉆井的深度，適時轉換。根據(jù)前述油氣顯示情況及地層壓力特征和井眼穩(wěn)定性分析評價，LG地區(qū)侏羅系地層氣體鉆井一般不應超過沙一段底。實鉆情況也表明，一般情況下控制氣體鉆井不進入涼高山組也是合理的。在9口井中，有6口井均在沙一段地層適時安全轉換成常規(guī)鉆井，未發(fā)生嚴重井下復雜與事故。須家河組氣層可實施氮氣鉆井。由于雷二段為含水層，同時為防止雷三段石膏層垮塌卡鉆，用氮氣鉆至雷三段應及時轉換成常規(guī)鉆井。實施氣體鉆井時，應切實加強油氣顯示與井眼穩(wěn)定狀況的跟蹤檢測與分析，并按控制作業(yè)風險預案與作業(yè)規(guī)程要求，及時正確處理出現(xiàn)的異常情況。完善氣體鉆井的工藝，充分發(fā)揮空氣錘的作用，進一步提高氣體鉆井效率。
4.2 完善結束氣體鉆井時轉換為常規(guī)鉆井的相關工藝
    1) 應根據(jù)井眼穩(wěn)定性分析評價，設計儲備具有合理密度與良好抑制性的鉆井液。沙溪廟組-珍珠沖組地層轉換鉆井液密度一般應不低于1.30g/cm3。探索適當?shù)霓D換措施(如替入可降低泥頁巖水化的前置液)，盡可能減輕替入鉆井液重建井壁可能產生的井下不正常情況，快速實現(xiàn)井眼穩(wěn)定。
    2) 對侏羅系沙一段-珍珠沖組不適合于氣體鉆進層段采用PDC鉆頭復合鉆井。如鉆遇異常高壓氣顯示時，可實施欠平衡鉆井。
5 結論
    1) LG地區(qū)侏羅系下部地層油氣顯示活躍，地層壓力與顯示強度在橫向上差異較大并難以準確預測，同時，巖石固有強度普遍低于氣體鉆井臨界強度，井眼不穩(wěn)定問題較突出。
    2) 合理控制氣體鉆井的深度，有效規(guī)避氣體鉆井的作業(yè)風險，提高氣體鉆井效率，對侏羅系下部地層采用PDC鉆頭復合鉆井和實施欠平衡鉆井，是進一步提高超深井鉆井速度的重要技術途徑。
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(本文作者：鄭有成1 凌忠2 鄧虎2 常洪渠1 1.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部；2.川慶鉆探工程公司鉆采工藝研究院)