新工藝新技術(shù)在X超深井鉆完井中的應(yīng)用

摘 要

摘要：位于LG地區(qū)的X井，以145d鉆完6530m井深的深度在國內(nèi)鉆井界引起了強烈反響，兩個儲層的試油也僅耗時23d，創(chuàng)造了超深井鉆井試油速度的最新紀錄。為此，介紹了以氣體鉆井、氮氣加
摘要：位于LG地區(qū)的X井，以145d鉆完6530m井深的深度在國內(nèi)鉆井界引起了強烈反響，兩個儲層的試油也僅耗時23d，創(chuàng)造了超深井鉆井試油速度的最新紀錄。為此，介紹了以氣體鉆井、氮氣加壓射孔-酸化-測試聯(lián)作試油等為代表的在該井鉆井、試油中發(fā)揮了重要作用的新工藝新技術(shù)，并針對應(yīng)用中存在的空氣錘縮徑、珍珠沖組地層坍塌和以O(shè)MNI閥代替LPR-N閥進行測試作業(yè)等問題以及需要進一步探索的技術(shù)提出了近期的研究目標。
關(guān)鍵詞：氣體鉆井PDC鉆頭；氮氣加壓射孔；空氣錘；超深井；酸化
0 引言
    在LG地區(qū)X井鉆井工程中，由于在鉆井完井方案論證與工程設(shè)計、氣體鉆井技術(shù)施工和完井試油技術(shù)施工中的周密計劃與創(chuàng)新實踐，最終以145d的時間鉆完6530m井深的成績，創(chuàng)造了碳酸鹽巖超深井鉆井新紀錄；長興組和飛仙關(guān)組兩個儲層的試油測試也僅用23d就完成，創(chuàng)造了超深井試油速度的最新紀錄；并實現(xiàn)全井零事故、零污染、零組織停工的目標。這些成績的取得，除了參戰(zhàn)各單位的重視和支持外，新工藝新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮了極其重要的作用。
1 工程設(shè)計方案
    根據(jù)“在確保安全鉆井施工作業(yè)，順利完成地質(zhì)任務(wù)的前提下，充分應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，盡可能地提高機械鉆速，縮短鉆井周期”的原則，在鉆井工程設(shè)計中把盡可能延長氣體鉆井井段作為x井提速的首要措施來考慮。但該井作為LG構(gòu)造的第一口井，無準確的資料可供參考，只能根據(jù)鄰近構(gòu)造以及川東類似井深的實鉆井進行類比推測：X井可能存在的高壓鹽水層、淺層油氣、地層水、井壁失穩(wěn)、含硫化氫等因素將影響甚至隨時終止氣體鉆井的實施，目的層井段的高含硫和高井溫可能給鉆井、固井和試油作業(yè)增大難度和風險。工程設(shè)計經(jīng)過反復(fù)論證修改，最終形成了以安全提速為核心內(nèi)容、以詳盡完備的應(yīng)急預(yù)案為保障體系的鉆井完井工程設(shè)計方案[1～6]。
    鉆井方面，在非儲層上部井段采用空氣鉆井提速，在可能含氣且最難鉆的須家河組層段采用氮氣鉆井，在深部地層推廣PDC鉆頭配合螺桿鉆具技術(shù)、抗高溫優(yōu)質(zhì)鉆井液提速。
    完井方面，在長興組層位采用射孔(氮氣加壓)-酸化-測試聯(lián)作方式，盡可能降低井筒壓力，釋放地層能量，快速見到油氣顯示；飛仙關(guān)組層位，在不減少井下管柱功能的前提下，簡化管柱結(jié)構(gòu)，降低作業(yè)風險，提高試油效率。
    為了從源頭上控制風險，設(shè)計過程中根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況，認真分析該井的構(gòu)造背景和可預(yù)見的工程地質(zhì)問題，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井方式、鉆井液性能等細節(jié)入手，對可能出現(xiàn)的高壓、高溫、高含硫、井深差異等各種情況均做出了細致預(yù)測，明確了識別標準，制定了詳盡的應(yīng)對措施。
2 氣體鉆井新技術(shù)的研究與完善
    四川地區(qū)超深井鉆速慢、周期長是一個公認的難題。2005年氣體鉆井作為一項新技術(shù)應(yīng)用于超深井，提高鉆速見到了驚人效果。氣體鉆井先后在七里北101井、東升1井等多口井上應(yīng)用，創(chuàng)造了七里北101井深5287m用156d完鉆、東升1井井深6288m用245d完鉆的新紀錄，顯示出氣體鉆井對于超深井提速的重要意義。但是氣體鉆井過去的試驗也暴露出井斜、空氣錘壽命短、現(xiàn)場制氮能力不足等問題，提速潛力尚待進一步挖掘。
    X井屬復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域，巖層硬度大、研磨性強，埋藏于4000m以深的須家河組層厚達600m以上；地層剖面存在潛在的低壓漏失、高壓鹽水、淺氣層等復(fù)雜情況；儲層埋藏深度超過6500m。從相鄰構(gòu)造采用常規(guī)鉆井的7口實鉆深井情況看，平均井深比X井少911m，鉆井周期卻長達487d。X井要想在七里北101、東升1井的基礎(chǔ)上更上一層樓，至關(guān)重要的是完善工藝技術(shù)和工具，實現(xiàn)技術(shù)上的新突破。
2.1 氣體鉆井防斜技術(shù)研究
    針對過去試驗中多口井出現(xiàn)比較突出的井斜問題，能否在打快的前提下有效控制井斜是首先必須解決的技術(shù)難題。研究中收集了過去試驗存在井斜問題井的資料，通過大量的分析對比認為：導致井斜的主要因素是氣體鉆井相對于鉆井液鉆井而言存在不同程度井壁失穩(wěn)，并由此產(chǎn)生井徑擴大率較鉆井液鉆井大。由于氣體鉆井井徑擴大，其施工參數(shù)受到限制。通過大量調(diào)研分析認為：空氣錘的工作原理決定了其能夠在低鉆壓條件下獲得理想的機械鉆速，有利于防斜打快，確立了X井上部地層主要采用空氣錘防斜的試驗方案。
    長期以來，氣體鉆井不敢采用扶正器的主要原因是，一旦地層出水，極易導致卡鉆事故，但采用扶正器能強化鉆壓、有利于防斜。通過對鄰區(qū)已鉆井資料分析，認為X井須家河組一嘉陵江組層段出水的可能性小，據(jù)此，確立了須家河組以下井段實施氣體鉆井采用雙扶正器防斜的試驗方案。
2.2 氣體鉆井施工參數(shù)優(yōu)化研究
    在對氣體鉆井施工參數(shù)有了一些認識后，如何優(yōu)化、氣體鉆井提速的潛力到底有多大、是否可以追求更高的目標等問題進行了深入的研究。運用多相流理論和數(shù)值模擬的方法，分析了注氣排量與井眼尺寸、鉆具尺寸、井內(nèi)溫度、巖屑尺寸、井底流壓、井口套壓、巖屑濃度、機械鉆速等的關(guān)系，建立了實現(xiàn)目標機械鉆速所需注氣量的計算方法，為氣體鉆井設(shè)備配套、進一步提高機械鉆速找到了理論依據(jù)，同時，為少量出水、井徑擴大提供了足夠的氣量配置。
2.3 氮氣混合空氣鉆井的探索
    為應(yīng)付在儲層氮氣鉆井時出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，對氮氣混合空氣鉆井的可行性進行了研究。根據(jù)燃爆理論研究，若氧氣的濃度低于某一臨界極限，空氣、氮氣和烴的混合物不能燃燒。因此，用來防止井下燃燒的循環(huán)氣體不必用純氮氣；鑒于可燃混合物燃燒所需氧氣的最低濃度受壓力、溫度的影響，可以通過對X井井底壓力、溫度的分析計算，將混合氣體的氧氣濃度控制在臨界值以下，再配合燃爆監(jiān)測，控制井下安全。
2.4 空氣錘使用壽命研究
    針對過去試驗中因空氣錘釬頭磨損嚴重導致空氣錘使用壽命縮短的問題。對多口井空氣錘的使用數(shù)據(jù)進行了收集整理，深入地分析了空氣錘釬頭磨損的機理和影響因素。經(jīng)對比分析認為：空氣錘釬頭磨損包括縱向震動磨損和周向轉(zhuǎn)動磨損，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆壓大小是釬頭磨損的重要影響因素。在深入分析空氣錘工作原理和破巖機理的基礎(chǔ)上，提出了增加保徑齒、控制空氣錘使用時間、采用遞減尺寸或設(shè)計偏心擴眼釬頭的改進意見，計算出了優(yōu)化的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆壓參數(shù)范圍，使其既能滿足空氣錘正常發(fā)揮功能、又能最大限度減緩磨損、延長使用壽命。
3 氣體鉆井提速實踐
    145d完成一口6530m的超深井，這在我國鉆井歷史上創(chuàng)造了一個最新紀錄。通過周密的組織與技術(shù)策劃，實鉆中在井深加深214m的情況下，全井比設(shè)計提前62.5d完鉆，節(jié)約周期30%以上；在X井6530m進尺中，氣體鉆井進尺3303.62m，占50.6%；在X井145d實鉆周期中，氣體鉆井32d，僅占22%。即氣體鉆井僅用1/5強的時間完成了X井一半以上的進尺，對該井提速起到了決定性作用。
3.1 合理增加氣體排量，挖掘提速潛力
    根據(jù)理論研究成果，提高設(shè)備配套供氣能力，進一步提高了機械鉆速，顯示了氣體鉆井的提速潛力。創(chuàng)造了日進尺557.32m的新紀錄。
3.2 氣體鉆井井斜控制
運用空氣錘或雙扶正器鉆具組合在直井中成功地控制井斜，該井使用空氣錘鉆進井段的井斜控制在2.3°以內(nèi)(最大井斜2.09°)，為解決氣體鉆井井斜難題找到了有效途徑。
3.3 空氣錘的磨損控制
    針對過去試驗中空氣錘釬頭磨損嚴重導致空氣錘壽命縮短的難題，在強化釬頭保徑措施的同時，通過適當降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，確定適當?shù)你@壓，成功地減少了釬頭磨損，延長了空氣錘的使用壽命，創(chuàng)造了單只空氣錘進尺1712.82m的使用紀錄。由于上述創(chuàng)新實踐的有效開展，X井取得了新的鉆井技術(shù)指標：X井在Ø311.2mm井眼采用空氣加空氣錘或牙輪鉆頭從791m井深鉆進至3441m井深，平均機械鉆速為24.17m/h；在Ø215.9mm井眼采用純氮氣、氮氣混合空氣帶雙穩(wěn)定器組合從3589m鉆至4243m井深，平均機械鉆速為10.78m/h；整個氣體鉆井平均機械鉆速為19.4m/h。創(chuàng)造了4項氣體鉆井全國紀錄：①單井氣體鉆井總進尺最長(3304m，占全井設(shè)計井深的52.3%)；②氮氣鉆井井深最深(4243m)；③單只空氣錘進尺最長(1712.82m)；④氣體鉆井日進尺最高(557.32m)。X井與相鄰構(gòu)造7口超深井的平均數(shù)據(jù)對比，平均鉆速提高420%，在比7口井平均井深多911m的情況下，縮短鉆井周期70%以上。
4 深井完井試油安全快速作業(yè)工藝
4.1 管柱優(yōu)化技術(shù)
    飛仙關(guān)組層位在進行試油測試的時候，井下測試管柱中只使用了OMNI閥，而沒有使用LPR-N閥。基于對該層位地質(zhì)資料的分析，推斷該層儲層較好，在進行測試作業(yè)時井筒儲集效應(yīng)的影響會很小，確信利用井口進行開關(guān)井，同樣能很快求取到地層壓力。因此，首先精簡掉LPR-N閥，這樣，測試作業(yè)時就不用再進行環(huán)空壓力操作，減少了井下測試閥開關(guān)失靈的風險，大大提高了測試的成功率；其次，在管柱中加入了OMNI閥，利用其所具備的循環(huán)孔，能夠在射孔前將酸液替至儲層，在替酸結(jié)束后，關(guān)閉循環(huán)孔完成試油。
4.2 H2S在線監(jiān)測儀的現(xiàn)場應(yīng)用
    X井在每一層次的放噴測試作業(yè)中都使用了H2S在線監(jiān)測儀，監(jiān)測測試管線中實時的H2S含量值。該監(jiān)測儀所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過與專業(yè)分析單位的人工化驗分析結(jié)果相對比，二者相差很小，說明該儀器測試結(jié)果真實、可靠。而該設(shè)備通過電腦自動實時數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的優(yōu)越性是其他方式不能替代的。使用該儀器設(shè)備能有效地提供現(xiàn)場決策參考，以便讓作業(yè)人員采取及時的防范措施，具有廣泛的推廣前景。
4.3 綜合防腐技術(shù)應(yīng)用
    飛仙關(guān)組二次完井管柱綜合應(yīng)用多項H2S防腐措施，充分保證了飛仙關(guān)組井下完井管柱的長久使用安全。X井采用了多項先進技術(shù)，長興組和飛仙關(guān)組兩個儲層的試油測試僅用23d就完成，創(chuàng)造了深井試油速度的最新紀錄。長興組試油，測試閥以上油管柱掏空5134m，創(chuàng)造了新的掏空深度紀錄?？朔藘纱罄щy：第一、由于要利用注入氮氣平衡測試閥上、下的壓差開關(guān)測試閥和引爆射孔槍。因此，要求現(xiàn)場作業(yè)人員能夠準確計算井底的氮氣柱壓力。事實上由于受到溫度及管柱摩阻等因素的影響，井越深，井底氮氣柱壓力計算的結(jié)果誤差越大，工藝成功的保障越低。第二、由于氣體壓縮系數(shù)較大，在氮氣引爆射孔槍之后，井底壓力會趨向地層壓力，但在較短的時間內(nèi)地面壓力變化卻很小，地面難以準確判斷射孔情況。但是技術(shù)人員通過攻關(guān)，提出了精確計算井口氮氣操作壓力的方法，同時，配合井口精密的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，很敏銳地捕捉到了射孔后井口壓力的微妙變化，從而在很短的時間內(nèi)準確判斷出射孔槍引爆，為下步措施的實施提供了依據(jù)。
5 認識與建議
    1) 空氣錘沒能形成系列規(guī)范產(chǎn)品，如采用Ø315～311mm系列空氣錘有望一只空氣錘打完Ø311.2mm井段。建議生產(chǎn)廠家生產(chǎn)規(guī)格齊全的空氣錘。
    2) 針對珍珠沖組層段出現(xiàn)接單根沉砂嚴重，替漿后井下又處理井漏耗時過長的問題，可考慮探索試驗牙輪鉆頭強鉆、氣體測井技術(shù)和空井下套管固井技術(shù)，以期避免替漿后的被動局面。以O(shè)MNI閥代替LPR-N閥進行測試作業(yè)的管柱結(jié)構(gòu)，僅在川渝地區(qū)開始初步探索，雖然效果比較理想，但還需在以后的高壓、超深井測試作業(yè)中推廣完善。
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(本文作者：孫海芳 韓烈祥 川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院)