準(zhǔn)噶爾盆地復(fù)雜火成巖地層防漏堵漏控壓鉆井技術(shù)

摘 要

摘要：以準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火成巖為目的層的油氣勘探開發(fā)已開展近20年，實鉆中井漏問題十分突出，雖經(jīng)過多年研究，但問題一直沒有得到很好地解決。近年來，伴隨著國內(nèi)外成熟的鉆、完井
摘要：以準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火成巖為目的層的油氣勘探開發(fā)已開展近20年，實鉆中井漏問題十分突出，雖經(jīng)過多年研究，但問題一直沒有得到很好地解決。近年來，伴隨著國內(nèi)外成熟的鉆、完井技術(shù)不斷整合配套，基于大量的地質(zhì)資料分析、基礎(chǔ)理論研究成果及現(xiàn)場參數(shù)統(tǒng)計和室內(nèi)實驗與模擬結(jié)果，在上述地區(qū)開展了控壓鉆井(MPD)技術(shù)實踐并獲得成功。實踐證明：MPD在該區(qū)的成功應(yīng)用不但解決了長期困擾人們的井漏問題，而且還以其自身優(yōu)勢解決了諸如產(chǎn)層保護(hù)、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、二疊系和石炭系地層機(jī)械鉆速難以提高、井壁失穩(wěn)和長裸眼段穿越多套壓力系統(tǒng)共存的窄密度窗口等一系列相關(guān)難題。通過多項技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場試驗，提高了機(jī)械鉆速、延長了鉆頭壽命，為該地區(qū)裂縫性火山巖氣藏的勘探開發(fā)提供了技術(shù)保障。
關(guān)鍵詞：準(zhǔn)噶爾盆地；石炭紀(jì)；火成巖地層；井漏；防漏堵漏；控壓鉆井；窄密度窗口；機(jī)械鉆速；產(chǎn)層保護(hù)
    目前世界火成巖氣田主要集中在澳大利亞、美國、巴西、剛果、印度尼西亞及東歐的一些國家[1～2]。近年來，我國先后在準(zhǔn)噶爾、三塘湖、松遼、海塔、二連、渤海灣等盆地發(fā)現(xiàn)了火成巖油氣田，顯示了火成巖油氣勘探開發(fā)的巨大潛力。火成巖油氣藏已經(jīng)成為我國重要的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域[3～4]。
    以準(zhǔn)噶爾盆地石炭系火成巖為目的層的油氣勘探開發(fā)已開展近20年，實鉆中井漏問題十分突出，雖經(jīng)過多年研究，但問題一直沒有得到很好地解決?？貕恒@井(MPD)在解決地層漏失、地層孔隙壓力以及地層破裂梯度間壓力窗口狹窄造成涌、漏等問題方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢，它同時還具備費(fèi)用低、設(shè)備相對簡單、井控風(fēng)險較小、能在一定程度上提高機(jī)械鉆速等優(yōu)點[5～7]，因此值得在該區(qū)進(jìn)行試驗研究。
1 勘探開發(fā)難點
1.1 全井裸眼段井漏頻繁
    研究表明，準(zhǔn)噶爾盆地中下部地層，地層孔隙極為發(fā)育，砂巖孔隙度大、連通性好、滲透率高，加之地層變化大，極易發(fā)生井漏且漏失量大，存在同一漏層多次漏失的現(xiàn)象，造成重復(fù)堵漏及漏失層位不易判斷的難題，用常規(guī)堵漏材料堵漏難度大、堵漏成功率低、承壓難度大。二疊系壓力系數(shù)又較高，易造成第二次開鉆井段下部坍塌，提密度后又可能造成上部井漏等復(fù)雜情況。石炭系頂部存在風(fēng)化殼、破碎帶，裂縫發(fā)育，同樣易發(fā)生漏失。鉆井過程中，由于施工操作不當(dāng)以及鉆具碰撞等因素，易形成誘導(dǎo)性裂縫或使地層原有的微裂縫連通性更好，從而導(dǎo)致井漏升級。
    該區(qū)地層裂縫發(fā)育，漏失壓力低且漏失嚴(yán)重，井壁穩(wěn)定性差?；鸪蓭r地層裂縫較發(fā)育，主要以網(wǎng)狀縫(約占28%)、斜交縫(約占50%)、誘導(dǎo)縫為主(圖1)，裂縫不僅是油氣運(yùn)移成藏的主要通道，也是鉆進(jìn)中造成鉆井液漏失的重要原因；加之地層層系多、變動大，不整合接觸，斷裂系統(tǒng)發(fā)育，物源充足，沉積快速，欠壓實，孔隙度高，裂縫發(fā)育，主產(chǎn)層石炭系頂部存在風(fēng)化殼、破碎帶，裂縫發(fā)育等因素的共同作用，使得漏失更易發(fā)生。鉆井過程中，由于各種因素造成井內(nèi)壓力波動，易形成誘導(dǎo)性裂縫，或使地層原有的微裂縫貫通，導(dǎo)致井漏升級，井漏問題突出。高頻漏失、惡性漏失已成為制約該區(qū)勘探開發(fā)步伐的最大障礙。

   據(jù)該區(qū)已實鉆的25口井的漏失資料統(tǒng)計，鉆井中漏失普遍，平均每口井漏失8.6次，平均單次漏失量100～200m3，惡性漏失7次，最大漏失量達(dá)933.35m3，單次最長堵漏時間為568.05h(合23.67d)，防漏堵漏就成為該區(qū)鉆井作業(yè)中的主要課題。
1.2 多套壓力系統(tǒng)共存，常鉆遇窄密度窗口
白堊系、侏羅系地層承壓能力低(地層承壓試驗達(dá)不到2MPa)，固井過程中易發(fā)生失返型漏失，石炭系裂縫性地層承壓能力有限，鄰井用1.28g/cm3泥漿做固井承壓試驗只做到5MPa。同時測井資料也表明，該區(qū)井徑極不規(guī)則，鉆井過程中返屑常伴大量巖塊；起下鉆過程中易出現(xiàn)下鉆不到底的情況，劃眼時伴隨大量巖塊返出井內(nèi)，2009年該區(qū)有2口井(占該區(qū)當(dāng)年所鉆井20%)出現(xiàn)埋鉆，最終導(dǎo)致側(cè)鉆的嚴(yán)重井內(nèi)事故。地應(yīng)力研究結(jié)果表明，井區(qū)井壁坍塌壓力較高，井壁穩(wěn)定問題較為突出，屬于典型的窄密度窗口區(qū)域，常規(guī)鉆井情況下井內(nèi)壓力難以控制是造成該井區(qū)易出現(xiàn)井漏及井塌的根本原因，如圖2所示。

1.3 地層研磨性強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度高，機(jī)械鉆速低
   前期從鉆頭選型和鉆井方式上曾做過一些研究，但效果并不理想，主要問題是牙輪鉆頭的使用壽命很低，復(fù)合鉆常導(dǎo)致鉆具磨損易造成井內(nèi)事故，PDC鉆頭使用壽命不長，機(jī)械鉆速與牙輪鉆頭相比毫無優(yōu)勢可言等。原因歸納起來主要是該區(qū)二疊系和石炭系巖石強(qiáng)度高，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，鉆速慢。前期統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，二疊系和石炭系的機(jī)械鉆速僅為0.48～2.59m/h。室內(nèi)巖心強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)表明，區(qū)內(nèi)石炭系火成巖的單軸抗壓強(qiáng)度超過100MPa。
1.4 井身結(jié)構(gòu)限制
    在前期勘探中，中國石油新疆油田公司(以下簡稱新疆油田)在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計上曾做了大量的研究，很早就確立了以裸眼完井方式為主的完井工藝。從原來的四開四完井身結(jié)構(gòu)改成目前普遍使用的三開三完井身結(jié)構(gòu)，四開的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于：能在一定程度上避免多套壓力系統(tǒng)共存問題，也能在一定程度上減少漏失。但在鉆井中無法避免在火成巖地層使用小井眼鉆進(jìn)，這使得機(jī)械鉆速較低，而且井內(nèi)事故較多，小井眼井下工具受限事故處理也多為不便，更為重要的是它使產(chǎn)量受限——后期采油工藝的實施受到其很大的制約。而三開三完的井身結(jié)構(gòu)則具有前者所不具備的優(yōu)勢。如上所述，如何克服多套壓力系統(tǒng)共存、固井質(zhì)量不佳等所帶來的一系列復(fù)雜問題是關(guān)乎三開三完井身結(jié)構(gòu)成否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。
1.5 火成巖儲層保護(hù)
    前期取心分析化驗資料及試油結(jié)果表明，該井區(qū)石炭系火成巖儲層巖性以凝灰質(zhì)砂礫巖、玄武巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖和酸性花崗斑巖等為主，儲層裂縫較發(fā)育，具有水敏、酸敏、水鎖、無機(jī)物沉淀、應(yīng)力敏感等傷害特征，火山巖儲層保護(hù)的重點是控制鉆井液和水泥漿濾液的抑制性、高礦化度、低濾失量和高裂縫封堵能力，傳統(tǒng)的過平衡鉆井會嚴(yán)重傷害儲層。
2 控壓鉆井技術(shù)的應(yīng)用研究
    為高效開發(fā)克拉美麗氣田，新疆油田開展了一系列研究、論證、實驗工作，包括：井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、欠平衡相關(guān)研究、控壓鉆井的相關(guān)研究、井壁穩(wěn)定性研究、火成巖地層水平井產(chǎn)能影響因素分析、油基鉆井液應(yīng)用分析、低壓易漏地層固井工藝研究，并針對火成巖地層特點開展了鉆頭選型與結(jié)構(gòu)改進(jìn)、強(qiáng)化鉆井參數(shù)等研究，為后續(xù)制訂一套行之有效的開發(fā)方案提供了大量的研究成果和經(jīng)驗。
2.1 控壓鉆井的核心
    MPD的意圖是控制鉆井液環(huán)空的壓力剖面，防止和處理由于井內(nèi)當(dāng)量液柱壓力過大或過小產(chǎn)生的井內(nèi)復(fù)雜情況[8]。目前MPD現(xiàn)場應(yīng)用主要是針對通過對回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合控制，使整個井筒的壓力剖面維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，進(jìn)行平衡或近平衡鉆井，有效控制地層流體侵入井眼，減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復(fù)雜情況。該技術(shù)被認(rèn)為是目前能最有效解決窄密度窗口鉆井難題的技術(shù)之一。
2.2 MPD針對火成巖地層的技術(shù)優(yōu)勢
    1) 通過精確控制井底及剖面壓力，使鉆井液井眼環(huán)空的當(dāng)量密度壓力在不高于地層漏失壓力的情況下能最大限度地防止漏失，即使在鉆井過程中發(fā)生漏失也能及時調(diào)節(jié)節(jié)流閥的大小或降低排量。要注意的是，弄清漏失類型和關(guān)鍵因素此時就顯得十分必要，如果漏失地層不是壓力敏感型的漏失，則MPD就不一定能在防漏堵漏中起到關(guān)鍵性作用。
    2) 上述研究表明，該區(qū)為典型的窄密度窗口地層，井漏與井塌現(xiàn)象時常發(fā)生，對付這類地層目前MPD技術(shù)是最有效的辦法之一。對于井漏的處理上已述及，而對于破裂壓力的控制，主要在于對地層破裂做好預(yù)測，當(dāng)量密度沿孔隙壓力和漏失壓力下限取值。但是對于地層破裂壓力的預(yù)測和鉆井液當(dāng)量密度的計算需要做大量的統(tǒng)計研究工作才能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場才不會因為計算預(yù)測數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確而導(dǎo)致井內(nèi)事故。
    3) 有針對性地解決地層研磨性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、機(jī)械鉆速低的問題。本區(qū)火成巖地層為中孔中滲、中小孔喉的火山碎屑巖儲集層，滲透性地層井底液柱壓力從平衡變?yōu)榍菲胶鉅顟B(tài)，機(jī)械鉆速可以大大提高，有效解決火成巖機(jī)械鉆速低的普遍問題，即滲透性地層的機(jī)械鉆速可在井底壓力與地層壓差減小時大大提高。
    4) 通過較為精確的人為控制，能使井內(nèi)鉆井液壓力剖面處于一個合理的區(qū)間范圍內(nèi)，能有效穿越大部分的多壓力系統(tǒng)在地層，并保證其井內(nèi)安全，保證井內(nèi)不噴、不漏、不塌。避免了多下一層套管和最終用小井眼鉆井的不利局面。
    5) 本區(qū)裂縫型火成巖儲層損害以鉆井液的水敏、水鎖、無機(jī)物沉淀和應(yīng)力敏感為主，所以減少鉆井液進(jìn)入產(chǎn)層就是保護(hù)主產(chǎn)層的關(guān)鍵。為此就得從兩方面入手：①鉆井液類型如油基泥漿和盡可能地降低其鉆井液本身的濾失量；②鉆井工藝上盡量減小地層壓力與鉆井液的當(dāng)量密度壓力差，避免鉆井液大量進(jìn)入地層。從減小壓差保護(hù)儲層的意義上來說，控壓鉆井能有效控制壓力剖面保證壓力差在可控的范圍內(nèi)，雖然保護(hù)力度不及欠平衡鉆井，但從實際意義上來說它具有更能減少井內(nèi)事故的風(fēng)險、迅速處理井內(nèi)復(fù)雜情況等欠平衡鉆井所不具備的優(yōu)點[9～10]。
2.3 控壓鉆井配套技術(shù)研究
    克拉美麗氣田控壓鉆井配套技術(shù)主要包括以下研究內(nèi)容：
    1) 研究、分析已鉆井情況，總結(jié)出實鉆井中引起復(fù)雜、事故的地質(zhì)條件，建立一套較逼真的地質(zhì)模型，為鉆井方案的選取提供地質(zhì)依據(jù)。開展地層特性研氪分析已鉆井的工程、地質(zhì)、測井、測試等資料，建立鉆井巖石力學(xué)特性剖面及地層壓力剖面；進(jìn)而建立針對克拉美麗氣田的井漏計算模型，對防漏堵漏具有指導(dǎo)意義。
    2) 針對本區(qū)易出現(xiàn)的漏失問題，對控壓鉆井對防漏效果進(jìn)行可行性分析、論證?？偨Y(jié)實鉆井的漏失地層特性、漏失規(guī)律，提出控壓防漏、地層破裂壓力的預(yù)測模型及控壓防漏配套技術(shù)。
    3) 開展對本區(qū)地層的地應(yīng)力和井眼穩(wěn)定性評價研究和鉆井完井方式優(yōu)化研究，結(jié)合已鉆井的井身結(jié)構(gòu)，提出合理、經(jīng)濟(jì)、安全的適合控壓鉆井的井身結(jié)構(gòu)。
    4) 針對二疊系火成巖地層機(jī)械鉆速慢的問題，主要開展了鉆頭選型、鉆井工藝技術(shù)研究比如配套的控壓鉆井技術(shù)研究和欠平衡鉆井技術(shù)研究，欠平衡主要研究方向在泡沫鉆井和充氣鉆井方向，由于地層容易失穩(wěn)，目前的空氣鉆井工藝技術(shù)條件還不具備未開展。
    5) 油氣層保護(hù)方面，研究主要從儲層傷害機(jī)理研究入手，鉆井工藝在欠平衡控壓鉆井工藝技術(shù)的應(yīng)用研究外，從使用的無固相有機(jī)鹽鉆井液體系的降失水方面的研究和油基鉆井液體系的研究應(yīng)用。在這些方面新疆油田已取得了一些成果，實際效果也很好。
3 控壓鉆井技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用
    根據(jù)前期勘探開發(fā)資料和后期數(shù)據(jù)處理計算結(jié)果，對試驗井進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)參數(shù)設(shè)計。
3.1 控壓鉆井液密度設(shè)計
3.1.1地層坍塌壓力預(yù)測
    經(jīng)計算試驗井(以下簡稱X井)第二次開鉆至第三次開鉆井段坍塌壓力系數(shù)區(qū)間值為0.50～1.15g/cm3，易造成第二次開鉆段下部坍塌，提密度后又會造成上部井漏的復(fù)雜情況(如圖2所示)?？蓮膱D2中得知中上部地層(500～3000m)坍塌壓力系數(shù)在0.5～0.75之間，這說明在500～3000m控壓鉆井的當(dāng)量密度可采用低限值，加大與地層壓力的差值，改善提速效果，甚至在條件具備的情況下可用欠壓平衡鉆井；下部地層至主產(chǎn)層(3000～4000m)坍塌壓力系數(shù)在0.9～1.15之間，此段的坍塌壓力值較高，采用欠平衡鉆井易造成井壁不穩(wěn)，近平衡鉆井也井壁穩(wěn)定性也不高。因此目標(biāo)井井深3000～4000m井段是控壓的關(guān)鍵層和難點層段。實鉆資料統(tǒng)計表明：為了防止該大段泥巖坍塌，提高密度帶來上部地層的漏失的情況經(jīng)常發(fā)生。
3.1.2地層孔隙壓力預(yù)測
   與坍塌壓力的趨勢基本一致，可從圖2可知中上部地層(500～3000m)地層孔隙壓力系數(shù)在0.9～1.0之間；下部地層至主產(chǎn)層(3000～4000m)地層孔隙壓力系數(shù)在1.0～1.3之間。本段地層最高壓力系數(shù)出現(xiàn)在3200～3700m之間，在這一段鉆井中主要的矛盾在于產(chǎn)層保護(hù)和此井段的地層坍塌壓力也相應(yīng)較高。3200～3700m對于控壓鉆井來說是在重點和難點井段，此段的主要任務(wù)是防塌、防漏和儲層保護(hù)。
3.1.3地層破裂壓力預(yù)測
   根據(jù)鄰井的地質(zhì)資料計算，本井的地層破裂壓力系數(shù)在1.62～1.95之間，從大區(qū)域?qū)嶃@資料上來看，該區(qū)域的地層破裂壓力梯度最高2.94，最低1.38表現(xiàn)火成巖的破裂壓力極不規(guī)律，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明該區(qū)由于鉆具激動壓力致使井漏的次數(shù)占總漏失次數(shù)的10%，因此設(shè)計鉆井液密度時應(yīng)當(dāng)考慮的是地層破裂壓力可能會偏低，從而造成井漏的影響。
3.1.4鉆井液密度設(shè)計
    控壓鉆井的鉆井液密度值設(shè)計主要依據(jù)3項壓力預(yù)測結(jié)果而設(shè)計，主要考慮的在于500～3000m井段，地層中會鉆遇數(shù)個小氣層，為井控安全起見，井底壓差會稍大，鉆井液密度設(shè)計區(qū)間為1.07～1.15之間；下部地層主要考慮防漏和儲層保護(hù)以及提高機(jī)械鉆速的要求，加上地層坍塌壓力較高的不利因素，主要思路：主產(chǎn)層之外的地層用過平衡的方式，在安全前提下減小井底壓差提高鉆井速度；而在產(chǎn)層中鉆進(jìn)時，用微過平衡、平衡甚至在條件允許情況下采用適當(dāng)欠平衡鉆井。
3.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計
    井身結(jié)構(gòu)原則，前述由于本井為控壓鉆井能在可控的范圍內(nèi)避免井內(nèi)復(fù)雜情況的出現(xiàn)，而采用三開三完井身結(jié)構(gòu)，為提速和后期采油工藝的實施打下良好基礎(chǔ)。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)如表1所示。
 

3.3 井底壓力數(shù)據(jù)計算校正
   前述井深500～3000m平均孔隙壓力系數(shù)為0.95，坍塌壓力系數(shù)介于0.5～0.75，初步選定井底動壓差為2.0～3.5MPa。井深為3000～4000m，平均孔隙壓力系數(shù)為1.15，坍塌壓力系數(shù)在0.9～1.15之間初步選定井底動壓差為0.7～1.4MPa?？紤]其存在的風(fēng)險和地層壓力系數(shù)的不確定性，分別模擬不同鉆井液密度條件下，井底靜態(tài)和動態(tài)欠壓差設(shè)計。石炭系地層孔隙壓力梯度當(dāng)量密度系數(shù)一般在0.899～1.301之間變化，波動范圍較大，該層位地層孔隙壓力異常，如果實鉆中與預(yù)測不符可適當(dāng)調(diào)整回壓值或泥漿密度。
   由表2可知按控壓鉆井設(shè)計500～3000m鉆井液密度應(yīng)介于1.07～1.09g/cm3，3000～4000m井段鉆井液密度介于1.15～1.20g/cm3之間比較合適。
3.4 現(xiàn)場應(yīng)用
   X井第三次開鉆全段采用控壓鉆井方式，開始鉆井密度為1.16g/cm3的鉆井液，井口回壓為1MPa，計算井底壓力為46MPa，當(dāng)循環(huán)密度為1.19g/cm33時井底預(yù)測壓力為47.60MPa，井底壓差值為1.6MPa，實際鉆井過程中，鉆過主產(chǎn)層后的停泵作業(yè)后的后效氣測值較高，需要專門循環(huán)除氣，正常鉆井氣測值則又回落至正常值，基本實現(xiàn)產(chǎn)層壓差的原則。
    X井自第二次開鉆、第三次開鉆井段只有一次漏失現(xiàn)象發(fā)生，現(xiàn)場及時打開節(jié)流閥、減小循環(huán)排量，降低井底壓力，井漏問題得以迅速解決，比鄰井8.6次的漏失，控壓鉆井防漏堵漏效果明顯。第三次開鉆3100m鉆至井深4000m完鉆火成巖井段，共進(jìn)尺900m，平均機(jī)械鉆速0.87m/h。單只鉆頭最高平均機(jī)械鉆速達(dá)到2.36m/h，比先前同層位開發(fā)的直井平均機(jī)械提高40%，由于本井為水平井，控制方位和井斜在整個鉆井過程中，大大降低了機(jī)械鉆速；牙輪鉆頭的平均使用時間95.8h且鉆頭出井評價鉆頭磨損量均未超過20%，使用時間是同等地層條件下鄰直井鉆頭使用時間的2倍以上，同時也減少了起下鉆的次數(shù)和時間，保證了鉆井純鉆時間，提高了鉆井效率，鉆井周期縮短24～43d；井深3800m左右井內(nèi)返屑中發(fā)現(xiàn)巖塊并且數(shù)量有上升趨勢，調(diào)整泥漿密度至1.21g/cm3掉塊現(xiàn)象消失，但后效氣測值有氣下降。最終試氣結(jié)果表明，X井采用9mm油嘴日產(chǎn)氣量達(dá)到20.20×104m3。
4 應(yīng)用效果評價及建議
    1) 控壓鉆井對復(fù)雜多壓力系統(tǒng)共存的井段鉆井，有明顯的防漏堵漏優(yōu)勢。
    2) 目前雖然在火成巖地層的井壁穩(wěn)定性評價方面做了大量的工作，但是由于火成巖地層的變化差異較大，鄰井資料可借鑒意義有限，如何提高其預(yù)測精度成為難點，其技術(shù)領(lǐng)域有待提高。
    3) 配套工藝不完善時壓力差值不易過大，如在實驗井中常停泵，井內(nèi)氣侵嚴(yán)重，需要花一定量的時間除氣，在此推薦鉆井液連續(xù)循環(huán)裝置來彌補(bǔ)其不足。
    4) 壓差的減小對牙輪鉆頭的提速有很大意義，建議在坍塌壓力、孔隙壓力及漏失壓力允許的條件下進(jìn)一步縮小其差值以提高機(jī)械鉆速，延長鉆頭壽命。
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(本文作者：樊朝斌 先齊 楊世軍 中國石化西南石油局司重慶鉆井公司)