韓福彬,杜敬安,王忠福,姜玉芳
(1.大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部,黑龍江大慶163458;2.大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司,黑龍江大慶163358;3.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院,黑龍江大慶163413)
大慶油田自發(fā)現(xiàn)以來(lái),一直以開(kāi)發(fā)原油為主。但自徐深1井取得深層天然氣勘探的重大突破后,深井鉆井工作量大幅度增加,2005年和2007年分別提交了千億方的天然氣探明儲(chǔ)量,自此步入了油氣勘探開(kāi)發(fā)并舉階段。
大慶深井的鉆井技術(shù)水平較低,2000—2003年平均井深3910 m、平均鉆速2.77 m/h、鉆井周期169 d。為滿足快速提交探明儲(chǔ)量的需求,2004—2007年開(kāi)展了以優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、鉆頭優(yōu)選、復(fù)合鉆井、強(qiáng)化鉆井參數(shù)、預(yù)防鉆井事故為主要內(nèi)容的提速技術(shù)攻關(guān),平均井深4073 m、平均鉆速3.17 m/h、平均鉆井周期縮短46 d,但仍然長(zhǎng)達(dá)123 d。此外,還探索形成了氣體鉆井技術(shù),但由于受地質(zhì)條件、安全和成本的限制,無(wú)法全面推廣應(yīng)用。在完井方面,出現(xiàn)了多口井固井后井口帶壓現(xiàn)象,存在安全隱患的同時(shí)還嚴(yán)重制約了增產(chǎn)改造技術(shù)措施的應(yīng)用。
針對(duì)鉆速慢的問(wèn)題,借鑒國(guó)內(nèi)外深層提速技術(shù)成果,從進(jìn)一步優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)選先進(jìn)提速工具和高效鉆頭、研制國(guó)產(chǎn)提速工具等方面出發(fā),開(kāi)展科研攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),取得了良好的提速效果,加快了深層天然氣藏的經(jīng)濟(jì)有效勘探與開(kāi)發(fā)步伐;針對(duì)井口帶壓?jiǎn)栴},綜合分析其產(chǎn)生因素,開(kāi)展系列技術(shù)研究,形成了防氣竄固井配套技術(shù),為深層天然氣快速增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了保障。
慶深氣田位于松遼盆地北部,深層是指白堊系下統(tǒng)泉二段以下至基巖風(fēng)化殼地層,包括泉頭組二段和一段、登婁庫(kù)組四段至一段、營(yíng)城組、沙河子組、火石嶺組和基巖風(fēng)化殼(石炭—二疊系)。各套地層頂面埋藏深度:泉二段2150~2250 m、登婁庫(kù)組2500~2650 m、營(yíng)城組2700~3450 m,沙河子組、火石嶺組和基巖頂面埋藏深度變化更大。地層巖性:泉頭組二段和一段、登婁庫(kù)組以泥巖、砂巖及其過(guò)渡巖性組成;營(yíng)城組為流紋巖、安山巖及其碎屑巖和各類沉積碎屑巖;沙河子組為泥巖、砂(礫)巖夾煤層;火石嶺組為中基性火山巖、礫石夾煤層。沙河子組是本區(qū)的主要烴源巖層,營(yíng)城組火山巖和沙河子組砂(礫)巖是主要勘探對(duì)象[1-3]。
(1)深層巖石硬度大,巖石可鉆性級(jí)值最高達(dá)10.38級(jí),硬度大于5000 MPa,火山巖、礫巖地層鉆頭磨損嚴(yán)重、鉆速低。
(2)平均地溫梯度高達(dá)4.1℃/100 m,4000~5500 m井深,井底溫度160~220℃之間。對(duì)鉆井工具、儀器、助劑抗溫性能要求高,易發(fā)生井下復(fù)雜,固井施工難度大。
(3)深部地層壓實(shí)程度高,孔滲低。徐家圍子斷陷帶主力氣層孔隙度2.0% ~10.0%,滲透率(0.04~2.574)×10-3μm2,一般地層壓力系數(shù)為0.90~1.10,局部存在異常壓力層系。
(4)部分區(qū)塊裂縫發(fā)育,存在膠結(jié)性差的破碎性地層,易發(fā)生井壁剝落、坍塌和惡性漏失等復(fù)雜。
(5)深層儲(chǔ)層中富含二氧化碳(CO2)伴生氣,最高含量達(dá)90%以上,會(huì)對(duì)水泥石產(chǎn)生腐蝕作用,降低水泥石的堿性,使水泥環(huán)強(qiáng)度下降,滲透率增大。
(6)增產(chǎn)改造工藝要求全井封固,封固段長(zhǎng)、溫差大,環(huán)空液柱壓力及流動(dòng)摩阻力大、易漏失。
通過(guò)鉆井設(shè)計(jì)的優(yōu)化有利于深層提速提效,需綜合考慮設(shè)計(jì)井深、層位、巖性、地層壓力、三開(kāi)裸眼段長(zhǎng)度以及各開(kāi)次固井施工難度等多種因素。直井技套下深以PDC鉆頭實(shí)現(xiàn)二完為優(yōu)化原則;三開(kāi)重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用高效PDC鉆頭復(fù)合鉆井、氣體鉆井、液動(dòng)旋沖鉆井以及渦輪鉆井等配套技術(shù)來(lái)提高下部井段鉆井速度,從而確保縮短鉆井周期,降低鉆井成本。
針對(duì)已鉆井井身結(jié)構(gòu)井間差異大、四開(kāi)井累計(jì)完井時(shí)間就高達(dá)69 d等問(wèn)題,開(kāi)展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化,明確各開(kāi)次完鉆層位,深層直井全部實(shí)現(xiàn)三層井身結(jié)構(gòu)。以GS區(qū)塊為例說(shuō)明深層直井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程:首先,優(yōu)化表層套管下深為352 m,封固地表松散地層,安裝井口和承載技套質(zhì)量;其次,根據(jù)氣體鉆井地層出水預(yù)測(cè)軟件結(jié)果顯示,GS3井3180.00~4388.00 m井段地層出水量少適合開(kāi)展氣體鉆井,因此優(yōu)化技套下深為3180 m(登四頂),封固泉頭組上部水層;最后,設(shè)計(jì)三開(kāi)應(yīng)用氣體鉆井、液動(dòng)旋沖、渦輪鉆井等綜合配套提速技術(shù)。GS3井實(shí)鉆完鉆井深4920 m、鉆井周期為126.29 d,同采用四層套管井身結(jié)構(gòu)的GS1和GS2井對(duì)比,分別節(jié)約鉆井周期 199.12 d 與 102.54 d[5]。
在大慶深層氣井利用綜合“定量”選型方法優(yōu)選鉆頭。根據(jù)所鉆遇的地層巖性、測(cè)井資料等確定所鉆井段的巖石級(jí)值及其匹配的鉆頭類型,利用已鉆井的實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),用最優(yōu)化理論和模糊數(shù)學(xué)中聚類分析的方法針對(duì)二開(kāi)、三開(kāi)的地層進(jìn)行了鉆頭優(yōu)選,從而確定了深層鉆頭的適用范圍,形成了深井鉆頭序列[2]。
2.3.1 工作原理
液動(dòng)旋沖工具工作原理如圖2所示。鉆井泵輸出的高壓鉆井液,經(jīng)過(guò)鉆柱射流元件的噴嘴時(shí)產(chǎn)生附壁效應(yīng),假如先附壁于右側(cè),則由E輸出道進(jìn)入缸體的上腔,推動(dòng)活塞及沖錘下行撞擊砧子,完成一次沖擊。在E輸出道輸出同時(shí),反饋信號(hào)回至B放空孔,在活塞行程末使主射流切換附壁于左側(cè)并經(jīng)C輸出道進(jìn)入缸體的下腔,推動(dòng)活塞及沖錘回程,同樣在C輸出道輸出的同時(shí),反饋信號(hào)又回到D信號(hào)孔,將主射流切換到右側(cè),如此往返,實(shí)現(xiàn)沖擊動(dòng)作。上、下缸體內(nèi)回水,則通過(guò)C、E輸出道而排到放空孔,再經(jīng)水道到達(dá)井底鉆頭,沖洗井底后返回到地表井口[4]。
圖2 液動(dòng)旋沖工具工作原理
液動(dòng)旋沖工具將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,PDC鉆頭因周向的周期性沖擊和軸向的水力脈沖,改變了PDC鉆頭的破巖方式,減緩了鉆頭的磨損速度,提高了鉆頭的破巖效率,進(jìn)而提高了機(jī)械鉆速。
2.3.2 工具特點(diǎn)
(1)提供額外的周向高頻沖擊力,消除粘滑現(xiàn)象,輔助PDC鉆頭剪切巖層;(2)提高PDC鉆頭的適用性和耐久性;液動(dòng)脈沖輔助破巖;(3)純機(jī)械構(gòu)造,適用溫度高;(4)現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單可行、安全可靠[2,6]。
2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
2.4.1 工作原理
渦輪鉆具(見(jiàn)圖4)是利用高壓鉆井液沖擊反向彎曲的渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片,將鉆井液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,使鉆頭高速旋轉(zhuǎn),研磨地層實(shí)現(xiàn)破巖[2,7]。
2.4.2 工具特點(diǎn)
圖3 液動(dòng)旋沖工具
圖4 渦輪鉆具
(1)全金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),抗溫性能良好;(2)輸出扭矩平穩(wěn),鉆具震動(dòng)小,不易損傷和失速;(3)渦輪鉆具驅(qū)動(dòng)孕鑲鉆頭高速旋轉(zhuǎn)(800~1100 r/min)研磨地層,所鉆井眼規(guī)則,井徑變化小;(4)配合孕鑲鉆頭適宜于提高硬或極硬地層單只鉆頭進(jìn)尺和行程鉆速。
2.4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
自主研制的DQW178型渦輪鉆具配合DD5560孕鑲金剛石鉆頭,在SS9h井的3274~3607 m井段,一趟鉆進(jìn)尺326.19 m,鉆穿了營(yíng)城組進(jìn)入沙河子組下部完鉆。相當(dāng)于6只牙輪鉆頭進(jìn)尺,機(jī)械鉆速1.67 m/h。與牙輪鉆頭相比,機(jī)械鉆速提高145.6%、縮短鉆井時(shí)間16.8 d;在SH11井3460.35~3923.72 m的沙河子組地層使用一只DD5560孕鑲金剛石鉆頭,總進(jìn)尺459.28 m、平均機(jī)械鉆速2.24 m/h,機(jī)械鉆速提高71.0%,相當(dāng)于7只牙輪鉆頭進(jìn)尺,縮短鉆井周期12.07 d。
2.4.4 與國(guó)外渦輪鉆具對(duì)比
大慶地區(qū)4口井應(yīng)用了國(guó)外渦輪鉆具,包括美國(guó)及俄羅斯渦輪鉆具。從表1可以看出,大慶油田自研的渦輪鉆具,各項(xiàng)指標(biāo)接近或優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品,在提速方面取得了顯著的效果。
表1 自研渦輪鉆具與引進(jìn)渦輪鉆具提速效果對(duì)比
2010年以前,大慶油田深井固井普遍采用雙級(jí)注固井工藝,相繼發(fā)生了SS8井、SS2-17井等環(huán)空竄氣現(xiàn)象,給后期生產(chǎn)和周邊地區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。其特點(diǎn)是井口壓力高、竄氣量小,分析認(rèn)為根本原因是存在微環(huán)隙。因此,針對(duì)可能導(dǎo)致微環(huán)隙的幾個(gè)因素,從優(yōu)化完井管串結(jié)構(gòu)、提高沖洗效果、研發(fā)微膨脹水泥漿等方面入手研究,形成了防氣竄固井技術(shù)[8-10]。
由于雙級(jí)注固井工藝的管串是連續(xù)的,全井封固時(shí)水泥漿凝固過(guò)程中套管受到的拉應(yīng)力無(wú)法釋放,形成了套管與水泥環(huán)之間的微間隙。借鑒國(guó)內(nèi)外其它油田的經(jīng)驗(yàn),將雙對(duì)固井級(jí)注固井工藝優(yōu)化為尾管固井后再回接到井口固井工藝,既解決了套管拉應(yīng)力分散好和釋放問(wèn)題,又降低了單次作業(yè)環(huán)空液柱壓力及流動(dòng)摩阻,使漏失風(fēng)險(xiǎn)降到最低。
通過(guò)對(duì)表面活性劑、懸浮劑及調(diào)節(jié)劑的優(yōu)選,研制了抗高溫雙效前置液體系。主要應(yīng)用于高溫井、深井及復(fù)雜井固井,主要具有以下特點(diǎn):無(wú)需加入無(wú)機(jī)和聚合物類懸浮劑,利用表面活性劑本身的增稠效果可配制成加重雙效前置液;通過(guò)優(yōu)選調(diào)節(jié)劑,可以針對(duì)不同井況、施工方案,對(duì)雙效前置液進(jìn)行合理的流變?cè)O(shè)計(jì),最大程度地提高沖洗頂替效果,從而提高水泥環(huán)的界面膠結(jié)質(zhì)量;密度適應(yīng)范圍寬、穩(wěn)定性好,1.0~1.50 g/cm3可調(diào),上下密度差 <0.02 g/cm3;沖洗效果好,沖凈時(shí)間<4 min;抗溫達(dá)150℃;失水≤150 mL/30 min。
針對(duì)部分井氣竄和井口帶壓情況,在原有膠乳水泥漿體系的基礎(chǔ)上開(kāi)展了抗高溫微膨防竄膠乳水泥漿體系研究。
選擇非發(fā)氣、非鈣礬石類膨脹材料。在塑性狀態(tài)下,膨脹劑中的高反應(yīng)活性組分首先與水泥的水化產(chǎn)物反應(yīng),形成相對(duì)受限的水化環(huán)境,使水泥漿產(chǎn)生塑性體積膨脹。在水泥漿硬化后,反應(yīng)活性較低的組分與有機(jī)物單體共同作用,與水泥水化反應(yīng)同步進(jìn)行產(chǎn)生體積膨脹,此過(guò)程避免了由于膨脹劑水化產(chǎn)生的應(yīng)力破壞水泥石已形成的結(jié)構(gòu)。G級(jí)水泥中加入1% ~4%膨脹劑實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)加量達(dá)到1.5%時(shí),膨脹量恰好抵消水泥凝固過(guò)程中的收縮量;加量為2%時(shí)水泥石體積略有漲大。確定的配方為:G+25%石英砂+5%防腐劑+2.0%膨脹劑+18%膠乳,其最高適用溫度200℃,最大適用溫差80℃,適合高溫、大溫差固井,該水泥漿體系失水低、直角稠化、微膨、防竄(抗竄能力:抗竄壓差每米大于30 MPa。)、防腐、沉降穩(wěn)定性及流變性能較好。
表2 慶深氣田深層直井提速情況
2011—2013年,共實(shí)施深層直井19口,平均井深4075.30 m,平均鉆井周期91.6 d,平均機(jī)械鉆速4.13 m/h,同比2004—2010年平均鉆井周期縮短48.6 d,尤其達(dá)深16井完鉆井深4400.00 m,全井僅用了8只PDC鉆頭,鉆井周期64.96 d,創(chuàng)出了松遼盆地深層直井“大慶速度”。
2011年以來(lái),在ZS17等19口井中應(yīng)用抗高溫雙效前置液、抗高溫微膨脹膠乳防竄水泥漿體系進(jìn)行尾管及回接固井技術(shù),固井地面施工及固井質(zhì)量合格率均為100%,未出現(xiàn)環(huán)空氣竄及井口帶壓?jiǎn)栴},滿足油田勘探生產(chǎn)需要。
(1)通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效鉆頭優(yōu)選、液動(dòng)旋沖工具、渦輪鉆井以及氣體鉆井等新工藝新技術(shù)集成配套與應(yīng)用,深井提速效果明顯,初步形成了深層直井提速配套技術(shù),達(dá)到了平均井深4075 m、機(jī)械鉆速4.13 m/h、鉆井周期91.6 d的技術(shù)水平。
(2)固井是個(gè)系統(tǒng)工程,防氣竄應(yīng)綜合考慮各個(gè)環(huán)節(jié)。集成配套應(yīng)用完井管串結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效前置液和防竄水泥漿體系等技術(shù),能夠解決高溫氣井的環(huán)空氣竄問(wèn)題。
(3)渦輪鉆具在硬地層鉆進(jìn)過(guò)程中見(jiàn)到了良好的提速效果,但宋深9井、宋深11井均出現(xiàn)不同程度的井斜超標(biāo)。因此,進(jìn)一步開(kāi)展鉆具受力分析,優(yōu)選螺扶尺寸和安放位置,優(yōu)化出合理的鉆具組合,從而在保障提速效果的同時(shí)保證井身質(zhì)量。
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