鄭述權(quán) 羅良儀 陳正云 巫道富 付華才 鐘廣榮 黃春華 羅玉宏
1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司 2.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部
隨著普光、龍崗和元壩等深層海相氣田的被發(fā)現(xiàn)[1-3],特別是川中古隆起下寒武統(tǒng)龍王廟組特大型整裝氣藏的被發(fā)現(xiàn),大型古隆起成為四川盆地重要的勘探目標(biāo)和方向[4-5]。
川東地區(qū)達(dá)州—開(kāi)江古隆起區(qū)具備良好的油氣成藏條件,中國(guó)石油天然氣股份有限公司在該區(qū)部署了1口勘探新領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)探井——五探1井,該井設(shè)計(jì)井深7 570 m,實(shí)鉆井深8 060 m,采用非標(biāo)六開(kāi)鉆頭尺寸(?660.4 mm×?444.5 mm×?333.38 mm×?241.3 mm×?190.7 m×?135.5 m),其中三開(kāi)用?333.38 mm鉆頭從三疊系嘉二3層中部井深3 550 m鉆至韓家店上部井深5 331 m,進(jìn)尺約1 800 m,筆者依據(jù)對(duì)四川盆地東部石炭系氣藏已有的鉆井資料分析,以預(yù)測(cè)壓力剖面為依據(jù),通過(guò)確定和調(diào)控穿越三疊系、二疊系、石炭系和志留系多壓力系統(tǒng)地層安全作業(yè)密度與性能,順利鉆過(guò)該井眼段,為四開(kāi)乃至全井的安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。
五探1井三開(kāi)用?333.38 mm鉆頭從嘉二3亞段中部井深3 550 m鉆至韓家店上部井深5 331 m,穿越三疊系、二疊系、石炭系和志留系多壓力系統(tǒng)地層。分析鄰井資料發(fā)現(xiàn)有如下突出問(wèn)題:①多層段有氣顯示,壓力系數(shù)差異大。鄰井七里50井嘉二3亞段1.33 g/cm3井涌,茅二段1.73 g/cm3井涌,黃龍組1.21 g/cm3后效氣侵。五科1井飛仙關(guān)組、茅二段、棲一段均有程度不同的氣顯示。②多層段井漏,漏失性質(zhì)各異。鄰井七里50井,在龍?zhí)督M1.73 g/cm3發(fā)生井漏,茅二段1.81 g/cm3井漏失返,棲一段1.85 g/cm3井漏。③存在多個(gè)垮塌、縮徑層段。嘉二段的石膏易蠕變縮徑;龍?zhí)督M、梁山組的頁(yè)巖、鋁土質(zhì)泥巖易縮徑和垮塌;韓家店泥巖地層易井塌和縮徑;原川東地區(qū)開(kāi)發(fā)石炭系的井,都是用?215.9 mm鉆頭從嘉二3亞段鉆至石炭系頂部,本井使用?333.38 mm鉆頭穿過(guò)石炭系并進(jìn)入志留系120 m,井眼加長(zhǎng)、增大,井壁穩(wěn)定性更差[6-7]。④井眼容積大,加大了處理復(fù)雜的難度和風(fēng)險(xiǎn)。
本井段壓力系統(tǒng)復(fù)雜,噴、漏、塌、縮徑的地層共存,為確保鉆井施工的正常進(jìn)行,首先要保證井控安全;其次要保持井眼暢通,包括不垮塌、不縮徑。滿足該兩項(xiàng)要求的密度就是筆者提出的安全作業(yè)密度,這是井眼鉆成的最基本保證。井漏、厚泥餅可采取其他工程措施解決。
1.2.1 井漏處理
在漏速可接受條件下,繼續(xù)鉆進(jìn)并加入隨鉆堵漏劑。漏速不可接受時(shí)進(jìn)行專門(mén)堵漏,直到恢復(fù)鉆進(jìn)作業(yè)[8-9]。本井石炭系黃龍組壓力系數(shù)最低,最可能井漏。
1.2.2 厚泥餅處理
優(yōu)化鉆井液泥餅質(zhì)量;使用好固控設(shè)備,降低鉆井液中的有害固含;簡(jiǎn)化鉆具組合,減少鉆具與井壁的接觸面積;強(qiáng)化操作,減少鉆具在危險(xiǎn)井段的靜止時(shí)間。本井嘉陵江組、飛仙關(guān)組和黃龍組段可能出現(xiàn)。
1.2.3 井塌處理
控制鉆井液濾失量,降低吸水和滲透作用;優(yōu)化泥餅質(zhì)量,鞏固井壁;發(fā)現(xiàn)垮塌立即停鉆循環(huán)劃眼,破除掉入井筒的巖石并攜帶到地面。本井龍?zhí)督M和韓家店可能出現(xiàn)。
1.2.4 縮徑處理
控制鉆井液濾失量,減少吸水膨脹量;勤劃眼,及時(shí)清除形變。本井嘉二段和韓家店組可能出現(xiàn)。
采取上述措施后,仍然不能有效克服,則考慮改變井身結(jié)構(gòu)。
安全作業(yè)密度是井控安全密度、縮徑抑制密度和垮塌抑制密度三者中的最高值。安全作業(yè)密度高于漏失密度則會(huì)井漏,必須堵漏提高承壓能力,以滿足繼續(xù)作業(yè)的需求。安全作業(yè)密度高于厚泥餅臨界密度會(huì)產(chǎn)生厚泥餅,須采取其他工程技術(shù)措施來(lái)解決。而對(duì)于井眼垮塌、縮徑,安全作業(yè)密度不能只考慮壓力因素,還要從鉆井液性能調(diào)整進(jìn)行控制,所以,在安全作業(yè)密度下,井漏、厚泥餅難以避免,井塌、縮徑仍有可能出現(xiàn)。
2.1.1 井控安全密度
井控安全密度是全裸眼段施工中保證井控安全的最低密度。通常采用短起下鉆測(cè)氣竄速度的方法或者靜止一段時(shí)間來(lái)實(shí)際驗(yàn)證[10]。
對(duì)一般油氣層,發(fā)生溢流后,根據(jù)求得的地層壓力和需要的安全附加密度確定,并進(jìn)行短起下鉆驗(yàn)證。
對(duì)窄壓力窗口的敏感性壓力地層,目前普遍采用精細(xì)控壓鉆井[11-14],用略低于地層壓力的鉆井液密度來(lái)控壓鉆進(jìn)和起鉆至套管鞋,然后打加重鉆井液蓋帽、在漏失狀態(tài)下起下鉆[15-18]。這種情況的井控安全密度按敞井安全起下鉆的當(dāng)量密度確定。
對(duì)高壓低產(chǎn)層,雖然壓力高,但單位時(shí)間內(nèi)侵入量小,發(fā)生溢流后關(guān)井,短時(shí)間內(nèi)無(wú)法求取到準(zhǔn)確的地層壓力,壓井中通過(guò)多個(gè)循環(huán)周上提密度仍然不能消除氣侵[19]。以停泵不外溢、開(kāi)井循環(huán)不溢流為“壓穩(wěn)”的直觀判斷。有的井停泵一段時(shí)間后線流外溢,流量不增大,持續(xù)或斷續(xù)幾十小時(shí)外溢總量很少。通過(guò)短起下鉆或靜止一個(gè)起下鉆周期測(cè)氣竄速度來(lái)檢驗(yàn)是否安全。被驗(yàn)證為可以實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)的密度即為井控安全密度。
高壓低產(chǎn)層還有個(gè)顯著特點(diǎn),隨著打開(kāi)時(shí)間的增長(zhǎng),近井壁地層能量的釋放,氣侵程度逐漸減弱,井控安全密度也隨之下降。
在同一裸眼段有多個(gè)不同壓力系數(shù)油氣層的井,井控安全密度按最高值確定。
2.1.2 垮塌抑制密度
因?yàn)榫惨褐鶋毫Φ停沟镁趪鷰r的應(yīng)力超過(guò)巖石本身的強(qiáng)度而造成井塌,阻礙正常鉆井的進(jìn)行。地層所需的液柱支撐力通常是未知,只有在鉆井過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)垮塌即提密度抑制,直到垮塌現(xiàn)象消失,此密度即為該層段的垮塌抑制密度。若同一裸眼段有多個(gè)層位的垮塌抑制密度,則取最高值。
2.1.3 縮徑抑制密度
塑性地層因?yàn)榫仓瘟Σ荒茏柚箮r石形變而發(fā)生縮徑。阻止巖石形變需要的支撐力通常也是未知的,需要在鉆井過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)視,發(fā)現(xiàn)有縮徑,立即提密度抑制,直到井眼暢通。這個(gè)井眼暢通的最低密度就是該層段的縮徑抑制密度。若同一裸眼段有多個(gè)層位的縮徑抑制密度,則取最高值。
2.1.4 漏失密度
井漏后,根據(jù)探得的靜液面,計(jì)算漏失壓力,折算當(dāng)量密度即為漏失密度。當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)油氣水層,高壓層井控安全密度高于低壓層的漏失密度時(shí),低壓層按漏層考慮。
2.1.5 厚泥餅臨界密度
厚泥餅產(chǎn)生的前提是井筒有壓差,適度控制井筒壓差,有利于厚泥餅的消除[20]。不產(chǎn)生厚泥餅的最大壓差為厚泥餅臨界壓差,對(duì)應(yīng)的密度為厚泥餅臨界密度。若同一裸眼段有多個(gè)層位的厚泥餅臨界密度,則取最小值。
五探1井三開(kāi)井段安全作業(yè)密度的探索分為兩個(gè)階段,第一階段為茅口組井漏前,第二階段為茅口組井漏后。為便于分析,先列出五探1井三開(kāi)實(shí)鉆地質(zhì)分層數(shù)據(jù),如表1所示。
表1 實(shí)鉆地層分層數(shù)據(jù)表
2.2.1 第一階段安全作業(yè)密度的確定
嘉二段縮徑抑制密度:用密度1.50 g/cm3鉆井液鉆至嘉二段井深3 643 m短起下鉆,在井段3 572.79~3 641.62 m不暢通。判斷為石膏層縮徑。通過(guò)劃眼、加重鉆井液到1.65 g/cm3恢復(fù)正常。確定嘉二段的縮徑抑制密度為1.65 g/cm3。
飛仙關(guān)組井控安全密度:用密度1.65 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)至井深4 058.51 m發(fā)現(xiàn)氣測(cè)異常,繼續(xù)鉆進(jìn)148分鐘至井深4 066.72 m,發(fā)現(xiàn)液面上漲0.8 m3,全烴3.6↑92.7%。關(guān)井30 min套壓0.1↑0.68 MPa,立壓0 MPa。通過(guò)三個(gè)循環(huán)周壓井,逐漸提密度至1.81 g/cm3恢復(fù)鉆進(jìn),并經(jīng)短程起下鉆驗(yàn)證為井控安全密度。
從顯示層位、巖性、鉆時(shí)、發(fā)生溢流及壓井過(guò)程分析,飛仙關(guān)組為典型高壓低產(chǎn)層。后續(xù)鉆進(jìn)中逐漸降密度至1.78 g/cm3并被驗(yàn)證為井控安全密度,直至茅口組發(fā)生井漏。
嘉一段至飛仙關(guān)組層段厚泥餅臨界密度:用密度1.65 g/cm3鉆井液在嘉一段鉆進(jìn)無(wú)異常。飛仙關(guān)組用密度1.81 g/cm3壓井后起下鉆,在3 602~4 542 m井段(嘉一段至飛仙關(guān)組)內(nèi)13個(gè)小段發(fā)生阻卡。判斷為厚泥餅。后續(xù)鉆進(jìn)中降密度至1.78 g/cm3,井眼暢通。確定嘉一段至飛仙關(guān)組的厚泥餅臨界密度為1.78 g/cm3。
采用1.78 g/cm3的密度既滿足井控安全的需要,也能抑制縮徑,更沒(méi)有發(fā)生垮塌,被確認(rèn)為這個(gè)階段的安全作業(yè)密度,同時(shí)該密度還能抑制厚泥餅。
用密度1.78 g/cm3的鉆井液安全鉆完飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M。
2.2.2 第一階段安全作業(yè)密度下出現(xiàn)的問(wèn)題及處理
用密度1.78 g/cm3的鉆井液鉆進(jìn)茅口組5 m至井深4 829.17 m發(fā)現(xiàn)井漏,漏速18 m3/h。原鉆具5次堵漏無(wú)效,逐次增加堵漏漿濃度和數(shù)量,堵漏中漏速變?yōu)槭Х?,同時(shí)有天然氣侵入井筒。判斷為較大裂縫產(chǎn)層;進(jìn)入井筒的氣以茅口組為主;探得靜液面井深800 m。
按靜液面計(jì)算,茅口組的漏失密度為1.49 g/cm3,此時(shí)作用于飛仙關(guān)組的當(dāng)量密度為1.43 g/cm3。與之前的安全作業(yè)密度1.78 g/cm3相比發(fā)生了很大變化。必須簡(jiǎn)化鉆具組合進(jìn)一步堵漏,求取新的安全作業(yè)密度。
下?139.7 mm光鉆桿至井深4 602.79 m后發(fā)現(xiàn)溢流。在堵漏壓井準(zhǔn)備期間,進(jìn)行間斷反推、置換及正循環(huán)堵漏壓井共5次,最后套壓12.76 MPa,立壓0 MPa。準(zhǔn)備充分后,全井筒反推壓井一次成功。分別在井深3 901 m和3 511 m各打水泥100 t,堵漏成功。
2.2.3 第二階段安全作業(yè)密度的確定
從塞面井深3 607 m鉆塞至4 743 m,鉆井液密度從1.78 g/cm3降至1.65 g/cm3,經(jīng)短起下鉆驗(yàn)證,符合安全起下鉆條件,獲得飛仙關(guān)組井控安全密度一個(gè)參考值。
繼續(xù)下調(diào)密度至1.60 g/cm3鉆塞至井底完,井不漏,有氣侵。
用1.60 g/cm3密度鉆進(jìn),在井段4 829.17~4 845.68 m井漏,堵漏成功,井眼暢通,經(jīng)短起下鉆驗(yàn)證符合安全起下鉆條件。探明了飛仙關(guān)組井控安全密度又一個(gè)參考值。該密度比原探明的嘉二段縮徑抑制密度低0.05,沒(méi)有發(fā)生阻卡,可認(rèn)為該密度為第二階段的縮徑抑制密度。
用密度1.55 g/cm3鉆井液鉆進(jìn)10 h至井深4 855.05 m,井下不漏,發(fā)現(xiàn)龍?zhí)督M垮塌,逐漸提密度至1.65 g/cm3,井下恢復(fù)正常。龍?zhí)督M的垮塌抑制密度被證實(shí)為1.65 g/cm3。
茅口組井漏時(shí)作用于飛仙關(guān)組的當(dāng)量密度為1.43 g/cm3,用1.55 g/cm3的密度鉆進(jìn)10 h沒(méi)發(fā)生溢流,但是未被驗(yàn)證為飛仙關(guān)組的井控安全密度,也沒(méi)有證實(shí)嘉二段是否縮徑。
至此,飛仙關(guān)組的最低井控安全密度被驗(yàn)證為1.60 g/cm3,龍?zhí)督M的垮塌抑制密度為1.65 g/cm3,嘉二段的縮徑抑制密度為1.60 g/cm3,所以第二階段安全作業(yè)密度即取1.65 g/cm3。該密度小于嘉一段至飛仙關(guān)組的厚泥餅臨界密度1.78 g/cm3,不會(huì)產(chǎn)生厚泥餅;該密度高于茅口組漏失密度,茅口組以下地層漏失密度未知,有發(fā)生井漏的可能。
2.2.4 二階段安全作業(yè)密度下出現(xiàn)的問(wèn)題及處理
茅口組至石炭系黃龍組地層間斷性井漏。用1.65 g/cm3密度鉆井液鉆茅口組、棲霞組、黃龍組3個(gè)層位,6個(gè)井段發(fā)生井漏,根據(jù)不同的漏速,用不同的配方堵漏,安全穿越3個(gè)層位,進(jìn)入韓家店組。
韓家店組垮塌及縮徑。用1.65 g/cm3密度鉆達(dá)固井井深5 331 m,已進(jìn)韓家店組120 m,無(wú)異常。靜止觀察3 d后,下鉆通井至井深5 263 m遇阻,正、倒劃眼都困難,返出的巖屑中有泥巖掉塊,通過(guò)處理鉆井液和16 h劃眼通井至井底,之后井眼通暢,電測(cè)、下套管都順利。經(jīng)測(cè)井證實(shí)為垮塌和縮徑并存,如圖1、2所示。
簡(jiǎn)化鉆具組合。在茅二段發(fā)生井漏后,去掉螺桿鉆具和扶正器,使用塔式鉆具+?139.7 mm鉆桿組合。
優(yōu)化鉆井液性能。根據(jù)井下情況的需要,及時(shí)調(diào)整處理鉆井液性能,確保井下安全。
井漏液面不在井口時(shí),堅(jiān)持吊灌,確保液面在一定高度,防止溢流和井塌。
應(yīng)用安全作業(yè)密度的方法,及時(shí)分析研究各層段實(shí)際情況,獲取了各層段的相關(guān)密度并及時(shí)確定了安全作業(yè)密度,同時(shí)配套其他工程技術(shù)措施,順利完成了該井眼段鉆探。經(jīng)電測(cè),最大井斜2.22°/4 500 m,在井深4 800 m處最大井徑422 mm,平均井徑349 mm,井眼擴(kuò)大率5%,井身質(zhì)量全優(yōu),下到位。
圖1 韓家店組劃眼扭矩曲線圖
圖2 韓家店測(cè)井井徑曲線圖(1 in = 25.4 mm, 1 ft = 0.304 8 m)
1)安全作業(yè)密度系統(tǒng)考慮了多壓力系統(tǒng)共存的井眼安全問(wèn)題,提出了5個(gè)相關(guān)密度的概念,闡明了各密度與安全作業(yè)密度的關(guān)系。
2)五探1井實(shí)施了在氣顯示活躍、縮徑井段,選擇井控安全密度、縮徑抑制密度二者中高者為安全作業(yè)密度;在井漏、垮塌為主的井段,選擇井控安全密度、垮塌抑制密度二者中高者為安全作業(yè)密度,再輔以堵漏和其他工程技術(shù)措施提高地層承壓能力等技術(shù)措施,有力地保障了?333.38 mm井眼段的順利完成。
3)把多壓力系統(tǒng)設(shè)計(jì)為共存同一裸眼段,建議采用安全作業(yè)密度法進(jìn)行論證,充分考慮井眼內(nèi)各層壓力關(guān)系,確定可能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施,合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu),并預(yù)留一層備用套管。同時(shí),施工中注意拾取各層位的相應(yīng)密度,為下步技術(shù)決策和進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
4)復(fù)雜井段作業(yè)要簡(jiǎn)化鉆具組合,鉆井液性能要優(yōu)化,處理復(fù)雜要合理選擇鉆具的下入位置。