周長所 幸雪松 耿亞楠 何英明
(中海油研究總院有限責(zé)任公司, 北京 100028)
渤中凝析氣田是近年來在華北地區(qū)發(fā)現(xiàn)的一處大型海上氣田,其儲量規(guī)??蛇_(dá)千億方。該氣田的發(fā)現(xiàn),對建成渤海海上第一大氣田、保障華北地區(qū)天然氣能源供應(yīng)具有重大意義。研究目的層為太古界潛山層,其儲層埋深超過4 700 m,部分構(gòu)造儲層埋深超過5 000 m。埋深過大導(dǎo)致儲層流體溫度較高,在4 700 m垂深下,地層溫度超過了170 ℃。潛山儲層屬于裂縫型花崗片麻巖儲層,具有研磨性強(qiáng)、可鉆性極差的特點(diǎn),且極易發(fā)生漏失。該氣田鉆井作業(yè)復(fù)雜情況頻發(fā),嚴(yán)重制約了鉆井時效。為了減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生,提高各井段鉆井時效,確保鉆井作業(yè)安全,我們針對氣田鉆井作業(yè)面臨的主要難點(diǎn)展開了技術(shù)優(yōu)化研究。
潛山儲層的埋深超過了4 700 m,井底溫度高于170 ℃,最高可達(dá)210 ℃。儲層埋深過大,給鉆井軌跡與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來挑戰(zhàn),過高的井底溫度也給鉆具、井下工具以及鉆井液和生產(chǎn)油套管的應(yīng)用帶來困難。當(dāng)井下溫度高于150 ℃時,常用的造斜工具和隨鉆測量工具大多無法使用,選用的鉆井液也必須適應(yīng)更高井底溫度的要求才能使用。同時,過高的井底溫度會加劇套管、油管的強(qiáng)度熱衰減效應(yīng),使井筒的完整性面臨挑戰(zhàn)。因井底溫度過高,所產(chǎn)生的熱傳遞效應(yīng)會使整個井筒產(chǎn)生巨大的熱膨脹應(yīng)力,對井口抬升帶來威脅。海上采氣作業(yè)中,與采氣樹連接的生產(chǎn)管線通常為剛性管線,因而一旦井口抬升,將會嚴(yán)重影響到生產(chǎn)安全。
渤中區(qū)域潛山儲層屬于裂縫型儲層,物性較差,滲透率低,儲層傷害類型多樣。儲層本身基巖強(qiáng)度高,但微裂縫普遍發(fā)育。在實(shí)際鉆探過程中,儲層漏失現(xiàn)象頻繁發(fā)生,不僅對鉆井安全造成威脅,同時也給儲層帶來了污染,影響最終開發(fā)效果。
渤中區(qū)域深部地層抗壓強(qiáng)度高,且研磨性極強(qiáng)。其中,潛山儲層的最高抗壓強(qiáng)度可超過276 MPa(約40 000 psi),在中深部的沙河街和潛山機(jī)械鉆速僅1~4 mh。常規(guī)的提速工具難以在這種強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)的地層中發(fā)揮作用,給鉆井提效帶來很大壓力與挑戰(zhàn)。同時,鉆遇地層復(fù)雜,井壁失穩(wěn)現(xiàn)象突出,館陶組與東營組地層井壁掉塊、失穩(wěn)現(xiàn)象突出,鉆井時效性差。
初期開發(fā)的目的層埋深為4 300~4 900 m,地層自上而下分別為平原組、明化鎮(zhèn)、館陶組、東營組、沙河街、潛山層。鉆井過程中,在上部的明化鎮(zhèn)與館陶組地層常見阻卡、井壁掉塊等現(xiàn)象;在東營組上部常見阻卡現(xiàn)象,東營組下段地層壓力逐步上升,最高壓力系數(shù)達(dá)到1.52。東營組和沙河街的巖層以泥巖為主,地層壓力系數(shù)在進(jìn)入儲層后恢復(fù)到1.15左右。潛山層以花崗片麻巖為主。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)氣藏的高效開發(fā),需采用水平井及大斜度定向井開發(fā)方式。根據(jù)儲層深度和地層特性,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮以下因素:單個井段裸眼段長度及效率;復(fù)雜地層及異常壓力封隔;水平井水平段精確入窗技術(shù)[1]。
根據(jù)上述基礎(chǔ)條件及設(shè)計要點(diǎn),對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化[2-3]:
(1) 采用Φ508 mm套管作為表層套管,封固上部松軟地層,建立井口,下入深度在400~500 m,為下部井段鉆進(jìn)提供足夠的地層承壓能力。
(2) 采用Φ339.7 mm套管作為技術(shù)套管,下至明化鎮(zhèn)中下部承壓能力強(qiáng)的地層。本井段不宜過深,如果繼續(xù)鉆進(jìn),長時間的鉆井液循環(huán)會對上部套管鞋處造成嚴(yán)重沖刷,影響上層套管鞋處承壓能力;同時,該井段鉆頭繼續(xù)深鉆,機(jī)械鉆速會顯著下降,反而使鉆井時效變差。
(3) 采用Φ244.5 mm套管作為技術(shù)套管,下至東營組地層高壓層頂部,封隔高壓層上部地層。館陶組及東營組上部鉆進(jìn)過程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā),因此在鉆開高壓層之前,單獨(dú)利用一層套管封隔高壓層上部的復(fù)雜地層,防止復(fù)雜地層及壓力異常地層同時鉆進(jìn),以降低井下復(fù)雜情況發(fā)生的概率,為高壓層鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。
(4) 采用Φ177.8 mm尾管,下至潛山面穩(wěn)斜段,封固上部高壓層及沙河街地層,為鉆開潛山層及儲層保護(hù)創(chuàng)造條件。
(5) 采用Φ152.4 mm鉆頭,鉆進(jìn)潛山儲層裸眼段。當(dāng)鉆至完鉆井深后,下入割縫管以支撐儲層井眼,然后回接Φ177.8 mm尾管至井口并固井,以強(qiáng)化井筒的完整性。
與常溫生產(chǎn)井不同,高溫生產(chǎn)井的井底溫度較高,導(dǎo)致生產(chǎn)過程中沿井深的各層套管溫度上升,而溫度的升高導(dǎo)致了鋼材屈服強(qiáng)度下降。同時,井筒環(huán)空會因?yàn)闇囟鹊纳撸饾u產(chǎn)生圈閉壓力變化。尤其對于環(huán)空空間較小的井段,因溫度產(chǎn)生的圈閉壓力可能會達(dá)到幾十兆帕,對生產(chǎn)封隔器及生產(chǎn)套管的完整性形成嚴(yán)重威脅。開發(fā)井套管設(shè)計當(dāng)中,應(yīng)著重考慮因高溫帶來的管材強(qiáng)度下降及環(huán)空圈閉壓力等因素的影響[4]。
根據(jù)生產(chǎn)井的油氣水產(chǎn)量,模擬生產(chǎn)工況下沿井筒的環(huán)空及套管溫度。在典型生產(chǎn)井工況條件下,井筒的環(huán)空及套管溫度如圖1所示。
圖1 典型生產(chǎn)井生產(chǎn)工況條件下井筒的環(huán)空及套管溫度剖面圖
如前所述,鋼材的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐步降低。與室溫條件相比,每攝氏度的升溫導(dǎo)致鋼材屈服強(qiáng)度降低約0.05%。根據(jù)該強(qiáng)度下降梯度,計算出典型開發(fā)井各層套管強(qiáng)度因溫度升高而降低的梯度(見表1)。
在模擬生產(chǎn)條件井筒溫度下,可模擬計算各環(huán)空流體在生產(chǎn)工況下因溫度升高膨脹而產(chǎn)生的圈閉壓力。以典型開發(fā)井為例,計算各套管環(huán)空圈閉壓力(見表2)。
表1 典型開發(fā)井各層套管屈服強(qiáng)度下降梯度
表2 典型開發(fā)井各層套管環(huán)空圈閉壓力計算結(jié)果
根據(jù)表2所示數(shù)據(jù)可知,若不對井口環(huán)空壓力進(jìn)行管理,生產(chǎn)過程中因溫度升高而引起的各層套管環(huán)空壓力最高可達(dá)53.7 MPa。因此,在生產(chǎn)井套管選型設(shè)計過程中,需要充分考慮圈閉壓力對套管的影響,制定相應(yīng)的環(huán)空壓力管理方案??紤]溫度影響后,根據(jù)其套管強(qiáng)度和套管環(huán)空壓力,結(jié)合各層套管實(shí)際可能承受的壓力剖面及磨損量,即可針對各層套管進(jìn)行強(qiáng)度校核及優(yōu)選。
高溫除了給套管強(qiáng)度帶來影響外,還會引起套管伸長及井口抬升。針對海上井口抬升的處理措施有限,且影響重大,因此,準(zhǔn)確預(yù)測開發(fā)井的井口抬升,并積極制定合理的技術(shù)措施,對確保高溫生產(chǎn)井的安全至關(guān)重要。
造成井口抬升的主要原因是油套管受熱引起管材熱膨脹,而溫度是引起管材熱膨脹的關(guān)鍵因素。在開展井口抬升分析之前,需要對生產(chǎn)工況下的井筒溫度剖面進(jìn)行準(zhǔn)確計算。根據(jù)各層套管實(shí)際載荷情況及計算得到的溫度剖面,可計算出各層管柱自由段在考慮溫度影響條件下的綜合受力情況;根據(jù)管柱受力及管串自身剛度,可計算出各層管柱因溫度變化導(dǎo)致的管柱升高量。
按照以上分析流程,針對典型生產(chǎn)井不同套管的自由段長度,對井口整體升高的高度進(jìn)行了敏感性分析(見圖2)。
當(dāng)固井水泥返高至井口,即套管自由段長度為0 m時,井口不會發(fā)生抬升。當(dāng)水泥返高距離井口250 m時,因生產(chǎn)帶來的溫度提升會導(dǎo)致井口整體抬升約8.9 cm,從而對海上生產(chǎn)作業(yè)形成嚴(yán)重威脅。對于高溫生產(chǎn)井,確保固井水泥返高及固井質(zhì)量極為關(guān)鍵。固井后需測量固井質(zhì)量,若發(fā)現(xiàn)返高不夠,就應(yīng)采取相應(yīng)措施,以確保后期的生產(chǎn)安全。
圖2 典型生產(chǎn)井各層套管自由段長度井口升高敏感性
潛山屬于裂縫型儲層,在潛山目的層鉆探過程中,井下漏失現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生,漏溢同存的現(xiàn)象也有。井下漏失不僅嚴(yán)重影響到鉆井安全,造成儲層污染,同時還將影響鉆井作業(yè)時效。為了解決此類問題,需要對井底壓力進(jìn)行精確控制。應(yīng)用控壓鉆井技術(shù)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)進(jìn)行綜合控制,使整個井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間,實(shí)現(xiàn)平衡或近平衡鉆井,可有效控制地層流體侵入井眼的程度,減少井涌、井漏、卡鉆等復(fù)雜情況,有利于儲層保護(hù)[5-6]。目前,常用的控壓鉆井技術(shù)有井底恒壓控壓鉆井、泥漿帽控壓鉆井、雙梯度控壓鉆井、微流量控壓鉆井、HSE控壓鉆井、井口恒壓控壓鉆井、充氣控壓鉆井。
與常規(guī)鉆井系統(tǒng)不同的是,微流量控壓鉆井系統(tǒng)為一個閉合循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)鉆井液不能平衡地層壓力,甚至導(dǎo)致溢流或井噴時,回壓泵即啟動,在井口施加一個回壓,從而能夠快速地平衡地層的壓力,使鉆井作業(yè)能夠安全、快速地進(jìn)行。微流量控壓鉆井系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測不同層位和各種工況下的鉆井液參數(shù),并判斷參數(shù)出口值與采樣值的差值是否在規(guī)定的范圍內(nèi),然后通過控制器發(fā)出指令,再由井控設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的有效控制。微流量控壓鉆井系統(tǒng)具有精度高、反應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn),鉆井液控制體積一般不大于0.8 m3,能實(shí)現(xiàn)裂縫性壓力敏感地層的有效鉆進(jìn),非常適合裂縫性壓力敏感地層。渤中潛山凝析氣田正是采用了微流量控壓鉆井系統(tǒng),其工作流程如圖3所示,其應(yīng)用效果如表3所示。
圖3 微流量控壓鉆井系統(tǒng)工作流程圖
在上部地層,由于巖石強(qiáng)度較低、可鉆性較好,因此,主要采用Φ 406.4 mm鉆頭鉆進(jìn),該井段長度為1 600~1 800 m。針對該井眼鉆進(jìn)作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化提速,優(yōu)選強(qiáng)攻擊性PDC鉆頭(19 mm切削齒、5刀翼),配合大尺寸馬達(dá)鉆進(jìn)。采用上述提速技術(shù),使該井段鉆井機(jī)械鉆速達(dá)到了71 mh,比初期鉆井的機(jī)械鉆速提高了一倍。
在中下部地層,巖石強(qiáng)度逐漸提高,可鉆性逐步變差,主要采用Φ311.15 mm、Φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)。其中Φ311.15 mm鉆頭鉆進(jìn)的井段長度為1 800~2 000 m,鉆遇地層以泥巖為主。針對該井段,采用高轉(zhuǎn)速馬達(dá)進(jìn)行提速,同時配合使用防泥包的水力優(yōu)化PDC鉆頭,使得該井段機(jī)械鉆速由最初的17 mh提高到了27 mh,提速效果顯著。
Φ215.9 mm鉆頭的鉆進(jìn)井段長度為800~1 000 m,該井段鉆遇地層主要是東營組及沙河街組,地層強(qiáng)度及研磨性逐步加強(qiáng),鉆頭使用需要同時考慮防泥包及保徑。因此,鉆頭優(yōu)選的是6刀翼水力優(yōu)化防泥包PDC鉆頭。同時,為了提高鉆井時效進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,采用復(fù)合沖擊提速工具進(jìn)行提速。通過這些優(yōu)化措施,使該井段機(jī)械鉆速由4.5 mh提高到了12 mh。
表3 微流量控壓鉆井技術(shù)在目標(biāo)氣田應(yīng)用效果
Φ152.4 mm鉆頭鉆進(jìn)打開儲層,鉆遇地層為潛山層,巖性為花崗片麻巖。該地層強(qiáng)度及研磨性極高,地層可鉆性極差,為提高該井段鉆井效率,曾嘗試了多種提速手段。目前提速效果相對顯著的方式是,采用扭力沖擊器及配套PDC鉆頭,使該井段機(jī)械鉆速由1.9 mh提高到了3.9 mh[7-11]。
目前,渤中潛山凝析氣田總計已完鉆11口氣井。通過一系列技術(shù)優(yōu)化,這11口井在井深不斷加深的條件下,鉆井工期明顯縮短,鉆井時效顯著提高(見圖4)?,F(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示,鉆井工期由最初的88.8 d,縮短到目前的62.0 d,提高鉆井時效30%。在各井鉆井過程中,非生產(chǎn)時間占比、儲層使用鉆井液密度對比等數(shù)據(jù)見表4。
圖4 渤中潛山凝析氣田已鉆井的鉆井時效
由上述圖表中數(shù)據(jù)可見,通過系列技術(shù)優(yōu)化,在井深不斷加深的條件下,氣田鉆井工期實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)步縮短,非生產(chǎn)時間占比逐步降低,鉆井時效不斷提升。同時,通過應(yīng)用控壓鉆井技術(shù),使得儲層段鉆井液使用密度大幅度降低,井底壓差極大下降。這不僅有利于儲層段機(jī)械鉆速提高,更使得井下環(huán)境接近平衡狀態(tài),井下漏失現(xiàn)象得以有效控制,儲層得到保護(hù)。生產(chǎn)測試結(jié)果顯示,使用微流量控壓鉆井技術(shù)完鉆的9口井,其表皮系數(shù)為負(fù)。
表4 目標(biāo)氣田已鉆井非生產(chǎn)時間占比及儲層使用鉆井液密度
針對渤中潛山凝析氣田,通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化各井段井下鉆具組合及應(yīng)用提速工具等技術(shù)手段,有效提高了氣田的鉆井速度,降低了鉆井非生產(chǎn)時間,提升了鉆井作業(yè)時效。通過建立生產(chǎn)過程中的井筒溫度剖面,計算分析了井下高溫對井筒套管強(qiáng)度的影響及井筒環(huán)空的圈閉壓力,并合理選用套管型號,確保了高溫氣井的井筒完整性。根據(jù)建立的井筒溫度剖面,針對井口抬升進(jìn)行了敏感性分析。分析結(jié)果顯示,即便生產(chǎn)井套管串僅有250 m的自由段,在生產(chǎn)中因溫度的升高也會產(chǎn)生近9.0 cm的井口抬升高度,給生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)控制開發(fā)井各層套管固井質(zhì)量及水泥面返高,以降低生產(chǎn)過程因溫度升高導(dǎo)致的井口抬升。實(shí)踐表明,對于潛山裂縫型儲層,采用微流量控壓鉆井技術(shù)能夠有效地解決儲層段井下漏失的問題。通過控壓鉆井技術(shù),極大地降低了儲層鉆井液的使用密度,既有助于機(jī)械鉆速的提高,更有利于潛山儲層的保護(hù)。