王 軍 范翔宇
1. 西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2. 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司
九龍山氣田位于四川盆地北部的蒼溪縣、旺蒼縣境內(nèi), 構(gòu)造面積大、含油氣層段多,預(yù)測(cè)儲(chǔ)量上千億,在其海相三疊統(tǒng)、二疊系的碳酸鹽巖中均已發(fā)現(xiàn)良好的含油氣儲(chǔ)層,具有資源豐富、氣質(zhì)優(yōu)良、立體勘探等優(yōu)勢(shì)。該區(qū)塊是中石油繼高磨氣田之后天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的又一重點(diǎn)探區(qū)[1]。該構(gòu)造自20世紀(jì)80年代實(shí)施海相深井鉆探以來(lái),截至2019年12月31日,九龍山地區(qū)完鉆海相超深井8口,除去龍4井年代久遠(yuǎn)以外,通過(guò)其余7口井的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)分析可知,隨著提速技術(shù)的推廣應(yīng)用,平均鉆井周期由815.35 d縮短至468.1 d,縮短了44.3%,平均機(jī)械鉆速?gòu)?.17 m/h提高至2.25 m/h,提高了48.9%。但是在區(qū)塊整體提速的大背景下,各井技術(shù)指標(biāo)差別較大,主要是因?yàn)橐恍┚阢@井過(guò)程中遇到了一系列技術(shù)難題, 嚴(yán)重影響了鉆井周期和機(jī)械鉆速,由此可知,只要針對(duì)這些技術(shù)難題, 研究相應(yīng)的對(duì)策措施,找到適合九龍山地區(qū)的優(yōu)快鉆井技術(shù),那么九龍山地區(qū)就會(huì)有較大的鉆井提速挖潛空間。
1)0~200 m淺部陸相多層位地層出水,如龍104井氣體鉆鉆達(dá)井深180.0~214.6 m時(shí),發(fā)現(xiàn)地層出水,出水量為15 m3/h,此后被迫改為鉆井液鉆井。
2)在氣體介質(zhì)下,中侏羅統(tǒng)沙溪廟組二段易鉆遇淺層水和淺層氣,沙一段易坍塌,如龍16井氣體鉆鉆至2 156.3 m時(shí),發(fā)生井壁垮塌,阻卡嚴(yán)重,改為鉆井液鉆井。因?yàn)樵跉怏w介質(zhì)下無(wú)法解決沙溪廟中下部井壁穩(wěn)定的問(wèn)題,氣體鉆井應(yīng)用井段有限。所以除龍16井以外,九龍山地區(qū)7口超深井的氣體鉆所鉆井深均未能超過(guò)2 230.0 m(表1)。
從沙溪廟中下部開(kāi)始地層研磨性逐漸增強(qiáng),下侏羅統(tǒng)珍珠沖組含有石英礫石,嚴(yán)重影響提速工具壽命,鉆頭選型受限;上三疊統(tǒng)須家河組以研磨性石英質(zhì)砂巖為主,單軸抗壓強(qiáng)度100~332 MPa,可鉆性極差,鉆頭壽命低,鉆井提速難度大(表2)。
從上部第四系到二疊系棲霞組,一共可分為6個(gè)壓力梯度帶,壓力系數(shù)從1.00直到2.15。由于橫向上儲(chǔ)層分布不穩(wěn)定及儲(chǔ)層類(lèi)型多樣化,壓力系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,同一構(gòu)造同一層橫向上地層壓力對(duì)比性差,設(shè)計(jì)與實(shí)鉆差異較大。有限的套管層序很難對(duì)多個(gè)壓力系統(tǒng)做到完全精準(zhǔn)化的分隔,造成同一個(gè)裸眼內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)噴漏的復(fù)雜情況。噴漏同存現(xiàn)象普遍存在,井下在“噴漏”和“漏噴”之間頻繁轉(zhuǎn)換,龍?zhí)?井在處理?xiàng)冀M噴漏復(fù)雜的過(guò)程中最高套壓達(dá)17.5 MPa,龍16井處理大隆組噴漏復(fù)雜時(shí)套壓最高達(dá)14.0 MPa,井控風(fēng)險(xiǎn)極大。
下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組及其以下地層井漏頻繁,其中龍16井中二疊統(tǒng)茅口組測(cè)試天然氣含硫化氫11.1 g/m3。而龍4井在處理茅口組噴漏同存復(fù)雜期間發(fā)生鉆具氫脆,鉆桿斷為8節(jié)。
九龍山地區(qū)深部地層的大斜度井、水平井由于具有井深(5 000 m 以上) 、裸眼段長(zhǎng)(2 000 m以上) 、鉆井液密度高(2.0 g /cm3以上) 特點(diǎn),造斜井段普遍存在滑動(dòng)鉆井“托壓”現(xiàn)象,定向托壓導(dǎo)致的機(jī)械速度和鉆井時(shí)效低的問(wèn)題十分突出。
表1 九龍山地區(qū)氣體鉆井統(tǒng)計(jì)表
表2 九龍山地區(qū)珍珠沖、須家河組井段總體鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)表
九龍山構(gòu)造開(kāi)發(fā)前期由于對(duì)地層特性認(rèn)識(shí)不清,已鉆深井均采用了常規(guī)的?508.0 mmh?339.7 mmh?244.5 mmh?177.8 mmh?127.0 mm套管串結(jié)構(gòu)(圖1)。這種管串結(jié)構(gòu)不能有效應(yīng)對(duì)九龍山地區(qū)同一裸眼內(nèi)存在多個(gè)壓力系統(tǒng)的井下復(fù)雜情況。其主要表現(xiàn)為以下2點(diǎn):①無(wú)法單獨(dú)封隔嘉二段高壓鹽水層,如與其他層位合打,必然造成薄弱地層的漏失;②飛仙關(guān)組的壓力窗口極窄,與下部高壓氣層合打,極易造成噴漏同存,處理難度和井控風(fēng)險(xiǎn)極大。
因此在九龍山構(gòu)造的深井、超深井都采用七開(kāi)井身結(jié)構(gòu)(圖1)。設(shè)計(jì)思路為:①用?720 mm導(dǎo)管封閉上部未成巖的井段;②安裝簡(jiǎn)易井口裝置,為氣體鉆井提供條件,將?508 mm套管下到350 m左右,封隔地表竄漏、垮塌層及可能的水層; ③將?365.1 mm套管下深2 100 m (條件允許可干井眼固井),水泥返至地面,封隔上部可能存在的垮塌層及淺油氣層;④采用?273.05 mm技術(shù)套管封隔沙溪廟組—嘉二段頂,封隔上部油氣層、垮塌層、雷口坡組—嘉四段膏巖層段及低承壓能力井段,為下部高壓、裂縫性氣層的安全鉆井創(chuàng)造條件;⑤采用懸掛回接的方式下入?219.08 mm套管,若鉆遇高壓鹽水層導(dǎo)致鉆進(jìn)困難時(shí),可提前下入該層套管,完全封隔高壓鹽水層,若沒(méi)有鉆遇高壓鹽水層則下至飛仙關(guān)組底; ⑥第5層?168.28 mm (懸掛)+193.68 mm(回接)套管下至茅口組頂;⑦之后采用140 mm鉆頭鉆至完鉆井深。
圖1 九龍山工區(qū)優(yōu)化前五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后七開(kāi)井身結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖
九龍山地區(qū)實(shí)施井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果十分顯著,與優(yōu)化前相比,整個(gè)地區(qū)鉆井周期縮短了29.0%~47.2%,平均機(jī)械鉆速提高42.1%~52.9%,井下故障復(fù)雜損失時(shí)間減少了66.5%,實(shí)踐證明該井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠滿足九龍山地區(qū)深井、超深井復(fù)雜壓力系統(tǒng)安全快速鉆進(jìn)的需要[2-3]。
?660.4 mm井眼容積大、空壓機(jī)排量有限、環(huán)空返速低,采用空氣鉆井常因地層出水,大尺寸井眼中空氣攜巖困難,無(wú)法順利實(shí)施。根據(jù)以上特點(diǎn),采用無(wú)固相鉆井液充氣鉆井,選用寬齒牙輪鉆頭,優(yōu)化氣液比,保證出口返出連續(xù),增加攜巖效果的同時(shí)解決淺表層井漏問(wèn)題。
根據(jù)前期九龍山地區(qū)多口井的實(shí)鉆情況分析,進(jìn)入沙溪廟組450~500 m以后,地層坍塌應(yīng)力在1.2 g/cm3左右,必須替入鉆井液保持井壁穩(wěn)定。所以?444.5 mm井眼全程使用“氣體鉆+空氣錘”鉆井模式,為滿足帶砂,上部井段氣量180 m3/s,下部氣量逐步調(diào)整到200 m3/s,在進(jìn)入沙溪廟組中部應(yīng)力垮塌層之前50 m左右,終止氣體鉆,在沒(méi)有明顯油氣水顯示、井壁穩(wěn)定的情況下干井眼下套管固井。目前,在九龍山地區(qū)實(shí)施表層?339.7 mm,?365.1 mm套管干井固井4井次,最大套管下深2 230 m。固井質(zhì)量通過(guò)測(cè)井評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)比常規(guī)固井方式有較大幅度提高,總體優(yōu)質(zhì)率63%,合格率79%。
目前九龍山構(gòu)造沙溪廟組井段累計(jì)實(shí)施空氣鉆井,總進(jìn)尺達(dá)10h104m,平均機(jī)械鉆速超過(guò)9.7 m/h,鉆井提速明顯。龍016-H1井二開(kāi) 350~1 800 m 井段 (?444.5 mm 井眼)采用空氣鉆井技術(shù),進(jìn)尺達(dá)1 450 m,施工周期僅為7.38 d ,平均機(jī)械鉆速為15.01 m/h ,最高日進(jìn)尺為508 m ,單只空氣錘最高進(jìn)尺為 1 205 m。氣體鉆作業(yè)中未出現(xiàn)井壁垮塌、地層出水,起下鉆和下套管都很通暢,未遇阻卡。
龍016-H1井沙溪廟組至大安寨組試用?311.2 mm個(gè)性化混鑲PDC鉆頭GS1606ST+等壁厚大扭矩螺桿,相比鄰井的常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭具有顯著的提速效果。機(jī)械鉆速比龍004-X1井提高67.9%,比龍?zhí)?井提高57.4%;鉆井周期比龍004-X1井縮短65%,比龍?zhí)?井縮短50%(表3)。
針對(duì)珍珠沖組礫石層,龍?zhí)?井試用?333.8 mm孕鑲金剛石鉆頭K507配合NewDrill提速工具,使用成本高而提速效果非常有限。龍016-H1井使用特殊設(shè)計(jì)礫石層專(zhuān)用的HJ637GL鉆頭配合重型減震器實(shí)施礫石層的鉆進(jìn),HJ637GL鉆頭具有超硬材料強(qiáng)化外排、背錐設(shè)計(jì)、防鉆頭縮徑的特點(diǎn),重型減震器可以吸收鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng),消耗震動(dòng)能量,減輕鉆頭、鉆具的疲勞,減少受損,保護(hù)鉆頭和鉆具,取得較好的現(xiàn)場(chǎng)效果(表4)。
針對(duì)須家河組的巖性,龍004-X1井共使用16只鉆頭,其中11只牙輪鉆頭,單只鉆頭進(jìn)尺37.74 m,平均機(jī)械鉆速0.8 m/h,龍?zhí)?井曾使用Newdrill+高效PDC技術(shù),相比龍004-X1井平均單只鉆頭進(jìn)尺提高至77.86 m,機(jī)械鉆速1.14 m/h,大幅提高了94%,行程鉆速提高了100%(表5)。
表3 九龍山地區(qū)沙溪廟組至大安寨組各類(lèi)鉆頭鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)表
表5 九龍山地區(qū)須家河地層各類(lèi)鉆頭鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)表
從表5可知,龍016-H1井須家河組頂部井段使用“三牙輪三刀翼”國(guó)產(chǎn)江漢復(fù)合鉆頭KPM633,提速效果顯著,單只鉆頭最多進(jìn)尺437.07 m,機(jī)械鉆速2.43 m/h,機(jī)械鉆速在龍?zhí)?井的基礎(chǔ)上又提高53.38%,同時(shí)每米成本下降32%,具有很好的經(jīng)濟(jì)性[4-5]。
針對(duì)九龍山深部漏層裂縫開(kāi)口尺寸難以把握,漏速和漏失量大,堵墻的抗壓強(qiáng)度要求高的特點(diǎn),發(fā)展形成了“剛性粒子+高失水材料”的復(fù)合橋接堵漏技術(shù),該技術(shù)是將各種粒徑配比的GZD剛性粒子、HHH高失水材料與細(xì)核桃殼復(fù)配而成,其堵漏機(jī)理是由剛性粒子在裂縫孔道完成架橋,高失水材料在其間失水形成致密的封堵帶。堵漏材料與漏失通道的配比性強(qiáng),而且抗高溫、抗高壓,所形成的堵墻抗壓強(qiáng)度高,堵漏成功率高[6-11]。
該堵漏技術(shù)在龍?zhí)?井飛仙關(guān)地層成功應(yīng)用,使用總濃度65%的堵漏鉆井液40 m3(配方:清水+30%HHH+30%GZD剛性粒子+5%細(xì)核桃殼+重晶石適量)進(jìn)行承壓堵漏,下光鉆桿到套管鞋以上300 m,關(guān)井向裸眼內(nèi)反推堵漏鉆井液,將堵漏鉆井液液面推至管鞋以上50 m,堵漏鉆井液累計(jì)推入漏層28 m3,憋壓12 MPa候堵24 h,井口壓力幾乎不降。開(kāi)井后,通過(guò)井口控壓循環(huán)來(lái)檢驗(yàn),飛仙關(guān)組的承壓能力由當(dāng)量密度2.15 g/cm3提高至2.35 g/cm3,后續(xù)施工中未發(fā)生復(fù)漏。
九龍山地區(qū)飛仙關(guān)組至棲霞組是典型的壓力敏感性?xún)?chǔ)層,鉆井液安全密度窗口窄, 實(shí)鉆過(guò)程中溢流和井漏交替的發(fā)生,導(dǎo)致井控風(fēng)險(xiǎn)高,復(fù)雜時(shí)效高,泥漿漏失量大,鉆井成本高,同時(shí)頻繁的堵漏和壓井對(duì)儲(chǔ)層造成了嚴(yán)重傷害。精細(xì)控壓鉆井技術(shù)可以有效解決九龍山地區(qū)壓力敏感性?xún)?chǔ)層窄安全密度窗口的難題。九龍山工區(qū)控壓鉆井的技術(shù)思路是:鉆井液密度設(shè)計(jì)保證液柱壓力超過(guò)地層壓力1~2 MPa,設(shè)備正常情況下,停止循環(huán),控制井口回壓3~4 MPa,開(kāi)泵循環(huán),鉆井液靜液柱壓力和環(huán)空壓耗超過(guò)地層壓力1~2 MPa;即使在控壓裝置出現(xiàn)故障不能控壓,完全依靠液柱壓力也能在井底保持1~2 MPa的正壓差,防止H2S溢出。以龍004-x1井為例,這口井在大隆組和吳家坪組使用精細(xì)控壓鉆井,采用 1.97~2.10 g/cm3鉆井液密度鉆進(jìn),有效降低鉆井液密度,鉆進(jìn)中不控壓,接單根控壓3~4 MPa,鉆進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)漏失、氣侵及明顯垮塌等復(fù)雜情況,順利鉆至預(yù)計(jì)井段(表6)。
表6 九龍山地區(qū)常規(guī)鉆井與精細(xì)控壓鉆井效果對(duì)比表
龍016-H1井飛仙關(guān)水平段鉆井過(guò)程中,不但井口安裝有控壓設(shè)備,井下鉆具中帶有PDW工具,實(shí)時(shí)測(cè)量井底壓力,然后使用先進(jìn)的水力模擬軟件根據(jù)實(shí)時(shí)反饋至地面的井底測(cè)壓數(shù)據(jù),不斷調(diào)整井口壓力,對(duì)井底壓力控制更穩(wěn)定,更加接近地層壓力,真正實(shí)現(xiàn)精確控壓鉆井[12]。
龍016-H1井是九龍山構(gòu)造的1口對(duì)飛仙關(guān)組氣層進(jìn)行水平段鉆進(jìn)的開(kāi)發(fā)井,造斜點(diǎn)位于4 950 m,最大狗腿度6.3e/30 m,使用單彎螺桿常規(guī)定向組合,在定向施工過(guò)程中使用了扭擺減阻系統(tǒng)。通過(guò)摸索,龍016-H1井現(xiàn)場(chǎng)分別設(shè)定正擺扭矩/反擺扭矩分別為6 000 Ngm和4 000 Ngm,通過(guò)正反旋轉(zhuǎn)鉆柱,取得了良好的減摩減阻效果。扭擺減阻系統(tǒng)啟動(dòng)期間,基本沒(méi)有發(fā)生井壁摩阻突然釋放使鉆壓增大的現(xiàn)象,滑動(dòng)定向平均鉆時(shí)由45~50 min降低到35~40 min,工具面穩(wěn)定且易于調(diào)整,定向效率得到極大提高(圖 2)[13]。
圖2 龍016-H1井常規(guī)滑動(dòng)鉆進(jìn)與扭擺鉆進(jìn)效果對(duì)比圖
在九龍山高風(fēng)險(xiǎn)超深井的鉆井施工中,逐步發(fā)展出了有機(jī)鹽聚磺鉆井液體系,其具有高溫穩(wěn)定性強(qiáng)、抗酸性氣體和石膏污染能力更強(qiáng),超長(zhǎng)裸眼段潤(rùn)滑性更好等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)九龍山工區(qū)的性能要求可以總結(jié)為上部陸相地層強(qiáng)調(diào)“合理密度支撐+強(qiáng)抑制+強(qiáng)包被”,預(yù)防頁(yè)巖水化膨脹和垮塌。雷口坡至嘉陵江組可能鉆遇大段膏鹽層,同時(shí)可能出現(xiàn)井漏,進(jìn)入該層前應(yīng)做好鉆井液抗膏鹽污染及防漏堵漏準(zhǔn)備工作;嘉二段可能鉆遇高壓鹽水層,進(jìn)入該層前應(yīng)做好鉆井液抗鹽水污染工作;飛仙關(guān)—梁山組由于井深、鉆井液密度高,應(yīng)優(yōu)化鉆井液性能,降低循環(huán)壓耗,做好防漏堵漏和防硫化氫等準(zhǔn)備工作,且此段安全密度窗口窄,重點(diǎn)強(qiáng)化封堵性能,盡可能提高地層承壓能力,擴(kuò)大安全密度窗口。此外,由于小井眼、高密度、井底溫度高(超過(guò)150°),鉆井液應(yīng)具有良好的抗高溫穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性。同時(shí)要保證即使在大壓差下也要有足夠小的濾失量,減少壓差卡鉆的可能性[14-18]。
九龍山工區(qū)開(kāi)發(fā)前期使用常規(guī)聚磺防塌鉆井液體系,每口井平均劃眼時(shí)間為270 h,使用有機(jī)鹽體系后劃眼時(shí)間縮短為96 h。使用有機(jī)鹽體系后井眼擴(kuò)大率也從使用前的17%下降到8.9%。
由于九龍山深部海相地層鉆井液安全密度窗口極窄,采用常規(guī)井控技術(shù)處理溢流氣侵時(shí)存在一壓即漏、由漏轉(zhuǎn)噴的問(wèn)題,例如在處理龍?zhí)?井棲霞組“上漏下噴”復(fù)雜情況中,關(guān)井后井口壓力最高達(dá)16.5 MPa,井控風(fēng)險(xiǎn)極大。為解決該問(wèn)題,基于安全控制井筒壓力并重建安全壓力窗口的指導(dǎo)思想,提出了針對(duì)性的堵漏壓井方法。此種堵漏壓井方法的主要原理是:通過(guò)壓井管匯先從環(huán)空推入壓井液將侵入環(huán)空的氣體原路壓回地層,然后吊灌壓穩(wěn)起鉆換光鉆桿,并經(jīng)由鉆柱向漏失地層泵入“剛性粒子+高失水”堵漏泥漿封堵裂縫來(lái)提高地層承壓能力,從而重新建立安全壓力窗口。同時(shí)用常規(guī)井控技術(shù)恢復(fù)井筒壓力平衡。
龍016-H1井在飛仙關(guān)水平段鉆進(jìn)中先出現(xiàn)井漏,然后發(fā)生重力置換型溢流,井口套壓16 MPa。先用反推鉆井液60 m3將井口壓力降為0,以2倍鉆具體積吊灌起鉆,換光鉆桿下鉆,再用“剛性粒子+高失水”堵漏鉆井液和壓井液同時(shí)完成堵漏和壓井。只用15.5 h就解除了井控險(xiǎn)情[19-25]。
根據(jù)各配套技術(shù)的特點(diǎn)和地層的適應(yīng)性,并結(jié)合其他區(qū)塊的鉆井經(jīng)驗(yàn),形成了九龍山地區(qū)超深井配套技術(shù)技術(shù)集成方案:包括井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化,鉆井方式、鉆頭、提速工具優(yōu)選,高效承壓堵漏技術(shù)、井身軌跡控制、鉆井液體系優(yōu)選,配套井控技術(shù)等。
自2013年在九龍山地區(qū)推廣該配套技術(shù)方案,并在應(yīng)用中逐步改進(jìn),機(jī)械鉆速逐年提高,鉆井周期逐年縮短,事故復(fù)雜率逐年下降(表7)。
表7 九龍山地區(qū)應(yīng)用配套技術(shù)前后技術(shù)指標(biāo)對(duì)比一覽表
龍004-3井完鉆井深6 468 m,采用了七開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。在全井筒鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)用了鉆井提速技術(shù)集成方案:在珍珠沖礫石層井段采用專(zhuān)用牙輪鉆頭+重型減震器鉆井技術(shù),須家河井段采用復(fù)合鉆頭+中速螺桿復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù),在茅口、棲霞組的裂縫性漏層的堵漏過(guò)程中,使用“剛性粒子+高失水”堵漏配方,一次堵漏成功率達(dá)到了66.8%,整體提速效果顯著,為全井鉆井周期的縮短奠定了基礎(chǔ)。該井鉆井周期僅288 d,平均機(jī)械鉆速3.51 m/h,與之前的地區(qū)平均水平相比,鉆井周期縮短了44.1%,機(jī)械鉆速提高了33.9%。該井創(chuàng)造了九龍山構(gòu)造的超深井最短鉆井周期紀(jì)錄
1)九龍山海相超深井七開(kāi)制井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是安全快速鉆井的根本。
2)“礫石層專(zhuān)用牙輪鉆頭+重型減震器”、“復(fù)合鉆頭+中低速螺桿”鉆具組合在九龍山地區(qū)陸相高研磨地層中見(jiàn)到了明顯的提速效果。
3)“剛性粒子+高失水”堵漏配方主要通過(guò)多種材料相互協(xié)同增效實(shí)現(xiàn)封堵,對(duì)裂縫適應(yīng)能力強(qiáng)、承壓能力高,適用于九龍山深部海相地層的惡性井漏。