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      花崗巖地層空氣鉆井應(yīng)用實踐

      2018-06-19 08:28:44文永林王興忠
      西部探礦工程 2018年6期
      關(guān)鍵詞:機械鉆速井段巖屑

      代 鋒,文永林,李 勇,王興忠

      (中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院,四川德陽618000)

      位于第三紀的浦項盆地,是韓國高溫地?zé)豳Y源的有利聚集區(qū),作為地?zé)峥碧降闹攸c區(qū)塊,韓國政府計劃2年時間部署3口井,利用增強型地?zé)嵯到y(tǒng)開發(fā)深層地?zé)豳Y源。為加快勘探進程,提高機械鉆速,縮短鉆井周期,在充分論證空氣鉆井可行性基礎(chǔ)上,在PX-2井三開實施了花崗巖地層的空氣鉆井試驗。

      1 空氣鉆井可行性分析

      1.1 鄰井PX-1井三開鉆井施工難點分析

      (1)花崗巖巖性致密、硬度高。三開地層(2406~4127m)巖性為致密花崗巖(頂界2356m),在整套花崗巖地層中含大段角閃巖脈,其硬度高,組成礦物含石英(<20%~35%)、云母、正長石、粉紅色長石、綠泥石、角閃石,共8段,厚度2~130m不等,整個井段均較硬,不易破碎。

      (2)花崗巖地層鉆頭選型困難,磨損嚴重、使用數(shù)量多。致密花崗巖地層可鉆性差、研磨性強,鉆頭選型困難,本井優(yōu)選SMITH高效鉆頭,整個三開井段累計使用?215.9mm鉆頭10只,單只鉆頭進尺78~227m不等,平均進尺172.1m,鉆頭使用數(shù)量多、費用高,如表1所示。

      表1 PX-1井三開鉆頭使用統(tǒng)計

      (3)機械鉆速慢,鉆井周期長。三開井段使用1.14~1.25g/cm3的低密度鉆井液,配合SMITH鉆頭,平均機械鉆速僅為1.67m/h,鉆井周期長達94.68d。

      1.2 PX-2井三開空氣鉆井可行性分析

      PX-2井與PX-1井同井場,井口距離僅相隔6m,因此PX-1井的實鉆工程地質(zhì)資料對PX-2井具有較強的指導(dǎo)作用。PX-2井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計如表2所示。

      (1)地層上滿足空氣鉆井施工的條件。

      表2 PX-2井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

      ①井壁穩(wěn)定性較好:PX-2井自2375m開始進入致密花崗巖地層,且上部下?244.5mm技術(shù)套管至2443.56m(進入花崗巖地層68.56m),封隔上部火山礫石巖、凝灰?guī)r等地層,為空氣鉆井創(chuàng)造了較好的井筒條件;鄰井花崗巖地層鉆進期間,使用鉆井液密度低(未超過1.25g/cm3),井壁較穩(wěn)定,無垮塌現(xiàn)象發(fā)生;

      ②常壓地層:預(yù)測地層壓力系數(shù)1.0~1.25;

      ③油氣水分布:自上而下無油氣和H2S顯示,地層基本不出水。

      (2)工程上有提速的需求。浦項地?zé)峋虏炕◢弾r地層井段長(超過2000m)、可鉆性差,使用常規(guī)鉆井液鉆井鉆速低、周期長,優(yōu)選高性能破巖工具成本高,同時業(yè)主對項目階段性進度要求高,有必要開展空氣鉆井提速試驗。

      2 花崗巖地層特性分析及空氣鉆井參數(shù)設(shè)計

      2.1 花崗巖地層特性分析

      花崗巖是巖漿在地下深處經(jīng)冷凝形成的深成酸性火成巖,主要組成礦物為長石、石英、云母等,石英含量10%~50%、長石含量約占2/3,另外含有輝石和角閃石等。

      表3 花崗巖主要物理參數(shù)

      如表3所示,花崗巖的主要特性有[1]:

      (1)巖性致密,密度高達2.79~3.07g/cm3,如表4所示,較泥巖密度大1/3,較砂巖密度大1/4,相同體積的花崗巖巖屑,比砂泥巖巖屑重25%~30%。因此,為將鉆頭破碎的巖屑順利攜帶出井,空氣鉆井排量需提高25%左右。

      表4 花崗巖與泥巖、砂巖、石英砂巖密度比較

      (2)花崗巖抗壓強度高,硬度大,同比元壩地區(qū)自流井組平均抗壓強度113.82MPa、須家河組地層平均抗壓強度119.23MPa,花崗巖地層屬于高抗壓強度極硬難鉆地層。若采用鉆井液鉆井,國內(nèi)外使用復(fù)合鉆井技術(shù),優(yōu)選孕鑲金剛石鉆頭配合高速渦輪,但費用高昂。

      (3)花崗巖屬于硬脆性巖性,使用空氣鉆井技術(shù),由于井底壓差小,可有效改善井底巖石的圍壓狀態(tài)[2],巖石極易破碎,選用牙輪鉆頭即可,成本低廉。

      2.2 空氣鉆井注氣量優(yōu)化設(shè)計

      采用欠平衡鉆井專用設(shè)計軟件HUBS,模擬計算了PX-2井三開花崗巖地層空氣鉆井排量。計算結(jié)果表明,井深2500~2800m注氣量100m3/min即可滿足攜帶0.35mm干燥花崗巖巖屑順利出井,環(huán)空巖屑濃度0.03%,遠小于國際標準4%的要求[3]。這與國內(nèi)在長寧區(qū)塊韓家店、石牛欄組砂泥巖地層相同鉆頭尺寸、相同井深條件下實際所需氮氣排量75~80m3/min相比,注氣排量增加了25%左右,符合致密花崗巖地層的實際攜砂需求[4]。

      通過模擬計算,增加注入空氣排量,可以攜帶更大尺寸的花崗巖巖屑,如表5所示,但是仍然極其細小,180m3/min注氣量情況下,能攜帶的最大巖屑尺寸僅為0.55mm,呈粉末狀。

      表5 不同空氣排量與攜帶最大花崗巖巖屑尺寸對應(yīng)關(guān)系表

      3 現(xiàn)場試驗

      3.1 空氣鉆井鉆具組合及施工參數(shù)

      PX-2井三開花崗巖地層試驗空氣鉆井技術(shù),采用塔式鉆具組合:8-1/2″牙輪鉆頭+強制止回閥+6-1/2″鉆鋌+5″加重鉆桿+柔性短節(jié)+隨鉆震擊器+5″加重鉆桿+5″鉆桿。主要施工參數(shù):鉆壓10~80kN,轉(zhuǎn)速40~50r/min,空氣排量100~150m3/min,立 壓 2.1~4.5MPa。

      3.2 施工過程和關(guān)鍵措施描述

      PX-2井三開干燥井筒做好準備工作后,自井深2450m正式開始空氣鉆進。按照施工過程,大致經(jīng)歷了微出水發(fā)現(xiàn)及處理、控時平穩(wěn)觀察鉆進、不穩(wěn)定地層的診斷及處理和終止空氣鉆進施工等過程。

      (1)微出水處理。本井空氣鉆進30m(2450~2480)后發(fā)現(xiàn)地層出水,主要表現(xiàn)為:井深2480m取砂樣發(fā)現(xiàn)有潤濕顆粒,2484m接立柱后供氣循環(huán)時取樣口發(fā)現(xiàn)水滴,立壓由2.1MPa增加至3.1MPa。

      采取的措施主要有:①停止鉆進,上下活動鉆具,循環(huán)觀察;②以0.5m為單位進行試鉆進,試鉆2m后,取樣口基本無巖屑返出,排砂口無粉塵,停止試鉆進,甩鉆具繼續(xù)循環(huán);③增加空氣排量,由100m3/min上提至140m3/min,循環(huán)活動鉆具,觀察巖屑返出情況和參數(shù)變化情況,考慮花崗巖巖屑細(粉末狀)、吸水性差(不膨脹)、井徑擴大率小、井下溫度高(超過80℃),在確保井下安全的情況下,繼續(xù)試鉆進觀察,至該立柱鉆進完,巖屑逐漸返出正常、參數(shù)恢復(fù)正常,開始正常鉆進。本井預(yù)測出水2~3m3/h,屬于微量出水。

      (2)控時鉆進。基于花崗巖巖性致密、重度高,同時考慮上部進入裸眼30m有一個持續(xù)出水的小水層,本井空氣鉆井施工時始終保持控時鉆進,控制鉆壓10~80kN,鉆時8~12min/m,以充分循環(huán)攜帶井底的巖屑。實鉆中在2511~2512m、2631~2644m井段先后出現(xiàn)加不上鉆壓、快鉆時井段,實鉆中控制鉆時在10min左右,采取勤循環(huán)、勤劃眼等技術(shù)措施,確保鉆屑能較多地帶出井筒,避免形成砂橋或者硬卡。

      (3)不穩(wěn)定地層的診斷與處理。為驗證上部持續(xù)出水對下部裸眼段的影響、套管內(nèi)鉆具的阻卡情況以及快鉆時井段地層的穩(wěn)定性,空氣鉆井期間進行了一次短起下鉆。短起時,裸眼段正常,進入套管內(nèi)21m遇阻,接頂驅(qū)供氣循環(huán)倒劃眼起鉆至套管內(nèi)正常井段。說明出水后在套管內(nèi)壁最下部200m井段粘附有致密細小的花崗巖屑,較常規(guī)砂泥巖更不易清除。

      下鉆時在井深2634m遇阻,遇阻井深處于2631~2644m快鉆時井段,供氣循環(huán)劃眼到底,增加空氣排量至150m3/min鉆進至井深2743m,鉆井期間井口返砂量大,有大顆粒出現(xiàn),立壓上升較快(3.6MPa↑4.5MPa),扭矩變化大(6~14↑18kN·m),加大排量、增加循環(huán)時間,立壓逐漸下降恢復(fù)正常?,F(xiàn)場判斷:上部2631~2644m快鉆時井段屬巖性變化、斷層界面或地層應(yīng)力破碎帶,屬不穩(wěn)定地層。

      (4)終止施工?;谄疸@驗證牙輪鉆頭磨損情況和通過起下鉆檢驗井壁不穩(wěn)定地層對井下狀況影響的考慮,實施了起下鉆作業(yè)。下鉆至井深2576m遇阻,供氣長時間循環(huán)劃眼至2675m,其中2631~2634m巖屑濕潤,地層出水,2660~2675m井段,反復(fù)劃眼,仍有阻卡現(xiàn)象,磨圓的巖屑異常多,最大顆粒大小20mm,分析地層垮塌,起鉆轉(zhuǎn)換鉆井液,結(jié)束空氣鉆井施工。

      3.3 應(yīng)用效果分析

      本井使用一只牙輪鉆頭,累計純鉆時間56h,在高抗壓強度的致密花崗巖硬地層中施工井段2450~2743m,累計進尺293m,平均機械鉆速5.23m/h,取得了較明顯的提速效果。與鄰井PX-1井相同井段使用高性能鉆頭平均機械鉆速1.67m/h相比,提速2.13倍,單只鉆頭進尺長,鉆頭起出新度高,實現(xiàn)了空氣鉆井的優(yōu)快鉆進。

      4 結(jié)論與建議

      (1)花崗巖具有致密、高抗壓強度、硬脆性等特性,常規(guī)鉆井破巖效率低、鉆頭磨損快,適合采用空氣鉆井技術(shù)以提高機械鉆速。

      (2)空氣鉆井配合牙輪鉆頭,通過優(yōu)化空氣排量、控時鉆進、密切觀察等措施,可有效確?;◢弾r地層中的安全鉆進。

      (3)純花崗巖具有很好的井壁穩(wěn)定性,但由于含有角閃石、裂隙充填物等組分,存在交界面和微裂縫發(fā)育、松散等情況,導(dǎo)致地層易破碎、井壁不穩(wěn)定。建議通過地震、錄井、測井等手段,認真分析井壁穩(wěn)定情況,確保施工的安全性和持續(xù)性。

      [1]顧曉魯.地基與基礎(chǔ)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993.

      [2]陳鵬,王璽,陳江浩,等.乍得潛山花崗巖地層欠平衡鉆井試驗[J].石油鉆采工藝,2014,36(2):19-22.

      [3]楊虎,王利國.欠平衡鉆井基礎(chǔ)理論與實踐[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009:39-46.

      [4]肖洲.氣體鉆井技術(shù)在長寧頁巖氣區(qū)塊的應(yīng)用[J].鉆采工藝,2016,39(3):125-126.

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