徐深氣田鉆井設(shè)計(jì)的優(yōu)化

周新榮

(中石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江 大慶 163453)

大慶徐深氣田位于松遼盆地北部的徐家圍子斷陷。徐深氣田主要開(kāi)發(fā)目的層為下白堊統(tǒng)營(yíng)城組一段、三段的火山巖和四段礫巖儲(chǔ)層?；鹕綆r地層存在地層硬、研磨性強(qiáng)、巖石可鉆性差和裂縫性漏失等客觀條件，嚴(yán)重制約了火山巖的勘探開(kāi)發(fā)[1]。

1 技術(shù)難點(diǎn)

1)井壁穩(wěn)定性差。徐深氣田嫩二段和青山口組發(fā)育大段泥巖，泥巖造漿性能強(qiáng)，易吸水水化膨脹剝落，易發(fā)生井塌卡鉆和泥包鉆具、鉆頭抽吸井噴，實(shí)施產(chǎn)層保護(hù)難度大。

2)儲(chǔ)層裂縫較發(fā)育，多發(fā)生鉆井漏失。徐深氣田火山巖地層裂縫比較發(fā)育，是造成該區(qū)鉆井漏失普遍的主要原因。如某井于1997年9月9日～1998年4月11日共漏失鉆井液547m3，漏失井段2742.0～4117.0m，平均每天漏失2.6m3；某井于2004年11月7日9:40于井深3754.0m時(shí)三牙輪下鉆至井深3715.0m時(shí)(層位：營(yíng)城組)開(kāi)泵循環(huán)鉆井液，總池體積由85.4m3緩慢下降到84.4m3，立壓由10.7MPa升至15.64MPa，判斷發(fā)生井漏，鉆井液密度1.14g/cm3，共漏失鉆井液21.41m3。

3)儲(chǔ)層含有CO2氣體，易造成腐蝕。徐深氣田高含CO2，屬于腐蝕性酸性氣體。CO2在井底高溫條件下與水泥石中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2和CSH凝膠等發(fā)生了反應(yīng)，降低了水泥石的強(qiáng)度，提高了滲透率，為氣竄提供了通道，從而腐蝕了套管[2]。

4)鉆井作業(yè)條件苛刻。徐深氣田火山巖地層埋藏很深，井底存在異常高溫和高壓。高溫造成了鉆井液中的各種組分發(fā)生變化，如降解、發(fā)酵、增稠及失效等，從而改變了鉆井液的性能，嚴(yán)重時(shí)鉆井作業(yè)將無(wú)法正常進(jìn)行。同時(shí)井深增加，鉆井井段長(zhǎng)、裸眼段長(zhǎng)，還會(huì)鉆遇許多復(fù)雜地層，鉆井施工難度很大。

2 鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐深氣田是保證大慶油氣產(chǎn)量提升的主要接替區(qū)塊之一。為了能夠快速、安全地鉆井，同時(shí)滿足鉆井和采油工藝的要求及兼顧經(jīng)濟(jì)性，鉆井設(shè)計(jì)從控壓鉆井設(shè)計(jì)、井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系、提速工具等方面逐一進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 控壓鉆井設(shè)計(jì)

1)鉆井液密度窗口 徐深氣田深層氣井投資大、成本高，如果鉆井液密度這一指標(biāo)控制不好，一旦發(fā)生事故，很難處理甚至造成整口井報(bào)廢。在常規(guī)鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，由于井控的需要，最大鉆井液密度取決于地層破裂壓力，最小鉆井液密度取決于地層孔隙壓力，則有：

式中：Δρ為鉆井液密度窗口，g/cm3；ρmax為鉆井液密度最大值，g/cm3；ρmin為鉆井液密度最小值，g/cm3；pF為破裂壓力，MPa；pp為孔隙壓力，MPa；H為井深，m；g為重力加速度，9.81m/s2。

表1 徐深氣田部分井漏失井地層壓力系數(shù)數(shù)據(jù)表

對(duì)徐深氣田部分井在營(yíng)城組的孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)得出5口漏失井的地層壓力系數(shù)(表1)。該區(qū)安全鉆進(jìn)的密度窗口在1.06～1.10g/cm3之間，可見(jiàn)徐深氣田營(yíng)城組安全鉆進(jìn)的密度窗口很窄。窄密度窗口安全鉆井問(wèn)題是造成徐深氣田深層氣井鉆井過(guò)程中發(fā)生地層坍塌、井涌、井漏、壓差卡鉆及起下鉆時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等復(fù)雜問(wèn)題的主要原因。目前常用的解決方法是控壓鉆井技術(shù)[3,4]。

2)控壓鉆井設(shè)計(jì)應(yīng)用 徐深某井登三段至營(yíng)一段(3500～3973m)存在井漏或氣侵的風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行控壓鉆井設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)控壓參數(shù)和作業(yè)程序，實(shí)鉆井口回壓控制在3.2MPa以內(nèi)(表2)，實(shí)鉆控制情況如圖1所示，控壓設(shè)備累計(jì)運(yùn)行500h無(wú)故障，施工順利，避免井漏、溢流等井下復(fù)雜情況發(fā)生。

表2 不同井底循環(huán)當(dāng)量密度(ECD)井口回壓優(yōu)選值表

圖1 實(shí)鉆井口回壓控制曲線

3)壓力控制原理 鉆井過(guò)程中，井筒中任意一點(diǎn)的壓力由環(huán)空液柱壓力、鉆井液循環(huán)時(shí)的環(huán)空流動(dòng)阻力、井口回壓、環(huán)空循環(huán)壓力波動(dòng)(如激動(dòng)壓力、抽吸壓力、侵入井內(nèi)的地層流體引起的壓力波動(dòng))等組成[5～8]，即：

pH=pm+pA+

pC+paf

(2)

式中：pH為井底壓力，MPa；pm為環(huán)空液柱壓力，MPa；pA為環(huán)空流動(dòng)阻力，MPa；pC為井口回壓，MPa；paf為環(huán)空循環(huán)壓力波動(dòng)，MPa。

圖2 不同鉆井方式下井筒壓力剖面控制示意圖

在窄安全密度窗口情況下的常規(guī)鉆井如圖2(a)所示，降低鉆井液密度使動(dòng)態(tài)循環(huán)時(shí)不壓漏地層，則井內(nèi)靜止時(shí)地層流體會(huì)流入井筒，造成對(duì)地層的損害；提高鉆井液密度使井內(nèi)靜止時(shí)pH>pP，動(dòng)態(tài)循環(huán)時(shí)會(huì)發(fā)生井漏。常規(guī)鉆井時(shí)鉆井液密度很難控制。

控壓鉆井如圖2(b)所示，動(dòng)態(tài)循環(huán)時(shí)，使用較低的鉆井液密度使pH在安全密度窗口內(nèi)，靜態(tài)時(shí)在井口精確施加一定量的回壓pC，使靜態(tài)pH也在安全密度窗口內(nèi)，從而保證鉆井安全(理想情況下靜態(tài)pC=pA)?？貕恒@井設(shè)計(jì)通過(guò)在井口精確施加一定量的回壓，調(diào)節(jié)了井底壓力，使井底壓力等于或稍大于儲(chǔ)層壓力。

2.2 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)徐深氣田的地質(zhì)特征，為保證深層氣井安全高效鉆進(jìn)，優(yōu)化其為3層套管結(jié)構(gòu)：表層套管封隔淺氣層、淺水層，封固上部疏松、復(fù)雜地層；技術(shù)套管封固發(fā)育大段泥巖的青山口組及封隔不同的壓力層系，利于完井管柱的安全下入；生產(chǎn)套管兼顧裸眼段及封固段，作為油氣通道既要保證長(zhǎng)期生產(chǎn)，又要滿足開(kāi)采和壓裂等增產(chǎn)措施的要求[9]。2015年固化了深層氣井3種井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模版(圖3)，與2014年相比，平均單井縮短鉆井周期約15d，累計(jì)節(jié)省套管、水泥和鉆機(jī)費(fèi)用等約3360萬(wàn)元。

圖3 深層氣井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 優(yōu)選鉆井液體系

2015年徐深6口井設(shè)計(jì)中優(yōu)選采用了有機(jī)硅聚磺水基鉆井液，抗溫性、潤(rùn)滑性及儲(chǔ)層保護(hù)等性能與油基鉆井液接近，成本降低40%以上；某井設(shè)計(jì)優(yōu)選了抗高溫低密度水泥漿體系，實(shí)現(xiàn)了在3945m處一次全封固井，與尾管回接固井相比，簡(jiǎn)化了施工工藝，實(shí)現(xiàn)了安全固井，縮短完井周期8d，節(jié)省費(fèi)用約240萬(wàn)元。在鉆井過(guò)程中將聚合物鉆井液與磺化鉆井液結(jié)合在一起能形成抗高溫的聚磺鉆井液。設(shè)計(jì)中使用的有機(jī)硅聚磺水基鉆井液抗溫性好(抗溫160℃以上)、抑制性強(qiáng)(滾動(dòng)回收率>90%)、流變性優(yōu)良(動(dòng)塑比≥0.4)、潤(rùn)滑性好(潤(rùn)滑系數(shù)≤0.1)、保護(hù)儲(chǔ)層(濾失量≤4mL)、井壁穩(wěn)定好(泥餅厚度≤0.5mm)。在鉆井設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)選合理的鉆井液體系對(duì)油氣層損害小，利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油氣層；有助于提高機(jī)械鉆速，從而縮短了鉆井周期，節(jié)約了成本。

2.4 優(yōu)選提速工具

為了提高機(jī)械鉆速，鉆井設(shè)計(jì)時(shí)使用了國(guó)產(chǎn)提速工具液動(dòng)旋沖工具和水力振蕩器。2015年在深層氣開(kāi)發(fā)井應(yīng)用5口井，與鄰井相比，累計(jì)減少起下鉆22趟，節(jié)省鉆頭22只，平均機(jī)械鉆速最高6.38m/h，縮短鉆井周期70.03d，節(jié)省鉆機(jī)費(fèi)用約2100萬(wàn)元。

液動(dòng)旋沖工具通過(guò)鉆井液提供的動(dòng)力，周向上產(chǎn)生高頻沖擊，徑向上產(chǎn)生水力脈沖，鉆頭的破巖方式為機(jī)械沖擊與水力脈沖相結(jié)合的破巖方式，使PDC鉆頭在深部地層中剪切巖層的效率大大提高了，從而提高了鉆速，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。

2015年應(yīng)用液動(dòng)旋沖工具平均機(jī)械鉆速最高達(dá)6.38m/h，是鄰井同層位平均機(jī)械鉆速的4.25倍，提速效果明顯。水力振蕩器通過(guò)其自身的縱向振動(dòng)提高了鉆進(jìn)過(guò)程中鉆壓傳遞的有效性，減少了下部鉆具組合與井眼之間的摩阻。從而減少了滑動(dòng)托壓現(xiàn)象,可大幅度提高鉆速,而且不會(huì)對(duì)PDC鉆頭有額外的磨損。2015年應(yīng)用水力振蕩器增大鉆壓(1.5～4t)，降低摩阻(3～4t)，復(fù)合平均機(jī)械鉆速13.76m/h，提速效果明顯。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2015年緊緊圍繞“提速降本”目標(biāo)，形成了深層氣井8項(xiàng)鉆井設(shè)計(jì)技術(shù)，包括井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、提速模板設(shè)計(jì)優(yōu)化、控壓鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化、鉆具組合設(shè)計(jì)優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選、提速工具優(yōu)選、水基鉆井液體系優(yōu)選和抗高溫低密度水泥漿優(yōu)選。

2014年深層直井平均機(jī)械鉆速4.41m/h，平均鉆完井周期80.83d；深層水平井平均機(jī)械鉆速2.38m/h，平均鉆完井周期309.75d。2015年深層直井平均機(jī)械鉆速4.72m/h，平均鉆完井周期79.23d；深層水平井平均機(jī)械鉆速2.84m/h，平均鉆完井周期268.08d。

2015年徐深氣田施工的7口深層氣井，與2014年相比，直井平均機(jī)械鉆速提高7.03%；水平井平均機(jī)械鉆速提高19.33%，平均鉆完井周期縮短41.67d，降低鉆機(jī)費(fèi)用1250萬(wàn)元 (圖4)。2015年鉆井設(shè)計(jì)的優(yōu)化為油田節(jié)省材料費(fèi)用2000多萬(wàn)，總費(fèi)用3000余萬(wàn)元。

圖4 不同年份兩類井實(shí)鉆指標(biāo)對(duì)比示意圖

4 結(jié)論

1)控壓鉆井能迅速有效地控制井口，從而減小對(duì)儲(chǔ)層的損害，減少了井下復(fù)雜事故發(fā)生，是控制井漏、井塌的有效技術(shù)措施。

2)控壓鉆井允許使用較低密度的鉆井液，降低了整口井的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

3)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，縮短了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本。

4)優(yōu)選合理的鉆井液體系能減小對(duì)油氣層的損害，從而提高了井控安全性。

5)優(yōu)選合理的提速工具，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。