段曉東
(中石油西部鉆探國際工程公司,新疆烏魯木齊830026)
卡拉姆卡斯油田位于哈薩克斯坦曼吉斯套州阿克套市以北約300km,油田部署水平井、開窗側(cè)鉆井、定向井和直井等井型,目前以直井為主。施工中存在白堊系上部地層軟泥巖水敏性強(qiáng)易縮徑;侏羅紀(jì)中部地層致密灰?guī)r段和砂泥巖硬夾層機(jī)械鉆速低;450~750m淺層氣發(fā)育,固井易形成井口竄氣和套間壓等難題,嚴(yán)重制約鉆井速度,口井建井周期約30d。為提高鉆井速度,改善該油田鉆井經(jīng)營情況,以縮短鉆井周期為目標(biāo),以提高機(jī)械鉆速、解決套間壓問題、降低事故復(fù)雜時(shí)率為手段,形成一套綜合鉆井配套技術(shù),提升區(qū)塊鉆井經(jīng)營能力。
(1)易發(fā)生井口竄氣及“套間壓”難題??ɡ房ㄋ箿\氣層主要分布在白堊系下部К1al地層,埋藏深度450~750m,膠結(jié)程度低,成巖性差,常規(guī)固井封堵難。由于水泥漿在凝固過程中的物理收縮、失重造成氣體上移,水泥石本身的微裂縫、套管與水泥之間的膠結(jié)失效或水泥與地層之間的膠結(jié)失效等因素都在對層間封隔進(jìn)行逐步破壞,從而形成氣體擴(kuò)散通道,當(dāng)淺層氣運(yùn)移到井口,就造成井口竄氣和套間壓。一旦出現(xiàn)井口竄氣和套間壓,補(bǔ)救會非常困難,且耗費(fèi)周期長,成功率低。2011~2014年,卡拉姆卡斯油田共計(jì)發(fā)生井口竄氣12例,補(bǔ)救施工平均耗時(shí)36.96d,但成功率僅為33%,采用環(huán)空擠注水泥使套管變形導(dǎo)致油井報(bào)廢6例,報(bào)廢率高達(dá)50%。
(2)小角度定向井增加了工序。從2014年開始,卡拉姆卡斯油田布置的小角度定向井?dāng)?shù)量逐年增多,井斜一般為6°~9°,最大不超過20°,從一開295mm井眼的80m處開始定向直至三開完鉆,定向段長820~850m,機(jī)械鉆速低、鉆井周期長、作業(yè)成本攀升。
(3)鉆機(jī)負(fù)荷小,鉆井參數(shù)強(qiáng)化有限,機(jī)械鉆速不高。侏羅紀(jì)中部地層存在致密灰?guī)r段和砂泥巖硬夾層,抗研磨性強(qiáng)、鉆頭配伍性差,使用常規(guī)鉆具不能獲得高機(jī)速,該段平均機(jī)械鉆速僅5.34m/h。
(4)表層軟泥巖地層易水化膨脹縮徑,經(jīng)常出現(xiàn)起下鉆遇阻、劃眼與倒劃眼復(fù)雜。
(5)目的層承壓能力弱,鉆井和固井作業(yè)易發(fā)生井漏復(fù)雜。
2.1.1 優(yōu)選PDC鉆頭
該區(qū)塊地層以中軟泥巖為主,夾雜膏質(zhì)泥巖和致密灰?guī)r硬夾層,沒有礫石層。在鉆頭選型上采用鋼體單排齒大復(fù)合片4~5刀翼的ST915TU、M1955SS等抗沖擊性強(qiáng)的鉆頭,適合推進(jìn)“一趟鉆”工程,提高機(jī)械鉆速。鉆頭選型依據(jù)如下:
(1)選用4~5刀翼19mm復(fù)合片鉆頭,較低的布齒密度使鉆頭在相同鉆壓下單顆切屑齒的比壓更高,更有利于吃入地層,提高機(jī)械鉆速。
(2)選用鋼體鉆頭,刀翼深度更深,排屑空間更加寬敞,有利于巖屑及時(shí)排放,避免重復(fù)切削,有利于提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命。
(3)螺旋刀翼設(shè)計(jì),鉆頭工作平穩(wěn)性增強(qiáng),有利于提高鉆頭抗沖擊能力,符合“一趟鉆”需要。
2.1.2 全井段推行復(fù)合鉆井技術(shù)
一開?295.3mm井眼,二開?216mm井眼均使用“PDC+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù),充分發(fā)揮螺桿鉆具優(yōu)勢,減輕鉆機(jī)負(fù)荷,強(qiáng)化鉆井參數(shù)。
2.1.3 全井型采用PDC鉆頭定向
小角度定向井從80m定向,一開即下入“PDC+定向工具”鉆具組合,復(fù)合鉆至定向點(diǎn)后直接定向鉆進(jìn),中間不起鉆更換鉆具結(jié)構(gòu)。
2.1.4 科學(xué)簡化鉆井工藝
積極推行復(fù)合鉆井技術(shù)和“一趟鉆”工程,?295.3mm井眼和?216mm井眼均使用“PDC+螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù),充分發(fā)揮螺桿鉆具優(yōu)勢,強(qiáng)化鉆井參數(shù),減少鉆機(jī)負(fù)荷。小角度定向井從80m定向,但是在二開就直接下入“PDC+定向工具”鉆具組合,復(fù)合鉆至定向點(diǎn)后直接定向鉆進(jìn),中間不起鉆更換鉆具結(jié)構(gòu)。
2.2.1引起井口竄氣的原因分析
水泥漿膠凝失重。水泥漿本身是一種膠凝材料,注入環(huán)空后,隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行,靜膠凝強(qiáng)度不斷增加。由于靜膠凝強(qiáng)度的支撐,水泥柱靜液壓力下降,當(dāng)靜膠凝強(qiáng)度隨水化增長到一定值時(shí),水泥漿進(jìn)入“過渡狀態(tài)”,即水泥漿既不像液體也不像固體,此時(shí),水泥漿處于失重狀態(tài)。當(dāng)環(huán)空靜膠凝強(qiáng)度低于地層壓力的時(shí)候,氣體就會進(jìn)入環(huán)空形成氣竄通道。
水泥石體積收縮。水泥漿進(jìn)入凝固階段后,水化作用加強(qiáng),水泥水化造成基體的絕對體積減少,成為水泥化學(xué)收縮。天山G級水泥體積收縮率為5%~6%。根據(jù)能力最低原則,水泥石會朝著套管方向橫向收縮,結(jié)果會使水泥石與濾餅和地層脫開,出現(xiàn)微環(huán)隙,產(chǎn)生氣竄的通道。因此,保證水泥石體積不收縮或者微膨脹是防氣竄的重要措施。
井下條件變化導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效。在后期鉆井作業(yè)的影響及天然氣的化學(xué)侵蝕作用下,水泥環(huán)本身的機(jī)械損壞、套管與水泥之間的膠結(jié)失效或水泥與地層之間的膠結(jié)失效都在對層間封隔進(jìn)行逐步破壞。水泥環(huán)的機(jī)械失效導(dǎo)致裂縫出現(xiàn),膠結(jié)失效導(dǎo)致內(nèi)微環(huán)隙和外微環(huán)隙形成,為氣體運(yùn)移和上竄提供了通道。
2.2.2 優(yōu)選水泥漿配方
根據(jù)卡拉姆卡斯油田固井經(jīng)驗(yàn),優(yōu)選低溫降失水劑JLS和晶體膨脹劑KW-2對水泥漿進(jìn)行改性,依靠KW-2晶體膨脹劑在水泥凝固失水過程中自身衍生的結(jié)晶膨脹壓和JLS低溫降失水劑吸附于水泥顆粒表面、堵塞水泥石內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)空隙的能力。具體實(shí)驗(yàn)見表1。
表1 水泥漿配方優(yōu)選
2.2.3 水泥石膨脹性能評價(jià)
隨JLS和KW-2的加量增大,水泥石抗壓強(qiáng)度和線膨脹率明顯增大,有利于密封環(huán)空微間隙,從而提高水泥環(huán)防竄能力。具體評價(jià)見表2。
2.2.4 水泥漿性能和稠化時(shí)間
表2 水泥石抗壓強(qiáng)度和線膨脹率(30℃)
表3 水泥漿工程性能
通過進(jìn)行不同配方的水泥漿性能實(shí)驗(yàn)(具體數(shù)據(jù)見表3),可以計(jì)算出2#配方的SPN值(水泥漿性能系數(shù))為0.94,水泥漿防竄性能優(yōu)越,采用2#配方進(jìn)行淺氣層固井,有利于固井水泥漿體系防竄性能提高,從而改善淺氣層固井質(zhì)量。
2.3.1 優(yōu)化鉆井液配方
通過優(yōu)選天然高分子聚合物IND30,其利用植物膠分子加長形成線性長鏈大分子的結(jié)構(gòu),接枝了磺酸根基團(tuán),既不易形成線團(tuán)型,又具備很好的抗鹽性,適合卡拉姆卡斯工業(yè)水質(zhì)和地表含鹽的情況。優(yōu)化大小分子聚合物的比例,控制大分子用量0.75%,配以1%NH4HPAN降失水調(diào)節(jié)流型,以及0.6%PAC-LV進(jìn)行降失水護(hù)膠,適當(dāng)加大燒堿用量至0.3%~0.4%;二開后期降低大分子濃度至0.4%~0.5%,保證鉆井液抑制性能的同時(shí),適度分散,防止鉆屑粘結(jié)形成大泥塊而滯留粘附井壁,減少起下鉆遇阻復(fù)雜。
原鉆井液配方:3%土粉+0.3%NaOH+0.2%Na2CO3+1%FA-367+1%PAC-LV+0.8%XY-27+重晶石;
改進(jìn)后鉆井液配方:3%土粉+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+0.75%~0.4%IND30+1%NH4HPAN+0.6%PAC-LV(或CMC-MV)+重晶石。
2.3.2 細(xì)化鉆井液維護(hù)措施
(1)導(dǎo)管采用土漿或回收老漿,后期用膠液維護(hù);
(2)一開采用0.75%IND-30+0.6%PAC-LV+1%NH4HPAN+0.4%NaOH的復(fù)配膠液維護(hù),強(qiáng)化包被性能,抑制泥巖水化;二開適當(dāng)降低大分子濃度至0.4%~0.5%,防止大分子過量;以PAC-LV或CMC-MV護(hù)膠控制鉆井液失水小于5mL,有利于攜帶;以NH4HPAN調(diào)節(jié)鉆井液流變性,控制鉆井液具有良好的流變性能,對井壁進(jìn)行沖刷清洗,確保井眼清潔;
(3)進(jìn)入油層段前,加入隨鉆堵漏劑,加強(qiáng)鉆井液的封堵能力,保持適當(dāng)正壓差,預(yù)防溢流或井漏復(fù)雜情況的發(fā)生。
綜合鉆井技術(shù)的研究與應(yīng)用,使得各項(xiàng)指標(biāo)均得以提高,其中有8口井建井周期小于15d。全年完成35口井,平均建井周期17.02d,平均機(jī)械鉆速12.95m/h,固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率83%,復(fù)雜損失率0.9%,沒有發(fā)生井口竄氣和套間壓問題。相比以前完成井平均建井周期降低了14.66d,平均機(jī)械鉆速提高了4.62m/h。
(1)全面推廣全井段全井型復(fù)合井技術(shù),強(qiáng)化“一趟鉆”理念,可以大幅提高機(jī)械鉆速和行程機(jī)速;
(2)通過研發(fā)套間壓密封裝置,優(yōu)化固井配方,可將井口竄氣和套間壓問題減至最少;
(3)隨著卡拉姆卡斯鉆井綜合鉆井技術(shù)的成熟應(yīng)用,可將該區(qū)塊直井定向井建井周期控制在15d以內(nèi)。