伊拉克米桑油田裂縫性地層非標井眼水平井鉆井技術(shù)

陳 國 軍

中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部.鉆完井工程技術(shù)部

0 引言

伊拉克米桑油田位于扎格羅斯山前構(gòu)造擠壓帶，地處原兩伊戰(zhàn)爭主戰(zhàn)場，地面地雷密布，井場建設(shè)困難。油田所在構(gòu)造地應(yīng)力復(fù)雜，鉆井需鉆穿800 m復(fù)合鹽膏層及鹽下裂縫性地層。已鉆42口直井，井下出現(xiàn)復(fù)雜情況和事故平均3.76起/井，平均非生產(chǎn)時間40.07天/井，占建井周期的30.68%，甚至部分井工程報廢，而鹽下裂縫性地層井段在鉆進過程中發(fā)生漏、塌、卡等占全井復(fù)雜情況和事故的一半以上。

為了解決井場建設(shè)難題及提高單井產(chǎn)量，設(shè)計采用直井鉆過鹽膏層，然后采用非標尺寸井眼水平井開發(fā)鹽下Mishrif儲層。而鹽下裂縫性地層壓力窗口窄，漏、塌、卡等是定向作業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。根據(jù)初始地層漏失壓力計算水平段極限長度，在不采取措施的前提下，在Mishrif層位實施水平井作業(yè)，其水平段極限長度僅15 m。

1 井下復(fù)雜原因分析

因米桑油田鹽下地層壓力窗口窄，構(gòu)造作用強烈導(dǎo)致石灰?guī)r裂縫發(fā)育、漏失壓力低[1]，泥頁巖易水化膨脹、垮塌壓力高，且非標井眼環(huán)空間隙小，井底ECD（當量循環(huán)密度）比標準井眼更高，使得平衡地層壓力很困難，井漏、井塌、卡鉆風(fēng)險高。

1.1 鹽下裂縫性地層壓力窗口窄

根據(jù)米桑油田鹽下地層地質(zhì)分層描述（表1）及地層壓力預(yù)測曲線（圖1）可知，Lower Fars Mb1以下部分地層（Sadi、Tanuma）坍塌壓力當量密度高達1.36 g/cm3，而根據(jù)前期已鉆井實鉆經(jīng)驗及實驗室研究結(jié)果，Upper-kirkuk、BU、Middle-Lower Kirkuk層（統(tǒng)稱為Asmari層）的漏失壓力當量密度僅1.17 g/cm3，主要目的層Mishrif層段漏失壓力當量密度也僅1.22 g/cm3。為安全鉆井，鉆井液密度要高于地層坍塌壓力、低于地層漏失壓力，由于壓力窗口窄，甚至沒有壓力窗口，難以選擇合適的鉆井液密度，使得鉆進過程中井下ECD控制極其困難，ECD稍高即漏，稍低即塌進而導(dǎo)致卡鉆。

表1 米桑油田鹽下地層層位及對應(yīng)風(fēng)險展示表

1.2 石灰?guī)r裂縫發(fā)育、泥頁巖易坍塌

通過對米桑油田構(gòu)造形成歷史、地應(yīng)力分布、電測資料、巖心及鉆井資料進行綜合研究，發(fā)現(xiàn)米桑油田群主要分布在扎格羅斯褶皺帶中，導(dǎo)致部分地層裂紋發(fā)育，取心巖石中發(fā)現(xiàn)發(fā)育有垂向、縱向微裂縫；漏失主要發(fā)生在裂縫性石灰?guī)r地層，漏失層位具有較低的伽馬值和相對規(guī)則的井徑；發(fā)生漏失時使用的鉆井液密度與裂縫延伸壓力和壓剪起裂壓力相差較大，屬于典型的裂縫性地層漏失。

Sadi、Tanuma層為低強度泥頁巖和灰質(zhì)泥巖，水相進入后會導(dǎo)致黏土的水化分散，提高了膨脹壓力，從而導(dǎo)致地層失穩(wěn)，坍塌壓力當量密度高達1.36 g/cm3，裸露時間超過其坍塌周期后坍塌現(xiàn)象尤甚，部分掉塊尺寸達3 cm 5 cm（圖2）；Mishrif層裂縫發(fā)育，易剝落掉塊，在水力沖擊下尤甚；根據(jù)鄰井電測井徑曲線，Sadi、Tanuma等泥頁巖層及Mishrif層部分井段井徑擴徑較明顯，說明垮塌及掉塊較嚴重[2]，由于井壁及掉塊均很硬，一顆不大的掉塊都可能導(dǎo)致卡鉆。

圖1 米桑油田鹽下地層壓力剖面圖

圖2 坍塌的泥頁巖掉塊照片

1.3 非標井眼環(huán)空間隙小、井底ECD高

?311.2 mm(12-1/4")井段為鹽膏層井段，需用厚壁的?244.5 mm(9-5/8")套管封固，導(dǎo)致其下兩個井段（?209.6 mm(8-1/4")定向井段和?244.5 mm(9-5/8")水平井段）均為非標準尺寸井眼，而伊拉克當?shù)刂荒塬@得適用于?215.9 mm(8-1/2")和?152.4 mm(6")標準井眼的隨鉆定向工具。由于井下工具外徑偏大，導(dǎo)致環(huán)空間隙比標準井眼小，水平段最小間隙僅1.6 mm（理論上）。

由于環(huán)空間隙小，導(dǎo)致環(huán)空壓耗較正常井眼偏大，且易產(chǎn)生大的激動壓力，從而增大井下當量密度，而且小的環(huán)空間隙也更易導(dǎo)致巖屑堆積，從而誘發(fā)井漏[3]。

由于環(huán)空間隙小，且井壁較硬（巖石抗壓強度達100～200 MPa），易因井壁掉塊（部分井壁掉塊達3 cm 5 cm）、井口落物、巖屑堆積等導(dǎo)致卡鉆，帶彎角的馬達下入時也易卡鉆。

因非標井眼的環(huán)空間隙小，井底ECD較標準井眼更高，其井漏和卡鉆風(fēng)險也更高。

2 防漏防卡技術(shù)措施

分析了井漏、井塌及卡鉆原因后，有針對性的采取了一系列防漏防卡技術(shù)措施，包括研究裂縫性地層井壁穩(wěn)定性、優(yōu)化定向井軌跡設(shè)計，優(yōu)選鹽下鉆井液體系、提高地層承壓能力，優(yōu)化技術(shù)措施、實施全過程ECD控制。

2.1 研究裂縫性地層井壁穩(wěn)定性，優(yōu)化定向井軌跡設(shè)計

2.1.1 井眼方位的選擇

定向井作業(yè)由于井身發(fā)生傾斜，其井壁穩(wěn)定性與直井有顯著的差別，井壁穩(wěn)定性不僅與井眼軌跡（井斜角、方位角）有關(guān)，而且與地應(yīng)力方位還有關(guān)[4-5]。

米桑油田群受扎格羅斯構(gòu)造運動影響，水平地應(yīng)力較大，根據(jù)區(qū)域構(gòu)造運動史及鉆井情況研究，該區(qū)域上覆巖層壓力為最大主應(yīng)力（除高壓鹽膏層外）。在此前提下，通過計算米桑油田Tanuma層及MB21層坍塌壓力隨井斜角、方位角的變化規(guī)律（圖3～圖6），得出在最小地應(yīng)力方位坍塌壓力最低（大致為北偏東120°左右或其相反方向），有利于井壁穩(wěn)定。Tanuma層直井坍塌壓力當量密度介于1.21 g/cm3，水平井最小地應(yīng)力方位坍塌壓力當量密度介于1.31 g/cm3，水平井最大地應(yīng)力方位坍塌壓力當量密度約1.36 g/cm3。MB21層直井坍塌壓力當量密度介于0.96～1.19 g/cm3，水平井最小地應(yīng)力方位坍塌壓力當量密度1.07～1.26 g/cm3，水平井最大地應(yīng)力方位坍塌壓力當量密度介于1.14～1.31 g/cm3。

圖3 Tanuma層定向井坍塌圖

圖4 Tanuma層定向井坍塌壓力風(fēng)險分布圖

圖5 MB21層定向井坍塌壓力隨井斜角方位角的變化圖

圖6 MB21層定向井坍塌壓力風(fēng)險分布圖

2.1.2 造斜點的選擇

在符合定向井工具造斜能力的前提下，造斜點盡量下移，避免在上部Asmari易漏層造斜?；瑒鱼@進時需要較高的排量，不利于防漏，而且有馬達、隨鉆測井/測量工具的鉆具組合不適合堵漏。造斜點下移后，得以較小的井斜角鉆入Sadi、Tanuma這些易塌層，井斜角越小，坍塌壓力越小，越不易坍塌[6-7]（圖3、圖5）。

因滑動鉆進時ROP較慢，應(yīng)避免在Sadi、Tanuma等極易坍塌井段滑動增斜鉆進，選擇旋轉(zhuǎn)鉆進鉆穿后再滑動增斜鉆進，以避免長時間沖刷加劇地層坍塌[8]。

綜合井眼方位及造斜點選擇分析研究，米桑油田水平井軌跡設(shè)計的關(guān)鍵點是：選擇最小水平主應(yīng)力方位（大致為北偏東120°左右或其相反方向）作為定向鉆井方位，盡量下移造斜點，滑動鉆進井段避開極易坍塌的Sadi、Tannuma等灰泥巖、泥巖井段[9-10]。

2.2 優(yōu)選鹽下鉆井液體系，提高地層承壓能力

米桑油田鹽下裂縫性地層鉆進過程中選用了中海油服油化事業(yè)部新開發(fā)的“AQUA-MAX鉆井液體系”，該體系集成強抑制、強封堵和雙膜效應(yīng)的防塌技術(shù)，具備強封堵、強抑制、低活度和高效潤滑性能，適合本區(qū)塊防漏、防塌、防卡要求，其效果和油基鉆井液類似[11-12]。其關(guān)鍵點如下：

2.2.1 采用提高地層承壓能力技術(shù)

通過對裂縫性地層漏失機理研究，地層承壓能力與裂隙孔隙度、圍壓及隨鉆堵漏劑含量變化規(guī)律研究，開展了裂縫性灰?guī)r地層漏失模擬及堵漏效果評價試驗，取得提高地層承壓能力0.25～0.30 g/cm3的良好效果（表2）。

表2 米桑油田灰?guī)r漏失點堵漏后地層承壓能力統(tǒng)計表

現(xiàn)場作業(yè)中，在鉆進期間鉆井液中添加一定量的隨鉆堵漏劑，預(yù)防了常規(guī)地層的井漏現(xiàn)象；鉆至預(yù)計的主要漏失層前，通過適當提高隨鉆堵漏劑的濃度，使鉆井液很快地在漏失層形成防漏泥餅，很好地解決了鹽下裂縫性地層的井漏難題[13]。

AQUA-MAX鉆井液體系”提高了地層承壓能力，拓寬了安全鉆井泥漿密度窗口[14]。

2.2.2 改善鉆井液潤滑性

采用抗鹽潤滑劑復(fù)配抑制性聚合醇將“AQUAMAX鉆井液”摩阻系數(shù)降至0.15以下，為滑動定向鉆進創(chuàng)造有利條件，減少托壓黏滯現(xiàn)象，同時也可以降低鉆具與井壁的摩擦，進一步提高井壁穩(wěn)定性，減少坍塌及掉塊，預(yù)防卡鉆[15]。而且，利用抑制性聚合醇的濁點效應(yīng)可封堵微裂縫，并提高潤滑性。

2.2.3 維持良好的流變性

AQUA-MAX鉆井液體系”自由水很少，其具有明顯的“高溫稀釋，低溫變稠”的凝膠現(xiàn)象，這對于井壁具有一定的保護作用。在鉆進中，可保持較小的井下當量密度。長起過程中，由于溫度變低，鉆井液變稠，其對井壁具有穩(wěn)定作用，下鉆過程中將結(jié)構(gòu)破壞，溫度提高，鉆井液又恢復(fù)其良好流變性能。在滿足攜砂的前提下，盡可能維持較低的黏切，以降低井下當量密度[16]。

2.3 優(yōu)化技術(shù)措施，實施全過程ECD控制

通過優(yōu)化鉆井參數(shù)、技術(shù)措施，控制好井底ECD，可防范井漏、井塌等井下復(fù)雜情況。

式中ECD表示井底當量密度，g/cm3；ρ表示鉆井液密度，g/cm3；Δp環(huán)表示環(huán)空循環(huán)壓耗，Pa；H表示井垂深，m；Dh表示井徑，cm；D表示鉆具外徑，cm；L表示鉆具長度，m；v表示鉆井液平均流速，m/s；μ表示牛頓流體黏度，Pa s；Q表示鉆井液流量，L/s；Aa表示流體實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)《海洋鉆井手冊》[17]取Aa=0.059。

帶有ECD監(jiān)測儀器的井下隨鉆測量工具可用于實時監(jiān)測井底ECD的變化。

2.3.1 鉆井參數(shù)方面

2.3.1.1 排量

在滿足攜砂的前提下，盡可能選用較低的排量，以防范漏失，尤其是鉆遇預(yù)計的易漏層時。經(jīng)軟件模擬和實踐檢驗，8-1/4"井眼1 400 L/min的排量較合適，5-5/8”井眼700～750 L/min的排量較合適。待井壁形成了良好的泥餅封堵、承壓能力增強后，循環(huán)（尤其是通井循環(huán)）可適當提高排量，以提高井眼清潔效果。

2.3.1.2 轉(zhuǎn)速

優(yōu)選合適的轉(zhuǎn)速范圍，既可保證較高的機械鉆速，又可防范因高轉(zhuǎn)速對井壁的破壞導(dǎo)致漏失和掉塊，使用馬達時鉆具轉(zhuǎn)速要比使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具時明顯低，因此首選馬達。劃眼和循環(huán)時適當降低轉(zhuǎn)速。

2.3.1.3 機械鉆速的控制

控制適當?shù)臋C械鉆速，既可防止產(chǎn)生太大塊的巖屑不易返出，也可防止因環(huán)空巖屑過多而導(dǎo)致井下當量密度偏大，實鉆中8-1/4"井段控制ROP（機械鉆速）小于15 m/h，根據(jù)巖屑返出遲到時間控制井筒內(nèi)巖屑量小于15 m；5-5/8”井段控制ROP＜10 m/h，控制井筒內(nèi)巖屑量小于10 m，必要時降低ROP或增加接立柱前劃眼循環(huán)時間，以減少井筒內(nèi)巖屑量。對大斜度井段（35°以上）及水平段，沉砂及巖屑床也會增加環(huán)空巖屑的濃度，可定期倒劃眼清除沉砂及巖屑床。

2.3.2 鉆井措施方面

2.3.2.1 合理選用且靈活調(diào)整鉆井液密度

8-1/4 ”井段以較低的鉆井液密度開鉆，以防壓漏Asmari易漏層，隨著井深的增加，上部井壁上逐漸形成封堵性良好的泥餅，承壓能力增強，因此逐漸提高密度，以克服下部Sadi、Tanuma地層的坍塌壓力[18]。

長起前，提高鉆井液的密度，一般高于鉆進時鉆井液密度0.02 g/cm3左右，以維持井下當量密度，以防壓力釋放導(dǎo)致坍塌，下鉆到底后開離心機調(diào)整至原密度。

2.3.2.2 實時監(jiān)控井眼清潔程度

井眼清潔好壞對本區(qū)域水平井作業(yè)至關(guān)重要，根據(jù)軟件模擬可初步反映井眼清潔程度，但實鉆中仍需采取定期短起下、循環(huán)、掃稠塞等方法改善井眼清潔狀況，并通過觀察振動篩返出情況（巖屑的大小、形狀和總量等）、鉆井參數(shù)變化（扭矩、泵壓）等方法密切監(jiān)控井眼清潔程度，尤其是水平段作業(yè)，因巖屑總量少，可在振動篩用桶計量巖屑體積，可直觀衡量返砂量的變化情況，必要時采取相應(yīng)措施，如倒劃眼短起、提高鉆井液攜砂性能、掃稠塞等措施改善井眼清潔狀況。

2.3.2.3 優(yōu)化定向井作業(yè)期間發(fā)指令操作

定向井作業(yè)期間，隨鉆測斜、使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具調(diào)整井斜方位等都需要在鉆臺對泵進行操作以發(fā)送指令，為保證指令能發(fā)送成功，開泵速度往往需要較快，這將造成較大的激動壓力，增加井漏風(fēng)險。為此，現(xiàn)場反復(fù)測試、摸索出一套安全有效的發(fā)指令操作：先以低于儀器工作閾值的小排量打通，在滿足儀器接收信號要求的前提下以盡可能慢的開泵速度提高排量至預(yù)定排量（不超過鉆進期間排量）。

圖7 半剛性螺旋套管扶正器照片

2.3.2.4 優(yōu)選套管扶正器

要優(yōu)選6-5/8"套管扶正器的類型、尺寸，精心設(shè)計數(shù)量和加放的位置（如避開擴徑明顯的井段），這對套管能否順利下入很重要。實踐表明，選用適合8-1/4"井眼的半剛性螺旋扶正器最有效，該類型扶正器可形成對套管的良好支撐，減小摩阻，且具備一定的彈性，其由整體式?jīng)_壓制成，螺旋形狀，外側(cè)有錐形坡面，下入時可保護井壁，可有效防范因井下掉塊、井壁不規(guī)則等導(dǎo)致的下入時遇阻。與半剛性螺旋扶正器相比，有直臺階、分體式的剛性或彈性扶正器（單弓、雙弓等）則更易在井壁有臺階處遇阻，且更易破壞井壁產(chǎn)生掉塊，巖屑、掉塊等更易聚集在扶正器處導(dǎo)致遇卡、井漏等。

2.3.2.5 保護易塌地層井壁

采用旋轉(zhuǎn)鉆進方式盡快鉆穿Sadi、Tanuma等極易坍塌井段[19]，避免長時間沖刷；倒劃眼起鉆時鉆頭和尺寸大的鉆具（扶正器、馬達、隨鉆工具等）經(jīng)過這些井段時降低轉(zhuǎn)速或者不開轉(zhuǎn)速，降低排量，且盡量減少反復(fù)通過的次數(shù)，以減緩對井壁的破壞。

3 應(yīng)用效果

水平井防漏、防卡技術(shù)措施的現(xiàn)場應(yīng)用，克服了米桑油田鹽下裂縫性地層由于地層壓力窗口窄、部分井段甚至無壓力窗口、裂縫性地層巖性復(fù)雜、非標小井眼窄間隙環(huán)空作業(yè)等技術(shù)難題，降低了井下復(fù)雜情況和事故的發(fā)生，提高了鉆井效率，節(jié)約了作業(yè)時間，首次在米桑油田鉆成高難度鹽下非標井眼水平井（水平段約600 m），沒有使用壓控鉆井專用設(shè)備但實現(xiàn)了井下ECD的安全控制，克服了伊拉克物資、設(shè)備匱乏問題，且單井節(jié)約成本近80萬美元。

AQUA-MAX鉆井液體系”有效提高了地層承壓能力，拓寬了安全鉆井泥漿密度窗口，極大延伸了水平段安全作業(yè)長度極限。根據(jù)地層坍塌壓力選取鉆井液密度后，通過模擬計算可得出一定排量下的井底ECD，其隨水平段延伸逐漸增大，結(jié)合地層漏失壓力，可計算出延伸極限，在維持鉆井液性能不變及排量800 L/min的前提下，使Mishrif層位水平段安全作業(yè)長度極限由原來的15 m延伸至1 184 m（圖 8）。

2014 2015年首批次5口水平井鉆井單井生產(chǎn)時效在90%以上，井眼軌跡及固井質(zhì)量完全滿足標準要求，軌跡中靶率、井身質(zhì)量合格率、儲層鉆遇率均100%，油層套管固井合格率100%，不僅滿足了油田高效開發(fā)需求，而且解決了地面工程建設(shè)難題，首開米桑油田水平井鉆井先河；2018 2019年的第3批次12口水平井平均生產(chǎn)時效96%，平均鉆井周期93 d，較同期在此作業(yè)的當?shù)劂@井承包商UCD公司的相同層位的水平井鉆井周期短21.9 d，較2012年威德福相同層位的直井鉆井周期短6.8 d，且鉆井生產(chǎn)時效顯著提高（表3）。

圖8 水平井井底ECD及延伸極限預(yù)測圖

表3 不同公司鉆井周期及生產(chǎn)時效對比表

4 結(jié)論

1）地應(yīng)力規(guī)律分析是預(yù)防井下復(fù)雜情況發(fā)生的基礎(chǔ)[20]。在滿足油田開發(fā)要求的前提下，利用井壁穩(wěn)定分析技術(shù)，選擇合理的定向鉆進方位是工程順利施工的關(guān)鍵。根據(jù)研究，米桑油田在最小地應(yīng)力方位坍塌壓力最低，定向鉆進方位選擇最小水平主應(yīng)力方位最利于井壁穩(wěn)定。

2）全過程井底ECD控制技術(shù)是在鉆進、循環(huán)、起下鉆、下套管、固井、測井等整個鉆井施工過程中，通過合理的鉆井技術(shù)措施，優(yōu)選鉆進排量、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)，優(yōu)選鉆井工具，合理控制鉆井液比重，準確地控制井底ECD在安全當量密度窗口范圍之內(nèi)，有效的防范井漏和卡鉆的風(fēng)險。

3）“AQUA-MAX鉆井液體系”具有高效封堵能力，使用后有效地提高了地層承壓能力，拓寬了安全鉆井的密度窗口，抑制了鹽下裂縫性地層井段的井漏和井塌。

4）后續(xù)同類型水平井軌跡設(shè)計時，定向井眼軌跡在滿足中靶、滿足軌跡控制要求前提下盡量下移造斜點，減少斜井段長度，盡量在直井段鉆開極易坍塌的泥頁巖地層。避開在坍塌風(fēng)險高的泥頁巖井段滑動增斜鉆進，采用旋轉(zhuǎn)鉆進鉆穿后再滑動增斜鉆進。