張俊成 蔣貴智 國林帥 王富偉 王露 王家強(qiáng) 李江
1. 長江大學(xué)石油工程學(xué)院;2. 新疆貝肯能源工程股份有限公司;3. 中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司
我國準(zhǔn)噶爾盆地存在油氣資源巨大的火成巖油藏,是新疆近30年來的重點(diǎn)勘探開發(fā)區(qū)域。P區(qū)塊構(gòu)造上位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起,自下而上鉆遇石炭系、侏羅系、白堊系,新近系、第四系,中上部新近系為沙灣組、塔西河組、獨(dú)山子組,第四系為西域組。其中P區(qū)塊石炭系為主要含油層系,其石炭系火成巖油藏屬于常溫常壓斷層-裂縫性油藏,油藏埋深820~1 200 m。該區(qū)塊火成巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性嚴(yán)重,巖石致密,巖性復(fù)雜,易發(fā)生井斜、井漏,嚴(yán)重制約著該區(qū)塊的油氣鉆采開發(fā)[1-5]。筆者針對(duì)石炭系火成巖油藏特點(diǎn),參考國內(nèi)相同、類似鉆井地質(zhì)特點(diǎn)的區(qū)塊,探索形成了適用于該區(qū)塊火成巖油藏的系列鉆井提速提效技術(shù)。
P區(qū)塊石炭系火成巖油藏,初始認(rèn)為是塊狀油藏,后期深入分析,地質(zhì)認(rèn)識(shí)上向斷層-裂縫控制性油藏轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上水平井軌跡也轉(zhuǎn)變?yōu)楸M可能地穿越斷層、裂縫富集區(qū)。斷裂發(fā)育區(qū)油氣顯示活躍,安全密度窗口窄,存在井漏和溢流的雙重風(fēng)險(xiǎn)[6]。P-P16井(2018年)三開鉆進(jìn)至1 375 m石炭系時(shí)發(fā)生裂縫性漏失,鉆井液密度為1.07 g/cm3,漏失速度為24.0 m3/h,密度降為1.04 g/cm3,發(fā)生溢流,停泵井涌,開泵井漏,被迫提前完鉆,漏失鉆井液130 m3,溢出原油110 m3。
該區(qū)塊侏羅系地層巖性為灰黑色角礫巖、灰色砂礫巖,上、下分別與白堊系、石炭系呈角度不整合接觸,石炭系地層頂部發(fā)育一層風(fēng)化殼,地層承壓能力弱,鉆井和固井過程中呈現(xiàn)不同程度的漏失現(xiàn)象。P-P38井在井深881 m時(shí)發(fā)生失返性漏失,損失周期42 h。據(jù)統(tǒng)計(jì),該區(qū)塊固井過程中發(fā)生漏失的井占比高達(dá)70%,井口水泥返高嚴(yán)重不足,固井質(zhì)量大多不合格,給油井壽命造成較大隱患。
石炭系火成巖巖石硬度高,可鉆性差,研磨性強(qiáng)[7-8],地層巖石硬度在1 103~1 827 MPa之間,可鉆性級(jí)值為5~7級(jí),牙輪鉆頭使用壽命短,單只鉆頭進(jìn)尺少。2016年前,以直井開發(fā)為主,在?215.9 mm井眼鉆進(jìn)中,牙輪鉆頭平均鉆速僅為2.88 m/h,如表1所示。若采用水平井開發(fā),機(jī)械鉆速低會(huì)導(dǎo)致鉆井周期長、投資大,無法實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)。
表1 P區(qū)塊石炭系牙輪鉆頭使用統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical use of cone bit in the Carboniferous of P Block
石炭系火成巖巖性復(fù)雜、非均質(zhì)性較強(qiáng),水平段鉆具穩(wěn)斜效果不佳,復(fù)合鉆進(jìn)增斜趨勢(shì)明顯,增斜率為4~10(°)/100 m,導(dǎo)致頻繁調(diào)整井眼軌跡?;旧厦裤@進(jìn)30~45 m,需進(jìn)行定向降井斜4~5°;水平段鉆進(jìn)期間,平均滑動(dòng)進(jìn)尺47 m,滑動(dòng)鉆進(jìn)比例達(dá)10.51%,如表2、表3所示。
表2 水平段造斜率Table 2 Buildup rate of horizontal section
表3 水平井水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical sliding drilling in horizontal section of horizontal well
該區(qū)塊上部地層以砂泥巖為主,泥質(zhì)含量高,易對(duì)鉆井液造成污染;鉆遇砂、礫巖層時(shí),易糊篩網(wǎng)造成跑漿。處理不及時(shí)存在擴(kuò)徑風(fēng)險(xiǎn)。而石炭系儲(chǔ)層經(jīng)歷了海西期、印支期、燕山期和喜山期運(yùn)動(dòng),發(fā)育多條南北向、北東向、北西向和近東西向的斷裂,形成了大量的構(gòu)造裂縫,儲(chǔ)層非均質(zhì)性非常嚴(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)石炭系儲(chǔ)層敏感性不強(qiáng),主要污染途徑為固相侵害,鉆井液中的固相顆粒進(jìn)入微裂縫中,造成滲透率急劇下降[9-12]。如早期施工的P-P1井,鉆井過程發(fā)生井涌,使用20 t重晶石加重鉆井液壓井,油層遭受污染,試采效果差。
針對(duì)上部地層造漿嚴(yán)重,下部石炭系地層安全密度窗口窄、油層保護(hù)難度大的問題,該區(qū)塊優(yōu)化為三開井身結(jié)構(gòu)。表層套管下深80~100 m,封固上部松散地層,為井口控制和后續(xù)鉆井創(chuàng)造條件;二開技術(shù)套管下至石炭系頂部10~15 m;三開石炭系采用低固相復(fù)合鹽鉆井液鉆進(jìn)。2017年前施工的P-P1~P-P8井,各井鉆遇深度不同,但均采用三開井身結(jié)構(gòu):?444.7 mm井眼(?339.7 mm套管) + ?311.2 mm井眼(?244.5 mm套管) + ?215.9 mm井眼(?139.7 mm套管),鉆井周期長、投資大,鉆井平均周期19.5 d。經(jīng)過優(yōu)化論證,縮小各開次井眼和套管尺寸,形成了新三開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案:?346.1 mm井眼( ?273.1 mm套管×81 m)+ ?241.3 mm井眼(?177.8 mm套管×969 m)+?152.4 mm井眼(?114.3 mm尾管×1 643 m),其中尾管段含打孔篩管200 m。此結(jié)構(gòu)更有利于提速,平均鉆井周期13.3 d。
基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,通過建立鉆頭類型與鉆井參數(shù)優(yōu)選數(shù)學(xué)模型,開發(fā)了一套鉆頭類型與鉆井參數(shù)智能優(yōu)化分析系統(tǒng)。在不同機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺權(quán)重下,推薦出火成巖高效鉆頭優(yōu)選方案:一開鉆進(jìn)新生界第四系西域組或新近系獨(dú)山子組時(shí),直井推薦采用P2型牙輪鉆頭,水平井推薦采用MP2型牙輪鉆頭;二開由新近系塔河西組開始,依次鉆遇新近系沙灣組、中生界白堊系、中生界侏羅系,鉆進(jìn)直井時(shí)推薦HAT127牙輪鉆頭,鉆進(jìn)水平井時(shí)推薦采用HAT127牙輪鉆頭和HJT517G牙輪鉆頭;三開鉆進(jìn)上古生界石炭系地層,直井和水平井都推薦采用高效PDC鉆頭?,F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,一開、二開牙輪鉆頭可滿足要求,平均機(jī)械鉆速30 m/h左右。
針對(duì)火成巖地層,收集13口井22塊石炭系火成巖巖心,開展室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)205組次,獲取了火成巖可鉆性、硬度、抗壓強(qiáng)度等巖石特性參數(shù)(表4),為石炭系高效PDC鉆頭優(yōu)選提供了依據(jù)。水平井采用PK6145MH鉆頭,該鉆頭具有直徑為13.4 mm的耐沖復(fù)合片,六刀翼雙排切削結(jié)構(gòu),中高密度布齒,中排屑槽水力結(jié)構(gòu)倒劃眼切削結(jié)構(gòu),定向造斜工具面穩(wěn)定、造斜率高、機(jī)械鉆速高。直井采用PK5234SJ鉆頭,該鉆頭具有直徑為16 mm的耐沖復(fù)合片、五刀翼雙排切削結(jié)構(gòu),中高密度布齒,中排屑槽水力結(jié)構(gòu)倒劃眼切削結(jié)構(gòu)。三開采用PDC鉆頭+螺桿鉆進(jìn),機(jī)械鉆速達(dá)到12~16 m/h。
表4 P區(qū)塊火成巖巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Mechanical experimental data of igneous rock core in P Block
水平井技術(shù)是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)噶爾盆地致密油開發(fā)的重要途徑[13-14]??紤]到石炭系儲(chǔ)層主要以鉆遇斷層-裂縫為主,斷層和裂縫的精細(xì)刻畫在室內(nèi)已經(jīng)完成,不需要在砂泥巖儲(chǔ)層水平段鉆進(jìn)時(shí)頻繁調(diào)整軌跡,設(shè)計(jì)軌跡即為最優(yōu)軌跡。井底鉆具組合(BHA)在井下鉆進(jìn)時(shí)的受力示意圖如圖1所示。其中地層造斜力是被動(dòng)力,即Ff,鉆頭側(cè)向力與鉆壓沿垂直井眼軸線方向分量的合力是主動(dòng)力,即F1+p1。當(dāng)鉆頭上的主動(dòng)力合力為降斜力時(shí)(降斜力用負(fù)值表示),就具備了降斜的可能性。但實(shí)際情況如何,還應(yīng)看其是否大于地層造斜力(被動(dòng)力)。當(dāng)具有降斜特征的主動(dòng)力大于地層造斜力時(shí),就能起到降斜作用,否則井斜角將繼續(xù)增加。
考慮鉆頭在地層中的造斜過程實(shí)為鉆頭與地層相互作用并逐漸趨于平衡的過程理論,如圖2所示,圖中x為實(shí)際鉆進(jìn)方向;Er、Ef、Ea、Ed分別為鉆進(jìn)趨勢(shì)方向、鉆頭合力方向、鉆頭軸線方向及地層法線方向的單位矢量;αr為鉆進(jìn)趨勢(shì)方向與實(shí)際鉆進(jìn)方向之間的夾角,稱為鉆進(jìn)趨勢(shì)角。鉆進(jìn)過程中αr初始不為0,隨著鉆進(jìn),在井下力學(xué)作用下,會(huì)逐漸趨于0,鉆進(jìn)方向逐步與實(shí)際鉆進(jìn)方向重合,實(shí)際造斜率與設(shè)計(jì)造斜率最終相等,達(dá)到平衡。為保證軌跡更好地按照設(shè)計(jì)要求鉆進(jìn),綜合考慮鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)、鉆頭特性及石炭系裂縫油藏地層特點(diǎn)等因素影響?;贐HA井下鉆進(jìn)受力原理和平衡趨勢(shì)理論,建立了適用于目標(biāo)區(qū)塊的底部鉆具造斜率定量預(yù)測(cè)方法。針對(duì)目標(biāo)區(qū)塊地層特性及不同鉆具結(jié)構(gòu),進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)了底部鉆具組合、優(yōu)選了鉆進(jìn)參數(shù),成功指導(dǎo)水平段高效穩(wěn)斜鉆進(jìn)。
圖1 井下鉆具組合受力圖Fig. 1 Stress diagram of bottom hole assembly
圖2 平衡趨勢(shì)法Fig. 2 Equilibrium trend method
分析BHA關(guān)鍵參數(shù)對(duì)復(fù)合鉆進(jìn)造斜率影響規(guī)律,推薦螺桿本體扶正塊外徑為154~158 mm,本體扶正塊與鉆頭距離0.6~0.95 m,螺桿頂端與本體扶正塊距離6.0~7.2 m。當(dāng)控制鉆壓在40~80 kN之間變化時(shí),可以實(shí)現(xiàn)螺桿鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)的增斜、穩(wěn)斜和降斜的控制。通過實(shí)時(shí)調(diào)整鉆壓等鉆進(jìn)參數(shù),基本實(shí)現(xiàn)了水平段穩(wěn)斜快速鉆進(jìn)。如該區(qū)塊P673-P1井在水平段僅滑動(dòng)鉆進(jìn)31 m,與前期實(shí)施的8口水平井平均滑動(dòng)進(jìn)尺(47 m)相比,減少了34.04%,水平段機(jī)械鉆速達(dá)12.11 m/h,相比該區(qū)塊P-P1~P-P8井,在石炭系提速40.16%,后期施工井的機(jī)械鉆速逐步提高。
以俠義、狂肆、極辣之語論說少陵,雖然似乎與常規(guī)性地采取中庸寬厚等話語描述君子大相徑庭,但是細(xì)究起來,卻絲毫不顯突兀。 俠、狂、辣的特質(zhì)歸根結(jié)底為一個(gè)“勇”字。 《論語·陽貨》曰:“子路曰:‘君子尚勇乎?’子曰:‘君子義以為上,君子有勇而無義為亂,小人有勇而無義為盜。 ’”勇者之為君子,須有義作為支撐,“君子以義為質(zhì)”(《論語·衛(wèi)靈公》),從而外化出俠、狂、辣的特質(zhì),君子為義而勇則俠,因勇而生狂,性勇則辣,所以賦予杜甫以更為完備的君子人格,符合儒家文化的要求。
P區(qū)塊上部地層巖性以砂泥巖為主,膠結(jié)疏松,必須控制好鉆井液流變性和水力參數(shù),防止井徑擴(kuò)大,保證井眼質(zhì)量,同時(shí)考慮鉆井液的潤滑性,防止鉆具阻卡,因此選用聚合物潤滑防塌鉆井液體系,配合低黏、低切、低固相、高失水、高聚合物含量的維護(hù)工藝,保證井下安全。
通過巖心浸泡實(shí)驗(yàn)、膨脹實(shí)驗(yàn)及回收率實(shí)驗(yàn)(圖3),發(fā)現(xiàn)胺基聚醇抑制性能最強(qiáng),浸泡48 h后巖心崩散最弱,膨脹率較低,一次回收率最高,因此選用胺基聚醇作為上部地層主要抑制劑。圖3中從左到右:1號(hào)為清水,2號(hào)為3%氯化鉀,3號(hào)為2%聚合醇,4號(hào)為1%胺基聚醇。
圖3 不同處理劑耐崩散性能對(duì)比Fig. 3 Comparison of slake durability between different treatment agents
在鉆井液中重晶石、青石粉等加重劑的混入對(duì)儲(chǔ)層傷害較大。對(duì)于低固相復(fù)合鹽鉆井液體系[15],使用工業(yè)鹽作為加重劑、CaCl2鹽水作為輔助礦化度調(diào)節(jié)劑,對(duì)儲(chǔ)層無傷害。體系組成:(2~3)%膨潤土+(0.2~0.3)%Na2CO3+(0.2~0.3)%PAM+(0.5~1)%HV-PAC+(3~4)%NaCl+(1.5~2)%CaCl2+(2~3)%油基潤滑劑-2+(1~1.5)%磺酸鹽共聚物。對(duì)比了不同介質(zhì)驅(qū)替壓力與滲透率恢復(fù)值趨勢(shì)(圖4),可以看出低固相鉆井液啟動(dòng)壓力低、滲透率恢復(fù)值高,能夠有效地減輕固相侵入對(duì)儲(chǔ)層的傷害。
已完鉆的30口水平井中,該區(qū)塊P-P1~P-P8共8口井使用青石粉作為加重劑的低固相聚合物鉆井液體系,其中P-P3井初期日產(chǎn)油13.5 t/d,P-P2井日產(chǎn)油8.6 t/d,剩余6口井不足5 t/d,后期完鉆的24口井使用低固相復(fù)合鹽鉆井液體系(表5),采油效果明顯好轉(zhuǎn),除5口井鉆遇裂縫不發(fā)育區(qū)域,日產(chǎn)不足5 t/d,其余井平均日產(chǎn)油14.7 t/d。
P區(qū)塊侏羅系上、下存在兩個(gè)不整合面,其中白堊系、侏羅系界面是最主要漏失層位,?177.8 mm技術(shù)套管封至石炭系頂10~15 m,此時(shí)井斜大,超過53°,套管貼邊,頂替效率低,固井漏失井占比較大。為解決固井漏失問題,前期嘗試采用分級(jí)固井工藝,并沒有取得效果,固井二界面固井質(zhì)量多數(shù)較差。為此,對(duì)施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化:(1)完井后雙扶正器結(jié)構(gòu)通井,清除虛濾餅;(2)下套管到底,小排量開泵循環(huán),確認(rèn)井底稠漿返出,無漏失后再提高排量;(3)使用驅(qū)油+沖洗型的雙效前置液,并根據(jù)井身情況適時(shí)加大使用量,延長接觸時(shí)間,提高沖洗效果;(4)優(yōu)化水泥漿柱設(shè)計(jì),使用雙凝水泥漿體系,領(lǐng)漿采用堵漏漂珠水泥漿體系,尾漿使用晶格膨脹早強(qiáng)水泥漿體系,既實(shí)現(xiàn)了有效壓穩(wěn),又能保證尾漿固井不漏,保證尾漿井段固井質(zhì)量;(5)采用大排量替漿及稠漿慢替相結(jié)合的方法,合理控制替漿排量,保證頂替效果;若出現(xiàn)漏失井,井口及時(shí)回?cái)D水泥,保證井口固井質(zhì)量。通過優(yōu)化,固井質(zhì)量得到明顯改善。
圖4 在不同鉆井液情況下滲透率恢復(fù)值隨驅(qū)替壓力梯度的變化Fig. 4 Variation of permeability recovery with displacement pressure gradient under the conditions with different
表5 低固相復(fù)合鹽鉆井液體系性能參數(shù)Table 5 Property parameters of low-solid compound salt drilling fluid
對(duì)該區(qū)塊完井方式進(jìn)行優(yōu)選,適合該油藏的完井方式有裸眼完井、篩管完井和固井射孔完井[16],通過建立三維兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型,考慮不同完井方式條件下的采液指數(shù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)油藏壓力為11.7 MPa、井底壓力為9.07 MPa時(shí),裸眼完井、篩管完井和固井射孔完井的采液指數(shù)分別6.17 m3/(d · MPa)、2.2 m3/(d · MPa)、1.0 m3/(d · MPa)。同時(shí),對(duì)石炭系井壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算,當(dāng)井筒內(nèi)液柱壓力不大于3.41 MPa時(shí),水平段A靶點(diǎn)處存在坍塌失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),考慮生產(chǎn)過程中A靶點(diǎn)附近存在的井壁不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn),水平井選用打孔篩管完井方式,但裸眼完井的采液指數(shù)約為打孔篩管完井采液指數(shù)的3倍。綜合考慮,為最大限度地提高采液量,同時(shí)降低A靶點(diǎn)坍塌風(fēng)險(xiǎn),水平段采用打孔篩管下至A靶點(diǎn)以下200 m,后面采用300 m裸眼完井的管串結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)可滿足采液和井壁穩(wěn)定兩方面要求,并大幅度減少完井管材等完井投資。
傳統(tǒng)鉆井觀念認(rèn)為,井漏、溢流均為復(fù)雜情況,遇漏要堵,遇溢要壓,否則無法實(shí)現(xiàn)安全鉆井,但石炭系裂縫性油藏開發(fā)顛覆了這一觀點(diǎn),石炭系油藏非均質(zhì)性嚴(yán)重,斷層-裂縫是成藏的最佳存儲(chǔ)空間,鉆井軌跡找尋的就是斷層-裂縫區(qū),遇漏說明斷層發(fā)育,遇溢說明油氣活躍。吸取該區(qū)塊已鉆井堵漏、壓井的失敗經(jīng)驗(yàn),分析認(rèn)為該區(qū)塊為常壓地層,井控風(fēng)險(xiǎn)低,提出“漏而不堵,溢而不壓”的鉆井新理念。當(dāng)鉆井發(fā)生井漏時(shí),只要能建立起循環(huán)攜砂,就配漿繼續(xù)鉆進(jìn),當(dāng)發(fā)生溢流時(shí),循環(huán)排氣,提高鉆井液密度堅(jiān)持鉆進(jìn),禁止混入青石粉或重晶石粉,當(dāng)鉆井液失返、溢流油氣量大或者鉆井液密度大于1.1 g/cm3時(shí),綜合考慮油層保護(hù)、井下安全,提前完鉆,快速投產(chǎn)。如該區(qū)塊P-P22井三開在平均漏速15 m3/h的困難情況下邊漏邊鉆245 m水平段,此類井(數(shù)據(jù)見表6)投產(chǎn)均為高產(chǎn)。
表6 “漏、溢”處理效果Table 6 Leakage and overflow treatment effect
2017年,在該區(qū)塊前期鉆探評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用斷層-裂縫成藏理論、鉆井提速提效技術(shù),部署了P區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)方案,設(shè)計(jì)水平井22口、2019年和2020年又分別在該區(qū)塊東側(cè)、西南側(cè)部署水平井8口,取得了石炭系火成巖油藏開發(fā)的重大突破。原設(shè)計(jì)鉆井周期19.5 d;三開實(shí)鉆平均機(jī)械鉆速達(dá)到12~16 m/h,見表7,平均鉆井周期13.3 d,平均單井鉆井投資由597萬元降至435萬元,提速效果顯著,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
表7 P-P39井鉆井施工參數(shù)和施工效果Table 7 Drilling construction parameters and effect of Well P-P39
(1) P區(qū)塊火成巖油藏開發(fā)的最適宜井型為三開水平井,采用?346.1 mm井眼(?273.1 mm套管)+?241.3 mm井眼(?177.8 mm套管)+ ?152.4 mm井眼(?114.3 mm套管)的井身結(jié)構(gòu),最優(yōu)完井生產(chǎn)管柱管串結(jié)構(gòu)為水平段采用打孔篩管+裸眼完井的方式。
(2)通過高效PDC鉆頭優(yōu)選和穩(wěn)斜鉆具優(yōu)化設(shè)計(jì),石炭系火成巖地層鉆頭進(jìn)尺、機(jī)械鉆速和軌跡控制效率均得到了明顯提高。
(3)低固相復(fù)合鹽鉆井液啟動(dòng)壓力低、滲透率恢復(fù)值高,能夠避免固相及濾液造成的儲(chǔ)層傷害,具有良好的火成巖儲(chǔ)層保護(hù)效果。
(4)“漏而不堵,溢而不壓”的鉆井新理念可滿足該區(qū)塊石炭系的開發(fā)需求,提高了單井產(chǎn)油量。