蘇里格氣田奧陶系高壓高含硫儲層安全鉆井技術(shù)

趙文莊，趙 恒，劉克強(qiáng)，

（1.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018）

長慶油田盆地中東部奧陶系馬家溝組鹽下儲層為長慶油田2021年勘探突破區(qū)域，區(qū)域內(nèi)已完鉆探井10口、完試7口，其中M1井馬四段喜獲3.52×105m3/d高產(chǎn)氣流，被列為長慶油田2021年“五大新區(qū)”之一。馬家溝組馬四段碳酸鹽巖沉積厚度大（150～300m），在盆地范圍內(nèi)均有分布，屬于鹽巖封蓋，高產(chǎn)構(gòu)造—巖性復(fù)合高壓氣藏。富集區(qū)含氣面積3.6×103km2，初步估算地質(zhì)儲量4900×108m3，計(jì)劃提交預(yù)測地質(zhì)儲量2000×108m3。在已完井中，含硫井占比70%，硫化氫含量超過3×104ppm達(dá)到50%，屬于典型的高含硫區(qū)域。同時(shí)，儲層高壓（地層壓力系數(shù)1.61）、裂縫性漏失共存，井控風(fēng)險(xiǎn)高；馬四段以上蓋層有厚膏鹽巖，鹽膏層鉆進(jìn)對鉆井液要求高，酸性腐蝕氣體主要是二氧化碳和硫化氫，其分壓值分別是0.219MPa、1.512MPa，屬于中等—嚴(yán)重腐蝕環(huán)境。

1 奧陶系鹽下儲層開發(fā)地質(zhì)及工程難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)難點(diǎn)

（1）區(qū)域內(nèi)鉆遇雙石層裂縫性漏失、山西組和太原組煤層發(fā)育。

（2）中東部鹽下馬五鹽巖、膏巖區(qū)域封蓋，馬四層以灰色、淺灰色白云巖，夾硬石膏巖薄層。

（3）區(qū)域內(nèi)壓力分布不均，壓力預(yù)測誤差大，非均勻分布地層壓力高（壓力系數(shù)1.4～1.6）、高含硫，溢漏矛盾突出。

（4）酸性腐蝕氣體主要是二氧化碳和硫化氫，其分壓值分別為0.22MPa 和1.512MPa，屬于中等—嚴(yán)重腐蝕環(huán)境。

1.2 工程難點(diǎn)

（1）二開井身結(jié)構(gòu)簡單，鉆井復(fù)雜頻發(fā)，鉆井時(shí)效低，不能滿足奧陶系儲層安全高效開發(fā)需求。

（2）常規(guī)鉆井設(shè)備、工具及套管與硫化氫接觸后，易發(fā)生腐蝕、氫脆，導(dǎo)致強(qiáng)度降低、脆性敏感，其可靠性及生命周期將無法滿足正常生產(chǎn)需求，嚴(yán)重威脅施工安全。

（3）高壓高含硫氣藏鉆井過程中,膏鹽層井徑控制難，同時(shí)硫化氫侵入井筒，極易造成鉆井液污染，鉆井液粘度、切力等性能改變，導(dǎo)致流變性變差，影響鉆井作業(yè)及井控安全。

（4）儲層異常高壓并伴有裂縫發(fā)育，溢漏頻發(fā)，安全窗口密度窄，造成鉆井失效低，大大提高了高含硫儲層的鉆井井控風(fēng)險(xiǎn)。

（5）固井水泥環(huán)長期處在硫化氫腐蝕環(huán)境中，將會造成水泥石的抗壓強(qiáng)度下降、滲透率增大，嚴(yán)重影響井筒密封性能和完整性，縮短氣井生產(chǎn)壽命。

2 奧陶系鹽下儲層鉆完井技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鉆具組合設(shè)計(jì)

2.1.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

因?yàn)樵搮^(qū)塊屬于長慶油田的新開發(fā)區(qū)塊，均采用直井開發(fā)。在進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也經(jīng)歷了多次嘗試與總結(jié)，分別采用了三種井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[2]，如表1所示。

表1 三種常用井身結(jié)構(gòu)

以上三種井身結(jié)構(gòu)各有利弊，在綜合考慮鉆井周期、鉆井時(shí)效以及后期完井改造等方面因素。大三開井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能夠較好的保證固井質(zhì)量、滿足后期大規(guī)模體積壓裂改造，但缺點(diǎn)是鉆井周期長、鉆井復(fù)雜處理時(shí)間長、鉆井時(shí)效低和鉆井成本高；小三開井身結(jié)構(gòu)在鉆井周期和鉆井時(shí)效上得到了較大的提高，但是固井質(zhì)量較大三開結(jié)構(gòu)較差，并且后期的壓裂改造參數(shù)受到限制；二開結(jié)構(gòu)較大三開結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是提高鉆井時(shí)效和降低鉆井成本，但缺點(diǎn)是將多個(gè)壓力體系處在了同一裸眼段，增加了鉆井復(fù)雜的發(fā)生，同時(shí)也增加了復(fù)雜處理難度，如表2所示。

表2 不同井身結(jié)構(gòu)下鉆井時(shí)效統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過10 余口井的現(xiàn)場試驗(yàn)和技術(shù)總結(jié)，總結(jié)出了該區(qū)域鉆井的兩個(gè)必封點(diǎn)：①上部黃土層；②馬家溝組頂部。最終優(yōu)化形成了備用一層9-5/8″套管的大三開井身結(jié)構(gòu)。該井身結(jié)構(gòu)充分考慮了井控安全和復(fù)雜處理能力，同時(shí)，為后期完井固井質(zhì)量得到了保證，也為后期大參數(shù)壓裂改造提供了條件，但是在鉆井時(shí)效略有損失。小三開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可較好的兼顧鉆井時(shí)效和后期的完井改造要求。在鉆井時(shí)效方面較大三開結(jié)構(gòu)節(jié)約鉆井周期48%，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)到95%以上。

2.1.2 套管及井口設(shè)備腐蝕特點(diǎn)

對均勻腐蝕速率、最大點(diǎn)蝕速率隨溫度升高而變化的趨勢進(jìn)行分析，如圖1 和圖2 所示。由圖可見，在H2S 濃度=50g/m3，CO2濃度=0.5%，總壓=40MPa，溶液(mg/L)：K++Na+=60742，Ca2+=68032，Mg2+=598，Cl-=211530，S=4726，HCO3-=1193，礦化度=10398.7，pH=6.0 的環(huán)境中，隨著溫度的升高，碳鋼和12Cr13的腐蝕速率逐漸升高，并且在90℃以下時(shí)均保持在較低的范圍，而當(dāng)溫度達(dá)到90℃以后，腐蝕速率開始出現(xiàn)較大幅度升高的趨勢。隨著溫度的升高，碳鋼和不銹鋼的點(diǎn)蝕速率無規(guī)律可循，這與基本認(rèn)知相似。對點(diǎn)蝕而言，其發(fā)展速率不光與溫度壓力有關(guān)，更與腐蝕產(chǎn)物的致密程度、溶液中的離子濃度、溶液中CO2濃度和材料本身的缺陷息息相關(guān)。90℃以上，12Cr13開始出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，腐蝕速率甚至超過碳鋼，這是由于Cl-可以進(jìn)入其含Cr的鈍化膜和腐蝕產(chǎn)物層到達(dá)金屬表面，造成腐蝕產(chǎn)物層下酸性升高，導(dǎo)致12Cr13 發(fā)生點(diǎn)蝕。但是，028 和718 在50℃～120℃范圍內(nèi)均保持非常優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕性能。

圖1 腐蝕速率隨溫度的變化趨勢

圖2 最大點(diǎn)蝕速率隨溫度的變化趨勢

對50℃、70℃、120℃時(shí)試樣表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS、XRD 分析，所有溫度中80S、95S和110S的表面腐蝕產(chǎn)物中均存在大量的S 元素，表明存在H2S 腐蝕。12Cr13、028和718三種耐蝕合金表面的S含量較小，能譜分析結(jié)果主要以材料的本體元素為主，同樣可以表明這三種耐蝕合金腐蝕較輕微。從試樣表面腐蝕產(chǎn)物的XRD 分析結(jié)果可看出，腐蝕產(chǎn)物中僅有FeS，無FeCO3生成，表明在這些環(huán)境中(H2S濃度＞CO2濃度)，試樣的腐蝕類型均以H2S 腐蝕為主。在H2S 腐蝕為主的環(huán)境中，SSC 和SCC 風(fēng)險(xiǎn)為第一考慮對象，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為第二考慮對象[3-5]。

2.1.3 鉆具組合優(yōu)選

鉆具組合設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮鉆遇地層的特點(diǎn)，對鉆具組合進(jìn)行有針對性設(shè)計(jì)。中淺層地層壓力系數(shù)較低（小于1），可鉆性強(qiáng)，鉆具組合設(shè)計(jì)主要考慮提高機(jī)械鉆速，兼顧確保井身質(zhì)量，采用鐘擺鉆具組合，防斜打快。中深層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)該考慮延長組地層可能存在區(qū)域水層，泥巖易垮塌、易縮徑。鉆具組合設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮采用防泥包鉆頭。劉家溝組地層壓力低，可鉆性差，在該區(qū)域普遍存在漏失，且堵漏難度大。鉆具組合設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加隨鉆堵漏工具，避免因堵漏工作引起的多次起下鉆工作，提高鉆井時(shí)效[6-7]。石千峰組至石盒子組地層有大段的硬脆性泥頁巖及煤層，鉆進(jìn)時(shí)易垮塌、掉塊，要設(shè)計(jì)采用大功率、大排量和大扭矩井下動力鉆具。奧陶系以下馬家溝組為白云巖及灰?guī)r，長城系為石英砂巖，地層研磨性增強(qiáng)，馬家溝組—長城系地層可鉆性6～7級，局部發(fā)育低幅度鼻狀隆起，地層有1°左右傾角，在設(shè)計(jì)鉆具組合時(shí)應(yīng)綜合考慮采用強(qiáng)耐磨PDC鉆頭+高轉(zhuǎn)速大功率螺桿+大尺寸穩(wěn)定器形成鐘擺式防斜打直鉆具組合。同時(shí)綜合考慮該區(qū)域硫化氫呈非均分布，在鉆具組合設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)為SS級別抗硫鉆具，最終形成了奧陶系雙高儲層鉆組組合設(shè)計(jì)：PDC鉆頭+LZ+止回閥×2+鉆鋌+穩(wěn)定器+鉆鋌+震擊器+鉆桿（SS105）。

2.2 高效抗鹽抗硫化氫水基鉆井液

鉆井液的重要性對鉆井工程至關(guān)重要，該區(qū)域鉆井液工藝技術(shù)重點(diǎn)做好以下四個(gè)各階段：①雙石層井漏預(yù)防和井漏治理工藝；②山西組和太原組煤層坍塌預(yù)防；③膏鹽層井身質(zhì)量控制；④馬家溝組抗硫化氫污染。

（1）雙石層鉆井液技術(shù)。通過地質(zhì)認(rèn)識，以提速提效、降控投資為目的，不斷優(yōu)化堵漏工藝，形成“預(yù)防為主、堵擠承壓”的技術(shù)思路。從井漏的機(jī)理分析研究認(rèn)為漏失主因?yàn)樯皫r、泥巖交界面膠結(jié)、壓實(shí)作用弱，存在天然裂縫。優(yōu)化密度與排量，采取“先低后高，隨鉆封堵”，優(yōu)化鉆井液密度，控制排量。在進(jìn)入易漏地層前適當(dāng)加入納米級堵漏材料，達(dá)到預(yù)防漏失的作用。一旦發(fā)生漏失，根據(jù)不同情況制定了堵漏模板：①漏速小于3m3/h 時(shí)，采用隨鉆堵漏；②漏速為3～5m3/h 時(shí)，采用隨鉆堵漏并適當(dāng)降低排量繼續(xù)鉆進(jìn)；③漏速為5～10m3/h 時(shí)，光鉆桿打橋塞擠封堵劑堵漏；④漏速為10～20m3/h，光鉆桿注入超分子凝膠堵漏漿堵漏；⑤漏速大于20m3/h 時(shí)，下光鉆桿注入低密度纖維堵漏漿進(jìn)行堵漏。

（2）山西組和太原組煤層坍塌預(yù)防。在該階段鉆進(jìn)過程中，主要采用鉆井液與鉆井參數(shù)相結(jié)合的綜合應(yīng)對措施。主要采用低密度、高動切低固相的鉆井液體系。同時(shí)，降低鉆井作業(yè)參數(shù)，采用小排量、低轉(zhuǎn)速的鉆井方式，定向井、水平井在該層位禁止滑動作業(yè)，禁止鉆具的快速上提和下放。

（3）膏鹽層井身質(zhì)量控制。通過綜合分析現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)和井徑統(tǒng)計(jì)，制定了鉆井液技術(shù)對策，確定出鉆井液體系為：高密度KCl-NaCl 飽和鹽水鉆井液體系。開展了4 套不同體系配方的綜合性能評價(jià)，如表3所示。

表3 鉆井液體系配方熱滾綜合性能測定

根據(jù)三種配方，分別對泥漿的抗鹽、抗高溫、流變性和酸堿性進(jìn)行了性能評價(jià)，最終確定出鉆井液配方：高密度KCl-NaCl 飽和鹽水鉆井液體系，鉆井液熱滾前后HTHP 控制在10.0～15.0mL，抗鈣離子污染能力最高達(dá)到10000mg/L，該體系成功克服了膏鹽層鉆進(jìn)井身質(zhì)量控制難的困擾[8]。

（4）高抗硫化氫污染鉆井液。在選取鉆井液處理試劑過程中，要選取整體抗高溫性質(zhì)較強(qiáng)的處理試劑，還要最大程度地規(guī)避氧化類處理試劑和還原類處理試劑。就已經(jīng)受到污染的鉆井液而言，務(wù)必要先增強(qiáng)鉆井液的酸堿值，再融入Zn2(OH)2CO3就能夠有效地解決其中的硫化氫含量，讓鉆井液整體性能得以復(fù)原。鉆井液硫化氫含量普遍融入程度較慢、濃度也較小，這就要求工作人員要能夠精準(zhǔn)掌握Zn2(OH)2CO3融入劑量，一旦使用劑量過少，很難完全處理鉆井液中的硫化氫含量，而使用劑量過多，又會增加鉆井液中的OH-含量，使鉆井液整體粘度切力急速增加?，F(xiàn)場通過抗硫添加劑材料優(yōu)選和鉆井液配伍性室內(nèi)試驗(yàn)，采用反滴定工藝確定鉆井液硫化氫含量。采用該工藝現(xiàn)場施工2口井，均較好地解決了現(xiàn)場施工難題。

2.3 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)

首次在該區(qū)域應(yīng)用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)。相比常規(guī)鉆井的鉆進(jìn)與停泵過程存在鉆頭、螺桿、隨鉆儀器、摩阻等因素引起的循環(huán)壓耗，不同工況下井底井壓差大，隨著井深增加愈發(fā)嚴(yán)重，特別在鹽下馬家溝儲層埋藏深度大、氣侵嚴(yán)重、密度窗口窄的特點(diǎn)，表現(xiàn)的尤為突出。而精細(xì)控壓鉆井能精準(zhǔn)地通過控制井口壓力，在不同工況下維持井底壓力恒定不變，鉆進(jìn)過程與停泵過程井底壓力當(dāng)量密度差可控制在0.01g/cm3內(nèi)，在鉆遇馬家溝裂縫漏失層時(shí)，可以通過減小井底壓力，采用弱欠平衡鉆進(jìn)，在控制井筒微漏的情況下有效抑制氣侵，邊鉆進(jìn)邊循環(huán)除氣，同時(shí)穩(wěn)固井壁，防止坍塌，減少井控溢流風(fēng)險(xiǎn)，確保安全快速鉆進(jìn)[9-10]。

馬家溝組裂縫較為發(fā)育，鉆井過程中容易發(fā)生泥漿漏失、氣侵，屬于噴漏同層，不同鉆井工況井底壓力波動，若遇井漏、氣侵等情況，交替進(jìn)行頻繁關(guān)井、泄壓、循環(huán)除氣、堵漏作業(yè)，井控風(fēng)險(xiǎn)高。采用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，通過精細(xì)調(diào)節(jié)井口控壓值、反循環(huán)控壓起鉆、下鉆后控壓循環(huán)排后效等手段，確保在鉆進(jìn)、循環(huán)、接立柱/單根及起下鉆等不同工況下，保持井底壓力恒定，以穩(wěn)定平衡地層壓力，及起下鉆情況下，避免施工中工況交替變化引起的壓力波動，從而實(shí)現(xiàn)井筒壓力快速平衡，降低井控風(fēng)險(xiǎn)

2.4 抗腐蝕固井水泥漿體系

奧陶系馬家溝組屬于中等—嚴(yán)重腐蝕環(huán)境，良好的水泥石強(qiáng)度與膠結(jié)質(zhì)量是后期壓裂改造的基礎(chǔ)。經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)與對比分析，經(jīng)過硫化氫腐蝕之后的水泥石抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯衰退，滲透率出現(xiàn)明顯增大趨勢。腐蝕60d 后，水泥石的抗壓強(qiáng)度衰退率高達(dá)54.97%，滲透率增長至0.0082mD。表明經(jīng)過硫化氫腐蝕之后，水泥石力學(xué)性能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重的腐蝕破壞。

通過室內(nèi)試驗(yàn)，分別對水泥漿防腐蝕劑種類篩選、防腐蝕劑加量優(yōu)化和外加劑加量優(yōu)化最終形成了在緊密堆積理論指導(dǎo)之下，確定防腐蝕劑加量為8%～12%，分散劑和降失水劑分別為0.8%～1.2%和1.3%～1.5%，并形成初始抗硫化氫腐蝕水泥漿體系配方。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2022 年，分別在長慶蘇里格氣田盆地東部奧陶系鹽下馬家溝組部署了兩口探井：M172井和YY1井。綜合運(yùn)用以上關(guān)鍵技術(shù)形成了適用于奧陶系鹽下雙高儲層鉆井綜合技術(shù)，形成了優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高含硫井井身結(jié)構(gòu)示意圖

兩口井鉆井周期如表4所示。

表4 鉆井周期及機(jī)械鉆速對比

通過對比相同井身結(jié)構(gòu)、取芯進(jìn)尺條件下的鉆井周期和機(jī)械鉆速，采用以上鉆井技術(shù)2022 年施工的兩口井鉆井周期縮減24%，機(jī)械鉆速提高31%。同時(shí)，井漏事故復(fù)雜，復(fù)雜時(shí)效占比分別降低22.79%和13.54%，平均復(fù)雜時(shí)效占比僅為5.22%。

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）配套相關(guān)技術(shù)首次在蘇里格氣田奧陶系馬家溝儲層現(xiàn)場成功應(yīng)用，降低了現(xiàn)場復(fù)雜發(fā)生率和復(fù)雜處理時(shí)間，大幅度提升鉆井效率和井控安全。

（2）采用飽和鹽水抗鹽抗H2S鉆井液體系有效減少了鉆井復(fù)雜，結(jié)合配套堵漏工藝技術(shù)大幅度調(diào)高了鉆井時(shí)效。

（3）精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，為長慶蘇里格氣田奧陶系雙高儲層開發(fā)提供了一個(gè)可靠的解決方案，建議在該區(qū)塊繼續(xù)加強(qiáng)精細(xì)控鉆井應(yīng)用，同時(shí)引進(jìn)精細(xì)控壓固井技術(shù)，可解決窄密度窗口固井，能有效解決井漏、氣侵給固井施工帶來的井控風(fēng)險(xiǎn)，提高固井質(zhì)量。

（4）抗腐蝕固井水泥漿體系有效保障了高含硫儲層氣井的固井質(zhì)量，為后期的壓裂改造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，延長了含硫井的生命周期，大幅度提高了開發(fā)效率。