東海X 區(qū)塊大位移井提高井壁穩(wěn)定性技術(shù)優(yōu)化

郭凱

(中海油能源發(fā)展股份有限公司上海工程技術(shù)分公司，上海 200335)

0 引言

在大位移井鉆井過程中，地層孔隙壓力、地應(yīng)力狀態(tài)、地層強度特征、井斜角和方位角、鉆井液性能、地層組成等因素將嚴重影響井壁的穩(wěn)定性[1-3]。此外，由于大位移井的偏轉(zhuǎn)角度大、裸眼段長、鉆井液浸入以及鉆井液柱在井中的壓力波動，對井眼穩(wěn)定性的影響非常顯著。因此，通過研究井眼失穩(wěn)的內(nèi)部機理，可以確定各地層的安全鉆井液密度窗口和有利于井眼穩(wěn)定的井徑，這對大位移井井徑設(shè)計和合理鉆井液密度的確定具有現(xiàn)實意義[4-7]。

在實際鉆井過程中，如果發(fā)生井眼失穩(wěn)，雖然只采取增加鉆井液密度的方法能使井眼再次達到穩(wěn)定狀態(tài)，但與此同時，這也會導(dǎo)致諸多復(fù)雜情況的產(chǎn)生，如壓差卡鉆、井漏、地層垮塌等。更嚴重的是，如果油氣藏已經(jīng)被揭開，一旦發(fā)生井下，將對油氣藏造成嚴重損害。是否可以通過調(diào)整鉆井液的其他性質(zhì)來實現(xiàn)井眼穩(wěn)定性，因此，現(xiàn)場研究了鉆井液性質(zhì)和配套工程措施與井筒穩(wěn)定性的關(guān)系[8-10]。

東海某氣田是東海的一個重要中型油氣田，從1989 年至今已完鉆13 口井，完鉆層位平湖組，其中直井3 口，定向井9 口，水平井1 口，最大井深6 502 m，已鉆井在龍井組底部和花崗組上部都有不同程度的雜色泥巖垮塌，極易引起復(fù)雜情況的發(fā)生，非常影響鉆井作業(yè)時效。為降低鉆井作業(yè)風(fēng)險，提高鉆井作業(yè)時效，本文在既有成績的基礎(chǔ)上針對前期作業(yè)中出現(xiàn)的問題和不足進行改進和優(yōu)化，進一步總結(jié)經(jīng)驗、積淀技術(shù)，形成東海龍井組下部、花港組上部發(fā)育的雜色泥巖井壁穩(wěn)定技術(shù)儲備。在實際鉆井過程中，在井眼直徑311.15 mm 井段起下鉆遇阻頻繁，劃眼蹩、扭憋泵現(xiàn)象明顯，井下返出大量掉塊，其中以龍井組、花港組的灰綠色泥巖段最為突出。針對本區(qū)塊鉆井中龍井組、花港組地層起下鉆頻繁遇阻、劃眼困難以及井壁失穩(wěn)引發(fā)井下復(fù)雜，嚴重影響鉆井時效的難題，通過巖石化學(xué)、力學(xué)特性分析，研究井壁失穩(wěn)機理，結(jié)合現(xiàn)場實際作業(yè)研究不同流變性能、封堵性能、攜巖等性能對起下鉆阻卡的影響規(guī)律及程度。針對本區(qū)塊特點采用優(yōu)化后的油基鉆井液體系及其配套工程措施，不僅實現(xiàn)井壁穩(wěn)定性，克服各種工程難題，而且取得了良好的經(jīng)濟效益，為東海油氣田安全高效開發(fā)提供技術(shù)支撐和保障。

1 區(qū)位概況

本區(qū)塊調(diào)整井使用的井身結(jié)構(gòu)多為：一開井眼直徑444.5 mm，二開井眼直徑311.15 mm，三開井眼直徑215.9 mm 或212.7 mm，對應(yīng)套管程序為：井眼直徑444.5 mm 下直徑339.7 mm 套管，井眼直徑311.15 mm下直徑 為244.5 mm 套管，215.9 mm 及212.7 mm 井眼分別為下直徑為177.8 mm 及139.7 mm 套管。井眼直徑444.5 mm 井段鉆進至2 000～2 500 m，綜合考慮作業(yè)周期、井壁穩(wěn)定、海水浸泡時間，封固龍井組上部及以上特殊巖性及不整合面。井眼直徑311.25 mm 井段鉆進至4 000～5 600 m，結(jié)合不同地層壓力系統(tǒng)、機泵條件、井眼清潔、井壁穩(wěn)定等，鉆至著陸或目的層上部。井眼直徑215.9 mm 井段鉆進至4 500～6 502 m，目的層段/ 水平段，結(jié)合設(shè)計規(guī)范及孔滲條件，將常壓與高壓(1.00～1.48 g/cm3) 設(shè)計在同一井段，長裸眼段下小尺寸139.7 mm 套管。

圖1 該區(qū)塊常用井身結(jié)構(gòu)

該氣田的開發(fā)多采用大位移井開發(fā)的方式，最大位移超過4 500 m，在實鉆過程中井眼直徑311.25 mm井段鉆遇龍井組底部和花崗組上部雜色泥巖，由于裸眼段長、夾層多、井壁容易失穩(wěn)，導(dǎo)致起下鉆困難，劃眼時間長極易造成卡鉆的井下復(fù)雜情況。為了減少鉆井復(fù)雜情況，提高鉆井時效，縮短鉆井周期，節(jié)省作業(yè)費用，從該地區(qū)的地層因素、油基泥漿性能優(yōu)化及工程配合措施等方面著手，保障井壁穩(wěn)定性，提高作業(yè)時效。

本區(qū)塊大位移井作業(yè)地溫度梯度 3.5 ℃/100 m，井底溫度超過 150 ℃，隨著井溫的升高，對鉆井液處理劑的抗高溫穩(wěn)定性也存在一定的挑戰(zhàn)。

2 提高井壁穩(wěn)定性技術(shù)研究

本區(qū)塊的大位移井所使用的油基鉆井液是以油為連續(xù)相的油包水乳化鉆井液，具有抗高溫，抑制性強，有利于井壁穩(wěn)定，潤滑性能好，摩阻扭矩低，固相容納能力大，抗污染能力強，對油氣層損害程度小等特點。對已鉆井的資料進行分析，本區(qū)塊井眼直徑311.25 mm 井段鉆進均出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的情況。通過井壁穩(wěn)定性研究成果明確龍井組、花港組泥巖失穩(wěn)機理，對現(xiàn)有的油基泥漿體系進行有針對性的優(yōu)化。

2.1 井壁失穩(wěn)原因分析

東海龍井組、花港組區(qū)塊雜色泥巖易水化，油基鉆井液水相活度高于地層水活度時，在滲透壓作用下，濾液中水分子侵入地層巖石，產(chǎn)生滲透膨脹，導(dǎo)致巖石強度降低引發(fā)井壁失穩(wěn)。此外，微裂縫發(fā)育為固液侵入和通道開啟提供了必要條件，加劇井壁失穩(wěn)的發(fā)生。在鉆井過程中，鉆井液(濾液)沿微裂縫侵入泥巖內(nèi)部，使微裂縫的擴展延伸，進而造成地層強度下降，發(fā)生井壁失穩(wěn)。當(dāng)油基鉆井液封堵能力不足，加上地層自吸及壓差作用加劇液相侵入，引發(fā)裂縫擴展貫通，巖石強度降低，地層坍塌壓力升高，同時由于油基侵入微裂縫，會顯著降低節(jié)理和縫面的滑動阻力，引發(fā)井壁失穩(wěn)。

2.2 針對性泥漿性能優(yōu)化

分析龍井組、花港組雜色泥巖機理后，油基鉆井液體系加入油基固壁劑MOHGW、微納米聚合物提高油基泥漿的封堵能力，使用高品質(zhì)重晶石改善泥漿的流變性。

油基泥漿的基本配方：5#白油+2.0%PF-MOEMUL+0.5%PF-MOCOAT+0.5%MOWET+ 1.5%PF-MOALK+2%PF-MOGEL + 重晶石，油水比為80∶20。優(yōu)化后油基泥漿的基本配方：5#白油+2.4%主乳化劑PFMOEMUL+0.6% 輔乳化劑PF-MOCOAT+0.5% 潤濕劑MOWET+1.5% 堿 度 調(diào) 節(jié) 劑PF-MOALK+2% 有機土PF-MOGEL+ 成膜劑3%PF-MOHFR+ 封堵劑1%PF-MOSLF+ 降 濾 失 劑1%PF-MOFAC+2.0% 微納米聚合物封堵劑+1.5%MOHGW+高品質(zhì)重晶石，油水比80∶20。根據(jù)現(xiàn)場情況，測定了在150 ℃，密度為1.35 g/cm3條件下，油基泥漿性能，如表1 所示。優(yōu)化后的油基鉆井液體系的流變性能較好，破乳電壓高，高溫高壓失水小，鉆井液的穩(wěn)定性以及泥餅的穩(wěn)定性俱佳。

表1 優(yōu)化前后泥漿性能對比

2.3 優(yōu)化后的油基鉆井液體系性能評價

2.3.1 膠結(jié)封堵性能

為增強油基泥漿封堵性能，降低油基泥漿的滲漏在體系中加入封堵材料PF-MOSLF，改善濾餅質(zhì)量提高體系的封堵性能，在室內(nèi)通過填砂管實驗對油基鉆井液的成膜封堵性能進行評價。在20～40 目時侵入深度為0.7 cm，在40～60 目時侵入深度僅為0.5 cm，PF-MOSLF 具有較好的成膜封堵效果。

使用油基固壁劑MOHGW 及微納米聚合物，強化井壁穩(wěn)定，固壁劑MOHGW 粒徑分布處于納微米級，具有多種吸附基團，能夠在巖石表面進行化學(xué)吸附成膜，粘接孔隙裂縫表面，實現(xiàn)加固井壁的作用。微納米聚合物具備較好的彈性和收縮性，即使顆粒直徑大于地層巖石微納米裂縫和微孔隙，也能夠有效進入(或在壓差作業(yè)下擠壓)微裂縫和微孔隙中。因其具有的黏結(jié)性和微納米特性，使得顆粒進入地層后自主粘結(jié)裂縫，極易吸附到微裂縫和微孔隙兩翼。

在油基鉆井液中加入微納米聚合物封堵劑和油基固壁劑MOHGW，在壓力3.5 MPa，溫度160 ℃，慮失2.0 mL，泥餅厚度1.0 mm，濾失量更低，泥餅更薄，有效改善體系對微孔隙的封堵效果，提高井壁穩(wěn)定性。

2.3.2 降濾失性能

為了研究不同配方油基鉆井液體系的降濾失性能，現(xiàn)場開展了油基鉆井液壓力傳遞實驗與高溫高壓濾失實驗，實驗結(jié)果如圖2 和圖3 所示。實驗表明采用1.5% MOHGW 固壁劑與3%PF-HFR 降濾失劑組合可以將HTHP 濾失量降到2 mL，有效降低濾液對地層的侵入量，進一步提高和增強井壁穩(wěn)定性。高溫高壓HTHP 泥餅濾失速率下降50%，封堵致密性顯著提高，壓力傳遞平衡時間由180 h 提高至280 h，平衡時間延長了100 h，能夠有效封堵泥巖微納米孔縫，延緩壓力傳遞作用，提高井壁穩(wěn)定性。

圖2 壓力傳遞曲線

圖3 高溫高壓慮失速率曲線

3 工程措施優(yōu)化

優(yōu)化工程措施是提高龍井組雜色泥巖穩(wěn)定性的又一大關(guān)鍵手段。針對前期本區(qū)塊龍井組下部及花港組上部井眼直徑311.15 mm 井段起下鉆困難，劃眼頻繁憋壓蹩扭的問題，現(xiàn)場通過對軌跡設(shè)計、鉆井參數(shù)及井眼清潔進行控制，維護井壁穩(wěn)定。

現(xiàn)場根據(jù)三壓力曲線，選擇合適的泥漿比重進行鉆進作業(yè)。通常情況下，要控制泥漿比重大于地層坍塌壓力，同時小于地層破裂壓力。使用擬懸鏈線+圓弧大位移井軌道設(shè)計，使用不同的造斜率和步長設(shè)計多套方案進行比選，按照降低難度的原則，目標(biāo)選擇考慮先二維后三維，綜合考慮鉆進和劃眼扭矩、起下懸重、機泵條件、側(cè)向力、鉆具疲勞系數(shù)、井眼清潔等因素。要適當(dāng)調(diào)整造斜深度，避開易失穩(wěn)段后再進行連續(xù)造斜，在易失穩(wěn)段使用小井斜，減少易失穩(wěn)段穿行的距離。

通常情況下，井眼直徑311.15 mm 井段采用高抗扭5-7/8″鉆桿，獲得更大的P-HAR 值及更大的排量，降低壓力損耗，增加環(huán)空返速，降低環(huán)空ECD，盡量選取同一種定向井工具，避免定向井工具剛性變化導(dǎo)致的起下鉆遇阻及對易失穩(wěn)井段的擾動破壞。

在易失穩(wěn)段控制參數(shù)鉆進時，排量控制在4 000～4 200 L/min，轉(zhuǎn)速90～110 r/min 為宜，與此同時，需減少大鉆具對敏感地層擾動和破壞。加強固控手段也是大位移井提高井壁穩(wěn)定性的重要措施，配置200 目及以上的高目數(shù)篩布，使用離心機及時清除油基泥漿中的有害固相，維持泥漿良好的流變性能，通過實時觀察泥餅質(zhì)量，來維護油基鉆井液的穩(wěn)定性。此外，使用連續(xù)循環(huán)裝置通過泥漿流動形成巖屑連續(xù)傳送帶，防止停泵時巖屑床堆積，同時維持恒定ECD 防止因為壓力激動導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)?，F(xiàn)場也常采用隨鉆儀器實時監(jiān)測井下ECD，E-drillingl 跟蹤模擬，根據(jù)井眼清潔模擬合理控制鉆參及ROP，反演摩阻系數(shù)，確保井眼清潔。

4 應(yīng)用效果

該氣田現(xiàn)場開發(fā)3 口大位移井中，井深為6 502 m，最大位移為4 686 m，井眼直徑311.15 mm 井段使用優(yōu)化后的油基鉆井液配合優(yōu)化后的工程措施。在龍井組底部和花港組鉆井作業(yè)過程中，鉆井液性能穩(wěn)定，鉆進扭矩、泵壓平穩(wěn)，短起和長起均順利無阻掛，都實現(xiàn)了直起直下，起下鉆效率得到顯著提升，套管均順利到位，鉆井液性能如表2 所示。與鄰井相比，優(yōu)化后的油基泥漿井起下鉆時間縮短82.75～250.50 h，起下鉆時效提高93%～356%，起下鉆效率得到顯著提升，降低了海上作業(yè)的成本。

表2 各井311.15 mm 井段油基鉆井液性能

通過使用微納米封堵技術(shù)，油基鉆井液HTHP 濾失量均小于2.6 mL，最終控制在2 mL 以下，泥餅質(zhì)量好，有效降低了鉆井液濾液對地層的侵入。且振動篩返出巖屑量正常，返出的巖屑干爽成型，齒印清晰，鉆進期間也未出現(xiàn)掉塊、掉片。這有力保證了現(xiàn)場作業(yè)安全，進一步顯著提高鉆井時效。

5 結(jié)論與建議

(1) 現(xiàn)場優(yōu)化出了一種該區(qū)塊大位移井的油基鉆井液體系，其配方為：5#白油+2.4%主乳化劑PFMOEMUL+0.6%輔乳化劑PF-MOCOAT+0.5%潤濕劑MOWET+1.5% 堿度調(diào)節(jié)劑PF-MOALK+2% 有機土PF-MOGEL+ 成膜劑3%PF-MOHFR+ 封堵劑1%PF-MOSLF+ 降 濾 失 劑1%PF-MOFAC+2.0% 微納米聚合物封堵劑+1.5%MOHGW+高品質(zhì)重晶石，油水比80∶20。

(2)通過對油基泥漿的優(yōu)化同時配合工程措施，有效解決了龍井組底部和花崗組上部雜色泥巖垮塌，在后續(xù)三口井作業(yè)中，短起下鉆順利，244.5 mm 套管一次到位，大幅節(jié)省了鉆井周期，提高了鉆井作業(yè)時效。

(3)東海大位移井鉆井作業(yè)正在面對更深、更遠、更快、更安全和更經(jīng)濟有效的發(fā)展需求，進一步加強大位移井關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，再提速再提效，保障安全，降低成本。