南海天然氣水合物深水淺層水平井下套管鉆井液技術(shù)

摘" " 要：以中國南海某海域的一口深水淺層高造斜率水平井施工項目為例，介紹了深水淺軟地層高造斜率水平井的下套管方式與下套管期間的鉆井液技術(shù)優(yōu)化方案。該井為首次在深水采用無隔水管的淺層水平井下套管的方式施工。對于深水無隔水管的套管下入，套管在送入鉆具接近井口時最容易發(fā)生塑性彎曲，井眼質(zhì)量和鉆井液潤滑性能是成功下入的關鍵。工程實踐表明，低溫雙抑制性鉆井液體系適用于該井的鉆完井作業(yè)，其在井眼清潔、井眼穩(wěn)定、潤滑性及防止水合物生成與分解等各方面都有良好表現(xiàn)。對比常規(guī)井，深水淺層高造斜率水平井套管的下入應特別注意上層套管內(nèi)“鐵-鐵”硬摩擦的減阻措施，實踐證明，固體潤滑劑比液體潤滑劑效果更佳。

關鍵詞：深水淺軟地層；高造斜率水平井；無隔水管鉆井；鉆井液；海域天然氣水合物

Drilling fluid technology for horizontal well casing running in deep water"shallow soft strata of South China Sea gas hydrates

HUANG Lianlu， YANG Qingshan， BIAN Hailin， LIU Tao， LI Hua

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Taking the construction project of a high-building rate horizontal well in a certain sea area of the South China Sea as an example， this paper introduces the casing running method for high-building rate horizontal wells in deep water shallow soft strata， as well as the optimization plan for drilling fluid technology during the casing running. It is the first time that a casing running without a riser has been successfully applied in a deep water shallow horizontal well. For casing running in deep water without a riser， plastic bending is most likely to occur when the casing is delivered near the wellhead. The wellbore quality and the lubrication performance of" the drilling fluid are the key to successful casing running. Engineering practice has shown that the low-temperature dual-inhibition drilling fluid system is applicable for drilling and completion of the well.It has good performance in various aspects such as wellbore cleaning， wellbore stability， lubricity， and prevention of formation and decomposition of hydrate. Compared to conventional wells， special attention should be paid to drag reduction measures for the “iron-iron”hard friction between the upper casing when running casing in deep water shallow high-building rate horizontal wells. Practice has shown that solid lubricants have much better effects than liquid lubricants.

Keywords：deep water shallow soft strata; high-building rate horizontal wells; drilling without riser; drilling fluids; marine natural gas hydrates

淺層水平井作為一種新型的勘探開采技術(shù)，已經(jīng)在煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中得到廣泛應用。與傳統(tǒng)的垂直井相比，淺層水平井可以有效提高勘探開采效率，降低開采成本，具有較高的應用價值。將淺層水平井技術(shù)應用于深水天然氣水合物鉆采研究中具有重要的意義。

中國南海深水淺層地層膠結(jié)差，目的層埋藏深度淺，地層破裂壓力梯度低，安全窗口窄，極易發(fā)生惡性漏失[1]。為解決淺層漏失問題，首次在深水采用全井段鉆井液開路鉆井的方式實施淺層高造斜率水平井鉆井作業(yè)，并采用無隔水管水平井套管下入技術(shù)。與深水鉆井行業(yè)一般采用安裝隔水管的方式相比，無隔水管水平井下套管面臨雙重技術(shù)挑戰(zhàn)[2-4]。一方面，套管串失去隔水導管的承托保護，在套管入井后，送入工具在深海洋流及井下受力變化的共同作用下，易發(fā)生塑性形變而損壞；另一方面，套管串在通過高造斜率技術(shù)套管井段及較長水平裸眼井段期間，管柱受力變化十分復雜，套管下入困難。因此，無隔水管水平井下套管風險很高，對井眼條件及配套技術(shù)的要求極為苛刻。

鉆井液技術(shù)作為深水淺層水平井鉆井的核心配套技術(shù)之一，需充分考慮地質(zhì)特點、井身軌跡、井眼清潔度、井眼穩(wěn)定性、管柱受力情況及摩阻等影響套管下入的各項條件，并制定應對措施，保障下套管安全。同時，還需要綜合考慮深水淺軟地層開路鉆井的特殊條件制定特定措施，如低溫流變性能控制措施、ECD控制技術(shù)、水化物的分解與二次生成控制措施、環(huán)境保護措施等，確保鉆井液同時滿足抑制性水合物分解及二次生成、井眼清潔、井壁穩(wěn)定、潤滑性及安全環(huán)保等要求[5-10]，技術(shù)難度很大。

綜上，對鉆井液技術(shù)進行深入研究，對深水淺層水合物鉆探開發(fā)具有重要現(xiàn)實意義。本文以SX井水平井段下套管作業(yè)為例，結(jié)合管柱受力情況，討論套管下入的影響因素及鉆井液技術(shù)措施，為海域天然氣水合物鉆井液技術(shù)的進一步研究提供優(yōu)化思路。

1" " 井況

SX井位于中國南海某區(qū)域，水深約1 200 m。鉆井施工前提前置入三樁吸力錨作為基礎井口，一開采用導管噴射置入導管；二開定向鉆進，平均造斜率超過13°/30 m；三開為水平段。該井水垂比1.19，最大井斜角大于92°。

鉆井液體系選擇：一開采用海水膨潤土漿，二開采用低溫海水聚合物鉆井液體系，三開采用低溫雙抑制水基鉆井液體系。

2" " 下套管期間管柱受力分析

運用鉆井力學分析軟件WellPlan，通過井身結(jié)構(gòu)、管柱組合及各水力學參數(shù)建模，計算水平段下套管井深-摩阻曲線，并反算得出下套管過程的井深-懸重曲線，再與兩次下套管的實際懸重數(shù)據(jù)擬合（見圖1、圖2），并據(jù)擬合結(jié)果對管柱進行受力分析。

從圖1、圖2可以看出，第二次下套管實際懸重與模擬曲線擬合的很好，計算值與實際數(shù)據(jù)基本吻合。而第一次下套管實際懸重與模擬曲線擬合有兩段偏差較大：一段是二開井段造斜點以下100 m至上部套管鞋處，實際懸重小于擬合值，且差值隨井深有逐漸增大的趨勢；另一段是三開水平段，實際懸重高于擬合值，但數(shù)值與第二次下套管接近。

分析以上數(shù)據(jù)得出：其一，第二次下套管理論與實際數(shù)據(jù)高度吻合，說明模擬曲線可以準確地反映出理想狀態(tài)下管柱的受力情況；其二，套管串在進入高造斜率井段后，上部套管內(nèi)摩阻隨著井深增加而大幅增加，而進入裸眼段后，摩阻增加相對平穩(wěn)；其三，兩次下套管管串結(jié)構(gòu)基本一致，對比實際懸重曲線（見圖3）發(fā)現(xiàn)，套管進入水平段后兩次數(shù)據(jù)比較接近，說明第一次下套管進入水平段后摩阻恢復至正常水平。

通過以上分析，可以得出兩條結(jié)論：第一，套管串在進入高造斜率井段后，上部套管內(nèi)摩阻隨井深增加大幅增加，管柱與上層套管之間“鐵-鐵”硬摩擦尤為嚴重；第二，在套管串進入水平段后，管柱與裸眼之間的阻力為主，摩阻增加相對平穩(wěn)。

3" " 鉆井液技術(shù)措施對比

根據(jù)SX井下套管時管柱的受力特點，分別從井眼清潔、潤滑性、井眼穩(wěn)定等方面對兩次下套管的鉆井液技術(shù)措施進行對比。

3.1" " 井眼清潔

大斜度水平井極易形成巖屑床，巖屑床清除效果的好壞對套管下入有直接的影響。根據(jù)大斜度井水平井的巖屑沉積及巖屑運移情況，計算黏度和流速對巖屑床運移的影響。結(jié)果表明，增大黏度可以降低巖屑床高度，提高流速可以清除巖屑床，而當排量等其他改變流速的方法受限時，鉆柱旋轉(zhuǎn)對井眼清潔起主要作用[11]。該井在水平段鉆進時，采用雙抑制鉆井液體系，黏度保持在50～60 s，?3、?6讀數(shù)調(diào)整至8、10，并定期泵入稠漿（黏度大于100 s）清掃井眼；復合鉆進時，在工程允許的情況下盡可能提高頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，破壞巖屑床堆積，保證井眼清潔。

兩次下套管前，鉆井液在流變性上的措施基本相似，都是在井眼內(nèi)墊入黏度高于60 s的封閉鉆井液，以保證靜止期間鉆井液對鉆屑的懸浮能力。根據(jù)第二次下套管前通井情況，起下鉆順暢，無明顯巖屑床堆積現(xiàn)象，說明鉆井液體系及技術(shù)措施可以滿足井眼清潔要求，并取得了較好的應用效果。

3.2" " 潤滑性

鉆井液潤滑性能對套管下入起關鍵作用。對比兩次下套管前的措施，兩次在裸眼段的處理措施相近，都采用雙抑制水基鉆井液。在套管內(nèi)，第一次處理時加入高效潤滑劑，而第二次加入塑料小球、減摩劑及高效潤滑劑。

從套管受力分析及兩次下套管的實際效果來看，第二次下套管在上層套管內(nèi)的摩阻最大降低90 kN，在進入水平段前，摩阻平均降低50 kN，表明加入固體類潤滑劑對于降低管柱與上層套管之間“鐵-鐵”摩擦效果顯著。進入水平段后，兩次下套管（遇阻點以前）效果比較接近，摩阻符合預期，滿足套管順利下入條件。

3.3" " 井眼穩(wěn)定

該井水平段相對較長，從分析可知，套管進入水平段后摩阻主要來自管柱與井壁間的阻力，因此井眼質(zhì)量直接關系到套管下入。該井地層以泥質(zhì)粉砂巖為主，由于儲層埋深淺，地層欠壓實，成巖性差，滲透率高，地質(zhì)力學參數(shù)復雜，非均質(zhì)性強，井壁易失穩(wěn)垮塌，給鉆進及下套管帶來很大挑戰(zhàn)。針對以上地層特點，下套管前，對鉆井液主要采取以下幾項處理措施。

1）控制鉆井液API失水，提高泥餅質(zhì)量。水平段鉆進時將API失水控制在4.0 mL以下，防止鉆井液對井壁的沖刷，提高井眼的規(guī)則度，維持鉆井液合適的造壁性能，減少鉆井液對井壁的過度浸泡，在井壁形成薄而韌、結(jié)構(gòu)致密的泥餅，減小管柱與井壁的接觸面積，降低滑動阻力。

2）采用抑制性鉆井液，防止泥巖水化失穩(wěn)。鉆井液中加入聚胺抑制劑，配合KCl，可有效抑制泥巖水化膨脹，降低水對地層的侵入深度，提高泥巖強度，有利于井壁穩(wěn)定。

3）適當提高封閉鉆井液密度，為井壁提供一定力學支撐。第一次下套管前由于未設計通井，采用了墊入1.05 g/cm3封閉鉆井液的方式，而通井后采用的是墊入1.10 g/cm3封閉鉆井液的方式。提高鉆井液密度可以平衡井壁的側(cè)向應力，同時有利于水合物層分解。

4" " 下套管前鉆井液施工措施

4.1" " 三開鉆進

鉆井液配方基礎構(gòu)成為：海水+膨潤土+低溫流型調(diào)節(jié)劑+低溫降濾失劑+高效潤滑劑+聚胺抑制劑+KCl+水合物抑制劑。

三開使用的雙抑制鉆井液體系配方能有效抑制水合物的二次生成與分解，同時滿足環(huán)保要求，低溫流變性能、潤滑性優(yōu)良[11]，該井段鉆進期間維持鉆井液黏度45～55 s，保證造斜及水平井段巖屑攜帶要求。定期使用8 m3聚合物稠漿協(xié)助攜砂，盡可能減小巖屑床堆積。水平段鉆進時，進一步調(diào)整鉆井液流變性能，?3、?6讀數(shù)調(diào)整至8、10，復合鉆進時盡可能增加鉆速，加強鉆具對巖屑的擾動攪拌作用，防止巖屑床堆積。控制鉆井液API失水小于4.0 mL，減少鉆井液對井壁的過度浸泡，氯化鉀配合聚胺抑制劑，抑制黏土顆粒的水化膨脹，防止井壁失穩(wěn)；鉆進過程中向鉆井液中加入高效潤滑劑，以增強鉆井液的潤滑防卡能力。

4.2" " 第一次下套管前

鉆進至目的井深后，倒劃眼起鉆，鉆井液黏度調(diào)整至55 s以上，進一步提高井眼清潔及懸浮能力?？刂艫PI失水小于3.0 mL，泥餅小于0.5 mm，從而形成薄而堅韌的泥餅，進一步降低對井壁的浸泡；加入高效潤滑劑，以增強鉆井液的潤滑性能，降低下套管摩阻。提高體系pH值，保證鉆井液長時間靜止不會發(fā)酵變質(zhì)，確保鉆井液長時間性能穩(wěn)定；起鉆至13.375 in（1 in=25.4 mm）套管后，在套管內(nèi)墊入1.05 g/cm3封閉鉆井液，為井眼提供一定力學支撐，利于井眼穩(wěn)定。

4.3" " 第二次下套管前

第一次下9.625 in套管遇阻，起出后通井。通井循環(huán)期間維持鉆井液黏度在55 s以上，保證井眼清潔。起鉆前裸眼內(nèi)墊入1.10 g/cm3封閉鉆井液，套管內(nèi)墊入1.10 g/cm3潤滑封閉鉆井液，起鉆，第二次下套管到位。

4.4" " 兩次下套管前鉆井液性能

在兩次下套管處理過程中，施工時間有所增加，從完鉆起鉆到通井下鉆前，井眼鉆井液靜止時間超過50 h，井壁浸泡時間較長，但期間未發(fā)生井壁失穩(wěn)問題，說明鉆井液體系與地層配伍性良好，性能穩(wěn)定可靠，井眼穩(wěn)定技術(shù)得到了驗證。兩次下套管封閉鉆井液性能見表1。

5" " 結(jié)論

1）對于深水無隔水管套管下入，套管在送入鉆具接近井口時最容易發(fā)生塑性彎曲，井眼質(zhì)量和鉆井液潤滑性能是成功下入的關鍵，且水平段越長體現(xiàn)得越明顯，如何保持開路鉆進井眼規(guī)則、清潔與穩(wěn)定是鉆井液處理的重點。

2）低溫雙抑制性鉆井液體系適用于中國南海某海域深水淺層高造斜率水平井鉆完井作業(yè)，在井眼清潔、井眼穩(wěn)定、潤滑性及防止水合物生成與分解等各方面都有良好表現(xiàn)，實現(xiàn)了國內(nèi)首次深水淺層高造斜率水平井套管下入。

3）對比常規(guī)井，深水淺層高造斜率水平井套管下入應特別注意上層套管內(nèi)“鐵-鐵”硬摩擦的減阻措施，實踐證明固體潤滑劑比液體潤滑劑效果好很多。

4）本文所分析的深水淺軟地層高造斜率水平井下套管方式與下套管期間的鉆井液技術(shù)優(yōu)化方案，可為我國南海天然氣水合物及深水淺層氣儲層等淺軟地層礦產(chǎn)資源開發(fā)提供參考。

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作者簡介：

黃連路（1986—），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學院應用化學專業(yè)，現(xiàn)在主要從事鉆井液技術(shù)研究及管理工作。Email：huangll.cpoe@cnpc.com.cn

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