朱亮 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100;中石油鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 荊州 434023)

鐘文建,劉曉民 (中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

庫車凹陷山前地區(qū)鉆井風(fēng)險評價及措施研究

朱亮 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100;中石油鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 荊州 434023)

鐘文建,劉曉民 (中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

隨著鉆探開發(fā)不斷向深部復(fù)雜地層發(fā)展,對鉆井過程風(fēng)險的控制越來越困難。在分析鉆井工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對庫車凹陷山前地區(qū)鉆井過程中的風(fēng)險進(jìn)行了評價分析,認(rèn)為鉆進(jìn)過程中遇到的風(fēng)險來自于井壁失穩(wěn)、鹽膏巖以及鉆頭性能等因素。通過對庫車凹陷山前地區(qū)安全鉆井液密度窗口的確定、鉆井液體系的評價、鹽膏層特性以及鉆頭性能的分析,提出了保證庫車凹陷山前地區(qū)安全鉆進(jìn)的措施。所做的研究對有效規(guī)避庫車凹陷山前地區(qū)鉆進(jìn)過程風(fēng)險,制定庫車凹陷山前地區(qū)安全鉆進(jìn)技術(shù)方案具有重要意義。

鉆井風(fēng)險;鉆進(jìn)安全;山前地區(qū);庫車凹陷

近年來,隨著油氣勘探不斷向深部復(fù)雜地層發(fā)展,在鉆井工程中對鉆井風(fēng)險的控制越來越困難。庫車凹陷是塔河油田的重點(diǎn)勘探作業(yè)區(qū),在庫車凹陷山前地區(qū)鉆井過程中遇到的一系列復(fù)雜問題,給該地區(qū)的勘探開發(fā)帶來了很大的風(fēng)險,嚴(yán)重制約其開發(fā)進(jìn)度,降低了鉆井施工效率。

1 庫車凹陷山前地區(qū)鉆井工程特點(diǎn)

從已鉆井的工程實(shí)踐來看,該地區(qū)鉆井工程施工具有如下特點(diǎn):

1)地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜。KU1井鉆至井深6732.4m后發(fā)生溢流,鉆井液密度逐漸提至1.85～1.93g/cm3。

2)機(jī)械鉆速低,鉆頭選型困難。KU1井一開第四系西域組和庫車組鉆遇巨厚礫石層,平均機(jī)械鉆速只有0.26m/h,而全井的機(jī)械鉆速僅為0.68m/h,鉆進(jìn)過程面臨憋跳嚴(yán)重、鉆具負(fù)荷重、攜砂困難、礫石易脫落、大尺寸鉆頭選型困難等問題。

3)鹽膏層發(fā)育。KU1井在新近系吉迪克組鉆遇3套鹽膏層段,鉆井液密度從1.55g/cm3提高到2.08g/cm3才抑制住鹽層蠕變縮徑,固井后發(fā)現(xiàn)套管有多處變形。DG2井后期完井期間發(fā)現(xiàn)套管也有變形存在。

4)深部地層復(fù)雜,井壁穩(wěn)定性差。從古近系蘇維依組到寒武系地層普遍井徑擴(kuò)大明顯,最大井徑擴(kuò)大率達(dá)88.79%。

2 鉆井風(fēng)險評價

鉆井工程過程受很多因素的影響,因此,鉆井過程的風(fēng)險來源也很多,主要包括客觀因素風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險和生產(chǎn)風(fēng)險。通過層次分析法可以把復(fù)雜的鉆井工程過程風(fēng)險中的各種因素劃分為互相聯(lián)系的有序?qū)哟?使其條理化,就每一層次的相對重要性給予定量表示。然后利用數(shù)學(xué)方法確定表達(dá)每一層次全部要素的相對重要權(quán)值。為分析找到控制鉆井工程中風(fēng)險的主要因素,規(guī)避其對鉆井工程過程帶來潛在的危害提供依據(jù)。圖1是利用層序分析法將庫車凹陷山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險進(jìn)行分解的分析圖[1,2]。

圖1 庫車凹陷山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險指標(biāo)評價層次圖

在圖1所示的層次結(jié)構(gòu)圖中,把 “庫車凹陷山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險”定義為目標(biāo)層,把 “客觀因素風(fēng)險”、“技術(shù)風(fēng)險”和 “生產(chǎn)風(fēng)險”定義為中間準(zhǔn)則層,把 “地層特性”、“井壁穩(wěn)定性”、“鉆具性能”等定義為風(fēng)險因素層。

根據(jù)圖1所示的庫車凹陷山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險層次圖,可構(gòu)造一個判斷矩陣A,來判斷各指標(biāo)相對重要程度:

中間層的風(fēng)險對總體目標(biāo)的貢獻(xiàn)是不同的,在計(jì)算時可通過平方和法、Satty最大特征向量法、幾何平均法對其權(quán)重進(jìn)行評價。

經(jīng)過計(jì)算分析表明,對庫車凹陷山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險影響最大的是技術(shù)風(fēng)險,其中井壁失穩(wěn)、鹽膏巖以及鉆頭性能是危險性最高的因素。因此,在控制山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險時,可有針對性地制定相關(guān)措施,來預(yù)防鉆井復(fù)雜情況和事故的發(fā)生。

3 控制庫車凹陷山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險的措施

結(jié)合庫車凹陷山前構(gòu)造鉆井工程特性,依據(jù)山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險分析結(jié)果,筆者主要從井壁失穩(wěn)、鹽膏巖以及鉆頭性能等方面來分析控制該地區(qū)鉆井風(fēng)險的措施。

3.1 井壁穩(wěn)定分析

要保持井壁穩(wěn)定,其實(shí)質(zhì)是要計(jì)算出地層坍塌壓力和地層破裂壓力,以確定鉆進(jìn)時的安全鉆井液密度窗口。

以庫車凹陷的KU1井為例,依據(jù)地層坍塌壓力和地層破裂壓力的計(jì)算模型[3～5],利用測井資料確定了地層坍塌壓力和地層破裂壓力對應(yīng)的當(dāng)量密度剖面圖,如圖2所示。

式中:H為井深,m;ρm為地層坍塌壓力對應(yīng)的當(dāng)量密度,g/cm3;pf為地層破裂壓力,MPa;ρf為地層破裂壓力梯度對應(yīng)的當(dāng)量密度,g/cm3;σh,max為最大水平主應(yīng)力,MPa;σh,min為最小水平主應(yīng)力,MPa;pp為地層孔隙壓力,MPa;st為地層抗拉強(qiáng)度,MPa;σV為上覆地層壓力,MPa;μ為泊松比,1;α為有效應(yīng)力貢獻(xiàn)因數(shù),1;C為黏聚力,MPa;η為非線性修正因數(shù),1;φ為內(nèi)摩擦角,(°);ω1為最大水平構(gòu)造應(yīng)力因數(shù),1;ω2為最小水平構(gòu)造應(yīng)力因數(shù),1。

圖2 KU1井井壁穩(wěn)定分析圖

圖2左邊部分是KU1井井徑擴(kuò)大率隨井深變化曲線;右邊部分兩條曲線分別是坍塌壓力隨井深變化曲線和破裂壓力隨井深變化曲線,這兩條曲線所夾的區(qū)間即為控制庫車凹陷山前構(gòu)造井壁失穩(wěn)風(fēng)險的安全鉆井液密度窗口。在蘇維依組地層的安全鉆井液密度窗口為1.51～2.13g/cm3,在舒善河組地層的安全鉆井液密度窗口為1.50～2.22g/cm3。在實(shí)鉆中,蘇維依組地層和舒善河組地層的鉆井液密度在1.45～1.50g/cm3,低于安全鉆井液密度窗口,井壁垮塌導(dǎo)致的井徑擴(kuò)大比較明顯,井徑擴(kuò)大率大,說明采用合適的鉆井液密度對控制由于井壁失穩(wěn)引起的鉆井風(fēng)險有十分重要的意義。

3.2 鉆井液性能評價分析

對于庫車凹陷易塌井段除了從鉆井液密度方面來控制其坍塌外,還要從鉆井液體系來考慮。為此對兩套鉆井液體系進(jìn)行了評價試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為150°,壓力為3.5MPa。

其基本配方分別為:1.5g增稠劑MC+2g降濾失劑KJ-1+0.3g潤滑劑RHJ-1+2g有機(jī)硅醇抑制劑DS-302+3g乳化瀝青潤滑劑RHJ-3+0.15g乳液聚合物抑制劑DS-301+10g原油+0.2g乳化劑Span-80+0.15g聚胺。

通過無滲透成膜評價儀以及高溫高壓砂床法試驗(yàn)表明,在20min內(nèi),鉆井液全部漏失,侵入砂床深度達(dá)到4.2cm,說明該體系不能有效封堵地層,應(yīng)優(yōu)化鉆井液的流變性和提高鉆井液的封堵性能。

3.3 地層特性評價及鉆頭選型

根據(jù)已鉆井情況來看,在庫車凹陷山前地區(qū)鉆井機(jī)械鉆速慢,究其原因主要是地層可鉆性差,夾層多,鉆頭適應(yīng)性不好,特別是在第四系西域組及新近系庫車組上部地層存在大段的礫石,導(dǎo)致表層機(jī)械鉆速相當(dāng)?shù)?。通過試驗(yàn)測試建立了KU1井可鉆性級值剖面,如圖3所示。分析認(rèn)為,第四系西域組及新近系庫車組上部礫石層可鉆性級值為2～6,說明地層特性變化大,非均質(zhì)性強(qiáng);在庫車組中下部及以下地層巖石可鉆性級值主要分布在5～8,屬于中硬-硬地層。

依據(jù)庫車凹陷山前地區(qū)巖石可鉆性的特點(diǎn)和現(xiàn)場鉆井情況分析,在鉆頭選型時,礫石層宜選用鑲齒而不選用鋼齒;從齒形上不應(yīng)該選擇較長的尖錐形齒,因?yàn)樵阢@壓及水力滲流的作用下,很容易造成牙齒因與礫石反復(fù)碰撞而崩斷,同時應(yīng)使鉆頭具有較強(qiáng)的保徑能力。對于中下部地層,主要以砂泥巖為主,宜選用具有耐磨復(fù)合片、雙排齒結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)化水力作用的PDC鉆頭,配合螺桿,以達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

3.4 鹽膏層鉆井技術(shù)分析

在庫車凹陷山前地區(qū)的吉迪克組地層普遍存在鹽膏層,一般埋深在5000m以下,由于鹽層埋藏深,厚度大,很容易引起鹽膏層的塑形流動而導(dǎo)致縮徑卡鉆事故。通過數(shù)值模擬方法[6],計(jì)算分析了不同深度、不同縮徑率條件下的鉆井液密度圖譜,結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)鉆頭直徑及鉆具外徑,在確定鹽膏層段鉆進(jìn)時間后,結(jié)合地層破裂壓力所確定的地層承壓能力,推薦縮徑率為0.005h-1的鉆井液密度為鹽膏層安全鉆井液密度,可以抑制鹽膏層蠕變縮徑對鉆井過程及套管安全的影響。

圖3 KU1井可鉆性級值剖面

圖4 不同深度不同縮徑率條件下的鉆井液密度圖譜

4 結(jié)論

1)通過分析鉆井工程特點(diǎn),利用層次分析法,分析了庫車凹陷山前地區(qū)鉆井風(fēng)險要素,說明井壁穩(wěn)定性、鉆井液性能、鹽膏層以及鉆頭性能是控制庫車凹陷山前地區(qū)鉆井風(fēng)險的主要因素。

2)只要鉆進(jìn)時鉆井液密度保持在安全鉆井液密度窗口之內(nèi),就可以控制井壁失穩(wěn),達(dá)到控制鉆進(jìn)過程中由井壁失穩(wěn)帶來的鉆井風(fēng)險的目的。

3)在庫車山前地區(qū),對于易塌地層,應(yīng)優(yōu)化鉆井液的流變性和提高鉆井液的封堵性能,有助于保持良好的井壁穩(wěn)定性,提高鉆進(jìn)效率。

4)對于吉迪克組鹽膏巖地層,推薦縮徑率為0.005h-1的鉆井液密度為鹽膏層安全鉆井液密度,可有效控制鹽膏巖地層蠕變帶來的鉆井風(fēng)險。

5)在礫石層中,宜選用鑲齒而不選用鋼齒;從齒形上不應(yīng)該選擇較長的尖錐形齒,同時應(yīng)使鉆頭具有較強(qiáng)的保徑能力。針對中下部地層的特點(diǎn),宜選用具有耐磨復(fù)合片、雙排齒結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)化水力作用的PDC鉆頭。

[1]李海宏.鉆井風(fēng)險評價方法與模型建立[J].石油鉆探技術(shù),2003,31(6):66～68.

[2]何沙,王志明.基于層次分析法的高含硫氣井鉆井風(fēng)險評價研究[J].鉆采工藝,2010,33(2):28～30.

[3]樓一珊,金業(yè)權(quán).巖石力學(xué)與石油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[4]陳勉,鄧金根,吳志堅(jiān).巖石力學(xué)在石油工程中的應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[5]鄧金根,張洪生.鉆井工程中井壁失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

[6]朱亮,樓一珊,黃萬龍,等.鹽膏層合理鉆井液密度的確定[J].石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報),2009,31(4): 111～114.

[編輯]黃鸝

TE28

A

1000-9752(2014)02-0110-04

2013-09-12

“十二五”國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05049-02-02)。

朱亮(1980-),男,2003年大學(xué)畢業(yè),碩士,講師,現(xiàn)主要從事油氣井工程方面的教學(xué)與研究工作。