李炎軍 吳 江 黃 熠 羅 鳴

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)及其實踐效果

李炎軍 吳 江 黃 熠 羅 鳴

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

李炎軍,吳江,黃熠，等.鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)及其實踐效果[J].中國海上油氣，2015,27(4)：102-106.

Li Yanjun,Wu Jiang,Huang Yi,et al.Key technology and application of HTHP drilling in mid-deep formations in Yinggehai basin[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(4):102-106.

針對鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井過程中存在的地層壓力預(yù)測精度低、井身結(jié)構(gòu)要求高、高壓井段泥餅質(zhì)量差、粘塑性地層可鉆性差等難題，通過多機制復(fù)合計算方法預(yù)測地層壓力、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、套管選材、機械鉆速提高、鉆井液優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了一套適用于該地區(qū)中深層高溫高壓鉆井技術(shù)體系，已在該地區(qū)中深層19口高溫高壓井的鉆井作業(yè)中成功應(yīng)用，實現(xiàn)了鉆井作業(yè)時效高、事故率低、費用控制合理的目標(biāo)。目前這一技術(shù)體系已推廣到瓊東南盆地高溫高壓鉆井作業(yè)中，可為今后類似地區(qū)高溫高壓井的鉆井作業(yè)提供借鑒。

鶯歌海盆地；中深層；高溫高壓；地層壓力預(yù)測；井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化；套管選材；機械鉆速提高；鉆井液優(yōu)化

鶯歌海盆地中深層具有溫度高(150℃)、壓力高(地層孔隙壓力68.95 MPa)和安全壓力窗口窄(孔隙壓力和破裂壓力安全窗口壓力系數(shù)僅0.3)的特點，加之海上作業(yè)環(huán)境的限制，給鉆井作業(yè)帶來很大挑戰(zhàn)[1]。研究表明，高溫高壓鉆井作業(yè)風(fēng)險因素較多[2-6]，采取單一措施很難滿足高溫高壓鉆井作業(yè)要求。例如，高溫高壓地層因安全壓力窗口窄，迫使采用非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)[7-10]；高密度鉆井液性能調(diào)控難，高溫易使鉆井液處理劑裂解，造成體系性能惡化[11-12]；高密度水泥漿注水泥期間易發(fā)生井漏、插旗桿等復(fù)雜情況，同時因泥餅清除困難，影響固井膠結(jié)質(zhì)量[13-16]。

近年來，針對鶯歌海盆地中深層的地質(zhì)特征，中海石油(中國)有限公司湛江分公司先后在地層壓力預(yù)測、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、套管選材、鉆井提速、固井及鉆井液等方面進行了—系列技術(shù)攻關(guān)研究，并通過現(xiàn)場的實踐和優(yōu)化，逐步摸索形成了一套適應(yīng)于該地區(qū)高溫高壓地層特點的新的鉆井技術(shù)體系，并在該地區(qū)中深層19口高溫高壓井鉆井作業(yè)中取得成功應(yīng)用，從而實現(xiàn)了該地區(qū)高溫高壓探井鉆井作業(yè)時效高、事故率低、費用控制合理的目標(biāo)。本文是對鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)與實踐的總結(jié)，旨在為今后海上類似高溫高壓井鉆井作業(yè)提供借鑒。

1 中深層高溫高壓鉆井面臨的難題

鶯歌海盆地中深層構(gòu)造特征受泥底辟活動影響，黃流組二段為主要目的層(以灰色細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，夾灰色泥巖)，井底最高溫度在150℃左右，最大地層壓力系數(shù)達2.0，高溫高壓帶來的鉆井難題主要表現(xiàn)在以下方面：

1) 鶯歌海盆地地處區(qū)域性活動斷裂交匯處，地應(yīng)力各向異性強，傳統(tǒng)的壓力預(yù)測方法由于對壓力機制認識不清，僅根據(jù)地球物理資料對單點地層壓力進行預(yù)測的精度差，使鉆井設(shè)計與地層實際情況匹配性不好，易造成鉆井液密度設(shè)計不合理而發(fā)生井涌、井漏等復(fù)雜情況，導(dǎo)致被迫下套管或增加非常規(guī)套管結(jié)構(gòu)，嚴重影響鉆井工程安全和效率。

2) 鶯歌海盆地主要目的層段井底壓力高(最大地層壓力系數(shù)達2.0)、壓力窗口窄(孔隙壓力和破裂壓力安全窗口壓力系數(shù)僅0.3)，對鉆井井身結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，在鉆開高壓地層之前要求上部技術(shù)套管具有足夠的承壓能力，同時鉆井過程中要嚴格控制當(dāng)量循環(huán)密度以免壓漏地層。

3) 鶯歌海組二段到黃流組上部的泥巖段易水化，易造成井眼水化膨脹、巖屑成團、成球，從而發(fā)生起鉆困難等復(fù)雜情況。同時，高壓目的層井段鉆井液密度高，固相含量高，泥餅虛厚，易造成儲層污染而影響油氣發(fā)現(xiàn)。

4) 高溫高壓井段鉆進時，高密度鉆井液引起的壓持效應(yīng)以及地層隨著溫度壓力升高使粘塑性增強，容易導(dǎo)致機械鉆速低、時效低。

2 高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)及其實踐效果

2.1 多機制復(fù)合計算方法預(yù)測地層壓力

針對單純欠壓實機制計算方法預(yù)測的地層壓力精度低的問題，通過多舉措逐漸摸索形成了多機制復(fù)合計算方法預(yù)測超壓成因地層壓力，即：根據(jù)微電阻率井周成像資料分析鉆井誘導(dǎo)縫或井壁崩落現(xiàn)象，得到地層各主應(yīng)力方向；依據(jù)高精度的鉆井地質(zhì)模型，對變形介質(zhì)進行力學(xué)強度賦值和應(yīng)力模擬，構(gòu)建三維構(gòu)造應(yīng)力；基于三維鉆井地質(zhì)體和構(gòu)造應(yīng)力體，形成靶區(qū)三維地層壓力體，輸出一維或二維地層壓力剖面，指導(dǎo)鉆前鉆井設(shè)計；通過鉆井地質(zhì)建模和構(gòu)造應(yīng)力建模，獲取它源超壓參數(shù)。對比表明，多機制復(fù)合計算方法解決了只考慮欠壓實作用地層壓力預(yù)測精度不高的問題，地層壓力預(yù)測相對誤差在5%以內(nèi)(表1)，為合理設(shè)計井身結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

表1 多機制復(fù)合計算方法與單純欠壓實計算方法預(yù)測地層壓力精度對比

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3 套管選材

高溫高壓鉆井套管選材要以避免環(huán)空帶壓、保證井筒完整性為原則，考慮到高溫高壓的影響，強度校核安全系數(shù)較常規(guī)井要求高[3]。高溫工況下鋼材會發(fā)生強度衰退，且不同鋼種、磅級的材料強度的降低梯度差別較大，須根據(jù)儲層溫度對應(yīng)的材料彈性模量、屈服強度和極限強度重新計算套管強度和安全系數(shù)，且安全系數(shù)值應(yīng)符合規(guī)定值。在套管強度滿足要求的前提下，盡可能選擇壁厚的套管，有利于套管磨損后剩余強度的保證。

對于高溫氣井工況，螺紋選擇尤為關(guān)鍵，應(yīng)考慮接頭的抗溫密封性能及連接強度，其中尾管及上層技術(shù)套管通常選擇氣密性螺紋，生產(chǎn)套管螺紋要求抗拉、抗壓、抗擠等連接強度達到管體的100%。

此外，套管選材還要考慮儲層的腐蝕環(huán)境。鶯歌海盆地中深層儲層高含CO2(CO2分壓值平均高達8.76 MPa),對于碳含量高的鋼材易造成點蝕，因此生產(chǎn)套管尾管段宜采用碳含量低的超級13Cr及改良型13Cr材質(zhì)，回接部分可以采用普通13Cr材質(zhì)。

2.4 機械鉆速提高

高密度鉆井液體系易造成壓持效應(yīng)，導(dǎo)致重復(fù)切屑，降低鉆頭切屑效率[4-5]。同時，高密度鉆井液造成的液柱壓力增大(黃流組地層液柱壓力最高達64 MPa)，會導(dǎo)致巖石塑性強度增大。通過系統(tǒng)分析鶯歌海盆地高溫高壓氣田難鉆地層的分布規(guī)律及巖性特征，研發(fā)出了適合高溫高壓條件下的提高機械鉆速的新型PDC鉆頭(圖1)。新型PDC鉆頭切屑齒強度高、切屑齒大，采用4刀翼分布，并且鉆頭出刃度高、布齒密度低，配套使用水力脈沖空化射流提速技術(shù)，使機械鉆速得以明顯改善(圖2)。據(jù)統(tǒng)計，2011年鶯歌海盆地中深層所鉆22口探井的高溫高壓井段平均機械鉆速由2.12 m/h提高到了5.32 m/h，提高幅度非常明顯。

2.5 鉆井液優(yōu)化

油基鉆井液在高溫高壓井鉆井過程中穩(wěn)定性較好，但維護費用高、環(huán)保風(fēng)險大，限制了其在海上的使用。因此，鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井過程中優(yōu)選使用了水基改良型抗高溫鉀基聚磺鉆井液體系，該體系配方以抗高溫降失水劑和抗高溫穩(wěn)定性材料為主，抗高溫能力達180℃以上。現(xiàn)場應(yīng)用過程中，針對鶯歌海組至黃流組灰色泥巖和灰色粉砂質(zhì)泥巖活性較高、水敏性極強、易粘結(jié)成團的特點，優(yōu)選使用聚丙烯酰胺膠液及液體聚胺提高鉆井液抑制性，解決了鉆井期間井眼縮徑、起泥團、鉆具泥包的問題。同時，針對高密度鉆井液易出現(xiàn)虛厚泥餅的問題，引入新型抗高溫穩(wěn)定劑來改善有機樹脂類加量，并選用有機鹽類降濾失劑，提高了泥餅質(zhì)量(圖3)。

圖1 適用于鶯歌海盆地中深層新型PDC鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型鉆頭應(yīng)用前后鶯歌海盆地高溫高壓井段機械鉆速對比

圖3 鶯歌海盆地高溫高壓井鉆井液優(yōu)化前后性能對比

2.6 壓穩(wěn)防竄固井

圖4 無膠乳和加入18%膠乳后水泥漿防竄能力對比

表2 DF13-1-5φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量評價結(jié)果表

3 結(jié)束語

鶯歌海盆地中深層高溫高壓鉆井關(guān)鍵技術(shù)先后在該地區(qū)19口高溫高壓井中成功應(yīng)用，實現(xiàn)了鉆井作業(yè)時效高、事故率低、費用控制合理的目標(biāo)。目前這一技術(shù)體系已推廣到瓊東南盆地具有高溫高壓特征地層的鉆井作業(yè)中，取得了良好的應(yīng)用效果，可為類似地區(qū)高溫高壓井的鉆井作業(yè)提供借鑒。

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(編輯：孫豐成)

Key technology and application of HTHP drilling in mid-deep formations in Yinggehai basin

Li Yanjun Wu Jiang Huang Yi Luo Ming

(ZhanjiangBranchofCNOOCLtd.,Zhanjiang,Guangdong524057,China)

Aiming at the technical difficulties in the HTHP drilling operations in mid-deep formations of Yinggehai basin, such as the low accuracy in pressure prediction, high requirements on wellbore structure, poor mud cake quality along high pressure hole intervals, poor drillability of viscoplastic formations, compounded research in multiple-mechanism prediction of formation pressure, casing program optimization, casing material selection, ROP improvement and drilling fluid optimization was conducted, and an integrated system of drilling technology suitable for HTHP mid-deep formations was developed. It has been successfully applied for HTHP formations in 19 wells, with high drilling efficiency, low accident rate and reasonable cost control goals achieved. Currently, the technology system has been disseminated to HTHP formations in Qiongdongnan basin and provides a reference for HTHP drilling operations in other similar regions in the future.

Yinggehai basin; mid-deep formation; HTHP; formation pressure prediction; casing program optimization; material selection; ROP improvement; drilling fluid optimization

李炎軍，男，高級工程師，2003年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油鉆井管理工作。地址：廣東省湛江市坡頭區(qū)22號信箱(郵編：524057)。E-mail:liyanjun@cnooc.com.cn。

1673-1506(2015)04-0102-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2015.04.014

TE242

A

2014-11-25 改回日期：2015-05-04