張向華
摘 要:在渤海灣及其近域鉆井過程中,館陶組和東一段均鉆遇大段性硬、致密灰質(zhì)玄武巖,由于其可鉆性差,易于坍塌掉塊,給優(yōu)快鉆井帶來較大困難。通過分析其產(chǎn)生的機理、發(fā)生作用的特點,找到預防、解決的辦法,提高優(yōu)快鉆井速度。
關鍵詞:玄武巖 防塌 可鉆性 預防措施
中圖分類號:TE254 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)06(b)-0128-02
1 渤海玄武巖地層垮塌產(chǎn)生的機理及特點
1.1 井壁失穩(wěn)力學因素分析
通過構(gòu)造地質(zhì)學及巖石力學研究分析,玄武巖受構(gòu)造運動時產(chǎn)生的內(nèi)部預應力未得到充分釋放,地層內(nèi)部受力不均衡,在被打開形成井眼后,原始平衡狀態(tài)被破壞,壓力向井眼釋放而造成坍塌。其次是玄武巖地層存在非均質(zhì)性,既有原生作用,也有次生作用,還有外來圍巖的卷入,疏松多孔、硬而脆、松而軟的巖石交互出現(xiàn)。杏仁氣孔構(gòu)造發(fā)育,杏仁體多由方解石、蛋白石、綠泥石構(gòu)成,杏仁體的硬度與玄武巖的硬度差別較大,在鉆井過程中隨地層應力的釋放或激動壓力過大以及機械碰撞作用,極易在杏仁體等處產(chǎn)生應力集中,而導致玄武巖地層的垮塌掉塊。還有由于玄武巖地層存在微孔隙、微裂縫,通過壓力傳遞和自吸水實驗,由于玄武巖滲透率低,水力傳導速率小,孔隙壓力的變化不能迅速傳遞出去,導致近井壁地層巖石孔隙壓力升高,直接降低鉆井液支撐井壁的有效壓力,而且由于孔隙流體組分的變化,進一步誘發(fā)嚴重的黏土礦物水化效應,產(chǎn)生水化應力和改變巖石力學性質(zhì),促使玄武巖井壁失穩(wěn)坍塌[1]。
1.2 渤海灣玄武巖地層特點
為了探尋適用于渤海灣玄武巖地層的防塌措施,冀東油田對渤海灣M27-27井巖心的巖石結(jié)構(gòu)、礦物組成、水分含量、線膨脹率、回收率和穩(wěn)定指數(shù)等進行了分析。結(jié)果表明,該套巖層含有大量蛋白石等粘土礦物,且非均質(zhì)性嚴重,成分復雜,裂隙發(fā)育。
經(jīng)過調(diào)研和試驗數(shù)據(jù)分析,南堡地區(qū)的玄武巖巖石特性如下[2]。
(1)巖石主要為基性火山巖。其類型主要為晶屑凝灰?guī)r、玄武巖;結(jié)構(gòu)類型主要為粗玄(問粒)結(jié)構(gòu)、玻基交織結(jié)構(gòu)、晶屑間隱斑狀結(jié)構(gòu)以及去玻化的霏細結(jié)構(gòu)。
(2)巖石的主要礦物為基性斜長石、輝石類、簾石類、玻璃質(zhì)及微細磁鐵礦等不透明礦物;黑云母少見,可能與后生綠泥石化有關。
(3)次生變化主要表現(xiàn)為綠泥石化、綠簾石化、去?;?、硅化、碳酸鹽化;斜長石多蝕變成竹節(jié)狀,輝石多蝕變成破碎顆粒狀,斑晶多為污濁破碎狀。
(4)凝灰?guī)r屬于火山噴發(fā)期后火山物漂降堆積而成,后期蝕變嚴重。其結(jié)構(gòu)與泥巖類似,在鉆井過程中易造漿或掉塊。
2 渤海玄武巖地層防塌的鉆井技術
通過對海油渤海曹妃甸和南堡地區(qū)CFD1-1-X和NB31-3-1兩口井的鉆探發(fā)現(xiàn),在玄武巖地層遇到井下復雜情況導致鉆井非生產(chǎn)時間增多,CFD1-1-X下7”尾管在3 168 m因玄武巖垮塌遇阻,被迫起出尾管,損失時間高達150.75 h。渤海五號鉆井平臺在鉆遇此段玄武巖時機械鉆速很低,選用不同類型的12-1/4”PDC和牙輪鉆頭后,仍不甚理想,最低機械鉆速僅為0.6 m/h,三開平均機械鉆速比計劃低60%以上。
2.1 渤海玄武巖地層的失穩(wěn)與垮塌
南堡和曹妃甸地區(qū)館陶組和東一段玄武巖地層坍塌壓力較高,導致井壁失穩(wěn)、玄武巖脫落。南堡1號構(gòu)造的玄武巖地層較發(fā)育,據(jù)完鉆井資料得知,玄武巖厚度為195~785 m,而底礫巖則不發(fā)育。勘探初期鉆進館陶組玄武巖發(fā)達地區(qū)時,經(jīng)常出現(xiàn)井壁坍塌掉塊、井徑擴大、井漏、卡鉆等事故,影響了鉆井速度和油氣層保護。
CFD1-1-X井裸眼段因存在上漏、下塌兩套截然不同的壓力系數(shù),套管鞋以下井段大部分地層為砂巖,承壓能力低(地層漏失壓力當量密度1.33 g/cm3,地層破裂壓力當量密度1.34 g/cm3)。該井鉆穿玄武巖地層需要鉆井液密度1.28~1.30 g/cm3,方可保證井壁穩(wěn)定,玄武巖不致脫落坍塌。故在進入玄武巖地層頂部下9-5/8”技術套管,因而也增加了8-1/2”井眼長度和測井及下尾管等后續(xù)作業(yè)難度。
CFD1-1-X井13-3/8”表層套管鞋地層漏失壓力當量密度低(1.33 g/cm3),而館陶玄武巖垮塌當量密度低,需1.25~1.28 g/cm3密度的鉆井液穩(wěn)定地層,原設計進入東營下9-5/8”套管顯然不能滿足安全鉆進需要,及時調(diào)整了下9-5/8”套管深度,進入館陶玄武巖后停鉆,下9-5/8”套管。既防止了上部地層漏失,又保證了館陶組玄武巖鉆進作業(yè)安全。
渤海七號平臺CFD1-1-X井鉆玄武巖鉆井液密度1.28 g/cm3,基本無垮塌現(xiàn)象;渤海五號平臺NB31-3-1井1.28 g/cm3揭開玄武巖,但是在后續(xù)作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)玄武巖有垮塌現(xiàn)象,逐步將鉆井液密度提高到1.32 g/cm3,情況有所好轉(zhuǎn)?,F(xiàn)場通過提高鉆井液密度來平衡此段玄武巖的地層坍塌壓力,還加強了鉆井液封堵防塌能力,滿足力學防塌要求,同時盡可能避免在玄武巖井段的劃眼。
在鉆進過程中,該井段的鉆井液需要有強抑制、強封堵、低失水的性能?;谶@一認識,優(yōu)選出多元醇防塌鉆井液?,F(xiàn)場試驗結(jié)果表明,該鉆井液體系有效地保證了玄武巖井段的安全順利鉆進及井眼規(guī)則性。四開在鉆遇玄武巖地層前,補加1%~2%的單項壓力封閉劑和1%的防塌材料,以提高鉆井液的防塌性能,同時把鉆井液的密度控制在1.25~1.28 g/cm3之間,并密切注意振動篩巖屑返出情況。在進入油氣層前,加入1%單向壓力封閉劑和油溶性暫堵劑。每次起下鉆后,配20 m3新鉆井液補入井漿內(nèi),以改善鉆井液的造壁性能。電測前加入2%塑料小球,保證電測順利。
下部地層可鉆性差,易于坍塌掉塊;玄武巖地層多且段長,井底溫度高,古潛山地層易發(fā)生井漏、井噴事故。根據(jù)該井特點,全井采用防塌聚合物鉆井液、聚合物正電聚醇鉆井液和正電聚醇-甲酸鹽鉆井液體系。結(jié)果表明,該體系具有良好的抑制性和潤滑防塌性能,抗鹽抗高溫穩(wěn)定性強,維護簡單,安全環(huán)保,適合于海上鉆井的需要。
現(xiàn)場施工時主要措施如下。
(1)保持泥漿中抑制劑的加量,同時控制較低的失水(API<4 mL)。
(2)加入PF-SMP C,PF-PAC LV降低泥漿的失水;加入低熒光PF-TEX IC改善泥餅質(zhì)量,以及增強體系的防塌能力;加入PF-LPF增加泥漿的封堵能力;加入PF-LUBE和PF-GRA提高泥漿潤滑性。
(3)按地層實際壓力,調(diào)整好鉆井液密度,保證性能穩(wěn)定,密切注意振動篩返砂情況。
(4)合理使用固控設備,最大限度清除泥漿中的有害固相,保持泥漿合適的般土含量MBT=35~45 g/L,保持泥漿的流態(tài)。
(5)加入1%~2%的甲酸鉀調(diào)整泥漿的流態(tài),提高泥漿的抑制性。
2.2 渤海玄武巖地層的可鉆性
在南堡和曹妃甸地區(qū)館陶組和東一段均鉆遇大段性硬、致密灰質(zhì)玄武巖,玄武巖極易坍塌且可鉆性極差。分析玄武巖地層可鉆性的目的在于提高鉆井機械鉆速,爭取快速鉆過玄武巖地層,降低玄武層裸眼段暴露在鉆井液中的浸泡時間,從而減少因玄武巖地層的垮塌造成的風險。
NB31-3-1井在館陶組和東一段2 014~2 540 m,鉆遇大段性硬、致密火成巖,而且分布范圍廣,以玄武角礫巖為主,巖性致密堅硬,破裂壓力普遍大于泥質(zhì)巖,是該區(qū)的區(qū)域性優(yōu)質(zhì)蓋層。致密堅硬的巖性導致其可鉆性極差。
渤五平臺在選用幾種不同類型的12-1/4”PDC和牙輪鉆頭后,仍不甚理想,機械鉆速僅為0.6~8.1 m/h不等,三開平均機械鉆速比計劃低60%以上。從2 014 m鉆進至2 873 m歷時18 d。比正常鉆進速度多耗時15 d左右。而渤七CFD1-1-2井在此段選用的DBS的8-1/2”FM3553PDC鉆頭,鉆進井段1 825~2 736 m,采用小鉆壓和低轉(zhuǎn)數(shù),機械鉆速達20.14 m/h,巖性亦為性硬、致密灰質(zhì)玄武巖和凝灰?guī)r。
可見不同鉆頭選型(尺寸、類型、布齒等)和配套的鉆井工藝,鉆進效果差異很大。現(xiàn)場應優(yōu)選更適合鉆玄武巖的PDC鉆頭;研究一套防塌性能強的,適合低電阻率井段的鉆井液體系。
3 渤海玄武巖地層防塌措施的認識和總結(jié)
針對渤海灣玄武巖段可能會發(fā)生垮塌等特點,結(jié)合冀東油田有益的鉆探實踐經(jīng)驗,鉆井工程在此地施工中采取的措施建議如下。
(1)鉆到玄武巖前提高鉆井液密度到坍塌壓力以上,提高鉆井液的粘度在60~65 s左右。調(diào)整鉆井液YP、Gel值,盡量維持YP在設計上限,提高鉆井液攜砂能力,確保井下干凈??梢赃m時適量用稠鉆井液清掃井眼,鉆進過程中不能用稀塞。在進入館陶組前進一步降低失水,防止水敏地層造漿,并增加鉆井液防塌和防漏性能。
(2)關注振動篩返出情況,如有黑色玄武巖掉塊返出,應立即分析下步措施,確定是否提高鉆井液密度,并及時調(diào)整鉆井液性能。
(3)鉆遇性硬、致密灰質(zhì)玄武巖和凝灰?guī)r時,參考同地區(qū)鉆井資料,優(yōu)化鉆頭選型(尺寸、類型、布齒等)和配套的鉆井工藝,優(yōu)選更適合鉆玄武巖的PDC鉆頭以提高鉆井機械鉆速,盡量減少玄武巖地層垮塌的風險。
(4)設計更為合理的井身結(jié)構(gòu),減少玄武巖的暴露時間,避免因垮塌周期造成的更多復雜情況。盡量避免在玄武巖井段的劃眼。
參考文獻
[1] 黃承建,王衛(wèi)國,喬國文,等.吐哈油田鹽膏層鉆井液技術[J].石油鉆探技術,2002,30(2):49,50.
[2] 馮京海,徐同臺,王富華,等.南堡油田館陶組玄武巖井壁失穩(wěn)機理和技術對策研討[J].石油鉆探技術,2008,25(5):1-4.