聶 臻 張振友 羅慧洪 鄒 科

1.中國石油集團科學技術研究院有限公司 2.中國石油中東公司哈法亞項目部

Jeribe—Kirkuk是伊拉克哈法亞油田的主力儲層之一，其上部的蓋層為厚約500 m的第三系（國內(nèi)已改稱古近系、新近系）Lower Fars高壓膏鹽層（以下簡稱Lower Fars層），其地層壓力系數(shù)高達2.25。該區(qū)鉆直井在Lower Fars層未發(fā)生嚴重的井下復雜情況，而穿越Lower Fars層的?311.2 mm定向井段的7口井在 MB3層出現(xiàn)了不同程度的井下復雜，主要表現(xiàn)為膏鹽層井壁失穩(wěn)導致的縮徑、超拉、卡鉆、卡套管和井漏，為定向井水平井開發(fā)Jeribe—Kirkuk儲層的鉆井作業(yè)帶來極大的困難與挑戰(zhàn)。筆者通過對Lower Fars鹽/膏/泥巖的力學特性、孔隙壓力、地應力大小以及不同巖性的礦物特征研究，建立Lower Fars層不同巖性地層井壁穩(wěn)定和井眼變形規(guī)律的數(shù)學模型和判定規(guī)則，模擬鉆井過程中的井眼變形規(guī)律，針對性地開展適用于膏鹽層定向鉆井的高密度飽和鹽水鉆井液體系，優(yōu)化定向井井眼軌跡與施工方案，進行了現(xiàn)場實施與應用，取得了較好的應用效果。

1 地質工程概況

1.1 地質分層及巖性特征

該區(qū)Jeribe—Kirkuk儲層深2 000 m左右，鉆遇地層自上而下分別為第三系的Upper Fars，以砂泥巖為主，厚度大于1 300 m；Lower Fars層，以石膏、鹽巖、泥頁巖夾層為主，厚度大于500 m，是區(qū)域蓋層，從上到下依次分為MB5層、MB4層、MB3層、MB2層、MB1層，其MB5—MB3層主要為泥巖和硬石膏互層，夾少灰?guī)r和鹽巖，MB2層主要為鹽巖，MB1層主要為硬石膏，Lower Fars層下部垂直距離介于10～15 m即為Jeribe—Kirkuk儲層，其定向井水平井需要在異常高壓的Lower Fars膏鹽層進行定向鉆井作業(yè)。

1.2 工程概況

該區(qū)以?914.4 mm鉆頭鉆至±25 m，下入?762.0 mm導管；定向井為四開結構，井身結構如表1所示。前期已鉆定向井的造斜點選擇在?311.2 mm井眼Lower Fars MB5層位，井深1 395 m左右，井斜角介于35°～70°，造斜率介于2°/30 m～4°/30 m，靶前位移500～800 m。

表1 鉆遇Jeribe—Kirkuk 主力儲層定向井的典型井身結構表

1.3 鉆井復雜情況

該區(qū)第1口定向井HF007-JK007在Lower Fars層定向造斜，出現(xiàn)了嚴重的井壁失穩(wěn)問題，在?311.2 mm井眼鉆至MB3層底部井塌卡鉆，側鉆后于MB3層位再次卡鉆，二次側鉆，共損失時間46 d；HF014-JK014D1井?311.2 mm井眼鉆至中完井深，劃眼時在2 120 m卡鉆，打水泥側鉆，共損失時間41.75 d。HF060-JK060H1與HF075-JK075H井下?244.5 mm套管在MB3層卡套管，提前下套管完井，井身結構由四開變?yōu)槲彘_，即在Lower Fars層下了兩層套管。事故復雜主要集中在?311.2 mm井眼Lower Fars MB3層，表現(xiàn)為縮徑、超拉、卡鉆、卡套管等，鉆井復雜事故情況如表2所示。

發(fā)生事故的定向井采用了直井用飽和鹽水聚合物鉆井液體系，與直井鉆過Lower Fars層技術措施相比，一方面鉆井液密度需要從2.25 g/cm3提高至2.35 g/cm3以穩(wěn)定地層，另一方面由于定向通過Lower Fars層所用時間長，鉆井液與膏鹽層及高礦化度地層水接觸時間長，體系更容易受到污染，導致鉆井液固相含量不斷增多，流變性能迅速惡化，先期采用的鉆井液體系在鉆遇Lower Fars層時，漏斗黏度由75 s快速升高至183 s，鉆井液性能如表3所示。表明采用Lower Fars層直井段鉆井所用的飽和鹽水高密度鉆井液配方及性能不能滿足Lower Fars層定向鉆井的要求，需要進一步提高鉆井液抗高價離子污染的能力，提高其抑制性和流變性。

綜合分析Jeribe—Kirkuk儲層已鉆井表明：Jeribe—Kirkuk 直井在Lower Fars膏鹽層未發(fā)生嚴重的井下復雜情況，但Jeribe—Kirkuk定向井在定向鉆遇Lower Fars膏鹽層的過程中出現(xiàn)了不同程度的井下復雜，主要表現(xiàn)為卡鉆、卡套管和井漏，主要集中在?311.2 mm井眼Lower Fars MB3層，主要原因是井壁失穩(wěn)造成的井塌卡鉆以及高密度情況下的黏卡，并隨著井斜的增大，鉆井液密度的升高，鉆井液性能的惡化（甚至失去流變性），進一步加劇鉆井復雜的發(fā)生，且一旦卡鉆，事故處理難度大，周期長。

2 鉆井難點及對策分析

根據(jù)Lower Fars層的特點及定向鉆井要求，該區(qū)定向井水平井鉆井面臨以下的難點與挑戰(zhàn)：

表2 在Lower Fars膏鹽層已鉆定向井水平井復雜統(tǒng)計表

表3 飽和鹽水聚合物鉆井液性能應用情況表

1） Lower Fars層為泥巖、石膏及純鹽交替互夾層，地層巖性復雜，井壁穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌、縮徑等井壁失穩(wěn)問題，定向造斜井段極易發(fā)生井塌、卡鉆、卡套管等事故。

2）工程實踐表明，定向鉆遇Lower Fars層時，鉆井液密度至少應提高至2.35 g/cm3以保證井壁穩(wěn)定；對超高密度鉆井液流變性、抑制防塌性、抗鹽鈣污染、潤滑性以及鉆井液性能的維護提出了較高要求。

3）井斜大，定向鉆井過程中扭矩大、坍塌、掉塊嚴重、阻卡頻繁，巖屑床清潔困難。

根據(jù)以上難點，制定了如下對策：

1）針對Lower Fars層的特性及開發(fā)定向井鉆井要求，開展Lower Fars鹽/膏/泥巖不同巖性的井壁穩(wěn)定研究，找出井壁失穩(wěn)的主控因素。

2）根據(jù)井壁失穩(wěn)機理，對目前Jeribe—Kirkuk定向井、水平井井眼軌道及鉆井工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計，降低井斜及膏鹽層定向段長度，減少摩阻和定向鉆井的難度，降低卡鉆和卡套管的風險。

3）針對膏鹽層特性及定向鉆井要求，開展超高密度飽和鹽水強抑制分散鉆井液體系的研究，提高并維護鉆井液在膏鹽層定向鉆井過程中的抑制性及流變性。

3 Lower Fars層膏鹽段井壁失穩(wěn)機理

通過對Lower Fars層的鹽巖、膏巖、泥巖的力學特性、孔隙壓力、地應力大小以及不同巖性的礦物特征研究，綜合考慮該地層鹽巖—硬石膏—泥巖互層特征，建立Lower Fars層井壁穩(wěn)定和井眼變形規(guī)律的數(shù)學模型和判定規(guī)則，模擬鉆井過程中的井眼變形規(guī)律，揭示出Lower Fars層井壁失穩(wěn)機理[1-7]。

1）Lower Fars層巖性變化大，巖石強度變化劇烈，其中硬石膏具有明顯的硬脆性，單軸抗壓強度高介于100～130 MPa，不具有蠕變和水化特性；鹽巖強度介于8～10 MPa，蠕變速率低；泥巖含蒙脫石、少量石鹽和硬石膏，強度介于20～40 MPa，干燥條件下其蠕變速率低于鹽巖，但具有明顯的水化特性，易導致縮徑和井壁坍塌，對井壁穩(wěn)定影響較大。

2）Lower Fars層中的泥巖由欠壓實導致異常高壓，地層壓力高達2.25 g/cm3，但500 m厚度的地層，其壓力變化較大。該層段從MB5小層開始逐漸起壓，達到高壓后在MB3層逐漸降低至1.48～1.66 g/cm3，之后壓力重新升高，進入MB2層后壓力恢復正常，故為防止鉆井及固井過程中井漏的發(fā)生，鉆穿MB2層（鹽層）后應迅速完鉆，MB1層0.5 m左右下入套管固井。

3）Lower Fars層的地應力水平較高，最小地應力當量密度介于1.70～2.37 g/cm3，最大地應力當量密度介于1.96～2.44 g/cm3，上覆巖層壓力當量密度介于2.41～2.47 g/cm3，該地層上覆巖層壓力與水平最大地應力之比為1.10左右，井壁力學失穩(wěn)的可能性較小；水平最大地應力方位介于N15°～E45°，隨方位角的變化，橫向地應力差異不大，說明方位角對該區(qū)定向井井壁穩(wěn)定性的影響較小，但井斜角是影響定向井井壁穩(wěn)定的主要因素，井壁失穩(wěn)隨井斜角的增大而增大，當井斜角超過55°后，井眼變形量急劇升高，鉆井風險增大。

4）井眼變形規(guī)律數(shù)值模擬分析表明，水平最大地應力方位井眼縮徑比水平最小地應力方位嚴重；泥巖層頂部和底部的縮徑比泥巖層中部嚴重，即巖性交界面更容易縮徑；泥巖井眼縮徑風險隨井斜角的增大，井眼變形量急劇升高，鉆井風險增大，臨界井斜角隨鉆井液密度和井眼鉆開時間而變化，其關系如圖1所示。

5）通過井壁穩(wěn)定研究，Lower Fars層中最易失穩(wěn)地層為泥巖，該地層直井和定向井維持力學穩(wěn)定的安全鉆井液密度窗口較寬，泥巖坍塌壓力介于2.13～2.27 g/cm3，泥巖破裂壓力介于2.58～3.23 g/cm3，如果鉆井液密度合理，一般不易發(fā)生純力學失穩(wěn)。

圖1 井斜角與鉆井液密度隨井眼鉆開時間的關系圖

6）Lower Fars層卡鉆的主因是泥巖水化后流變性增大，導致井眼縮徑，縮徑泥巖在鉆井過程中被破壞并拖拽相鄰硬石膏和鹽巖坍塌，形成鍵槽，加劇定向井卡鉆的風險。

根據(jù)以上的研究結果，提出該區(qū)定向井鉆井對策：

1）沿水平最小地應力方位鉆定向井水平井，有利于井壁穩(wěn)定。

2）根據(jù)靶前位移，盡量提高造斜點，降低Lower Fars層的井斜角及在Lower Fars層的定向井段；根據(jù)Lower Fars層井斜角及井眼鉆開時間，確定合適的鉆井液密度，以降低井眼縮徑卡鉆的風險。

3）提高鉆井液的抑制性、流變性和礦化度，提高高密度飽和鹽水鉆井液的抗鹽、鈣污染的能力。

4）為防止井壁坍塌造成的阻卡風險，鉆井過程中注意勤劃眼，抑制井眼縮徑導致的卡鉆；在高壓層完鉆后立即下入套管封隔上部地層（即進入MB1層0.5 m），降低井眼裸露時間，防止固井過程中漏失的發(fā)生。

4 定向井井眼軌道優(yōu)化設計

根據(jù)Lower Fars層井壁穩(wěn)定研究結果，進行定向井井眼軌道的優(yōu)化[8-13]，以JK045D2井為例，①井口坐標：736 077.37 m，3 506 327.0 m；A靶點坐標（深度1 910.6 m）：736 551.0 m，3 506 891.5 m；B靶點坐標（深度2 081.5 m）：2 081.5 m，736 621.0 m，3 506 974.9 m。②地層深度分別為：Upper Fars層為0～1 349 m，Lower Fars層為1 349～1 897 m，Jeribe—Kirkuk層為1 910～2 081 m。在相同的靶點及井口位置條件下，調(diào)整造斜點位置，設計3個井眼軌道方案，軌道優(yōu)化示意圖如圖2所示。

圖2 定向井井眼軌道穿越Lower Fars層方案圖

方案1：在Lower Fars層造斜，造斜點1 400 m，井斜角達到83.3°，該方案井斜角大，在Lower Fars層定向鉆井的井段較長，鉆井風險較大。

方案2：在Upper Fars層和Lower Fars層均造斜，造斜點1 000 m左右，在Upper Fars層造斜至38°左右，再在Lower Fars層造斜至47.7°穩(wěn)斜至靶點，該方案將井斜角從83.3°降低至47.7°。

方案3：在Upper Fars層開始造斜，造斜點600 m，在Upper Fars層直接定向至靶點，井斜32.5°，在Lower Fars層穩(wěn)斜至井底，Lower Fars層定向井段較方案1、2縮短約120 m，方案3不僅大幅降低井斜角，且在Lower Fars高壓膏鹽層井段為穩(wěn)斜井段，大大降低定向鉆井及定向井工具控制的難度與井壁失穩(wěn)的風險。

通過對定向井井眼軌道優(yōu)化，確定軌道方案為：造斜點上移至Upper Fars層，根據(jù)靶前位移，確定造斜點的位置在500～800 m的范圍類，在Upper Fars層完成造斜，在Lower Fars層穩(wěn)斜鉆進，井斜角盡量控制在55°以內(nèi)，造斜率控制在2.5°/30 m～4.5°/30 m的范圍內(nèi)。

5 超高密度飽和鹽水鉆井液技術優(yōu)化

為提高高密度飽和鹽水鉆井液抗鹽鈣能力，有效降低鉆井液的黏度和切力，提高鉆井液抗污染的能力，對鉆井液配方及外加劑進行優(yōu)化研究[14-16]。

5.1 加重劑摻量及配比的優(yōu)選

鉆井液中加入加重劑后，由于固—固和固—液摩擦會導致鉆井液黏度增加，通過優(yōu)化加重劑摻量、粒度大小、級配及組成，可減小因加重劑帶來的黏度效應，使鉆井液具有更好的流變性、濾失性等。為優(yōu)化加重劑的摻量及配比，以飽和鹽水為基漿，選擇重晶石與鐵礦粉為加重劑，進行表4的實驗。實驗結果表明，重晶石有利于鉆井液濾失量的控制，鐵礦粉有利于鉆井液流變性的調(diào)控，當重晶石和鐵礦粉混合使用，用重晶石配置鉆井液密度至1.80 g/cm3，再用鐵礦粉加重鉆井液密度至2.35 g/cm3時，鉆井液的黏度、切力及濾失量等性能較單用重晶石加重的鉆井液（配方2）性能好且加重劑摻量降低16%，故推薦配方5為Lower Fars高密度飽和鹽水鉆井液的加重劑的組成與摻量。

5.2 引入合成類聚合物稀釋劑

為優(yōu)化鉆井液的流變性能，有效降低鉆井液黏度與切力，室內(nèi)進行了鉆井液稀釋劑的優(yōu)選，不同稀釋劑對鉆井液流變性能影響如表5所示。

表4 不同摻量的重晶石和鐵礦粉對鉆井液性能的影響表

表5 各種稀釋劑對鉆井液流變性能的影響表

實驗表明：在高密度鉆井液（2.35 g/cm3）中，常規(guī)稀釋劑可降低塑性黏度，但對靜切力改善不明顯，而新型聚合物稀釋劑JNJ可明顯降低鉆井液的塑性黏度和靜切力?；瘜W結構分析表明，該新型稀釋劑可通過化學吸附和化學螯合作用吸附在加重劑顆粒表面，改變顆粒表面電勢，增加粒子之間的排斥力，破壞膨潤土和聚合物之間的網(wǎng)狀結構，更有利于高密度加重材料的分散，改善高密度水基鉆井液的懸浮穩(wěn)定性和流變性，更適用于低膨潤土含量的高密度飽和鹽水鉆井液。

5.3 引入新型聚胺抑制劑

高壓膏鹽層定向鉆井過程中，飽和鹽水鉆井液的強抑制性、抗Ca2+/Mg2+離子污染的能力、pH值（9～10）的維護都存在較大困難，通過大量篩選試驗，在體系中引入一種新型聚胺抑制劑BZ-HIB，該抑制劑分子量500萬～1 000萬，可完全溶于水，無增黏效應，能像K+一樣嵌入黏土層，抑制膨潤土的水化膨脹，也能通過氫鍵吸附在黏土表面抑制其水化，并能與其它處理劑發(fā)生協(xié)同和成膜效應，對頁巖和泥巖的分散具有很強的抑制性，頁巖回收率實驗表明：2%聚胺抑制劑頁巖恢復率可達到65.5%，而7%的KCl頁巖恢復率僅為50.7%，顯示其摻量低、抑制效果明顯；同時具有強堿性，能有效調(diào)節(jié)體系的pH值與濾失量，表6實驗結果顯示1% BZ-HIB能有效維持鉆井液的pH值介于8.5～9，有利于鉆井液的綜合性能的調(diào)整。

表6 新型聚胺抑制劑對鉆井液綜合性能的影響表

針對高密度飽和鹽水鉆井液在井下極易形成厚泥餅和假泥餅，且特別容易發(fā)生面—面聚結，變成大顆粒而聚沉的特點，在Lower Fars層定向鉆井過程中，鉆井液的維護原則應以護膠為主，降黏為輔；當鉆井過程中鉆井液出現(xiàn)黏度、切力和濾失量上升時，應及時補充護膠劑，聚合物膠液如低密度HPAN、NPAN的濃度應維護在1%，膨潤土含量應不大于20 g/L，Cl-濃度應保持在19×104ppm，KCl摻量維持在5%～8%的范圍內(nèi)，根據(jù)鉆井液的性能變化添加足量的新型抑制劑與稀釋劑，以維護和保持鉆井液的防污染能力和流變性能；井內(nèi)返出的鉆井液應嚴格經(jīng)過四級固控設備，最大限度除去無用固相，保證在?311.2 mm井眼的Lower Fars膏鹽層定向鉆井過程中高密度飽和鹽水聚合物鉆井液的性能始終滿足表7的性能要求。

6 現(xiàn)場實施及效果

目前現(xiàn)場采用優(yōu)化后的井眼軌跡，造斜點提高至?444.5 mm井眼Upper Fars層，井深600 m左右，最大井斜控制在55°左右，在Upper Fars層達到設計的井斜后，在?311.2 mm及?212.7 mm井眼穩(wěn)斜鉆至設計井深，應用優(yōu)化后的高密度鉆井液體系，進一步簡化?311.2 mm井眼高壓膏鹽層的鉆具組合和施工，直接采用螺桿鉆具（1.5°）+MWD代替之前為防止卡鉆在該井段采取的3套鉆具組合，即在造斜完成之后，還要換為常規(guī)穩(wěn)斜鉆具組合（帶隨鉆震擊器）或進一步簡化鉆具組合，甩掉扶正器，減少?203.2 mm鉆鋌數(shù)量，以保證在該層段順利的施工。目前現(xiàn)場分段實施過程為：二開?444.5 mm井眼采用常規(guī)鐘擺鉆具鉆至井深500 m（Upper Fars層）左右，采用螺桿鉆具（1.5°）+MWD開始定向，增斜至設計井斜，然后穩(wěn)斜鉆至Upper Fars層底部（大約深度：1 490 m MD/1 365 m TVD）中完；?311.2 mm井眼采用?311.2 mm螺桿鉆具+MWD的鉆具組合穩(wěn)斜鉆進，鉆進時嚴格監(jiān)控扭矩、掉塊情況，如發(fā)現(xiàn)異常，立即采用倒劃眼/正劃眼方式，不斷修正井壁，控制起下鉆速率，防止抽吸壓力過大導致溢流發(fā)生，鉆至中完后，反復短拉、劃眼，確認無遇阻后，起鉆，下入?244.5 mm套管固井，盡量降低鉆完井的風險。

表7 Lower Fars膏鹽層高密度鉆井液的性能要求表

現(xiàn)場采用優(yōu)化后的飽和鹽水鉆井液體系，隨?311.2 mm井眼井深和井斜的增加，鉆井液密度從2.22 g/cm3逐漸提高至2.35 g/cm3，鉆井液性能控制良好，漏斗黏度始終控制小于85 s，屈服值介于15～20 Pa，濾失量小于5 mL的范圍內(nèi)，保證了Lower Fars層的順利鉆進。

截至目前，該區(qū)共計完成定向井20口、水平井2口。通過優(yōu)化定向井鉆井及鉆井液技術，2016年完成的11口定向井與前期完成的7口井對比，?311.2 mm井眼事故復雜得到有效控制，卡鉆風險大幅降低，平均鉆井周期由前期的75 d，降低到目前的35.8 d，縮短52.8%，機械鉆速從平均3.3 m/h提高至7.33 m/h，提高122%；現(xiàn)場實施效果顯著，該技術可為高壓膏鹽層定向鉆井提供借鑒。

7 認識與結論

1）Lower Fars高壓鹽膏層井壁失穩(wěn)機理研究表明，該段巖性變化大，泥巖水化特性強，泥巖水化導致井眼坍塌、縮徑并拖拽相鄰硬石膏和鹽巖垮塌是造成井壁失穩(wěn)的主要原因，其中以膏層、鹽層與泥巖交界面失穩(wěn)風險最大。

2）Lower Fars層井壁變形失穩(wěn)隨井斜角和井眼鉆開時間的增大而增大，隨著井眼鉆開時間的延長，井壁失穩(wěn)的風險急劇增加，鉆井液密度應根據(jù)井斜角及井眼鉆開時間進行調(diào)整，以保證井壁的穩(wěn)定。

3）根據(jù)Lower Fars層井壁失穩(wěn)機理，將定向井造斜點由Lower Fars層提升至Upper Fars層，在Upper Fars層開始造斜，在Lower Fars層穩(wěn)斜，降低井斜和在Lower Fars層的定向段，進一步降低高壓膏鹽層定向鉆井的風險。

4）通過優(yōu)化高密度鉆井液加重劑的組成及摻量，引入聚胺抑制劑BZ-HIB及聚合物稀釋劑JNJ，可有效提高并維護超高密度飽和鹽水鉆井液在膏鹽層定向鉆井過程中的抑制性及流變性，保證在Lower Fars高壓膏鹽層的安全定向鉆井。

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