曹繼飛, 趙洪山, 余廣興, 劉 峰, 甘贈國
(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東 東營 257017; 2.中石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井公司,山東 東營 257100)
地?zé)豳Y源是指能夠被有效經(jīng)濟(jì)開發(fā)和利用的地?zé)崮?、地?zé)崃黧w及其有用組分,屬于清潔的可再生能源,具有分布廣、可直接利用的特點(diǎn)。我國是世界上地?zé)豳Y源儲量較大的國家之一,在低碳經(jīng)濟(jì)和石油資源日益緊張的壓力下,世界各個國家開發(fā)地?zé)豳Y源的力度不斷加大;我國高溫地?zé)豳Y源的開發(fā)利用程度相對較低,國家“十三五”規(guī)劃要求加快高溫地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展,積極開展高溫地?zé)岚l(fā)電應(yīng)用,提高地?zé)豳Y源消費(fèi)比重,形成相關(guān)技術(shù)序列、條件成熟進(jìn)行推廣應(yīng)用。
土耳其ECOLOG公司Geo2E地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目是中石化勝利石油工程公司承攬的首個高溫地?zé)徙@井大包項(xiàng)目,鉆井過程中面臨著諸多技術(shù)難題,目前已完成7口井的現(xiàn)場施工(一期4口,二期3口)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槲覈邷氐責(zé)衢_發(fā)鉆井施工提供有效借鑒。
土耳其高溫地?zé)峋┕さ陌⒗x希爾區(qū)域位于地中?!柴R拉雅地?zé)釒?,其熱儲層為中生?古生界的變質(zhì)巖及灰?guī)r,熱儲類型為水熱型,最高溫度為230 ℃。上部地層主要以新生界砂巖、礫巖為主,紅泥巖夾雜細(xì)沙巖、粉砂巖。該地區(qū)地質(zhì)分層如表1所示。
根據(jù)鄰近區(qū)塊完鉆井資料及區(qū)域地質(zhì)資料分析,該地區(qū)高溫地?zé)峋@井過程中面臨著一系列技術(shù)難點(diǎn),主要表現(xiàn)為:
表1 土耳其高溫地?zé)岬貙鱼@遇情況
(1)目的層地層較老,巖石硬度大,抗壓強(qiáng)度高,研磨性強(qiáng),使得單只鉆頭進(jìn)尺小,機(jī)械鉆速慢。鄰近區(qū)塊OB-61井基巖段地層鉆進(jìn)全部使用牙輪鉆頭為主,平均機(jī)械鉆速僅為2.5~3.5 m/h,使得鉆井周期較長。
(2)地溫梯度大,根據(jù)鄰井實(shí)鉆地層溫度情況,待鉆區(qū)塊500 m處預(yù)計(jì)100 ℃,井底預(yù)計(jì)在200 ℃ 以上,這就給鉆井工具、鉆井液體系及地面裝備的選擇提出了較大的挑戰(zhàn)。
(3)目的層地層壓力低,發(fā)育有裂縫、溶洞,局部含有CO2、H2S,鉆進(jìn)過程中極易發(fā)生上噴下漏的問題,鄰近區(qū)塊基巖地層鉆進(jìn)發(fā)生多次失返性惡性漏失。
(4)斷層發(fā)育明顯,地層傾角大,基巖井段井斜難以控制,直接影響鉆井質(zhì)量和效率。
(5)考慮高溫環(huán)境及建成井的壽命要求,高溫、易漏及腐蝕介質(zhì)多等問題對鉆井液性能、固完井質(zhì)量要求高。
井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證安全、快速鉆進(jìn)的前提,在充分借鑒相似區(qū)塊完鉆井施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,確定了區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則:(1)采用四開井身結(jié)構(gòu),表層套管下至250 m處,二開采用13in(1 in=25.4 mm)套管封固上部常溫地層,下至中新統(tǒng)中上部;(2)三開9in套管封固漏層、裂縫發(fā)育帶;(3)四開基巖井段定深完鉆,若進(jìn)入熱儲層發(fā)生失返性惡性漏失,強(qiáng)鉆50 m后完鉆。表2為該區(qū)塊某井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。
3.2.1 優(yōu)選鉆頭類型,提高全井機(jī)械鉆速
土耳其高溫地?zé)釁^(qū)塊上部沉積巖地層以砂巖、礫巖為主,下步基巖井段以灰?guī)r、變質(zhì)巖為主,鉆頭類型的優(yōu)選較為困難。針對區(qū)塊地層巖石特性,優(yōu)選鉆頭類型,在上部井段選用PDC鉆頭提高單只鉆頭機(jī)械鉆速和進(jìn)尺,基巖井段根據(jù)地層溫度情況優(yōu)選抗溫能力強(qiáng)、牙齒保徑和掌背加強(qiáng)的牙輪鉆頭,同時對比分析不同廠家牙輪鉆頭的經(jīng)濟(jì)效果,提高基巖井段鉆進(jìn)的經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)現(xiàn)高溫地?zé)峋母咝?、?jīng)濟(jì)鉆進(jìn)。以K4井為例,如表3所示,在1500~2109 m井段選用PDC鉆頭,單只鉆頭進(jìn)尺達(dá)到609 m,下部基巖井段采用抗高溫牙輪鉆頭,平均機(jī)械鉆速達(dá)3.5 m/h。
表2 土耳其高溫地?zé)峋斫Y(jié)構(gòu)
表3 K4井鉆頭使用情況
3.2.2 優(yōu)化鉆具組合,防斜與提速并舉
高溫地?zé)釁^(qū)塊基巖地層裂縫、斷層發(fā)育,地層傾角大,地層自然造斜能力強(qiáng),前期施工鉆進(jìn)過程中直井段井斜難以控制,下入螺桿糾斜且糾斜后井斜仍增長過快。針對后續(xù)施工井地質(zhì)特征,細(xì)化層段鉆具組合,在砂泥巖與基巖結(jié)合位置使用塔式鐘擺鉆具結(jié)構(gòu),進(jìn)入變質(zhì)巖層段,采用雙扶、三扶鉆具組合,起到較好的防斜效果。同時針對部分層段傾角較大的問題,在地層溫度較低層段提前下入小角度螺桿(不帶扶正器),將井斜控制在合理范圍,然后下入滿眼鉆具組合配合水力加壓器來控制井斜的增長,達(dá)到防斜與提速并舉。以K3井為例,通過使用優(yōu)化后的鉆具組合,在1700~2500 m易斜井段將井斜控制在3°以內(nèi),滿足了甲方設(shè)計(jì)要求。
高溫地?zé)峋畬︺@井液體系性能要求較為嚴(yán)格,施工區(qū)塊上部地層為砂泥巖,易水化分散,同時壓力系數(shù)低,容易發(fā)生漏失,攜帶困難等,選用抑制性聚合物鉆井液體系,以解決軟泥巖分散導(dǎo)致的鉆井液流型差、固相含量難以控制等難題,同時減少了因流型調(diào)整產(chǎn)生的鉆井液排放量,降低環(huán)保壓力。
針對下部基巖地層地層壓力系數(shù)低、高溫、易漏等問題,優(yōu)選了抗高溫低固相聚合物鉆井液體系。該體系具有低密度、低粘度、低切力、低濾失、耐溫能力強(qiáng)等特點(diǎn),選用的抗高溫的處理劑可以在長時間高溫下不會降解失效。施工前,在套管內(nèi)利用配置好的抗高溫聚合物膠液,一次性將鉆井液的MBT降至20 g/L左右,密度降至1.08 g/cm3、粘度40 s、切力降至2~7 Pa、濾失量6 mL、pH值保持在9.5以上。調(diào)整好鉆井液性能后開始鉆進(jìn),鉆進(jìn)過程中,根據(jù)實(shí)際情況及時補(bǔ)充配置好的抗高溫聚合物膠液,并利用三級固控設(shè)備清除鉆井液中的有害固相,保持鉆井液的低固相。同時自主設(shè)計(jì)了鉆井液冷卻裝置,采取多種措施保證鉆井液出口溫度在合理范圍內(nèi)。
現(xiàn)場應(yīng)用表明該體系性能穩(wěn)定,具有強(qiáng)抑制性、良好的流變性和潤滑性能、性能穩(wěn)定周期長、維護(hù)工藝簡單等特點(diǎn),滿足了該地區(qū)高溫地?zé)崾┕ぜ夹g(shù)要求。
土耳其高溫地?zé)峋@井施工過程中存在一系列風(fēng)險(xiǎn),主要表現(xiàn)為:上部大井眼憋跳鉆嚴(yán)重,對鉆具及鉆頭損害較大,容易造成斷鉆具、卡鉆等復(fù)雜情況;全井段都有井漏風(fēng)險(xiǎn),特別是熱儲層有可能發(fā)生只進(jìn)不出的漏失,存在沉砂卡鉆的風(fēng)險(xiǎn);熱儲層溫度高,易產(chǎn)生閃蒸或停待時間長發(fā)生蒸汽井噴,可能會發(fā)生CO2等酸性氣體氣侵,并且鉆井液因溫度高流變穩(wěn)定性變差。
針對以上問題,結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn),從工程風(fēng)險(xiǎn)控制、井漏風(fēng)險(xiǎn)控制、井控及鉆具風(fēng)險(xiǎn)控制三方面著手,總結(jié)形成了適合該地區(qū)的高溫地?zé)岚踩@井技術(shù)。
3.4.1 工程風(fēng)險(xiǎn)控制
上部大尺寸井眼鉆進(jìn)加裝減震器,減少憋跳鉆等現(xiàn)象;三開及四開鉆進(jìn)時使用滾輪扶正器,簡化鉆具結(jié)構(gòu),降低扭矩以減少斷鉆具情況的發(fā)生。鉆頭使用方面嚴(yán)格遵循施工方案,在目的層鉆進(jìn)時選用抗溫性能好、強(qiáng)耐磨的牙輪鉆頭,保證井下安全。
3.4.2 井漏風(fēng)險(xiǎn)控制
針對可能發(fā)生的井漏風(fēng)險(xiǎn),非熱儲層以橋漿堵漏為主,水泥堵漏為輔;熱儲層發(fā)生井漏,以補(bǔ)充清水聚合物為主,堅(jiān)持鉆進(jìn),上提下放鉆具觀察沉砂情況,如有放不到底或摩阻扭矩增大情況發(fā)生,則及時停鉆、泵入高粘聚合物鉆井液清掃井底、保證井下安全。
固井過程若發(fā)生失返,先注一定數(shù)量尾漿,保證套管鞋處固井質(zhì)量,再從環(huán)空注清水頂替漏層以上水泥漿進(jìn)漏層,保證通道暢通,待漏層下水泥漿稠化后,再從環(huán)空注足量的低密度水泥漿,保證水泥返高滿足要求。
3.4.3 井控及鉆具風(fēng)險(xiǎn)控制
高溫地?zé)峋@進(jìn)過程熱儲層易發(fā)生井漏、井涌并誘發(fā)出井噴。鉆進(jìn)過程中隨鉆監(jiān)測和一次井控工作至關(guān)重要,需密切關(guān)注鉆井液進(jìn)出口溫度與密度變化、液面及返出流量變化、懸重、鉆速及砂樣狀況等。同時為防止井口滲漏蒸汽傷人,安裝易于開關(guān)的井口設(shè)備,控制裝置置于地面以上,做到遠(yuǎn)程控制。準(zhǔn)備10倍于井內(nèi)最大容積的冷水,必要時采用“冷水控噴”。
鉆具安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要包括:(1)制定好軌跡控制措施,保證井眼“狗腿度”盡可能??;(2)起下鉆對易疲勞井段鉆具進(jìn)行倒換,減少長期疲勞損傷情況;(3)計(jì)算鉆具震動區(qū)間,加裝合適的減震器、穩(wěn)定器以保護(hù)鉆具。
目前土耳其高溫地?zé)徙@井大包項(xiàng)目已完成7口井的鉆井施工,高溫地?zé)徙@井提速、抗高溫鉆井液及安全鉆井技術(shù)的應(yīng)用起到了很好的效果,從表4中可以看出,2800 m左右施工井鉆井周期較項(xiàng)目初期減少5~10 d,且施工井全部實(shí)現(xiàn)盈利,施工經(jīng)驗(yàn)的積累和鉆井關(guān)鍵技術(shù)的成熟應(yīng)用能夠?yàn)槎陧?xiàng)目后續(xù)施工井的高效進(jìn)行提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。
表4 土耳其高溫地?zé)峋?jīng)濟(jì)評價總結(jié)
(1)高溫地?zé)徙@井關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用為土耳其高溫地?zé)岣咝с@井提供了技術(shù)保障,但仍存在基巖井段機(jī)械鉆速慢的問題,下步將吸取石油鉆井硬地層提速經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水力加壓器、扭沖工具等提速工具的推廣,進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速,縮短鉆井周期。
(2)鉆頭類型的優(yōu)選是基巖地層高效提速的關(guān)鍵,下步將根據(jù)該地層特性進(jìn)行耐磨混合鉆頭的研發(fā)及優(yōu)化,提高基巖地層的鉆井速度。
(3)卡鉆、井漏及井控風(fēng)險(xiǎn)的控制對高溫地?zé)岚踩@進(jìn)至關(guān)重要,建議制定相應(yīng)的高溫地?zé)岚踩@進(jìn)技術(shù)規(guī)范,進(jìn)一步提高高溫地?zé)徙@井過程的安全性。