譚 瑋 羅成波 齊從麗 彭紅利
中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院
火山巖是指巖漿冷卻后(地殼噴出的巖漿,或者被融化的現(xiàn)存巖石)成形的一種巖石,常見有凝灰?guī)r、玄武巖、流紋巖、安山巖、輝綠巖等,此類巖石較為堅(jiān)硬,鉆進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)鉆速低、井漏、井塌等問題,對(duì)鉆井工程影響較大。洛帶構(gòu)造永勝1井是一口初探直井,完鉆井深6 982 m,在二疊系鉆遇火山巖巖體,巖性為火山角礫巖、凝灰?guī)r、玄武巖,夾薄層泥晶灰?guī)r[1]。為了實(shí)現(xiàn)二疊系火山巖氣藏的有效開發(fā),需要解決如何更好地封固火山巖以上的復(fù)雜壓力體系、如何高效且安全地鉆完火山巖地層、如何克服孔洞、裂縫發(fā)育地層的嚴(yán)重井漏等難題。分析原因認(rèn)為峨眉山玄武巖巖性成分差異性大,且非均質(zhì)性強(qiáng),同時(shí)孔、洞、裂縫發(fā)育,受鉆井液浸泡影響大,部分井段坍塌壓力大于地層孔隙壓力導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。因此,以巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)模型、三壓力剖面為基礎(chǔ),以安全、快速鉆進(jìn)為目標(biāo),形成了復(fù)雜壓力系統(tǒng)火山巖鉆井技術(shù)方案,對(duì)于推進(jìn)四川盆地火山巖的勘探開發(fā)具有重要意義。
1)深部地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜,火山巖鉆進(jìn)安全密度窗口窄。火山巖埋深大于6 000 m,上部地層壓力體系復(fù)雜,峨眉山玄武巖地層鉆進(jìn)中發(fā)生多次氣侵、高壓鹽水侵,2次加重才壓穩(wěn)地層,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆井液密度選擇以及安全鉆進(jìn)面臨挑戰(zhàn)。
2)火山巖地層巖石可鉆性差。峨眉山玄武巖組地層巖性復(fù)雜,層厚,研磨性強(qiáng)[2];永勝1井在該層段使用鉆頭8只,機(jī)械鉆速僅1.21 m/h。
3)地層易漏失,且漏層承壓能力不高。峨眉山玄武巖屬于硬碎性地層,對(duì)液柱壓力敏感;實(shí)鉆過程中鉆遇裂縫性漏失,累計(jì)漏失鉆井液135.38 m3,通過2次橋堵才恢復(fù)鉆進(jìn)。
4)井壁穩(wěn)定差。峨眉山玄武巖地層破碎、滲透性好,易引起卡鉆;后期在電纜測(cè)井時(shí)遇卡,導(dǎo)致電纜拉斷;下尾管接立柱過程中發(fā)生粘卡現(xiàn)象。
5)儲(chǔ)層保護(hù)困難。火山巖巖性復(fù)雜,裂縫發(fā)育,裂縫不僅是油氣運(yùn)移成藏的主要通道,也是鉆進(jìn)中造成漏失的重要原因;角礫巖、凝灰?guī)r、玄武巖等裂縫性地層的儲(chǔ)層保護(hù)難度大[3-4]。
對(duì)永勝1井峨眉山玄武巖組(巖心)進(jìn)行了全巖分析、常規(guī)物性測(cè)試、三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)[5]。結(jié)果表明峨眉山玄武全巖礦物主要以普通輝石(平均38%)為主,斜長石、白云石、方解石、鉀長石等為輔,其黏土礦物平均為14.4%。黏土主要以綠泥石為主,大部分高于60%,并夾雜大量的綠/蒙混層。巖石密度平均2.546 g/cm3,孔隙度平均值為18%;滲透率介于0.04~21.2 mD,孔隙度與滲透率存在正相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性較差,表明巖石物性受裂縫影響明顯[5]。同時(shí)巖石硬度受鉆井液浸泡影響較為明顯。三軸抗壓結(jié)果其內(nèi)聚力平均為15.75MPa,內(nèi)摩擦角平均為30.98°。巖心抗拉強(qiáng)度平均為4.20 MPa(表1)。
表1 峨眉山玄武巖組巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表
根據(jù)預(yù)測(cè)模型,利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),建立巖石力學(xué)特征剖面,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示,其特征如下:①各參數(shù)隨著埋深的增大而增大,巖石強(qiáng)度按陸相、峨眉山玄武巖組、海相順序依次增大;②各參數(shù)值與聲波時(shí)差、巖石密度相關(guān)性好;③陸相地層力學(xué)性質(zhì)較海相穩(wěn)定;④峨眉山玄武巖的巖石力學(xué)參數(shù)差異性大,巖石非均質(zhì)性強(qiáng)。
表2 永勝1井巖石力學(xué)剖面統(tǒng)計(jì)表(平均值)
剖面顯示全井段坍塌壓力<孔隙壓力<破裂壓力(圖1),井眼坍塌概率小,井壁較穩(wěn)定。本井段鉆井無明顯坍塌、卡鉆等復(fù)雜情況,平均井徑擴(kuò)大率符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
1)破裂壓力:峨眉山玄武巖組平均破壓梯度3.08 MPa/100 m;海相巖石強(qiáng)度>峨眉山玄武巖組>陸相,海相、峨眉山玄武巖組破裂壓力急劇升高,陸相平均破壓梯度2.40 MPa/100 m、海相平均破壓梯度3.21 MPa/100 m;永勝1井峨眉山玄武巖組6380~6 432 m實(shí)施酸化壓裂,井口壓力83 MPa時(shí),排量微小,幾乎沒壓開地層。
2)坍塌壓力:壓力高值區(qū)與擴(kuò)徑段對(duì)應(yīng)性較好,6 478~6 500 m井段擴(kuò)徑較大,預(yù)測(cè)該井段坍塌壓力1.76 MPa/100 m,微大于地層孔隙壓力。
3)孔隙壓力:峨眉山玄武巖以上地層壓力系數(shù)介于1.0~1.8MPa/100 m,其中雷口坡組的地層壓力系數(shù)為1.1~1.3 MPa/100 m,峨眉山玄武巖壓力系數(shù)1.8~2.0 MPa/100 m。
圖1 永勝1井三壓力剖面圖
井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鉆井提速影響很大[6]。四川盆地初探井永勝1井采用新型超深井鉆頭程序:一開采用?444.5 mm鉆頭鉆至蓬萊鎮(zhèn)中部;二開采用?333.4 mm鉆頭鉆完上部陸相地層,封過雷四段頂部風(fēng)化殼破碎地層;三開采用?241.3 mm鉆頭鉆至峨眉山玄武巖頂部;四開采用?165.1 mm鉆頭鉆穿峨眉山玄武巖;五開鉆達(dá)地質(zhì)要求井深。
從實(shí)鉆情況來看,二開井眼尺寸大,為?333.4 mm,裸眼井段長,共3 622 m。因此井眼清潔難度大,起下鉆阻卡頻繁,多次進(jìn)行長距離劃眼。故對(duì)上部地層的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn):加深導(dǎo)管下深建立淺層井控,加深一開?444.5 mm的井眼深度,以縮短二開裸眼段長,有效封閉陸相地層;同時(shí)減小二開井眼尺寸,改為?320 mm井眼,便于陸相地層提速;三開采用?241.3 mm鉆頭,進(jìn)入峨眉山玄武巖頂部,卡準(zhǔn)儲(chǔ)層,有利于四開采用?165.1 mm鉆頭進(jìn)行目的層專層專打,最后下入?139.7 mm襯管完井[7-8]。
3.2.1 基于地層可鉆性鉆頭選型
依據(jù)前述火山巖巖石力學(xué)參數(shù)的建立,火山巖巖石抗壓強(qiáng)度203 MPa±,可鉆性級(jí)值8~9級(jí),研磨性5~6級(jí)。因此在鉆頭技術(shù)上要求掌背、牙齒、保徑耐磨性好,從工藝上需要強(qiáng)化金剛石保徑及掌背;峨眉山玄武巖中角礫、玄武巖發(fā)育,因此要求鉆頭加強(qiáng)軸承保護(hù)及穩(wěn)定性,布齒防崩、斷;巖石抗壓強(qiáng)度大要求鉆頭能與提速工具有效配套,鉆頭具有滾滑復(fù)合軸承及高溫密封脂,以達(dá)到提速技術(shù)的要求[9]。根據(jù)以上要求,從國內(nèi)二疊系火山巖鉆頭應(yīng)用效果來看,尖錐齒PDC鉆頭及混合鉆頭能夠滿足硬碎地層的鉆進(jìn)要求,提速效果是牙輪鉆頭的3.2倍[10-11]。
3.2.2 高效輔助破巖工具優(yōu)選
旋沖鉆井工具在川西地區(qū)馬深1井四開井段進(jìn)行了應(yīng)用,旋沖工具進(jìn)尺333.84 m,平均機(jī)械鉆速2.86 m/h,創(chuàng)二開井段單只鉆頭最高機(jī)械鉆速(除空氣泡沫鉆外),同層位與螺桿+PDC鉆頭對(duì)比,鉆進(jìn)進(jìn)尺提高了68.62%,純鉆時(shí)間延長55.67%,平均機(jī)械鉆速提高了8.33%。
等壁厚螺桿與普通螺桿鉆具相比,單級(jí)輸出扭矩提高了近4倍[12-15]。在川東北元壩101-1H井進(jìn)行了應(yīng)用,四開直井段使用等壁厚螺桿配合PDC鉆頭鉆進(jìn),總進(jìn)尺1 130.18 m,純鉆時(shí)間273.83 h,平均機(jī)械鉆速4.13 m/h,創(chuàng)下單只鉆頭進(jìn)尺最多和機(jī)械鉆速最高兩項(xiàng)新指標(biāo),提高機(jī)械鉆速的同時(shí)有效地縮短了鉆井周期。
依據(jù)使用壽命匹配優(yōu)選適合的配套動(dòng)力鉆具,形成2套針對(duì)峨眉山玄武巖組的配套方案(表3)。
表3 火山巖難鉆地層鉆井提速技術(shù)配套方案表
3.3.1 防塌鉆井液
針對(duì)火山巖地層井壁穩(wěn)定需要,在常規(guī)聚磺鉆井液基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化抑制封堵性能,優(yōu)化形成了強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺鉆井液。除了常規(guī)的抑制劑外,增加了抑制性能優(yōu)良的聚胺抑制劑;封堵材料方面同樣選用了多樣化封堵劑,包括常規(guī)的超細(xì)碳酸鈣和新型防塌劑成膜封堵劑、納米封堵劑、封縫即堵劑,通過多種抑制劑和封堵劑的相結(jié)合,可提高儲(chǔ)層保護(hù)效果和井壁穩(wěn)定能力[16-18]。
3.3.2 防漏堵漏技術(shù)
主推“以防為主、防堵結(jié)合”的技術(shù)思路:在進(jìn)入目的層前加入隨鉆防漏材料,可有效封堵微小裂縫,達(dá)到降低漏失率的目的;發(fā)生較大漏失以橋漿堵漏為主,對(duì)較大裂縫可實(shí)現(xiàn)大縫變成小縫,減少漏失損失;若漏點(diǎn)較多,選用酸溶率較高的堵漏劑;若反復(fù)漏失則采取擠堵方式,以提高地層承壓能力[19]。
在防漏材料上優(yōu)選具有架橋能力的高酸溶率的SRD系列,能在裂縫壁面之間形成卡縫,使裂縫從縫變?yōu)榭?;瀝青粉、細(xì)顆粒碳酸鈣為主的填充材料,用于封堵大顆粒材料架橋后形成的微小孔隙,進(jìn)一步形成致密而堅(jiān)實(shí)的封堵層;以纖維、QP-1等為主的纖維狀材料,可鑲嵌在大顆粒橋堵材料中,提高架橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性并以此提高地層的承壓能力;具有快速堵漏效果的高濾失堵漏材料由滲濾性材料、纖維狀材料、硅藻土、多孔惰性材料、增強(qiáng)劑等復(fù)合而成,其能在壓差作用下變稠形成濾餅,繼而壓實(shí)堵塞漏失通道,達(dá)到快速堵漏的效果,堵漏劑的濾失量越大,濾失速度越快,堵塞的形成就越迅速,主要有DTR、HHH堵漏劑等。
當(dāng)儲(chǔ)層壓力較高時(shí),侵入地層的鉆井完井液可通過壓力返排出來;而當(dāng)?shù)貙訉儆诔骸⒌蛪河蜌獠貢r(shí),單靠壓力返排一般不能獲得較高的滲透率恢復(fù)率,此時(shí)必須采用酸化增產(chǎn)作業(yè)。因此,裂縫暫堵劑的酸溶率也是必須考察重要因素之一。當(dāng)儲(chǔ)層發(fā)生井漏后,需采用酸溶性堵漏材料。所選用封堵材料的鹽酸酸溶率普遍大于80%,有利于后期酸化解堵[20]。
永探1井針對(duì)二疊系火山碎屑巖發(fā)育、儲(chǔ)層好、厚度大等施工難題,量身定制了油氣層保護(hù)鉆井液施工方案,并從施工管理、工具優(yōu)選、鉆井液體系3個(gè)方面進(jìn)行升級(jí),于2018年6月29日開鉆,11月13日鉆至井深5 749 m完鉆,鉆井周期137天,采用導(dǎo)管+三開制井身結(jié)構(gòu)(圖 2)。
施工管理方面,整個(gè)生產(chǎn)周期實(shí)現(xiàn)零組停,對(duì)比精益鉆井計(jì)劃,周期節(jié)約85.26 d。工具優(yōu)選方面,采用復(fù)合鉆頭+井下動(dòng)力鉆具+最優(yōu)鉆井參數(shù),僅用3只復(fù)合鉆頭29 d鉆穿須家河組,平均機(jī)械鉆速達(dá)到3.3 m/h,僅第三開的鉆井周期就縮短33 d;另外,在目的層峨眉山玄武巖鉆進(jìn)過程中,氣測(cè)顯示明顯,氣漏同存,考慮在加強(qiáng)快速鉆進(jìn)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施并舉的基礎(chǔ)上,采用精細(xì)控壓技術(shù)取芯施工,有效降低了井下風(fēng)險(xiǎn),采取了精細(xì)控壓固井工藝,一次性確保?177.8 mm尾管固井成功,固井質(zhì)量合格率91.5%。在鉆井液體系方面,既要能進(jìn)行強(qiáng)封堵,維護(hù)井壁穩(wěn)定,防止垮、卡、漏的井下復(fù)雜發(fā)生,又要防止、減少鉆井液固體顆粒濾液堵塞儲(chǔ)氣層的孔隙加重油氣層的污染,針對(duì)性采取防塌水基鉆井液體系,同時(shí)24 h連續(xù)監(jiān)測(cè),及時(shí)調(diào)整流變性,定期補(bǔ)充防塌處理劑,為連續(xù)高效鉆進(jìn)創(chuàng)造了條件。
1)通過初探井火山巖深井鉆井資料,明確了鉆井技術(shù)難點(diǎn);在火山巖工程地質(zhì)力學(xué)特征分析的基礎(chǔ)上,提出了適用于四川盆地火山巖鉆井提速和儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)。
圖2 實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)圖
2)二疊系火山巖超深井采用目的層專層專打的井身結(jié)構(gòu),有效提高儲(chǔ)層的鉆探,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)安全鉆井的需要?;鹕綆r井段適合采用旋沖工具或等壁厚螺桿復(fù)合鉆進(jìn);多種抑制劑和封堵劑的相結(jié)合,可提高儲(chǔ)層保護(hù)效果和井壁穩(wěn)定能力;井漏多是由裂縫、孔洞原因造成,采用“以防為主,防堵結(jié)合”的技術(shù)思路,優(yōu)化形成了強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵聚磺防漏鉆井液。
3)繼續(xù)優(yōu)化該井段的鉆井參數(shù),提高峨眉山玄武巖的鉆進(jìn)速度,減少起下鉆,縮短鉆井液浸泡時(shí)間,防止井壁垮塌,為后期管柱下入提供良好的井筒條件。