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        頁(yè)巖氣水平井鉆井沉砂卡鉆監(jiān)測(cè)方法研究及應(yīng)用

        2020-07-07 11:40:16
        錄井工程 2020年2期
        關(guān)鍵詞:環(huán)空壓力卡鉆環(huán)空

        陳 志 偉

        (中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司錄井公司)

        0 引 言

        隨著頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的持續(xù)深入,頁(yè)巖氣水平井技術(shù)得到規(guī)?;瘧?yīng)用,為了盡可能提高頁(yè)巖氣水平井單井產(chǎn)量,要求水平井鉆井過程中,鉆頭盡可能在擁有較高滲透能力或具備可改造條件的泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育帶的有利目標(biāo)箱體中穿行,保證足夠的水平段長(zhǎng)度。但是,頁(yè)巖氣有利目標(biāo)箱體地層多發(fā)育天然微裂縫,呈現(xiàn)硬脆性力學(xué)特征,地層穩(wěn)定性差[1],鉆進(jìn)過程中井壁容易剝落產(chǎn)生掉塊,如果不能及時(shí)將掉塊從井筒環(huán)空循環(huán)排除,可能導(dǎo)致鉆井卡鉆事故,所以頁(yè)巖氣水平井鉆井在要求單井產(chǎn)量最大化前提下,必須對(duì)井壁易剝落地層中的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)進(jìn)行識(shí)別[2]。

        鑒于目前還無法直接測(cè)量井壁剝落掉塊嚴(yán)重程度,而環(huán)空掉塊的數(shù)量及在環(huán)空的分布情況直接影響環(huán)空壓力的大小,盡管隨鉆環(huán)空壓力井下采集技術(shù)發(fā)展成熟[3],但缺少相關(guān)的利用隨鉆環(huán)空壓力評(píng)價(jià)沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)的方法。本文研究了一種停泵時(shí)環(huán)空壓力窗口捕捉方法,通過建立隨鉆環(huán)空壓力數(shù)據(jù)與停泵期間井壁剝落掉塊嚴(yán)重程度表征關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了對(duì)頁(yè)巖氣鉆井沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),有助于對(duì)沉砂卡鉆事故的預(yù)判和預(yù)防,提高頁(yè)巖氣水平井施工安全性。

        1 頁(yè)巖氣水平井鉆井沉砂卡鉆原因分析

        搜集整理四川威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)塊76口井鉆井?dāng)?shù)據(jù)可知,發(fā)生卡鉆事故34口井,采用循環(huán)劃眼處理卡鉆事故損失時(shí)間占比14%,其中卡死、填井或提前完鉆21口井,嚴(yán)重影響鉆井時(shí)效,增加鉆井成本。對(duì)發(fā)生卡鉆事故井進(jìn)行分析認(rèn)為:卡鉆事故大多發(fā)生在起下鉆或停泵接立柱后上提期間,卡點(diǎn)多數(shù)在扶正器和鉆頭處,可以正常循環(huán),鉆具下放順利,但上提困難,其原因是上部地層剝落產(chǎn)生掉塊,停泵后由于鉆井液失去攜帶能力和懸浮能力不足導(dǎo)致掉塊(或巖屑)沉降在井眼底邊,位于扶正器和鉆頭等處環(huán)空間隙窄小處,如圖1所示,鉆具上提時(shí)掉塊和鉆具及井壁硬性接觸導(dǎo)致沉砂卡鉆發(fā)生。

        圖1 鉆具上提時(shí)掉塊(或巖屑)在井眼底邊堆積情況

        上部地層剝落產(chǎn)生掉塊的原因如下:一是在硬脆性頁(yè)巖地層由于起下鉆或接立柱期間鉆具上提和下放產(chǎn)生的壓力波動(dòng)、開泵和停泵期間由于循環(huán)壓力導(dǎo)致井底附加壓力的有無,造成井底壓力和地層坍塌壓力的差值變化;二是鉆具移動(dòng)對(duì)硬脆性頁(yè)巖地層的機(jī)械碰撞。因此,預(yù)防頁(yè)巖氣鉆井沉砂卡鉆的關(guān)鍵是監(jiān)測(cè)停泵期間井壁剝落掉塊數(shù)量以及掉塊在鉆具和井壁形成的環(huán)形空間中的分布情況。

        2 頁(yè)巖氣水平井鉆井沉砂卡鉆監(jiān)測(cè)方法

        2.1 環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口捕捉

        停泵狀態(tài)下測(cè)量的環(huán)空壓力與鉆井液密度、井口回壓和環(huán)空掉塊(或鉆屑)數(shù)量有關(guān),因此當(dāng)鉆井液密度和井口回壓不變時(shí),停泵狀態(tài)下測(cè)量的環(huán)空壓力大小可以直接反映環(huán)空掉塊數(shù)量[4];在停泵到開泵的瞬間測(cè)量的環(huán)空壓力大小與鉆井液結(jié)構(gòu)力、井口回壓和使沉降的掉塊重新懸浮的作用力有關(guān),而使沉降的掉塊重新懸浮需要的作用力與掉塊在環(huán)空分布情況有關(guān)(影響環(huán)空間隙)。因此,當(dāng)鉆井液結(jié)構(gòu)力和井口回壓不變時(shí),在停泵到開泵的瞬間測(cè)量的環(huán)空壓力大小可以直接反映掉塊在環(huán)空分布情況,通過定義環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口實(shí)現(xiàn)停泵期間測(cè)量的環(huán)空壓力在時(shí)間序列上可對(duì)比,并且可以表征掉塊對(duì)沉砂卡鉆的影響程度[4]。

        為了方便現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用,將環(huán)空壓力轉(zhuǎn)換為當(dāng)量鉆井液密度EMW,相應(yīng)地環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口就表示一定時(shí)間內(nèi)當(dāng)量鉆井液密度隨時(shí)間的變化關(guān)系,如圖2所示。

        圖2 停泵期間環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口示意

        確定環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口方法是確定最小關(guān)泵壓力、最大關(guān)泵壓力、平均關(guān)泵壓力、停泵和開泵狀態(tài)及停泵時(shí)間[3],各量分別定義如下:

        最小關(guān)泵壓力pmin:停泵期間由于起下鉆和接立柱期間鉆具上提軸向運(yùn)動(dòng)引起抽吸壓力時(shí)環(huán)空壓力值(pmin,tmin)。

        最大關(guān)泵壓力pmax:使鉆井液恢復(fù)循環(huán)引起激動(dòng)壓力時(shí)測(cè)量的環(huán)空壓力值,發(fā)生在由停泵到開泵瞬間(pmax,tmax)。

        平均關(guān)泵壓力pave:停泵期間鉆具靜止穩(wěn)定一定時(shí)間內(nèi)測(cè)量的環(huán)空壓力平均值(pave,tave)。

        停泵和開泵狀態(tài):測(cè)量鉆具內(nèi)水眼壓力為pi,測(cè)量環(huán)空壓力為pa,當(dāng)pi≤pa時(shí)可判斷是停泵狀態(tài),當(dāng)pi>pa時(shí)可判斷是開泵狀態(tài)。

        停泵時(shí)間t:根據(jù)停泵和開泵狀態(tài)方法,從判斷的停泵時(shí)刻toff直到下次開泵時(shí)刻ton,那么ton-toff就是停泵時(shí)間t。

        根據(jù)環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口捕捉方法,可以得出環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口((pmin,pmax),(toff,ton)),其中pmax-pmin表示窗口高度,ton-toff表示窗口寬度。

        2.2 沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

        pave-pmin(pd)可以用來指示停泵期間環(huán)空掉塊數(shù)量,pmax-pave(ps)可以用來指示停泵期間環(huán)空掉塊分布情況,根據(jù)二者數(shù)據(jù)變化關(guān)系可以評(píng)價(jià)沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大小,具體流程如圖3所示。

        圖3 基于環(huán)空壓力窗口的沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

        第一步:讀取環(huán)空壓力和鉆具水眼測(cè)量數(shù)據(jù),首先判斷環(huán)空壓力和鉆具水眼壓力大小關(guān)系用以識(shí)別停泵和關(guān)泵狀態(tài)。從開泵到停泵期間環(huán)空壓力變化特征是慢慢下降,直到等于鉆具水眼壓力,記錄此時(shí)刻t1作為窗口左邊界;從停泵到開泵期間環(huán)空壓力變化特征是逐漸升高到最大值,慢慢下降并趨于穩(wěn)定,記錄穩(wěn)定時(shí)刻t2作為窗口右邊界。

        第二步:在窗口左、右邊界之間,通過比較數(shù)據(jù)之間大小關(guān)系,找出最小環(huán)空壓力數(shù)值(pmin,tmin),pmin作為窗口下邊界p1,找出最大環(huán)空壓力數(shù)值(pmax,tmax),pmax作為窗口上邊界p2;在tmin和tmax之間環(huán)空壓力數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定期間取5條環(huán)空壓力數(shù)據(jù)平均值作為平均環(huán)空壓力值(pave,tave)。

        第三步:計(jì)算pave-pmin值pd用于監(jiān)測(cè)掉塊在環(huán)空的數(shù)量,計(jì)算pmax-pave值ps用于監(jiān)測(cè)掉塊在環(huán)空分布情況;對(duì)實(shí)測(cè)環(huán)空壓力數(shù)據(jù)重復(fù)上述步驟得出全部接單根過程pd和ps值,按照順序依次繪制pd和ps曲線,并對(duì)兩條曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

        第四步:將沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)定義為4個(gè)等級(jí),分別是高、較高、低、較低。如果pd和ps曲線同時(shí)增大,提示沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高;如果pd曲線減小,ps曲線增大,提示沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高;如果pd曲線增大,ps曲線減小,提示沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低;如果pd和ps曲線同時(shí)減小,提示沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程中,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)提示等級(jí)制定井眼清潔操作策略,防止沉砂卡鉆發(fā)生。

        3 應(yīng)用實(shí)例

        四川威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組地層硬脆特征明顯且局部裂縫發(fā)育,對(duì)井下壓力波動(dòng)敏感,鉆進(jìn)過程中容易產(chǎn)生掉塊,區(qū)域已鉆井中在停泵上提鉆具時(shí)發(fā)生多次“秒殺式”卡鉆。A 井是一口頁(yè)巖氣開發(fā)水平井,如圖4所示,在2 950~3 050 m井段,鉆遇龍一段14號(hào)層、龍一段13號(hào)層、龍一段12號(hào)層、龍一段11號(hào)層,地層脆性指數(shù)0.37~0.77,Ca、Mg元素含量先增大后減小,井斜由61°增加到81.6°,鉆井液密度2.0 g/cm3,排量1.9~2.2 m3/min,轉(zhuǎn)速90~120 r/min,利用巖屑稱重設(shè)備[5]所測(cè)量的體積差由0.4 m3逐漸增大到2.1 m3,返出角狀掉塊增多,最大尺寸3.8 cm,平均1.5 cm(圖4)。以上變化表明:(1)該井段鉆遇多個(gè)小層,地層脆性逐漸增大,地層脆性主要受白云巖、方解石影響;(2)隨著井斜角的逐漸增加,地層坍塌壓力逐漸增大;(3)返出巖屑體積差逐漸增加,井壁剝落產(chǎn)生掉塊。該井段井壁穩(wěn)定性差,鉆進(jìn)過程井壁易剝落產(chǎn)生掉塊,如果掉塊未及時(shí)返出則容易導(dǎo)致“秒殺式”卡鉆事故。因此,需要在停泵上提鉆具時(shí)評(píng)價(jià)掉塊卡鉆風(fēng)險(xiǎn),通過優(yōu)化施工,提高鉆井施工安全。

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文研究方法評(píng)價(jià)沉砂卡鉆的可行性,在2 950~3 050 m井段實(shí)時(shí)測(cè)量了井下環(huán)空壓力值,隨鉆捕捉了環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口。圖5顯示了連續(xù)采集5次接立柱期間的最大環(huán)空壓力當(dāng)量密度EMWmax、平均環(huán)空壓力當(dāng)量密度EMWave和最小環(huán)空壓力當(dāng)量密度EMWmin變化情況;圖6顯示了利用本文研究的沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法得到的掉塊在環(huán)空的數(shù)量pd和掉塊在環(huán)空分布ps變化情況。可以看出每次接立柱期間EMW的大小和變化趨勢(shì):從第1號(hào)立柱到第4號(hào)立柱,隨著EMWmax和EMWave增加,相應(yīng)的pd在增加;隨著EMWave和EMWmin增加,相應(yīng)的ps在增加。這表明井下沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)高,現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員據(jù)此及時(shí)建議鉆井操作人員增加循環(huán)時(shí)間和拉劃次數(shù)提高環(huán)空掉塊(或巖屑)返出效率,防止沉砂卡鉆事故發(fā)生。建議得到采納后,第5號(hào)立柱pd和ps同時(shí)減小,表明沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)降低到安全水平;同時(shí),第4號(hào)立柱打完循環(huán)和拉劃期間發(fā)現(xiàn)實(shí)際返出巖屑數(shù)量大于理論值,證明了利用本文研究的方法判斷沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)的正確性。

        圖4 A井井眼清潔監(jiān)測(cè)圖

        圖5 EMW值變化趨勢(shì)曲線

        圖6 掉塊分布和掉塊數(shù)量趨勢(shì)曲線

        4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

        本文利用隨鉆環(huán)空壓力分析環(huán)空掉塊含量和分布情況,建立了基于隨鉆環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)窗口的沉砂卡鉆評(píng)價(jià)方法,為頁(yè)巖氣水平井卡鉆預(yù)判和預(yù)防提供了可行的技術(shù)手段,在研究和應(yīng)用中取得了如下認(rèn)識(shí):

        (1)威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣水平井卡鉆突發(fā)性強(qiáng),屬于掉塊、鉆柱和井壁硬性接觸的力學(xué)卡鉆,要想對(duì)其實(shí)現(xiàn)預(yù)判和預(yù)防需要直接和間接評(píng)價(jià)環(huán)空掉塊情況。

        (2)本文建立的沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法可以有效分析停泵期間環(huán)空巖屑濃度和環(huán)空巖屑分布,根據(jù)二者變化趨勢(shì)得出沉砂卡鉆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

        (3)下一步需要根據(jù)建立的沉砂卡鉆評(píng)價(jià)方法開發(fā)一套基于環(huán)空壓力的頁(yè)巖氣水平井鉆進(jìn)卡鉆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng),有效支撐頁(yè)巖氣水平井鉆井卡鉆事故防治。

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