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        墾利10-1油田沙河街地層井身結構簡化及配套技術

        2022-08-27 07:22:06江智強馮碩劉穎杰李文博張慶春
        石油工業(yè)技術監(jiān)督 2022年8期
        關鍵詞:墾利井身沙河

        江智強,馮碩,劉穎杰,李文博,張慶春

        1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司(天津 300452)

        2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司(天津 300459)

        0 引言

        墾利10-1油田位于我國渤海灣南部海域,勘探實踐表明,墾利凹陷內發(fā)育有豐富的中孔中滲油氣藏,具有良好的開發(fā)前景,且儲層埋藏較深,主要集中在古近系沙河街地層[1]。但在前期的探井作業(yè)中發(fā)現,墾利10-1 油田沙河街組地層容易坍塌、井壁穩(wěn)定性差、井下復雜情況多,起下鉆效率低[2]。為此,在設計時對目的儲層在沙河街組的井采用了“339.73 mm(13?″)表層套管+244.48 mm(9?″)技術套管+177.80 mm(7″)尾管”的3層井身結構[3]。經過墾利10-1 油田前期4 口井鉆井作業(yè)的摸索和經驗積累,發(fā)現在保證作業(yè)安全的前提下,通過使用海水膨潤土漿深鉆技術、改進型PEC鉆井液體系及等壁厚馬達與水力振蕩器配合深鉆技術,能夠適當加深部分沙河街井的二開311.15 mm(12?″)井眼深度,提出了簡化儲層在沙河街地層且井深在3 100 m以內井身結構的設想,首次實現了二開井眼一次性鉆穿明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組4套不同地層。

        通過在墾利10-1 油田嘗試應用,已有10 口井順利完成井身結構簡化,將設計需要三開完鉆的井,提前到二開完鉆,規(guī)避了下177.80 mm尾管作業(yè)風險,簡化了作業(yè)步驟,縮短了鉆井作業(yè)周期,有效降低了作業(yè)費用,經濟效益顯著,值得進一步推廣應用。

        1 地質概況與實鉆情況統計

        1.1 墾利10-1油田地質概況

        墾利10-1 構造位于萊北的低凸起南界大斷層下降盤,沙河街組的構造特征為受萊北1 號邊界大斷層控制繼承性發(fā)育的半背斜構造,其內部被北東向、北西向斷層分割成多塊斷塊,構造為南低北高,地層向東、西、南3方面下傾;明化鎮(zhèn)組、館陶組斷裂系統十分發(fā)育,為復雜的斷塊構造[4]。

        墾利10-1 油田揭示地層自上而下分為第四系的平原組,新近系的明化鎮(zhèn)組和館陶組,古近系的東營組和沙河街組。明化鎮(zhèn)組又細分為明上段和明下段,沙河街組又細分為沙一段、沙二段和沙三段,含油層位主要發(fā)育于新近系的明化鎮(zhèn)組明下段和古近系的沙河街組沙三段[5]。

        1.2 探井復雜情況分析

        通過對墾利10-1 油田已鉆部分探井井身結構及各井段復雜情況的統計分析發(fā)現:探井鉆遇的復雜情況主要包括遇阻遇卡、頻繁憋壓、抬鉆具、縮徑、返出大量泥團和井壁掉塊等,并且在平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組均有不同的井出現復雜情況。

        通過對已鉆井井身結構、復雜情況及井壁穩(wěn)定性分析可知:墾利10-1油田地層孔隙壓力總體上屬于正常靜水壓力系統;各地層均含不同程度泥巖,上部地層泥巖成巖性較差、水化膨脹性較強;下部地層砂泥巖互層較多且砂泥膠結強度不高,泥巖水化引起局部膨脹;沙三段探井采用215.9 mm(8?")井段完鉆的井,作業(yè)效率低,起鉆困難。

        通過上述地質特征及已鉆探井復雜情況分析,為井身結構優(yōu)化設計提供了地質基礎及現場經驗。

        2 井身結構優(yōu)化可行性分析

        在初期勘探評價階段,三開井身結構能夠完全滿足海上鉆井安全,并實現勘探開發(fā)要求[6]。但隨著墾利10-1區(qū)塊勘探開發(fā)腳步不斷邁進,鉆完井提速提效和經濟高效開發(fā)的需求也越來越迫切,此時井身結構方面存在一些優(yōu)化空間[7]。通過現場鉆井經驗表明,目前采用的三開井身結構主要存在以下問題:①開次較多,每開次完鉆需要作業(yè)時間過多,若優(yōu)化一層井身結構,可減少總鉆井周期15%以上;②套管層次多,套管用量大,成本過高。因此,為了提高鉆完井效率,增加經濟收益,有必要對后續(xù)該區(qū)塊開發(fā)井的井身結構進行優(yōu)化。

        井身結構優(yōu)化的任務是優(yōu)化套管下入層次、下入深度以及優(yōu)化鉆頭與套管尺寸[8]。而其中重要內容是套管的層數設計,套管層數設計須有效封固鉆井過程中鉆遇的必封點,降低下部施工可能遇到的井壁穩(wěn)定等風險,保證井下安全,縮短鉆井周期[9]。套管層數設計主要受到儲層壓力、儲層地質特征以及現有鉆井工藝水平等限制[10],同時還需兼顧考慮鉆柱強度、套管下入校核等問題。為此,在明確了井身結構設計標準后,對已鉆井進行三壓力剖面情況、鉆柱強度、套管下入校核分析。

        2.1 井身結構優(yōu)化思路

        根據墾利區(qū)塊前期地質勘探及實鉆經驗,將三開井身結構簡化為二開井身結構設計,簡化后的鉆頭尺寸為Φ406.4~311.2 mm,套管尺寸為Φ339.7~244.5 mm。優(yōu)化前后的井身結構如圖1、圖2 所示。優(yōu)化前后的井身結構區(qū)別在于,優(yōu)化后使用311.15 mm鉆頭直接完鉆,減少一開井身結構,有利于縮短鉆井周期,減少鉆井費用,降低鉆井投入總成本。

        圖1 優(yōu)化前的井身結構

        圖2 優(yōu)化后的井身結構

        2.2 地層壓力

        目標區(qū)塊已鉆探井地層三壓力曲線如圖3 所示,整個區(qū)塊都處于正常壓力系統。垂深855 m 處存在坍塌壓力突增的異常點,但已鉆井在該點處并未發(fā)生坍塌、漏失等現象,且井眼擴大率正常。

        圖3 已鉆探井地層三壓力曲線

        在起下鉆的過程中,井底會產生一定的抽汲壓力和激動壓力,此時井內有效液柱壓力當量密度為[11]:

        有效液柱壓力當量密度ρmE應當小于或等于該井段中最小地層破裂壓力密度ρfmin。即:

        考慮到地層破裂壓力存在誤差,附加安全系數Sf,則套管裸露段底界(必封點深度)為:

        式中:ρpmax為最大地層壓力當量密度,g/cm3;Sw為最大抽汲壓力當量密度,g/cm3;Sg為最大激動壓力當量密度,g/cm3;Sf為地層破裂安全增值當量密度,g/cm3。

        根據已鉆探井的三壓力計算,證明了明化鎮(zhèn)至沙河街組具備同一裸眼段實施的可行性。

        2.3 鉆具強度及套管下入校核

        以設計井中井深最深,井斜最大的B37 井為例計算,在同等條件下,采用優(yōu)化井身結構,使用139.7 mm新鉆桿,比傳統三開井身結構使用127 mm鉆桿,鉆具抗拉余量提升300 kN 左右,鉆具安全性更高。計算結果如圖4、圖5所示。裸眼段摩阻系數從0.2~0.35 分別計算下套管工況時的鉤載大小,套管下到位時鉤載余量充足,套管可以依靠自重正常下入到位,如圖6所示。

        圖4 井身結構優(yōu)化前鉆桿有效拉力

        圖5 井身結構優(yōu)化后鉆桿有效拉力

        圖6 不同摩阻系數下套管鉤載

        3 井身結構簡化配套技術

        3.1 海水開路膨潤土漿深鉆技術

        墾利10-1 油田淺部明化鎮(zhèn)地層主要為褐灰色黏軟泥巖,活性泥巖黏土礦物質含量高達20%~50%,大段的活性泥巖極容易水化膨脹[12]。根據前期作業(yè)經驗,如果使用泥漿鉆進,返出的巖屑容易產生“泥球”,堆積在泥漿返出口,影響作業(yè)時效[13]。為此,二開上部井段采用了海水開路鉆進加海水膨潤土漿深鉆技術,盡可能使巖屑分散,沖刷井壁,增加井眼擴大率,并大幅提升上部地層機械鉆速,提高起下鉆效率,進而縮短二開井眼裸露時間,降低井壁坍塌風險,具體數據見表1。

        表1 墾利10-1油田膨潤土漿轉化為泥漿深度及機械轉速

        3.2 改進型PEC鉆井液體系

        面對墾利10-1 油田沙河街地層容易坍塌的難題,在初期鉆井設計中采用了渤海油田最常用的“海水/膨潤土漿(一開)+PEC體系(二開)+PEM體系(三開)”的三段式鉆井液體系,通過利用PEM 體系的“強抑制”性能,支撐穩(wěn)定易坍塌的沙河街地層。但是PEM 體系的“強抑制”會造成上部井段井壁過硬,使得起下鉆比較困難。針對這一問題,對傳統PEC 鉆井液體系進行優(yōu)化改進實驗,引入PF-HAS(氨基硅醇)替代PF-JMH-YJ(有機正電膠),PFHAS是以聚胺抑制劑為基礎加入硅羥基,HAS中的Si-OH 結構與黏土礦物中的Si-OH 結構縮聚成Si-O-Si結構,在黏土表面形成疏水層,阻止黏土水化,與傳統有機正電膠相比,提高了鉆井液抑制性,同時避免了井壁過硬和鉆井液黏度過高的現象(圖7)。室內熱滾實驗證明,HAS的加入對原PEC鉆井液體系的流變性及濾失量無明顯影響,具體數據見表2。同時在現場實際鉆進作業(yè)中,未出現泥球、倒滑眼憋扭矩等復雜現象,鉆井液性能穩(wěn)定。

        表2 加入HAS后鉆井液的性能變化情況

        圖7 使用鉆井液后巖石親水性實驗

        同時為解決井深增加、鉆井液攜巖能力差的問題,在原PEC鉆井液基礎上優(yōu)選使用提切降濾失劑PF-VIF 來替代原有的RS-1和XC,使得改進型PEC體系提高鉆井液切力的同時,黏度更容易調節(jié)控制。改進后的鉆井液性能結果見表3。

        表3 加入VIF后鉆井液流變性變化情況

        根據鉆井液優(yōu)化研究,形成了最終的新型鉆井液體系,其基礎配方為:3% 海水膨潤土漿+0.25%NaOH+0.3%Na2CO3+0.25%PAC-HV+0.25%PACLV+1.5%VIF+2%LSF+1%PLH+4%HTC+1.5%HAS,通過動態(tài)污染實驗對改進型鉆井液進行滲透率恢復值評價。由表4 可以看出,巖心污染后滲透率恢復值高達71.3%,切片后滲透率恢復值達92.1%,鉆井液體系對儲層具有很好的油氣層保護效果。

        表4 優(yōu)化后鉆井液儲層保護實驗

        通過現場實鉆,首次成功實現了使用一套鉆井液體系一次性鉆穿明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組4 套不同巖性特征地層的目的,鉆進及起下鉆過程十分順利,鉆井時效大幅度提升,取得了良好的應用效果。

        3.3 等壁厚馬達與水利振蕩器配合深鉆技術

        簡化井身結構,在解決了井壁穩(wěn)定性的問題后,面臨的另一個挑戰(zhàn)就是長裸眼段的井眼軌跡控制。目前,在定向工具方面,海上油田常用的是馬達鉆具和旋轉導向鉆具。但是隨著井深的增加,常規(guī)馬達鉆具經常出現工具面不穩(wěn)定、托壓嚴重、定向滑動困難等問題。采用水力振蕩器配合馬達深鉆,可以有效解決深部地層馬達滑動過程中出現的鉆柱托壓問題,使鉆壓有效傳遞到鉆頭上,減少底部鉆具黏附卡鉆等復雜情況發(fā)生,大大節(jié)約鉆井成本。

        根據軟件進行模擬,計算水力振蕩器不同閥盤尺寸對應的泵壓數據,再由現場泵況選擇適合的閥盤尺寸。結合現場實鉆情況,203.20 mm 水力振蕩器311.15 mm 井眼中鉆井效果如圖8 所示。水力振蕩器配合馬達深鉆相對于常規(guī)馬達鉆進,平均機械鉆速提高36.6%,有效解決了深層滑動造斜過程中馬達產生的托壓問題,大幅提高鉆井時效。

        圖8 不同井下工具機械鉆速對比

        4 應用效果

        井身結構簡化技術已經在墾利10-1 油田成功實施了10口井,作業(yè)效率和井下安全得到了大幅度提升,效果顯著。據統計,墾利10-1 油田A/B 平臺前期共有4 口井深在3 100 m 以內的井使用了三層井身結構,平均單井鉆井工期為13.58 d;有10 口井使用了優(yōu)化后的兩層井身結構,平均單井鉆井工期為11.35 d??梢钥闯?,經過井身結構簡化,平均每口井可節(jié)省工期2.23 d。目前墾利10-1油田經過井身結構簡化的10口井,累計節(jié)省工期22.3 d,節(jié)省費用2 899萬元,取得了良好的經濟效益(圖9)。

        圖9 二開、三開井身結構工期對比

        5 結論

        1)以墾利10-1 區(qū)塊地質特征及已鉆探井情況統計為基礎,通過三壓力曲線必封點位置驗證、鉆具強度及不同摩阻系數下套管下入鉤載,對優(yōu)化后的二開井身結構進行可行性分析,制定井身結構優(yōu)化方案,滿足墾利區(qū)塊的經濟開發(fā)需求。

        2)通過使用海水膨潤土漿開路深鉆技術,有效擴大井眼直徑,充分釋放機械鉆速,提高了作業(yè)效率;改進優(yōu)化PEC 鉆井液體系,使用一套鉆井液體系一次性鉆穿明化鎮(zhèn)、館陶組、東營組和沙河街4套不同的地層,成功解決了墾利10-1油田沙河街地層容易坍塌的問題;配合使用等壁厚馬達加水力振蕩器深鉆技術,順利完成深部定向井井眼軌跡控制。

        3)墾利10-1油田已優(yōu)化井身結構的井共10口,可行性研究及現場應用結果表明,優(yōu)化后井身結構滿足鉆完井作業(yè)要求,可有效提高作業(yè)效率,累計節(jié)約工期22.3 d,累計節(jié)省費用達2 899萬元,經濟效益顯著,具有良好的應用前景,值得進一步推廣。

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