郭凱

(中海油能源發(fā)展股份有限公司上海工程技術(shù)分公司，上海 200335)

0 引言

在大位移井鉆井過(guò)程中，地層孔隙壓力、地應(yīng)力狀態(tài)、地層強(qiáng)度特征、井斜角和方位角、鉆井液性能、地層組成等因素將嚴(yán)重影響井壁的穩(wěn)定性[1-3]。此外，由于大位移井的偏轉(zhuǎn)角度大、裸眼段長(zhǎng)、鉆井液浸入以及鉆井液柱在井中的壓力波動(dòng)，對(duì)井眼穩(wěn)定性的影響非常顯著。因此，通過(guò)研究井眼失穩(wěn)的內(nèi)部機(jī)理，可以確定各地層的安全鉆井液密度窗口和有利于井眼穩(wěn)定的井徑，這對(duì)大位移井井徑設(shè)計(jì)和合理鉆井液密度的確定具有現(xiàn)實(shí)意義[4-7]。

在實(shí)際鉆井過(guò)程中，如果發(fā)生井眼失穩(wěn)，雖然只采取增加鉆井液密度的方法能使井眼再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但與此同時(shí)，這也會(huì)導(dǎo)致諸多復(fù)雜情況的產(chǎn)生，如壓差卡鉆、井漏、地層垮塌等。更嚴(yán)重的是，如果油氣藏已經(jīng)被揭開，一旦發(fā)生井下，將對(duì)油氣藏造成嚴(yán)重?fù)p害。是否可以通過(guò)調(diào)整鉆井液的其他性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)井眼穩(wěn)定性，因此，現(xiàn)場(chǎng)研究了鉆井液性質(zhì)和配套工程措施與井筒穩(wěn)定性的關(guān)系[8-10]。

東海某氣田是東海的一個(gè)重要中型油氣田，從1989 年至今已完鉆13 口井，完鉆層位平湖組，其中直井3 口，定向井9 口，水平井1 口，最大井深6 502 m，已鉆井在龍井組底部和花崗組上部都有不同程度的雜色泥巖垮塌，極易引起復(fù)雜情況的發(fā)生，非常影響鉆井作業(yè)時(shí)效。為降低鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井作業(yè)時(shí)效，本文在既有成績(jī)的基礎(chǔ)上針對(duì)前期作業(yè)中出現(xiàn)的問(wèn)題和不足進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、積淀技術(shù)，形成東海龍井組下部、花港組上部發(fā)育的雜色泥巖井壁穩(wěn)定技術(shù)儲(chǔ)備。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，在井眼直徑311.15 mm 井段起下鉆遇阻頻繁，劃眼蹩、扭憋泵現(xiàn)象明顯，井下返出大量掉塊，其中以龍井組、花港組的灰綠色泥巖段最為突出。針對(duì)本區(qū)塊鉆井中龍井組、花港組地層起下鉆頻繁遇阻、劃眼困難以及井壁失穩(wěn)引發(fā)井下復(fù)雜，嚴(yán)重影響鉆井時(shí)效的難題，通過(guò)巖石化學(xué)、力學(xué)特性分析，研究井壁失穩(wěn)機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)研究不同流變性能、封堵性能、攜巖等性能對(duì)起下鉆阻卡的影響規(guī)律及程度。針對(duì)本區(qū)塊特點(diǎn)采用優(yōu)化后的油基鉆井液體系及其配套工程措施，不僅實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定性，克服各種工程難題，而且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為東海油氣田安全高效開發(fā)提供技術(shù)支撐和保障。

1 區(qū)位概況

本區(qū)塊調(diào)整井使用的井身結(jié)構(gòu)多為：一開井眼直徑444.5 mm，二開井眼直徑311.15 mm，三開井眼直徑215.9 mm 或212.7 mm，對(duì)應(yīng)套管程序?yàn)椋壕壑睆?44.5 mm 下直徑339.7 mm 套管，井眼直徑311.15 mm下直徑 為244.5 mm 套管，215.9 mm 及212.7 mm 井眼分別為下直徑為177.8 mm 及139.7 mm 套管。井眼直徑444.5 mm 井段鉆進(jìn)至2 000～2 500 m，綜合考慮作業(yè)周期、井壁穩(wěn)定、海水浸泡時(shí)間，封固龍井組上部及以上特殊巖性及不整合面。井眼直徑311.25 mm 井段鉆進(jìn)至4 000～5 600 m，結(jié)合不同地層壓力系統(tǒng)、機(jī)泵條件、井眼清潔、井壁穩(wěn)定等，鉆至著陸或目的層上部。井眼直徑215.9 mm 井段鉆進(jìn)至4 500～6 502 m，目的層段/ 水平段，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范及孔滲條件，將常壓與高壓(1.00～1.48 g/cm3) 設(shè)計(jì)在同一井段，長(zhǎng)裸眼段下小尺寸139.7 mm 套管。

圖1 該區(qū)塊常用井身結(jié)構(gòu)

該氣田的開發(fā)多采用大位移井開發(fā)的方式，最大位移超過(guò)4 500 m，在實(shí)鉆過(guò)程中井眼直徑311.25 mm井段鉆遇龍井組底部和花崗組上部雜色泥巖，由于裸眼段長(zhǎng)、夾層多、井壁容易失穩(wěn)，導(dǎo)致起下鉆困難，劃眼時(shí)間長(zhǎng)極易造成卡鉆的井下復(fù)雜情況。為了減少鉆井復(fù)雜情況，提高鉆井時(shí)效，縮短鉆井周期，節(jié)省作業(yè)費(fèi)用，從該地區(qū)的地層因素、油基泥漿性能優(yōu)化及工程配合措施等方面著手，保障井壁穩(wěn)定性，提高作業(yè)時(shí)效。

本區(qū)塊大位移井作業(yè)地溫度梯度 3.5 ℃/100 m，井底溫度超過(guò) 150 ℃，隨著井溫的升高，對(duì)鉆井液處理劑的抗高溫穩(wěn)定性也存在一定的挑戰(zhàn)。

2 提高井壁穩(wěn)定性技術(shù)研究

本區(qū)塊的大位移井所使用的油基鉆井液是以油為連續(xù)相的油包水乳化鉆井液，具有抗高溫，抑制性強(qiáng)，有利于井壁穩(wěn)定，潤(rùn)滑性能好，摩阻扭矩低，固相容納能力大，抗污染能力強(qiáng)，對(duì)油氣層損害程度小等特點(diǎn)。對(duì)已鉆井的資料進(jìn)行分析，本區(qū)塊井眼直徑311.25 mm 井段鉆進(jìn)均出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的情況。通過(guò)井壁穩(wěn)定性研究成果明確龍井組、花港組泥巖失穩(wěn)機(jī)理，對(duì)現(xiàn)有的油基泥漿體系進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。

2.1 井壁失穩(wěn)原因分析

東海龍井組、花港組區(qū)塊雜色泥巖易水化，油基鉆井液水相活度高于地層水活度時(shí)，在滲透壓作用下，濾液中水分子侵入地層巖石，產(chǎn)生滲透膨脹，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低引發(fā)井壁失穩(wěn)。此外，微裂縫發(fā)育為固液侵入和通道開啟提供了必要條件，加劇井壁失穩(wěn)的發(fā)生。在鉆井過(guò)程中，鉆井液(濾液)沿微裂縫侵入泥巖內(nèi)部，使微裂縫的擴(kuò)展延伸，進(jìn)而造成地層強(qiáng)度下降，發(fā)生井壁失穩(wěn)。當(dāng)油基鉆井液封堵能力不足，加上地層自吸及壓差作用加劇液相侵入，引發(fā)裂縫擴(kuò)展貫通，巖石強(qiáng)度降低，地層坍塌壓力升高，同時(shí)由于油基侵入微裂縫，會(huì)顯著降低節(jié)理和縫面的滑動(dòng)阻力，引發(fā)井壁失穩(wěn)。

2.2 針對(duì)性泥漿性能優(yōu)化

分析龍井組、花港組雜色泥巖機(jī)理后，油基鉆井液體系加入油基固壁劑MOHGW、微納米聚合物提高油基泥漿的封堵能力，使用高品質(zhì)重晶石改善泥漿的流變性。

油基泥漿的基本配方：5#白油+2.0%PF-MOEMUL+0.5%PF-MOCOAT+0.5%MOWET+ 1.5%PF-MOALK+2%PF-MOGEL + 重晶石，油水比為80∶20。優(yōu)化后油基泥漿的基本配方：5#白油+2.4%主乳化劑PFMOEMUL+0.6% 輔乳化劑PF-MOCOAT+0.5% 潤(rùn)濕劑MOWET+1.5% 堿 度 調(diào) 節(jié) 劑PF-MOALK+2% 有機(jī)土PF-MOGEL+ 成膜劑3%PF-MOHFR+ 封堵劑1%PF-MOSLF+ 降 濾 失 劑1%PF-MOFAC+2.0% 微納米聚合物封堵劑+1.5%MOHGW+高品質(zhì)重晶石，油水比80∶20。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，測(cè)定了在150 ℃，密度為1.35 g/cm3條件下，油基泥漿性能，如表1 所示。優(yōu)化后的油基鉆井液體系的流變性能較好，破乳電壓高，高溫高壓失水小，鉆井液的穩(wěn)定性以及泥餅的穩(wěn)定性俱佳。

表1 優(yōu)化前后泥漿性能對(duì)比

2.3 優(yōu)化后的油基鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

2.3.1 膠結(jié)封堵性能

為增強(qiáng)油基泥漿封堵性能，降低油基泥漿的滲漏在體系中加入封堵材料PF-MOSLF，改善濾餅質(zhì)量提高體系的封堵性能，在室內(nèi)通過(guò)填砂管實(shí)驗(yàn)對(duì)油基鉆井液的成膜封堵性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在20～40 目時(shí)侵入深度為0.7 cm，在40～60 目時(shí)侵入深度僅為0.5 cm，PF-MOSLF 具有較好的成膜封堵效果。

使用油基固壁劑MOHGW 及微納米聚合物，強(qiáng)化井壁穩(wěn)定，固壁劑MOHGW 粒徑分布處于納微米級(jí)，具有多種吸附基團(tuán)，能夠在巖石表面進(jìn)行化學(xué)吸附成膜，粘接孔隙裂縫表面，實(shí)現(xiàn)加固井壁的作用。微納米聚合物具備較好的彈性和收縮性，即使顆粒直徑大于地層巖石微納米裂縫和微孔隙，也能夠有效進(jìn)入(或在壓差作業(yè)下擠壓)微裂縫和微孔隙中。因其具有的黏結(jié)性和微納米特性，使得顆粒進(jìn)入地層后自主粘結(jié)裂縫，極易吸附到微裂縫和微孔隙兩翼。

在油基鉆井液中加入微納米聚合物封堵劑和油基固壁劑MOHGW，在壓力3.5 MPa，溫度160 ℃，慮失2.0 mL，泥餅厚度1.0 mm，濾失量更低，泥餅更薄，有效改善體系對(duì)微孔隙的封堵效果，提高井壁穩(wěn)定性。

2.3.2 降濾失性能

為了研究不同配方油基鉆井液體系的降濾失性能，現(xiàn)場(chǎng)開展了油基鉆井液壓力傳遞實(shí)驗(yàn)與高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 和圖3 所示。實(shí)驗(yàn)表明采用1.5% MOHGW 固壁劑與3%PF-HFR 降濾失劑組合可以將HTHP 濾失量降到2 mL，有效降低濾液對(duì)地層的侵入量，進(jìn)一步提高和增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性。高溫高壓HTHP 泥餅濾失速率下降50%，封堵致密性顯著提高，壓力傳遞平衡時(shí)間由180 h 提高至280 h，平衡時(shí)間延長(zhǎng)了100 h，能夠有效封堵泥巖微納米孔縫，延緩壓力傳遞作用，提高井壁穩(wěn)定性。

圖2 壓力傳遞曲線

圖3 高溫高壓慮失速率曲線

3 工程措施優(yōu)化

優(yōu)化工程措施是提高龍井組雜色泥巖穩(wěn)定性的又一大關(guān)鍵手段。針對(duì)前期本區(qū)塊龍井組下部及花港組上部井眼直徑311.15 mm 井段起下鉆困難，劃眼頻繁憋壓蹩扭的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)軌跡設(shè)計(jì)、鉆井參數(shù)及井眼清潔進(jìn)行控制，維護(hù)井壁穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)三壓力曲線，選擇合適的泥漿比重進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。通常情況下，要控制泥漿比重大于地層坍塌壓力，同時(shí)小于地層破裂壓力。使用擬懸鏈線+圓弧大位移井軌道設(shè)計(jì)，使用不同的造斜率和步長(zhǎng)設(shè)計(jì)多套方案進(jìn)行比選，按照降低難度的原則，目標(biāo)選擇考慮先二維后三維，綜合考慮鉆進(jìn)和劃眼扭矩、起下懸重、機(jī)泵條件、側(cè)向力、鉆具疲勞系數(shù)、井眼清潔等因素。要適當(dāng)調(diào)整造斜深度，避開易失穩(wěn)段后再進(jìn)行連續(xù)造斜，在易失穩(wěn)段使用小井斜，減少易失穩(wěn)段穿行的距離。

通常情況下，井眼直徑311.15 mm 井段采用高抗扭5-7/8″鉆桿，獲得更大的P-HAR 值及更大的排量，降低壓力損耗，增加環(huán)空返速，降低環(huán)空ECD，盡量選取同一種定向井工具，避免定向井工具剛性變化導(dǎo)致的起下鉆遇阻及對(duì)易失穩(wěn)井段的擾動(dòng)破壞。

在易失穩(wěn)段控制參數(shù)鉆進(jìn)時(shí)，排量控制在4 000～4 200 L/min，轉(zhuǎn)速90～110 r/min 為宜，與此同時(shí)，需減少大鉆具對(duì)敏感地層擾動(dòng)和破壞。加強(qiáng)固控手段也是大位移井提高井壁穩(wěn)定性的重要措施，配置200 目及以上的高目數(shù)篩布，使用離心機(jī)及時(shí)清除油基泥漿中的有害固相，維持泥漿良好的流變性能，通過(guò)實(shí)時(shí)觀察泥餅質(zhì)量，來(lái)維護(hù)油基鉆井液的穩(wěn)定性。此外，使用連續(xù)循環(huán)裝置通過(guò)泥漿流動(dòng)形成巖屑連續(xù)傳送帶，防止停泵時(shí)巖屑床堆積，同時(shí)維持恒定ECD 防止因?yàn)閴毫?dòng)導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)?，F(xiàn)場(chǎng)也常采用隨鉆儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下ECD，E-drillingl 跟蹤模擬，根據(jù)井眼清潔模擬合理控制鉆參及ROP，反演摩阻系數(shù)，確保井眼清潔。

4 應(yīng)用效果

該氣田現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)3 口大位移井中，井深為6 502 m，最大位移為4 686 m，井眼直徑311.15 mm 井段使用優(yōu)化后的油基鉆井液配合優(yōu)化后的工程措施。在龍井組底部和花港組鉆井作業(yè)過(guò)程中，鉆井液性能穩(wěn)定，鉆進(jìn)扭矩、泵壓平穩(wěn)，短起和長(zhǎng)起均順利無(wú)阻掛，都實(shí)現(xiàn)了直起直下，起下鉆效率得到顯著提升，套管均順利到位，鉆井液性能如表2 所示。與鄰井相比，優(yōu)化后的油基泥漿井起下鉆時(shí)間縮短82.75～250.50 h，起下鉆時(shí)效提高93%～356%，起下鉆效率得到顯著提升，降低了海上作業(yè)的成本。

表2 各井311.15 mm 井段油基鉆井液性能

通過(guò)使用微納米封堵技術(shù)，油基鉆井液HTHP 濾失量均小于2.6 mL，最終控制在2 mL 以下，泥餅質(zhì)量好，有效降低了鉆井液濾液對(duì)地層的侵入。且振動(dòng)篩返出巖屑量正常，返出的巖屑干爽成型，齒印清晰，鉆進(jìn)期間也未出現(xiàn)掉塊、掉片。這有力保證了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全，進(jìn)一步顯著提高鉆井時(shí)效。

5 結(jié)論與建議

(1) 現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化出了一種該區(qū)塊大位移井的油基鉆井液體系，其配方為：5#白油+2.4%主乳化劑PFMOEMUL+0.6%輔乳化劑PF-MOCOAT+0.5%潤(rùn)濕劑MOWET+1.5% 堿度調(diào)節(jié)劑PF-MOALK+2% 有機(jī)土PF-MOGEL+ 成膜劑3%PF-MOHFR+ 封堵劑1%PF-MOSLF+ 降 濾 失 劑1%PF-MOFAC+2.0% 微納米聚合物封堵劑+1.5%MOHGW+高品質(zhì)重晶石，油水比80∶20。

(2)通過(guò)對(duì)油基泥漿的優(yōu)化同時(shí)配合工程措施，有效解決了龍井組底部和花崗組上部雜色泥巖垮塌，在后續(xù)三口井作業(yè)中，短起下鉆順利，244.5 mm 套管一次到位，大幅節(jié)省了鉆井周期，提高了鉆井作業(yè)時(shí)效。

(3)東海大位移井鉆井作業(yè)正在面對(duì)更深、更遠(yuǎn)、更快、更安全和更經(jīng)濟(jì)有效的發(fā)展需求，進(jìn)一步加強(qiáng)大位移井關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，再提速再提效，保障安全，降低成本。