元壩地區(qū)超深含硫氣井安全快速鉆井難點及對策

摘 要

摘要：川北元壩地區(qū)是中國石化南方海相重點勘探區(qū)域，其鉆井完鉆井深超過7000m，屬于超深含硫氣井。針對該區(qū)陸相地層研磨性強、可鉆性差，井身質量控制難度大、海相地層鹽膏層發(fā)育
摘要：川北元壩地區(qū)是中國石化南方海相重點勘探區(qū)域，其鉆井完鉆井深超過7000m，屬于超深含硫氣井。針對該區(qū)陸相地層研磨性強、可鉆性差，井身質量控制難度大、海相地層鹽膏層發(fā)育、井漏和井控安全問題突出等施工難點，提出了安全快速鉆井技術對策：①運用氣體鉆井技術提高機械鉆速，減少井漏復雜事故；②結合鄰井資料，優(yōu)選鉆頭類型，優(yōu)化鉆井參數；③制訂井下安全鉆井技術措施，預防地層掉塊和鍵槽卡鉆、縮徑和壓差卡鉆、斷鉆具和鉆頭等井下復雜情況的發(fā)生。
關鍵詞：元壩地區(qū)；氣體鉆井；鉆頭優(yōu)選；鉆井參數；技術；四川；北
0 前言
川北元壩地區(qū)是中國石化南方海相重點勘探區(qū)域，位于九龍山構造南翼、通南巴背斜西南側，屬于川中低緩構造帶的一部分。從鄰井鉆探結果表明，飛仙關組飛三段鮞灘儲層、嘉陵江組嘉二段粒屑灘儲層、三疊系須家河組砂巖儲層、下侏羅統(tǒng)自流井組、大安寨組介殼灰?guī)r儲層在該區(qū)亦可能發(fā)育，成藏條件優(yōu)越，是川東北地區(qū)尋找大型氣藏的有利區(qū)帶。從區(qū)域沉積特征及鄰井鉆井資料、露頭資料綜合分析，該區(qū)陸相層系可能發(fā)育有須家河組砂巖、千佛崖組砂巖、自流井組砂巖及介殼灰?guī)r儲集層。海相碳酸鹽巖儲層可能發(fā)育有中三疊統(tǒng)雷口坡組中上部白云巖儲層、下三疊統(tǒng)嘉陵江組嘉二段砂屑云巖儲層、下三疊統(tǒng)飛仙關組飛三段鮞粒石灰?guī)r儲層、長興組-飛仙關組飛二段礁灘相白云巖儲層。
1 安全快速鉆井難點分析
截至2008年上半年，川北元壩地區(qū)已完鉆井4口，分別為元壩1.、元壩1-側1、元壩2、元壩3等井，正鉆井有10口，分別為元壩4、元壩5、元壩9、元壩11、元壩12、元壩22、元壩101、元壩102、元壩204、元壩27等井。從大量實鉆資料來看，川北元壩地區(qū)超深井鉆井面臨諸多難題[1～2]。
1.1 儲層埋藏深、鉆遇地層復雜、可鉆性差、穩(wěn)定性差
地層沉積厚度大(大于5000m)，發(fā)育海陸相兩套地層，自上而下鉆遇下沙溪廟組、千佛崖組、自流井組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關組等地層。
上部陸相地層軟硬交替頻繁、砂巖石英含量高、硬度大、研磨性強、可鉆性差，在鉆進中蹩跳鉆現象嚴重、掉塊、大井眼鉆具欠尺寸等問題；沙溪廟組-自流井組地層不穩(wěn)定，極易水化剝蝕掉塊、易發(fā)生垮塌、鉆進中易出現持續(xù)蹩停轉盤現象，導致上提遇阻、反復擴劃眼，造成井下復雜情況和事故，嚴重制約了鉆井提速。下部雷口坡組雷一段-嘉陵江組嘉四段存在大段鹽膏層、局部比較發(fā)育(元壩2井和元壩102井)，部分井鹽膏層段有縮徑現象、極易發(fā)生卡鉆、下套管困難等問題。
1.2 地層壓力系數高、鉆井液密度大、井控難度風險大
元壩2、元壩3、元壩101、元壩102等井在須家河組的鉆井液密度高達1.90～2.22g/cm3，部分井陸相地層含H2S。氣層異常活躍，在鉆進時全烴值較高；起下鉆后鉆井液氣侵、污染嚴重，進出口密度相差較大，每趟短起下鉆到底之后均需關井循環(huán)排氣，點火排氣時間為2～5h，增大了井控作業(yè)的難度。
1.3 非常規(guī)井身結構、套管選型難度大、固井施工風險大
當前，川北元壩地區(qū)超深井采用五開制非常規(guī)井身結構，多數井技術套管段套管抗外擠系數設計普遍偏低(小于1.00)，且部分陸相地層含有H2S，使得套管選型難度增大。此外，Ø273.05mm和Ø146.1mm套管固井過程中，由于裸眼井段長、井眼與套管間隙小，下套管和固井施工難度大。
1.4 鉆井設備和地質錄井要求、限制了深部井段應用復合鉆井技術
川北元壩地區(qū)超深井設計或完鉆井深均超過7000m，在五開制Ø165.1mm井眼鉆進中，受鉆井泵泵壓或地質要求的限制，制約了復合鉆井技術的應用。在元壩2井中僅使用了PDC鉆頭+轉盤常規(guī)鉆井技術，由于受泵壓限制無法應用復合鉆井技術，元壩3井、元壩102井受地質錄井限制，均未推廣應用PDC鉆頭。
2 安全快速鉆井技術對策
2.1 運用氣體鉆井技術提高機械鉆速，減小井漏復雜事故
上部大尺寸井眼在滿足施工條件情況下盡可能地采用空氣鉆井[3～4]，以提高陸相地層的機械鉆速，縮短鉆井周期，降低鉆井液成本，減少污水排放和處理量，降低整個鉆井的綜合成本。截至2008年，在川北元壩地區(qū)上部陸相地層應用氣體鉆井提速(表1)。
表1 川北元壩地區(qū)上部陸相地層氣體鉆井統(tǒng)計表
井號
井眼尺寸(mm)
鉆遇井段(m)
進尺(m)
純鉆時間(h)
機械鉆速(m/h)
元壩1
444.50
104.00～2005.00
1901.11
217.52
8.74
314.10
2032.00～3420.00
1387.09
136.52
10.16
元壩2
444.50
204.30～1502.80
1298.50
180.85
7.18
311.20
1502.80～3147.59
1644.79
112.83
14.68
241.30
3439.47～3727.82
352.01
54.17
6.50
元壩3
444.50
206.00～1540.00
1334.00
76.67
17.40
311.20
1561.65～3521.24
2004.59
274.00
7.32
元壩4
444.50
178.00～1746.25
1548.25
282.08
5.49
311.20
1746.25～3340.00
1593.75
152.75
10.43
元壩5
406.40
204.33～1278.42
1074.09
162.50
6.61
311.20
1545.00～3369.48
1824.48
234.00
7.80
元壩9
444.50
207.00～2104.00
1897.00
110.83
17.12
311.20
2104～3234.65
1130.65
119.83
9.44
元壩11
444.50
203.82～2052.02
1848.20
156.42
11.82
311.15
2052.02～3298.00
1246.78
88.83
13.04
元壩12
444.50
206.97～2006.08
1799.11
123.35
14.59
314.10
2015.98～2749.78
733.80
42.85
17.12
元壩22
479.42
0～164.22
164.22
80.08
2.05
342.90
302.00～1573.68
1266.68
61.30
20.66
元壩101
444.50
239.00～2018.33
1779.33
215.00
8.28
311.20
2018.33～3300.00
1287.67
192.50
6.69
元壩102
444.50
204.00～2053.00
1849.00
213.50
8.06
311.20
2053.00～30308.39
1255.39
131.00
9.58
總體指標
32220.49
2771.66
11.62
從表1可知，川北元壩地區(qū)氣體鉆井總進尺達32220.49m，平均機械鉆速為11.62m/h，應用井段達到川北元壩地區(qū)陸相地層的三分之二，有力地提高了陸相地層大尺寸井段機械鉆速，同時有效地杜絕了上部陸相地層惡性井漏問題。此外，在終止氣體鉆井后，積極探索運用潤濕反轉技術轉換鉆井液，確保了井壁穩(wěn)定，實現了快速穿越非目的層，減輕了鉆井液對井壁的浸泡時間，降低了事故復雜情況發(fā)生的概率，為全井提速打下了基礎(如元壩5井)。
2.2 結合鄰井資料，優(yōu)選鉆頭類型，優(yōu)化鉆井參數
結合鄰井資料優(yōu)化鉆頭選型(表2)，提高鉆頭破巖效率，認真研究評價各層段巖石可鉆性、研磨性，尤其是可鉆性極差的下沙溪廟組-須家河組地層，開展個性化鉆頭設計。此外，結合鉆頭類型、地層可鉆性等因素進行鉆井參數優(yōu)化，在轉速較為敏感的軟-中軟地層中、上部地層提高轉速，下部地層屬中硬級，對鉆壓較為敏感，適當提高鉆壓。水力參數選擇采用最大水功率工作方式，上部地層以提高鉆頭水功率為主，下部地層以保證井下攜帶巖屑為主。
1) 上部地層適合用空氣鉆井工藝鉆進，施工中選用軸承壽命短，但鉆速較高的川石鉆頭。
2) 陸相地層深部井段，積極利用川東北地區(qū)實鉆經驗，選用江漢改型(HJT537GK)鉆頭，取得了很好效益。
3) 雷口坡組、嘉陵江組地層使用PDC鉆頭，大大減少了起下鉆次數，提高了平均機械鉆速，大幅度地提高了綜合效益。
4) 飛仙關組、長興組使用江漢產HA537G鉆頭和深圳新速通ST306SN PDC鉆頭，提高了機械鉆速，減少了起下鉆次數，應用效果良好。
表2 川北元壩地區(qū)超深井鉆井鉆頭選型綜合推薦表
鉆遇地層
推薦鉆頭選型
蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組
SHT22RG、SHT33RG、GA515G
沙溪廟組、千佛崖組、自流井組
江漢537GK、537GK HL、617系列
須家河組
HJT537GK/HJT537GHKL/HJT617G
雷口坡組
HJT537GK/M1375
嘉陵江組
PDC
飛仙關組
PDC
長興組
PDC、537系列
2.3 制訂井下安全鉆井技術措施，預防井下復雜情況的發(fā)生
川北元壩地區(qū)鉆井復雜事故主要有卡鉆、斷鉆具和鉆頭事故。實鉆資料表明：該地區(qū)卡鉆可歸納為井壁掉塊硬卡、鍵槽卡鉆、縮徑卡鉆和壓差卡鉆等，其中井壁掉塊硬卡和鍵槽卡鉆一般發(fā)生在深部陸相地層；縮徑卡鉆和壓差卡鉆則易出現在海相地層鹽膏層和產層段。
1) 預防地層掉塊和鍵槽卡鉆。①保證循環(huán)排量、強化接單根操作措施、監(jiān)控好井下異常，遇卡不能用力上提，下壓轉動是有效的方法。須家河組煤層段是防范重點的井段。②搞好井身質量，及時發(fā)現鍵槽初期征兆，先期破壞鍵槽是關鍵。采用細致的倒劃眼措施一般能起出鍵槽井段，切忌強力上提把鉆具卡死。
2) 預防縮徑和壓差卡鉆。①雷口坡組與嘉陵江組含有鹽、膏層。應做好劃眼和保護井壁的措施；鉆壓放空時注意控制好鉆時，監(jiān)控好鉆井液性能變化。主要油氣層段、漏層段鉆進時，為確保井下安全，更好地處理好井下復雜情況，鉆具組合中不帶井下動力鉆具。②壓差卡鉆在產層的定向井段表現突出，預防粘卡現象的關鍵在于：發(fā)現前期征兆并立即采取有效措施。
3) 預防斷鉆具和鉆頭事故。川北元壩地區(qū)陸相地層蹩跳鉆嚴重，特別是空氣鉆井，大尺寸鉆頭鉆進中應加入減震器，盡可能使用新鉆具，并且對鉆具進行定期探傷，蹩跳鉆嚴重的井段，加密探傷，每趟鉆倒換鉆具，更換中和點位置，力爭避免鉆具事故。
3 結論與建議
1) 上部陸相地層應當兼顧提速和控制井身質量并重的原則，為鉆井提速提供條件。①軟硬膠結與破碎地層易引起蹩跳鉆，在嚴重蹩跳鉆井段使用減震器或水力加壓器，確保鉆頭工作的平穩(wěn)性，有利于井身質量的控制。②上部大尺寸井段采用Ø279.4mm大尺寸鉆鋌塔式鉆具組合及Ø228.6mm鉆鋌柔性鐘擺鉆具組合防斜、穩(wěn)斜效果良好，可適當增加鉆壓，提高機械鉆速。
2) 充分運用好氣體鉆井技術，確保氣體鉆井順利安全，防止氣體鉆井相關事故的發(fā)生。氣體鉆井能大幅度地提高上部陸相地層的機械鉆速，但要嚴格控制井身質量，嚴防井斜超標。同時防止氣體鉆井斷鉆具事故及后期轉換為鉆井液體系帶來的一系列井下復雜問題。
3) 海相地層鉆井液體系鉆井，要做好井控安全，承壓堵漏和油氣層保護工作，防止海相地層惡性井漏和油氣層污染，確保海相地層安全鉆進。
4) 總結區(qū)域堵漏經驗，針對井漏的預防和處理，要合理控制鉆井液密度、改善流變性能、使用防漏防滲材料、精細鉆井操作、嚴格井口壓力控制，綜合防止誘導裂縫性井漏。
5) 在進行承壓堵漏時要充分分析漏失原因，結合地層巖石骨架的承壓能力，優(yōu)選堵漏漿的配方，避免因承壓堵漏造成井壁破碎坍塌。做好裂縫性又噴又漏氣層的井控工作。使用酸溶性堵漏工藝，避免漏失對氣層產生嚴重污染。
6) 川北元壩地區(qū)屬于高含硫氣田，超深井鉆井配套技術(如氣體鉆井軌跡控制、鉆井液以及超深井固井等)還有待進一步通過攻關來完善。
參考文獻
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(本文作者：涂茂川1 王希勇2 朱禮平2 李群生2 胡大梁2 熊繼有3 1.中國石化石油工程西南有限公司重慶鉆井分公司；2.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院；3.“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室 西南石油大學)