袁則名， 和鵬飛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

復(fù)雜斷塊油田鉆井廢棄物回注方案優(yōu)選與工程實(shí)踐

袁則名， 和鵬飛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

針對淺海某油田鉆井井筒廢棄物(鉆屑、鉆井液以及含油污水等)處理困難的問題，在對油田地層具有斷塊復(fù)雜、斷層眾多等特點(diǎn)深入研究的基礎(chǔ)上，論證了廢棄物回注處理方案，形成了利用已有生產(chǎn)井以及實(shí)施專用回注井兩種作業(yè)方案。通過對兩種方案在層位選擇、回注實(shí)施參數(shù)以及安全系數(shù)等方面考慮，最終選擇鉆探專用回注井，完鉆后根據(jù)實(shí)測地層資料以及定向井?dāng)?shù)據(jù)對回注層位進(jìn)行進(jìn)一步篩選和優(yōu)化。優(yōu)選出上下具備良好的隔離層、能夠滿足漿體回注容量需要的層位，同時(shí)保證漿體不上竄地面以及不污染儲(chǔ)層或其他層位。

海上油氣田；廢棄物回注；回注層選擇；環(huán)境保護(hù)

0 引 言

1 鉆屑回注層位的選擇機(jī)理

鉆屑回注技術(shù)的主要思路就是將回收到的鉆井廢棄物漿化后利用地面高壓泵組以超過地層吸收能力的排量注入合適的地層?；刈游贿x擇時(shí)，首先根據(jù)本區(qū)塊地層特征可初選出具有一定容量且上下具有良好隔離層的目的層，之后針對所選層位進(jìn)行回注壓裂模擬，得出目的層壓裂成縫機(jī)理以確定每批次最佳注入量和注入壓力，同時(shí)通過壓裂模擬計(jì)算分析得出合理的回注參數(shù)[5-6]。

1.1 主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與選層原則

鉆屑回注作業(yè)不僅存在直接的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，由于某些影響因素的不確定，該作業(yè)又存在巨大的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，其主要風(fēng)險(xiǎn)有以下幾點(diǎn)： (1)回注層位選擇不當(dāng)，壓裂裂縫延伸不可知甚至向上延伸導(dǎo)致注入漿體上竄至地表或者污染地下水資源及石油天然氣儲(chǔ)層；(2)回注漿體通過潛在斷層或者地下不連續(xù)層塊到達(dá)地表；(3)回注漿體破壞注入井井筒，沿套管與地層間通道到達(dá)地表。因此在鉆屑回注作業(yè)前需對回注區(qū)域內(nèi)地質(zhì)資料進(jìn)行全面的分析評估，選擇合理的回注層位，盡量避免或者降低回注作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。一般回注層位的選擇必須遵循以下規(guī)則： (1)不污染其他自然資源；(2)不竄漏到海底或地面；(3)不污染水資源；(4)不污染油氣資源；(5)不會(huì)對相鄰地層產(chǎn)生污染；(6)有足夠的容納空間；(7)易于壓裂和易于閉合。

1.2 選層機(jī)理

回注地層應(yīng)該能較好地容納回注漿體，避免裂縫一直向上延伸，在回注層位上、下有隔離層。隔離層應(yīng)滿足三種封閉機(jī)理[7-8]： (1)破裂梯度大于目標(biāo)注入層破裂梯度的地層常常可以防止裂縫延伸至設(shè)計(jì)范圍之外；(2)壓裂梯度增大的上覆地層可作為隔離層；(3)較高彈性模量的堅(jiān)硬地層可有效地封閉裂縫的延伸，也可作為合適的隔離層。

1.3 層位選定后的壓裂模擬計(jì)算

確定回注地層以后，針對所選擇回注地層進(jìn)行回注壓裂設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法就是通過回注壓裂數(shù)值模擬得出回注漿體在回注層位所產(chǎn)生裂縫的延伸方位和大小，以及形成的復(fù)雜幾何形狀，進(jìn)一步找出回注漿體壓裂成縫機(jī)理(見圖1)，再利用三維壓裂模擬確定每批次最佳鉆屑漿體注入量和注入壓力，控制回注壓力和相關(guān)壓裂參數(shù)讓回注層盡可能產(chǎn)生多重裂縫，從而可以使回注層能容納更多的廢棄漿體。

圖1 鉆屑回注地層隔離方式及裂縫生長示意圖Fig.1 Isolation of waste reinjection and growth of crack

2 XJ淺海油田回注層位的選擇

XJ淺海油田地層具有斷塊復(fù)雜、斷層眾多等特點(diǎn)，回注設(shè)計(jì)初期形成了利用已有生產(chǎn)井以及實(shí)施專用回注井兩種作業(yè)方案，通過對兩種方案在層位選擇、回注實(shí)施參數(shù)以及安全系數(shù)等方面考慮，最終選擇鉆探專用回注井，完鉆后根據(jù)實(shí)測地層資料以及定向井?dāng)?shù)據(jù)對回注層位進(jìn)行進(jìn)一步篩選和優(yōu)化。

2.1 地質(zhì)特點(diǎn)

XJ淺海油田位于渤海東部海域，油田范圍內(nèi)平均水深約29m。油田被近北東走向的走滑斷層(F1，即遼中1號大斷層)分為東西兩個(gè)構(gòu)造區(qū)帶，西陡東緩。油田發(fā)育有25條主要斷層，其中北區(qū)范圍發(fā)育14條主要斷層，南區(qū)發(fā)育11條主要斷層，這些斷層在方差切片上均有明顯的反應(yīng)[9-12]。

2.2 方案1——利用生產(chǎn)井回注

回注方案1計(jì)劃利用某生產(chǎn)井加深進(jìn)行回注作業(yè)，對該井地質(zhì)資料(見圖2，圖中壓力采用壓力當(dāng)量密度表示)進(jìn)行計(jì)算分析得出[13-15]： 只能選擇2160～2200m層位作為回注層，2214～2231m層位作為備用回注層。

對選定層位進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，結(jié)果表明： 2160～2200m之間層厚40m，漿體最大容量為10092.1m3；2214～2231m之間層厚17m，漿體最大容量為9428.1m3。鉆屑漿體7800m3和20年的生產(chǎn)廢水總和約105800m3，回注層容量滿足回注需求，但不能滿足生產(chǎn)期間污水的回注。

2.2 對選用的復(fù)合（混）肥或作物專用肥，不含有機(jī)質(zhì)或含量在15%以下的肥料，要增加充分腐熟的畜禽純干糞不少于20公斤/畝，可有效的杜絕或緩解玉米苗期肥害。

圖2 某井地層資料Fig.2 Stratigraphic data of well X

2.3 方案2——設(shè)計(jì)專用回注井回注

XJ油田范圍內(nèi)斷層大致走向以南—北為主，因此回注方案2計(jì)劃設(shè)計(jì)一口向西方向的專用回注井，避開儲(chǔ)層及斷層，降低回注的風(fēng)險(xiǎn)。專用回注井位置如圖3所示。

圖3 專用回注井井位圖Fig.3 Location of reinjection well

2.3.1專用回注井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

專用回注井設(shè)計(jì)井深1225m，第一靶處距左斷層302m，距右斷層560m，井底距左斷層590m，距右斷層280m，第一靶至井底336m，井身結(jié)構(gòu)為： 24英寸(1英寸≈2.54cm)隔水導(dǎo)管(鋼級X52，壁厚1英寸)×40m(入泥)；13-3/8英寸套管(N80， 90.8kg/m， BTC扣)×300m；9-5/8英寸套管(N80， 59.5kg/m， BTC扣)×1220m，如圖4所示。

圖4 專用回注井井身結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of reinjection well

2.3.2專用回注井回注層位初步分析

利用XJ油田已鉆的最靠近設(shè)計(jì)回注井的某井的地質(zhì)資料(見圖5)為分析依據(jù)[16-17]，進(jìn)行初步的回注層、隔離層分析。

對上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知： 本區(qū)塊上部有768～826m較好的隔離層；首選層826～1029m，厚204m；次選層1092～1173m，厚81m；下部有1742～1875m大段泥巖隔離層；回注井距斷層裂縫較遠(yuǎn)，有效形成圈閉，如圖6所示。

2.3.3專用回注井回注層壓裂模擬

對首選層和次選層進(jìn)行壓裂模擬，結(jié)果如圖7和圖8所示，其中首選層826～1029m最大漿體容量為90605.1m3，次選層1092～1173m最大漿體容量33666.1m3，兩個(gè)回注層總?cè)萘?密度1.3g/cm3鉆屑漿體)接近125000m3，完全滿足鉆屑漿體7800m3和20年生產(chǎn)廢水總和約105800m3的要求。

圖6 某井?dāng)鄬悠拭鎴DFig.6 Fault profile of well Y

圖7 專用回注井826～1029m層位間壓裂模擬Fig.7 Fracturing simulation of reinjection well in 826～1029m

圖8 專用回注井1092～1173m層位間壓裂模擬Fig.8 Fracturing simulation of reinjection well in 1092～1173m

2.4 回注井方案的最終確定

針對上述兩個(gè)方案，進(jìn)行了充分的論證分析。主要從以下幾個(gè)方面考慮： (1)利用生產(chǎn)井進(jìn)行回注的話，注入漿體可能導(dǎo)致流體沿?cái)鄬有纬蓪娱g竄通，造成儲(chǔ)層污染的可能性較大；(2)由于油田范圍內(nèi)底礫巖厚度大，鉆屑顆粒大，硬度及強(qiáng)度高，如果利用生產(chǎn)井加深回注，則研磨到符合回注要求的粒徑比較困難；(3)利用生產(chǎn)井加深進(jìn)行回注作業(yè)，回注層位于較深的層位，地層壓力大，回注造縫相對困難，施工回注失敗的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加；(4)如果利用生產(chǎn)井加深進(jìn)行回注作業(yè)，根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)資料，結(jié)合地漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)對地質(zhì)資料進(jìn)行計(jì)算，只能選擇2160～2200m層位作為回注層，2214～2231m層作為備用回注層，也就是說已有生產(chǎn)井可回注層位容量較小，不能夠滿足作業(yè)需要，而專用回注井所選層位容量完全滿足。故最終選擇方案2，實(shí)施一口專用回注井進(jìn)行回注作業(yè)。

3 現(xiàn)場實(shí)施與效果

專用回注井完鉆后，根據(jù)實(shí)際測井、錄井、定向井資料，通過回注軟件計(jì)算結(jié)果，初選出三個(gè)主力回注層位，結(jié)果如圖9中紅色、綠色和紫色層位。

圖9 專用回注井初選回注層Fig.9 Initial layer selection for reinjection well

對初選主力層進(jìn)一步細(xì)分后的回注層和隔離層如圖10所示。

圖10 細(xì)化后的回注層與隔離層Fig.10 Refined layer selection for reinjection well including reinjection layers and isolation layers

最終共確定回注層位6個(gè)： (1)井深1000～1040m，層厚40m，容量1.9萬立方米，井口壓力約8.19MPa，縫長約18m；(2)井深940～980m，層厚40m，容量1.9萬立方米，井口壓力約7.67MPa，縫長約18m；(3)井深890～930m，層厚40m，容量1.9萬立方米，井口壓力約6.41MPa，縫長約24m；(4)井深855～880m，層厚25m，容量1.8萬立方米，井口壓力約7.32MPa，縫長約24m；(5)井深800～835m，層厚35m，容量1.8萬立方米，井口壓力約6.59MPa，縫長約18m；(6)井深765～790m，層厚25m，容量1.7萬立方米，井口壓力約6.42MPa，縫長約24m。

根據(jù)先下后上的作業(yè)原則，由于井深1000～1040m已經(jīng)接近儲(chǔ)層，為保證安全決定不在該層進(jìn)行回注作業(yè)。確定首次作業(yè)回注層位為明化鎮(zhèn)砂巖層，井深940～980m，層厚40m，容量1.9萬立方米。

計(jì)算出最佳注入?yún)?shù)： 注入時(shí)間31min，關(guān)井時(shí)間120min，注入速度0.717m3/min，每批次注入量21.513m3，井口注入壓力7.67MPa。鉆屑回注一期作業(yè)結(jié)束時(shí)，XJ油田回注井總回注量達(dá)8629m3，其中鉆屑387m3、泥漿3262m3、海水4469m3。整個(gè)作業(yè)過程順利高效。

4 結(jié) 語

隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán)格，鉆屑回注技術(shù)將成為海上油氣開發(fā)作業(yè)中處理井筒廢棄物(鉆屑、鉆井液以及含油污水等)的主要技術(shù)措施，雖然目前仍處于起步嘗試階段，但發(fā)展應(yīng)用前景廣闊。該技術(shù)主要是將回收的鉆屑研磨細(xì)化處理后和鉆井液、含油污水或者海水等混合均勻達(dá)到可泵送效果，然后利用回注泵注入到選定的合適地層中，回注層位的選擇決定了回注的安全性和可靠性，是作業(yè)可行性的關(guān)鍵?；刈⒌貙右话銘?yīng)具有一定的容納性、上下有良好的隔離層(或稱封閉層)，能夠滿足漿體回注容量需要等特點(diǎn)。如果回注層位選擇不合理會(huì)對含淡水資源地層、儲(chǔ)層或者其他層位造成巨大的污染，甚至導(dǎo)致漿體上竄海面引起嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)害。方案設(shè)計(jì)階段及作業(yè)前要對區(qū)塊內(nèi)的斷層與天然裂縫做充分了解，優(yōu)化回注井井位，降低回注風(fēng)險(xiǎn)；所選注入層位選擇既要滿足注入量要求，也要避免影響區(qū)塊開發(fā)，防止污染水源和油氣層。合理的注入模擬、充分的計(jì)算論證是回注技術(shù)成功的前提。選定注入層位后，采用合理的注入?yún)?shù)模擬注入過程，對裂縫延伸做充分的預(yù)測，做到知己知彼才能有效避免危險(xiǎn)的出現(xiàn)。

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DrillCuttingsReinjectioninComplexFaultBlockOilfield：LayerSelectionSchemeOptimizationandEngineeringPractice

YUAN Ze-ming， HE Pengfei

(CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Tianjin300452,China)

Cuttings reinjection is becoming the effective technical means of waste disposal at sea, which involves the disposal of wellbore drilling cuttings, drilling fluid and oily sewage etc. For complex fault block oilfields, waste reinjection scheme selection is one of the most important contents. Based on the analysis on the reservoir geology, two reinjection schemes are proposed： using an existing production well, or constructing a reinjection well. Through comparative study on the two schemes in terms of layer selection, reinjection operation paramters and safety factors, it is determined to construct a new reinjection well. The reinjection layer is further selected and optimized according to the stratigraphic information and directional well data. Finally, the reinjection layer is obtained, which achieves good isolation and satisfies the need of slurry injection capacity, ensuring that slurry does not remain on the surface layer and not channeling reservoir pollution or other layers.

offshore oil and gas field; waste reinjection; reinjection layer selection; environmental protection

TE53

A

2095-7297(2017)01-0007-07

2017-01-03

袁則名(1979—)，男，工程師，主要從事海洋石油鉆完井技術(shù)監(jiān)督工作。