大井眼鹽膏層的定向施工難點(diǎn)與對策

劉長柱 殷召海 李武生 楊金生 宋武強(qiáng)

摘要：本文針對伊拉克哈法亞油田在開發(fā)Kirkuk油層時所遇到的工程技術(shù)問題，尤其是在對12-1/4″井眼的高壓鹽膏巖層易發(fā)生卡鉆等惡性鉆井事故的分析后，提出相應(yīng)的對策，同時結(jié)合XX等井的現(xiàn)場施工，著重提出規(guī)避工程事故的具體措施，為該區(qū)塊后續(xù)井位的安全開發(fā)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鹽膏層 井眼清潔 軌道優(yōu)化 鉆具組合

1 哈法亞油田簡介

哈法亞油田（Halfaya oilfield）是伊拉克南部最大的油田之一，根據(jù)伊拉克政府提供的數(shù)據(jù)，哈法亞油田可采儲量約為41億桶。該項目是迄今為止中國石油單體作業(yè)量最大的海外項目。去年8月，哈法亞二期年1000萬噸產(chǎn)能提前建成投產(chǎn)，油田日產(chǎn)原油提升至20萬桶，成為當(dāng)?shù)厥徒?jīng)濟(jì)振興的重要力量。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造及地層特點(diǎn)

哈法亞油田處于伊拉克西南部，是一個NW-SE走向的長軸背斜，背斜兩翼產(chǎn)狀平緩，是完整的背斜儲油構(gòu)造。所鉆遇地層自上而下分別為，第三系地層和上白堊系，中白堊系，下白堊系。主要巖性依次為沙泥巖，膏巖鹽巖和灰?guī)r白云巖地層。所鉆遇地層中有多套地層見到油氣顯示。其中在Kirkuk、 Sadi、Mishrif、NahurUmr等層位中均見到良好的油氣顯示。但是在開發(fā)Kirkuk油層時，目標(biāo)層埋藏淺，目標(biāo)層垂深在2100m左右，同時由于地質(zhì)構(gòu)造及地層特性，經(jīng)常需要在Jeribe地層定向鉆進(jìn)，但是該層段泥巖致密，膏巖與鹽巖相互交錯，地層可鉆性極差，鉆井事故頻發(fā)，嚴(yán)重制約著該層位油氣層的高效開發(fā)。

1.2 施工難點(diǎn)分析

（1）泥巖與鹽膏鹽相互交錯，易縮徑，蠕變，卡鉆事故頻發(fā)，施工風(fēng)險高。如HF007-JK007井鉆進(jìn)至井深1926.87m，在上提劃眼準(zhǔn)備測斜接立柱時發(fā)生卡鉆，XX井在三開中完井深2170m，進(jìn)行短起時發(fā)生卡鉆，最終都只能采取爆炸松口，側(cè)鉆作業(yè)。

（2）該井眼為12.25″大井眼，井眼環(huán)空大，環(huán)空鉆井液流速低，井眼清潔困難。

（3）該井段高比重，泥漿密度在2.23～2.35g/cm3，固相含量在40%左右，高粘度，巖屑“垂沉”現(xiàn)象突出，循環(huán)壓耗高，排量受限。流動阻力大，能量消耗多，功率低，鉆速慢. 在XX井中，泥漿比重在2.23～2.36 g/cm3，F(xiàn)V在90～130s，排量最多提到2.51m3/min時，泵壓達(dá)到3400～3500PSI。

（4）Jeribe和Kirkuk 地層中的鹽膏巖可鉆性差，機(jī)械鉆速很低，尤其是滑動鉆進(jìn)，作業(yè)時間長，井壁穩(wěn)定性受到極大的挑戰(zhàn)。如在XX井中，滑動鉆時僅為0.6-0.8m/h，復(fù)合鉆時0.8～1.3m/h，后續(xù)下入常規(guī)鉆具鉆時在1.4～1.9m/h.

（5）某些司鉆對該井眼風(fēng)險認(rèn)識不足，業(yè)務(wù)知識欠缺，人為事故存在。

2 鹽膏層大井眼定向技術(shù)理論研究

2.1 井眼清潔技術(shù)[1][2]

（1）井眼清潔區(qū)域的劃分：第一洗井區(qū)：井斜角0°～45°與普通定向井相同，不存在巖屑床，鉆井液流變性的影響較大。在層流狀態(tài)下，提高泥漿的動塑比，有利于攜帶巖屑。第二洗井區(qū)：井斜角45°～65°，這是最復(fù)雜的井段，不僅存在巖屑床，而且?guī)r屑床還要下滑，在一定位置堆積起來，嚴(yán)重堵塞井眼。第三洗井區(qū)：井斜角65°～90°存在巖屑床，但不會出現(xiàn)巖屑下滑。在巖屑上返過程中，在重力作用下總要下沉，如果排量不足就會使巖屑床不斷加厚。所以關(guān)鍵在于加大排量，保證紊流洗井，控制巖屑床的厚度，保證循環(huán)暢通。同時，一般將井眼直徑的10%作為巖屑床的安全極限值。

（2）鉆柱轉(zhuǎn)速對攜砂的影響

利用鉆柱的的高速轉(zhuǎn)動，才能連通巖屑床和流體運(yùn)動的區(qū)域，從而通過機(jī)械力攪動使巖屑進(jìn)入液流中，使巖屑床與流體間形成一個傳送帶，高轉(zhuǎn)速正是操作這個傳送帶的關(guān)鍵，旋轉(zhuǎn)的速度就是傳送帶的運(yùn)動速度。井眼尺寸不同，對鉆柱鉆速要求不同。鉆速過低不能發(fā)揮傳輸帶的作用，同時轉(zhuǎn)速過高會造成泥漿當(dāng)量密度的增加，給井眼帶來其他的風(fēng)險。因此，應(yīng)控制在一個合理的范圍之內(nèi)。

2.2 地應(yīng)力及井壁穩(wěn)定技術(shù)[5][6]

地應(yīng)力：是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力或原巖應(yīng)力，廣義上也指地球體內(nèi)的應(yīng)力。它包括由地?zé)岍p重力﹑地球自轉(zhuǎn)速度變化及其他因素產(chǎn)生的應(yīng)力。地層巖石所處的地應(yīng)力一般有3個主應(yīng)力：垂向應(yīng)力（上覆巖層壓力）、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力。對于復(fù)雜地層的定向井，垂向應(yīng)力不再與井軸重合，水平主應(yīng)力也不再與井軸正交，井周圍巖石處于三維應(yīng)力狀態(tài)，這對井壁穩(wěn)定性的影響極大，如圖2所示。

3 解決措施

3.1 優(yōu)化軌道設(shè)計

改變設(shè)計思路，將該類井設(shè)計成最簡單的單圓弧剖面，且將造斜段提前至地層可鉆性較好，地層穩(wěn)定的17.5″井眼中。12.25″井眼井段優(yōu)選穩(wěn)斜段或者微小增斜段。但無論選擇哪種類型， 為了降低摩阻與扭矩和防止套管被嚴(yán)重磨損，井斜角應(yīng)盡量避開45～65°范圍，設(shè)計方位應(yīng)避免最最大地應(yīng)力方向重合，提高井眼的穩(wěn)定性。在HF007-JK007井設(shè)計中，造斜段在三開12.25"鹽膏層井段，且設(shè)計最大井斜62.5°，鉆進(jìn)至井深1926.87m，井斜61°多，上提倒劃眼時卡死。相反，在HF109-JK109D1井的軌道設(shè)計中考慮以上因素。

由于采用以上措施，優(yōu)化井眼軌道設(shè)計，施工順利，未發(fā)生復(fù)雜事故，且整口井的機(jī)械鉆速較快，鉆井周期短，完全達(dá)到高效安全快速開發(fā)Kirkuk油層的目的。

3.2 井眼清潔措施

根據(jù)前文所述，在該井眼施工時要保證轉(zhuǎn)速 排量，井眼清潔區(qū)域中最復(fù)雜的井段是第二洗井區(qū)，第三洗井區(qū)巖屑床受鉆井液的沖刷厚度不再增加，也不產(chǎn)生滑移，聚集，此井段的巖屑往往被鉆井液帶到臨界角附近聚集（60°～70°范圍）。

為保證復(fù)雜井段的安全鉆進(jìn)，需要采取一定的技術(shù)手段，其中包括：

①在條件允許的情況下，盡可能提高循環(huán)排量，使其接近臨界返速而消弱巖屑床，但要注意防止井徑擴(kuò)大。

②提高泥漿的屈服值，增強(qiáng)攜巖能力，減緩巖屑的徑向沉積，也是減少巖屑床厚度的有效辦法。

③利用頂驅(qū)優(yōu)勢，邊起鉆邊轉(zhuǎn)動鉆具的辦法攪動巖屑床。同時循環(huán)泥漿，清除巖屑床。

④在斜井段鉆進(jìn)時，適當(dāng)采取劃眼，短起下措施。倒劃眼對攜巖有一定的效果，但倒劃眼時也需要注意，首先轉(zhuǎn)速要提高到合適的范圍，如12.25″井眼在用常規(guī)鉆具時，倒劃眼鉆速40～60，正劃眼90～150，利用高轉(zhuǎn)速來發(fā)揮“傳送帶”的井眼清潔作用。

3.3 精選鉆具組合

精選鉆具組合目的主要有兩點(diǎn)：第一是降低鉆具摩阻扭矩，進(jìn)而降低粘卡的風(fēng)險：第二點(diǎn)是通過優(yōu)化鉆具降低鉆具循環(huán)壓耗，進(jìn)而提高泵排量，滿足井眼清潔，同時防止鉆頭泥包。具體如下：

第一：謹(jǐn)慎使用滿眼或者強(qiáng)剛性鉆具組合，尤其是足尺寸的扶正器，盡量減少大鉆鋌下入，尤其是大尺寸鉆鋌（如8″或者9″鉆鋌），全井盡量使用柔性鉆具組合，用非磁抗壓縮鉆桿替代非磁鉆鋌，用加重鉆桿替代鉆鋌，用大尺寸斜坡鉆桿替代普通鉆桿，在大斜度井段采用了倒裝鉆具組合，使鉆具與井壁的接觸面積減少，避免了大斜度井段易出現(xiàn)的粘附及鍵槽卡鉆的井下事故。同時，鉆桿要采用剛級別139.7mm斜坡鉆桿來代替普通鉆桿，減小環(huán)空間隙，提高泵排量， 降低壓力損耗， 增大環(huán)空返速， 從而提高攜巖能力。

第二：螺桿選用高扭矩低轉(zhuǎn)速中空防托壓螺桿，HL-MWD儀器配比根據(jù)該井眼的實際情況有優(yōu)先選擇Poppet /Orifice Size：27.6mm/35.56mm，最大的降低循環(huán)壓耗。

第三：選擇合適的鉆頭水眼尺寸，提高鉆頭清洗能力。

該區(qū)塊鉆頭泥包現(xiàn)象普遍，除了所鉆遇地層特性外。經(jīng)分析原因認(rèn)為有以下幾點(diǎn)可能：

①泥漿比重高且泥巖致密，井底巖屑不能及時返出地面；②鉆進(jìn)方式為頂驅(qū)立柱鉆進(jìn)，接立柱時井底上空較小，考慮到鉆具伸長和井底沉沙，易造成堵水眼；③現(xiàn)場循環(huán)管匯限制鉆頭水眼偏大，鉆頭泥漿射速偏小。

第四：高風(fēng)險井段，精簡鉆具組合，最大化的規(guī)避井下風(fēng)險。

如在XX井三開的最后100m（即鹽膏層井段）下入常規(guī)鉆具，無任何扶正器，最大化的精簡鉆具，避免各種大尺寸的鉆鋌，扶正器導(dǎo)致的卡鉆。

4 認(rèn)識與建議

（1）優(yōu)化井眼軌道設(shè)計，具體如下：

第一：井眼軌道設(shè)計采用最簡單的單圓弧三段制設(shè)計，造斜段提至地層穩(wěn)定可鉆性較好的二開井段，且在三開井段（12.25"井眼）最好穩(wěn)斜鉆進(jìn)，如需在三開井段滑動鉆進(jìn)，盡可能調(diào)整至四開井段滑動鉆進(jìn)。

第二：井斜角設(shè)計避開（45～65°），便于井眼清潔，方位設(shè)計要避免地層最大地應(yīng)力方向，防止地層垮塌導(dǎo)致的卡鉆。

（2）使用Agitator等降摩減扭工具，優(yōu)化不同井段鉆具組合，提高機(jī)械鉆速，尤其是滑動鉆進(jìn)，最大化的減少井眼的裸泡時間來降低卡鉆風(fēng)險。

（3）最大化減少鉆具靜止時間。提高司鉆技能，尤其是提高接立柱效率，縮短MWD測斜時鉆具靜止時間。

（4）采用中空低轉(zhuǎn)速高扭矩螺桿，大尺寸高強(qiáng)度的鉆桿來最大化的提高鉆井排量，達(dá)到清潔井眼的目的。

（5）針對巖屑床及高比重泥漿導(dǎo)致的“垂沉”問題，工程上要定期做短期下作業(yè)，每個單根鉆完要采用到劃眼正劃眼來確保井眼軌跡光滑，破壞巖屑床。

（6）采用優(yōu)質(zhì)的Nacl-poly鉆井液體系。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃衛(wèi)平.水平井對水力參數(shù)設(shè)計提出的特殊要求.鉆采工藝，1991，14（4）：30～32.

[2] 郭曉樂，汪志明，陳亮.大位移井水力參數(shù)設(shè)計方法.石油鉆采工藝，2008，30（5）：6～14.