塔中地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層控壓鉆水平井技術(shù)

摘 要

摘要：塔里木盆地塔中地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層含有豐富的油氣資源，為盡快實(shí)現(xiàn)油氣勘探開(kāi)發(fā)的新突破，國(guó)家組織了科技重大專(zhuān)項(xiàng)示范工程進(jìn)行攻關(guān)。由于該區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)情況復(fù)雜，鉆井工
摘要：塔里木盆地塔中地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層含有豐富的油氣資源，為盡快實(shí)現(xiàn)油氣勘探開(kāi)發(fā)的新突破，國(guó)家組織了科技重大專(zhuān)項(xiàng)示范工程進(jìn)行攻關(guān)。由于該區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)情況復(fù)雜，鉆井工程實(shí)踐中存在許多亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)，主要有：壓力敏感，溢流、井漏頻繁發(fā)生；硫化氫含量不均勻，有高有低；鉆遇裂縫，提高單井產(chǎn)能等。在分析塔中碳酸鹽巖儲(chǔ)層鉆井技術(shù)難點(diǎn)及解決辦法的基礎(chǔ)上，提出利用水平井特殊軌跡增產(chǎn)的技術(shù)方案，并倡導(dǎo)能消除儲(chǔ)層傷害、保障工程安全的“控壓鉆水平井”新技術(shù)?？貕恒@水平井技術(shù)在該區(qū)某井的實(shí)鉆應(yīng)用中取得了成功，完成水平段長(zhǎng)度為875m，創(chuàng)造了塔中地區(qū)的鉆井新紀(jì)錄。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；碳酸鹽巖儲(chǔ)層；硫化氫；井漏；水平井；控壓鉆井
1 塔中地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層鉆井技術(shù)難點(diǎn)
1.1 壓力敏感性問(wèn)題
    針對(duì)塔里木盆地塔中地區(qū)碳酸鹽巖壓力敏感性?xún)?chǔ)層，打開(kāi)儲(chǔ)層時(shí)的防溢、制漏、井控安全和硫化氫防護(hù)這四者實(shí)際上是相互聯(lián)系的一套體系，應(yīng)該相互兼顧，必須采用控壓鉆井技術(shù)。
    控壓(MPD)鉆井是近年來(lái)發(fā)展的鉆井技術(shù)，其技術(shù)思路是：利用一切可控手段，精確地控制井內(nèi)壓力，滿(mǎn)足不同情況下的鉆井工程要求。例如，可以將井內(nèi)壓力控制為欠平衡，也可以將井內(nèi)壓力控制為過(guò)平衡，還可將井內(nèi)壓力控制為近平衡等。顯然，利用控壓鉆井技術(shù)對(duì)于井內(nèi)壓力的精確控制，有利于確保實(shí)現(xiàn)塔中碳酸鹽巖壓力敏感性?xún)?chǔ)層的安全鉆井[1～5]。
    控壓鉆井技術(shù)的特點(diǎn)：①技術(shù)核心是將井底壓力控制在合理范圍內(nèi)；②控制方法是控制密度、套壓；③控制手段是控制壓力裝備；④使用方法是針對(duì)性、多樣性。
1.2 硫化氫問(wèn)題
    由于塔中碳酸鹽巖儲(chǔ)層硫化氫含量變化較大，具有一定的不確定性，需要有針對(duì)性地采用合理的鉆井方式，才能最大限度地規(guī)避鉆井風(fēng)險(xiǎn)。近期中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司欠平衡鉆井井控技術(shù)暫行規(guī)定中將欠平衡鉆井實(shí)施條件規(guī)定為：欠平衡段地層流體不含或微含有毒有害氣體，硫化氫含量應(yīng)低于50mg/L。據(jù)此，對(duì)于塔中碳酸鹽巖壓力敏感性?xún)?chǔ)層，可考慮采用如下鉆井技術(shù)方案：
    1) 不含(或微含)硫化氫的控壓鉆井技術(shù)(鉆井過(guò)程的微欠控壓，起下鉆過(guò)程的微過(guò)平衡)。
    2) 硫化氫含量超標(biāo)的控壓鉆井技術(shù)(全過(guò)程的微過(guò)平衡)。
    3) 高含硫化氫的控壓鉆井技術(shù)(密閉循環(huán)鉆井系統(tǒng))。
1.3 水平并問(wèn)題
    水平井技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的鉆井新技術(shù)，它利用了特殊的軌跡，達(dá)到提高產(chǎn)能的目的，尤其是對(duì)裂縫性?xún)?chǔ)層。經(jīng)過(guò)良好設(shè)計(jì)的水平井，可穿越一連串裂縫，故有可能獲得極高的產(chǎn)能。
1.3.1水平井是實(shí)現(xiàn)塔中1號(hào)氣田高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵
    水平井與直井開(kāi)發(fā)效果對(duì)比(見(jiàn)表1)。分析對(duì)比后不難發(fā)現(xiàn)，水平井水平段在Ⅰ、Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層中的長(zhǎng)度分別為800m時(shí)，對(duì)水平井及直井的開(kāi)發(fā)效果進(jìn)行了對(duì)比，增加了單井控制儲(chǔ)量及單井產(chǎn)量，延長(zhǎng)了穩(wěn)產(chǎn)期，最終采出程度也提高了很多。
表1 水平井與直井開(kāi)發(fā)效果表
井區(qū)
儲(chǔ)層類(lèi)型
井型
初始產(chǎn)量
初期產(chǎn)生壓差(MPa)
穩(wěn)產(chǎn)期采出程度
20a后的采出程度
油(t/d)
氣(104m3/d)
時(shí)間(a)
油(%)
氣(%)
氣(%)
油(%)
塔中62
Ⅰ
直井
41.70
15.00
5.60
4.90
3.98
7.35
7.02
16.54
水平井
83.40
30.00
3.02
5.00
8.32
15.00
14.73
28.90
Ⅱ
直井
7.76
2.50
11.00
4.76
2.12
4.76
6.91
15.32
水平井
23.27
7.50
4.93
5.29
8.79
15.87
15.05
40.42
1.3.2控壓鉆水平井技術(shù)是比較合理的解決辦法
    1) 水平井的優(yōu)點(diǎn)：增加供給通道。縫洞型儲(chǔ)層的裂縫常具有高角度裂縫發(fā)育的特點(diǎn)，其溶洞常具有沿水平方向串珠狀發(fā)育的特點(diǎn)。對(duì)這種情況，采用水平井穿越多條裂縫、穿越溶洞發(fā)育帶，應(yīng)該是很好的方法。
    2) 水平井的缺點(diǎn)：造成儲(chǔ)層傷害。大量漏失的鉆井液造成嚴(yán)重的儲(chǔ)層傷害，尤其是對(duì)沿裂縫發(fā)育的溶蝕孔隙帶，以及礁體類(lèi)孔隙帶。這種傷害對(duì)儲(chǔ)層是致命的。
    解決該問(wèn)題比較合理的辦法是“控壓鉆水平井技術(shù)”。利用水平井特殊軌跡增產(chǎn)的特點(diǎn)，與利用控壓消除儲(chǔ)層傷害、保障工程安全的特點(diǎn)相結(jié)合，產(chǎn)生了“控壓鉆水平井”的新技術(shù)。
2 控壓鉆水平井技術(shù)的原理
    在硫化氫超標(biāo)的塔中碳酸鹽巖儲(chǔ)層實(shí)施控壓鉆井技術(shù)，就是要保證在鉆井過(guò)程與起下鉆作業(yè)實(shí)現(xiàn)微過(guò)平衡，有效地阻止硫化氫的侵入，避免硫化氫傷害事故的發(fā)生。
    由于鉆井過(guò)程中存在2種情況：鉆井液循環(huán)(正常鉆進(jìn))與不循環(huán)(接單根)。當(dāng)鉆井液循環(huán)時(shí)，要產(chǎn)生環(huán)空流動(dòng)阻力，導(dǎo)致井內(nèi)壓力升高；當(dāng)不循環(huán)鉆井液時(shí)，沒(méi)有了環(huán)空流動(dòng)阻力，相對(duì)于鉆井液循環(huán)情況井內(nèi)壓力降低。不同的情況為實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程的微過(guò)平衡帶來(lái)了困難見(jiàn)圖1。
 
    對(duì)于深井Ø152.4mm小井眼，5000～6000m的深井，相對(duì)密度為1.20左右的鉆井液，循環(huán)壓耗為3～5MPa，相當(dāng)于鉆井液密度為0.06～0.10g/cm3的變化。因此，在確定鉆井液密度時(shí)，如果以鉆井液循環(huán)情況下井內(nèi)壓力為微過(guò)平衡作為標(biāo)準(zhǔn)，那么在不循環(huán)情況下井內(nèi)壓力就可能變成微欠控壓；相反，如果以鉆井液不循環(huán)情況下井內(nèi)壓力為微過(guò)平衡作為標(biāo)準(zhǔn)，那么在循環(huán)情況下井內(nèi)壓力就可能變成過(guò)平衡。怎樣處理好這對(duì)矛盾，是實(shí)施硫化氫超標(biāo)的控壓鉆井技術(shù)的關(guān)鍵。
    哈里伯頓控壓鉆水平井控壓原理：使用低密度鉆井液，通過(guò)對(duì)井底壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、水力參數(shù)的分析計(jì)算、井口套壓(或回壓)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)合理的井底壓力，始終保持井底壓差處于微過(guò)平衡狀態(tài)，確保鉆井安全?？貕恒@井控壓原理見(jiàn)圖2。
 
    應(yīng)用哈里伯頓控壓鉆水平井技術(shù)，可以有效地解決塔中地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的鉆井難題：
    1) 地層中硫化氫含量高，安全施工風(fēng)險(xiǎn)大。始終保持井底壓差處于微過(guò)平衡狀態(tài)，防止高含硫氣體的溢出。在井控狀況下能夠更好地控制井底壓力，保障鉆井作業(yè)的安全[3～5]。
    2) 鉆井液密度窗口壓力窄，易漏易噴。①能夠更早地檢測(cè)到井漏、井涌；②在井漏情況下能夠迅速降低井底壓力，恢復(fù)正常；③在氣侵情況下能夠在井口迅速提供回壓，阻止進(jìn)一步氣侵；能夠降低井底壓力，減少壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)；④能夠杜絕嚴(yán)重井漏發(fā)生，減少儲(chǔ)層傷害。
    3) 與注氣控壓鉆水平井技術(shù)相比較：①不需注氣，解決了井下數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾y題，適用于水平井；解決了不同鉆井過(guò)程注氣、停氣的轉(zhuǎn)換難題；②不使用套管閥或不壓井起下鉆裝置，能夠提高鉆井速度，縮短鉆井周期。
3 哈里伯頓控壓鉆水平井技術(shù)
3.1 配套裝備
    哈里伯頓控壓鉆水平井技術(shù)配套裝備主要由3套系統(tǒng)組成(如圖3所示)：井底壓力測(cè)量系統(tǒng)(PWD隨鉆測(cè)壓工具、數(shù)據(jù)采集裝置)；套壓自動(dòng)控制系統(tǒng)(自動(dòng)節(jié)流管匯、水力計(jì)算模塊)；回壓控制系統(tǒng)(回壓泵、自動(dòng)節(jié)流管匯、水力計(jì)算模塊)。
 
3.2 鉆井工藝
    針對(duì)不同的鉆井過(guò)程，哈里伯頓控壓鉆水平井采用了如下不不同的鉆井工藝：
    1) 正常鉆井。使用自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)，通過(guò)井內(nèi)循環(huán)，施加所需的井口套壓，進(jìn)行鉆井。
    2) 接單根作業(yè)。使用回壓控制系統(tǒng)，通過(guò)井口短路循環(huán)，施加所需的井口回壓，進(jìn)行接單根作業(yè)。
3) 起下鉆作業(yè)。起鉆作業(yè)初期，使用回壓控制系統(tǒng)，通過(guò)井口短路循環(huán)，施加所需的井口回壓，進(jìn)行起鉆作業(yè)。起鉆作業(yè)后期，利用加重鉆井液帽控制井底壓力，敞開(kāi)井口進(jìn)行正常起鉆作業(yè)(下鉆作業(yè)參照起鉆作業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。
哈里伯頓控壓鉆水平井技術(shù)在塔中某井的應(yīng)用取得了初步成功。在鉆井中氣測(cè)錄井發(fā)現(xiàn)不同級(jí)別的油氣顯示為242.0m/32層。當(dāng)監(jiān)測(cè)到地層壓力發(fā)生變化時(shí)，利用自動(dòng)節(jié)流控制系統(tǒng)對(duì)井口壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，建立新的井底壓力與地層壓力的平衡，有效地避免了因井底壓力大幅度地變化而引起的溢流、井漏等事故的發(fā)生，完成水平段長(zhǎng)度為875m，創(chuàng)造了塔中地區(qū)的新紀(jì)錄。
4結(jié)論
    1) 針對(duì)塔中碳酸鹽巖壓力敏感性?xún)?chǔ)層，打開(kāi)儲(chǔ)層時(shí)防止溢流、制漏、井控安全和硫化氫防護(hù)這四者實(shí)際上是相互聯(lián)系的一套體系，應(yīng)該相互兼顧。必須采用控壓鉆井技術(shù)。
    2) 利用水平井特殊軌跡增產(chǎn)的特點(diǎn)，與利用控壓消除儲(chǔ)層傷害、保障工程安全的特點(diǎn)相結(jié)合，產(chǎn)生了“控壓鉆水平井”的新技術(shù)。
    3) 哈里伯頓控壓鉆水平井技術(shù)使用低密度鉆井液，通過(guò)對(duì)井底壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、水力參數(shù)的分析計(jì)算、井口套壓(或回壓)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了合理的井底壓力，始終保持井底壓差處于微過(guò)平衡狀態(tài)，確保鉆井安全。
    4) 哈里伯頓控壓鉆水平井技術(shù)在塔中某井的應(yīng)用取得了初步成功，完成水平段長(zhǎng)度為875m，創(chuàng)造了塔中地區(qū)的新紀(jì)錄。
    5) 在塔里木油田的現(xiàn)有裝備中，控壓鉆水平井所需要的設(shè)備大部分是已經(jīng)有的，主要缺少的是PWD隨鉆測(cè)壓工具和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。顯然，PWD隨鉆測(cè)壓工具和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置，是塔里木油田實(shí)施哈里伯頓控壓鉆水平井技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：劉繪新1 趙文莊2 王書(shū)琪3 康延軍3 劉會(huì)良3 1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)；2.西南石油大學(xué)；3.中國(guó)石油塔里木油田公司)