緬甸M區塊上部復雜地層鉆井技術研究與實踐

楊鴻波

(中海油田服務股份有限公司)

緬甸M區塊上部地層(1200 m以上)情況復雜,斷層較發育,高陡推覆體構造的存在導致地層擠壓破碎嚴重,地層主要是極易蠕變的粘塑性軟泥巖,地層孔隙壓力和坍塌壓力高,同時氣層異常發育,因此該地區以往的鉆井施工中事故率較高,許多井因卡鉆、井漏及井噴等事故而中途報廢。2005—2007年中海油作業者在該區塊先后鉆了 RM 19-1-1和RM 19-3-1兩口探井,也遇到了諸多技術難題。在認真總結RM 19-1-1井和RM 19-3-1井作業經驗的基礎上,通過優化設計和改進技術措施,于2009年在該區塊連續成功完成了STH1、STH2、STH3和 STH4等4口井的鉆井作業。本文是對緬甸M區塊上部復雜地層鉆井工程難點和所采取的主要技術措施的總結。

1 鉆井工程難點

鉆井工程難點主要表現在以下幾個方面。

(1)井壁穩定性差

M區塊上部地層多次推覆嚴重,構造應力集中,斷層交錯(圖1),推覆構造在斷層處形成強烈的破碎帶,加上大段塑性軟泥巖,井壁穩定性差,極易發生井壁坍塌、縮徑等井壁失穩問題,鉆井液密度控制稍有不當,很快就會引起摩阻增加、阻卡等井下復雜情況,處理不當將會發生卡鉆事故。例如RM 19-1-1井和RM 19-3-1井在鉆井作業過程中軟泥巖縮徑嚴重,劃眼困難,頻繁蹩泵蹩扭矩,2口井劃眼時間占鉆井周期的比例分別約為27%、12%,且在鉆進及起下鉆過程中因縮徑和井壁坍塌掉塊造成卡鉆的情況很嚴重,其中 RM 19-1-1井因卡鉆而導致側鉆。

圖1 緬甸M區塊斷層構造剖面

(2)地層可鉆性差

M區塊RM 19-1-1、RM 19-3-1井所鉆遇的上部地層主要為大段塑性軟泥巖,可鉆性差,機械鉆速低(表 1)。

表1 緬甸M區塊 RM 19-1-1、RM 19-3-1井上部地層機械鉆速統計

(3)鉆井液的選擇和維護困難

由于M區塊上部地層主要是大段塑性軟泥巖,為了能保證鉆井作業的順利進行,選擇合適的鉆井液體系和維護好鉆井液性能至關重要。根據RM 19-1-1井和 RM 19-3-1井的鉆井情況,上部地層如果使用抑制性鉆井液體系,易引起縮徑導致鉆進及起下鉆困難;如果使用分散性鉆井液體系,由于該區塊孔隙壓力較高(使用的鉆井液密度最高達2.0 g/cm3以上,圖2),同時地層造漿能力極強,這使得高密度分散性鉆井液的性能維護非常困難。

圖2 緬甸M區塊已鉆井鉆井液密度統計

(4)氣層活躍,固井難度大

由于M區塊儲層淺、地層壓力高、氣層活躍,存在水泥添加劑選擇困難、水泥漿強度發展緩慢和防氣竄難度大等困難。RM 19-1-1井和RM 19-3-1井大部分井段固井質量不合格,固井后存在井口冒氣現象。

RM 19-1-1井和RM 19-3-1井由于復雜情況、事故、修理設備及其他原因停工等造成的非生產時間占鉆井周期的比例分別達到61%、40%,鉆井周期分別為70 d、50 d(井深達到1200 m時)。

2 鉆井作業中所采取的主要技術措施

2.1 優化井身結構

根據物探資料,結合區域周圍已鉆井的測井、鉆井和地質資料,對M區塊將要鉆遇地層的孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力進行了初步預測(圖3)。

圖3 緬甸M區塊地層壓力預測曲線(深度從海平面算起)

遵循降低作業難度、提高作業效率、確保作業安全的原則,依據地層壓力預測曲線,M區塊新鉆4口井井身結構優化結果為:φ444.5mm井眼×φ339.7 mm表層套管×60 m+φ311.2 mm井眼×φ244.5 mm技術套管×(400～490 m)+φ215.9 mm井眼×φ177.8 mm油層套管×(849～1201 m)。

以前該區塊所鉆井的套管下深不夠合理,特別是二開技術套管下深偏大,導致二開井段鉆入了高壓地層(高壓低滲地層),這時如果提高鉆井液密度可能會造成一開井段發生井漏(由于一開井段套管下入淺),因此表層井段實際鉆井液密度不足是導致不能有效抑制井眼縮徑造成鉆進、起下鉆困難的主要原因。由此將二開φ244.5 mm套管下深原則確定為:以保證不打開高壓地層且保證套管鞋處地層有足夠承壓能力(根據地層壓力預測曲線得出φ311.2 mm井段完鉆鉆井液密度 1.6～1.7 g/cm3)。鉆井時實際鉆井液密度參照地層壓力預測曲線,并根據井下實際情況作相應調整。

2.2 高密度分散性鉆井液及其工程配套措施

2.2.1 高密度分散性鉆井液優化

鉆RM 19-1-1井時在上部井段使用的是 KCl/PLUS抑制性鉆井液體系,上部軟泥巖蠕動縮徑嚴重和鉆井液的強抑制性導致了劃眼非常困難,進而發生了卡鉆。為了能將井眼縮徑的泥巖分散或將井壁泥巖軟化后通過機械方式(通井或劃眼)破壞掉,鉆RM 19-3-1井時在上部井段改用了鈣處理粗分散性鉆井液,井眼情況有所改善,劃眼的困難程度減小,但由于當時鉆井液密度不足,井眼縮徑情況仍比較嚴重。

在總結RM 19-1-1井和RM 19-3-1井作業經驗基礎上,新鉆4口井的鉆井作業中對鈣處理粗分散性鉆井液進行了優化,調整鈣處理劑為土般土聚合物。土般土聚合物分散體系鉆井液在高密度條件下操作較簡單,性能維護較容易,對土般土含量容量限度較高,具有良好的流變性。新鉆4口井三開井段鉆井液密度為1.75～1.95 g/cm3,鉆進過程中根據地層情況逐步提高鉆井液密度。由于本井段地層壓力較高,鉆井液密度高,平均鉆速較慢,巖屑研磨的較細,溶入井漿中造成MBT上升較快,鉆井液流變性難以控制,采取了以下維護鉆井液性能的主要技術措施:

(1)開鉆前,盡可能將上井段老漿排放,配制新漿。將泥漿槽、沉砂池清理干凈,減少不必要的巖屑污染。

(2)使用稀釋劑來增強鉆井液的MBT容量上限,改善高MBT含量鉆井液的流變性。

(3)由于土般土聚合物鉆井液體系的局限性,作業周期不宜過長,因此完鉆后在測井及下套管前置換部分老漿。

(4)鉆井液密度在1.80～2.00g/cm3時采用活化重晶石加重,鉆井液密度超過2.00g/cm3時采用鐵礦粉加重。

2.2.2 工程配套措施

(1)根據鉆進、起下鉆過程中的阻卡情況及循環時氣全量情況,及時提高鉆井液密度(圖4),以抑制軟泥巖縮徑;使用分散性鉆井液體系,將井壁縮徑的泥巖分散或將井壁泥巖軟化后通過機械方式(通井或劃眼)破壞掉;使用劃眼能力強的鉆頭和具有劃眼齒的扶正器,并盡量使鉆具結構簡化,通過加強劃眼、短起下鉆等措施及時將井壁縮徑泥巖清理出井眼,以維持正常的鉆進作業和防止卡鉆。

圖4 緬甸M區塊新鉆4口井鉆井液密度

(2)M區塊淺部地層壓力高但滲透率較低,參考以前該地區鉆井時淺部地層使用旋轉防噴器的情況,新鉆4口井在表層套管下入后安裝了常規的井口控制裝置,并采用以下技術措施:①二開鉆入新地層后,泵入該井段可能使用的最高密度的鉆井液,以驗證地層的承壓能力;②鉆進及起下鉆過程中監測后效氣顯示及油氣上竄速度,及時調整鉆井液密度;③起鉆若發現撥活塞現象則及時采用開泵起鉆。

通過采取以上井身結構優化和高密度分散性鉆井液優化及其工程配套措施,在新鉆4口井的鉆井作業中有效地控制了軟泥巖地層的井眼縮徑和井壁坍塌掉塊,鉆進和起下鉆過程中的劃眼時間極大縮短(4口井劃眼時間占鉆井周期的比例平均為5.9%),未出現卡鉆事故,保證了鉆井作業的順利進行。

2.3 提高機械鉆速

對收集到的周邊地區已鉆井的測井聲波時差、自然伽馬和地層密度資料進行處理,得到了已鉆井的地層抗鉆特性力學參數,并根據層位對比分析對要鉆遇地層的抗壓強度進行了預測(圖5)。

圖5 緬甸M區塊地層抗壓強度預測曲線

從圖5預測結果看M區塊泥巖地層的抗壓強度并不高,但該區已鉆井的機械鉆速很低,分析認為,M區塊泥巖地層塑性很強,先前已鉆的2口井鉆頭選型不夠合理(更多的考慮了提高鉆頭的研磨性,導致鉆頭吃入較差),并且井眼尺寸大,同時由于使用高密度鉆井液造成壓持效應增強,導致鉆頭重復破碎巖屑。為此,新鉆4口井主要采取了以下技術措施:

(1)采用小尺寸井眼。在保證鉆井作業安全的前提下,分別采用φ444.5 mm和φ311.2 mm井眼代替原φ660.4 mm和φ444.5 mm井眼,提高了機械鉆速。

(2)優化鉆頭結構。PDC鉆頭刀翼數量由6刀翼變成5刀翼、降低布齒密度、減小 PDC切削齒后傾角等,提高了鉆頭吃入地層能力。

(3)優化鉆具組合。在保證控制井斜的前提下,減小下部扶正器與鉆頭之間的距離,以提高鉆壓。

(4)在保證鉆井作業安全的前提下,鉆井液密度采用下限值,減小了高密度鉆井液的壓持效應。

通過采取以上技術措施,新鉆4口井的平均機械鉆速得到了明顯提高(表2)。

表2 緬甸M區塊新鉆4口井機械鉆速統計

2.4 高密度防氣竄固井技術的改進

淺層低溫高壓固井是個世界性難題。實測數據表明,M區塊淺層具有低溫高壓特征(表3、圖4)。在總結RM 19-1-1、RM 19-3-1井固井技術和經驗的基礎上,在新鉆4口井的鉆井作業中對原固井方案進行了改進(表4),并采取了相關的技術措施成功地克服了這一難題,固井合格率達到了100%。

表3 緬甸M區塊STH3井實測井底溫度

表4 改進后的固井方案與原方案的對比

防氣竄固井相關技術措施包括:

(1)提高頂替效率技術措施。①使用紊流型雙作用隔離液。②電測完后下鉆通井至井眼順暢。③固井前降低泥漿漏斗粘度、塑性粘度和屈服值。④固井前循環過程中上下活動套管2～3 m。⑤套管重疊段水泥漿附加保證重疊段有純水泥封固。⑥全程低速塞流頂替。

(2)防竄工藝技術措施。①體系中加入防氣竄劑 GAS-A,控制氣竄。②固井全過程保證壓穩高壓氣層。固井前充分循環處理泥漿,將后效氣控制低于5%以下;固井全過程不注入低密度的液體,固井前置液和水泥漿高于泥漿密度10%左右;采用雙凝水泥漿,尾漿稠化時間為施工時間+30 min;固井全過程避免停頓,保證施工的連續性。

3 實施效果

采用以上措施,于2009年在M區塊安全、順利地完成了 STH1(井深849 m)、STH2(井深 887 m)、STH4(井深 1201 m)、STH3(井深1027 m) 等4 口井的鉆井作業和地層評價工作,4口井實際鉆井周期共計79.6 d,比設計時間提前5.4 d,各項鉆井指標(包括井身質量、井斜、固井質量等)均達到了設計要求。

4 結束語

合理的井身結構、高密度分散性鉆井液性能優化和高密度防氣竄固井技術的改進是保證緬甸M區塊上部復雜地層鉆井成功的關鍵,通過采用小尺寸井眼、優化鉆頭結構與鉆具組合以及高密度鉆井液采用密度下限值等措施可以提高塑性地層的機械鉆速。