阿姆河右岸B區巨厚鹽膏層大斜度井安全鉆井

吳 豐，程 林，郭升濤，杜青云，尹曉明，陳 娜，馬鴻彥

1中國石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 2中國石油渤海鉆探工程有限公司第二鉆井分公司

0 引言

土庫曼斯坦阿姆河右岸目標B區塊地質條件復雜。地表疏松含流沙層，易垮塌；過路層分布著800～1 000 m的巨厚鹽膏層，且存在次生氣藏和高壓鹽水層；鹽下天然氣資源豐富，儲層壓力高,壓力系數在1.70～2.20之間，氣藏埋藏深約3 200～3 800 m，鉆井難度大，施工風險高。該區塊前期已鉆井均為直井，為提高單井開發效率和投資回報率，采用大斜度井、水平井增加氣藏泄流面積，提高單井產能，實現高效開發氣藏的目的。但鹽膏層鉆進存在諸如地層蠕變縮徑、鉆井液污染嚴重、井眼軌跡難控制、定向造斜卡鉆風險大等技術難題[1-2]，且區塊無定向井、水平井的實鉆資料做參考，因此需要針對巨厚鹽膏層大斜度井定向井段進行優化設計，以期降低鉆井施工風險。目前關于鹽膏層鉆井的巖鹽鉆井液性能、井身結構優化和鉆頭優選等已做較多工作[3-4]，諸如鹽膏層造斜穩斜難度大，高壓鹽水層條件下井下工具易受損、造斜井段長度優化設計[5-6]等還存在很多難點。根據該B地區鹽膏層特點，本文構建出了適合該氣田鉆井的巖鹽蠕變模型，計算出了安全鉆進時間和鉆井液密度，并結合現場鉆井液體系使用情況，提出了規定時間內進行鹽膏層鉆井液維護的重要性。同時，綜合考慮氣田儲層目標埋深、鹽膏層穩定性和造斜工具能力，對巨厚鹽膏層大斜度井造斜點進行了優選，確定了鹽膏層中上鹽層造斜的方案，并在現場實施應用中驗證了該地區鹽下氣田鹽膏層中造斜的可行性和實用價值。

1 鹽膏層鉆井液性能

1.1 已鉆井鉆井液體系技術難點

目標B區塊前期已鉆井均是直井，使用的鉆井液體系如表1所示。

表1 B區塊原鉆井液體系

存在以下技術難點：

(1)上部地層泥巖段長，巖石膠結性較差，存在井壁失穩、大井眼攜砂困難、鉆屑分散造漿、鉆頭泥包等復雜。

(2)中部長段膏鹽層鉆進中，鉆井液面臨鹽、鈣污染、井眼縮徑卡鉆、飽和鹽水鉆井液的流變性和失水控制困難，以及可能鉆遇高壓CaCl2型鹽水對鉆井液性能破壞，導致井下情況變得更復雜等。

(3)儲層破碎、微裂縫發育、酸性氣體含量高，滲透性好、安全密度窗口窄、地溫梯度高，對鉆井液的高溫穩定性、失水、潤滑性能、流變性和防滲、防硫、防CO2、防噴及儲層保護等要求高。

1.2 巖鹽蠕變本構模型

巖鹽蠕變具有非線性力學特征，巖鹽的形變狀態隨著時間而發生變化。影響巖鹽的蠕變速率的因素包括環境溫度、壓力、時間等，因此構建描述巖鹽蠕變的物理模型[7]：

(1)

假設該區塊鹽膏地層地應力分布均勻，各向同性，屬于平面應變問題，靜水壓載不影響巖鹽蠕變速率。構建描述巖鹽蠕變的本構關系：

平衡方程：

(2)

幾何方程：

(3)

物理方程：

(4)

邊界條件：

(5)

式中：εs—穩態蠕變速率，s-1；Q—鹽巖的激活能，cal/mol；R—氣體摩爾常數；σ—應力差，MPa；T—熱力學溫度，K；A和B—巖石的蠕變參數，無因次；σr—徑向應力，MPa；σθ—徑向應力，MPa；r—半徑，m；εr—徑向應變，無因次；εθ—徑向應變，無因次；σH—水平最大地應力，MPa；σh—水平最小地應力，MPa；a—井眼半徑，m；pi—井內鉆井液柱壓力，MPa。

1.3 巖鹽蠕變安全鉆井液密度

根據B區塊地層資料顯示，儲層上段是高壓膏鹽層，最大溫度110 ℃，最大水平地應力梯度2.2 MPa/100 m，相關計算參數見表2。

表2 計算基礎參數

借鑒鄰區塊井身結構，則維持一定井眼縮進率所需的鉆井液密度計算公式為：

(6)

(7)

式中：n—井眼縮進率；a—井眼半徑，mm；H—井深，m；σH—水平最大地應力，MPa；σh—水平最小地應力,MPa。

1.4 巖鹽蠕變安全鉆井時間

根據式(6)和式(7)計算出該地區維持鹽膏層縮徑率為0.1%的鉆井液密度為1.90 g/cm3，維持時間約100 h，如圖1所示。

圖1 不同鉆井液密度縮進率版圖

1.5 巖鹽蠕變安全鉆井液性能

為了保證鹽膏層中安全順利鉆進，對鉆井液處理劑進行室內抗溫、抗鹽實驗評價，優選出滿足巨厚鹽膏層鉆井要求的飽和聚磺鉆井液體系，其具體性能見表3。

表3 巨厚鹽膏層飽和鹽水鉆井液性能優選

2 大斜度井定向井段優化

2.1 水平段長度優選

圖2顯示了氣井產能與水平段長度之間的關系。可以看出，隨著水平段長度增加，氣井無阻流量增大，當水平段長增加到400 m后，氣井無阻流量增大趨勢進入平緩期。考慮鉆井綜合成本和施工難度，水平段長度優選范圍在400～600 m。同時，根據鄰井資料預測本區域大斜度井日氣產量在100×104m3，考慮到大斜度鉆井難度和完井酸化等施工條件，水平段井眼優選?215.9 mm，配合?73.0 mm或?88.9 mm油管均可。

圖2 水平段段長與無阻流量關系圖

2.2 井眼軌跡優化

案例井造斜點設計垂深2 650 m，儲層段長400 m，井斜角為82.4°。為了能夠實現在鹽層中造斜、增斜、穩斜的目的，井眼軌跡優化為“直—增—穩—增—穩”五段制。優化后的井眼軌跡剖面設計參數見表4所示。

表4 案例井軌跡剖面設計

2.3 井身結構優化

針對B區地質特征和儲層特征進行分析，結合大斜度水平段井眼尺寸設計結果，并參考B區鄰井已鉆井資料，優化井身結構。當考慮淺部地層存在次生高壓氣藏和高壓水層時，需要在淺表層增加一級套管，封隔次生氣藏地層，即需采用四開井身結構：?508 mm+?339.7 mm+?244.5 mm+?177.8 mm，其中一開?508 mm表層套管下深15 m左右，安裝具有井控能力的井口，預防淺層氣藏。案例井中淺部不存在次生高壓氣藏，即采用三開井身結構：?339.7 mm+?244.5 mm+?177.8 mm，各層次套管下深和目的表示如下：

(1)表層套管。一開使用?444.5 mm鉆頭鉆進至井深1 420 m，?339.7 mm表層套管下深1 419 m，目的是封隔鹽膏層以上地表淺水層、疏松地層等不穩定地層，防止井壁垮塌掉塊，提高地層承壓能力，為鹽膏層安全鉆進創造有利條件。

(2)技術套管。二開用?311.2 mm鉆頭鉆進至井深3 272 m(B靶點)，用?244.5 mm+?250.8 mm復合技術套管下深3 271 m，目的是封隔鹽膏層。

(3)生產套管。三開使用?215.9 mm鉆頭鉆進至完鉆井深3 878 m，鉆穿目的灰巖層，并采用?177.8 mm尾管懸掛后，再回接至井口完井，封固裸眼產層。

3 現場應用效果

根據表5的鉆井設計與實際周期對比數據顯示，案例井在二開后的鹽膏層中鉆進時間為65 d，比設計天數縮短27%，穿越鹽膏層的時間顯著縮短，鉆井事故頻次降低。B區塊采用優化后的三開次和四開次大斜度定向井身結構后，平均機械鉆速提速效果顯著。

表5 案例井鉆井設計與實際周期對比

4 結論

(1)通過繪制不同鉆井液縮徑率圖版，可得該地區鹽膏層為維持縮徑率為0.1%的鉆井液密度為1.90 g/cm3，維持時間約100 h。

(2)優化井眼軌跡為“直—增—穩—增—穩”五段制，設計鹽膏層第一增斜段造斜段率為5°/30 m，增斜至30°；第二增斜段造斜率為3.7°/30 m，保證矢量入靶。

(3)通過優選各開次鉆井液體系，合理設計鉆井液密度，提高鉆井液鹽膏層的抗污染能力，優化井身結構與井眼軌跡，克服鹽巖蠕變和卡鉆等難題，形成了一套適合巨厚鹽膏層大斜度井的鉆井液性能和定向井段優化設計技術。