渤中油田復(fù)雜易塌地層治理技術(shù)研究與應(yīng)用

劉漢杰

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011）

0 引言

渤中區(qū)塊位于渤海中部海域，以地質(zhì)發(fā)育、油氣儲(chǔ)量豐富聞名，但該區(qū)塊存在斷塊復(fù)雜、背斜構(gòu)造、層序結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)極為復(fù)雜多等特點(diǎn)，開發(fā)中存在機(jī)械鉆速低，事故復(fù)雜時(shí)效高等問題，嚴(yán)重制約勘探開發(fā)的進(jìn)程，該文以井壁穩(wěn)定性研究和地應(yīng)力系統(tǒng)分析作為主線，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、套管程序優(yōu)化、匹配鉆井液體系優(yōu)選及對應(yīng)性能維護(hù)等幾個(gè)方面入手，制定出合理科學(xué)的工藝和方案，從根本上解決了渤中深部地層極垮塌的難題。

1 渤中地區(qū)易坍塌地層現(xiàn)狀分析

BZ34 油田包括BZ34-2/3/4/5/6/7 等油田，是渤?？碧介_發(fā)難度最大的油田群之一。早期勘探開發(fā)共鉆探井和開發(fā)井近20 口，溢流、卡鉆、井壁垮塌、電纜測井等惡性事故頻發(fā)，鉆井作業(yè)難度大，生產(chǎn)效率低下。其中，鉆探東營組平均工期37.91 d，去除事故處理時(shí)間30.66 d，生產(chǎn)時(shí)效為65%；鉆探沙河街組平均工期41.27 d，去除事故處理時(shí)間35.56 d，生產(chǎn)時(shí)效為70%。2014 年，BZ34-6/7 油田作業(yè)2口井，摸索井身結(jié)構(gòu)、鉆井液、測井方式等方面的變革，在事故預(yù)防等方面有了一定的提高，但井壁垮塌、起下困難、管柱阻卡等方面仍存在不足，生產(chǎn)效率有待提高。

筆者分析復(fù)雜情況的成因，可知：①鉆具阻卡現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于裸眼長、層系多造成的；②井塌問題是由井壁失穩(wěn)和作業(yè)周期長導(dǎo)致的；③卡鉆及卡尾管的原因是井壁失穩(wěn)；④卡電測儀器則是井壁失穩(wěn)、井深和所用相對密度高的原因；⑤井漏問題是作業(yè)密度窗口窄、斷層眾多導(dǎo)致的，由此可見，許多問題是由井壁失穩(wěn)造成的。

2 井壁失穩(wěn)及垮塌機(jī)理研究

2.1 井壁穩(wěn)定性研究

井眼穩(wěn)定是保證鉆井作業(yè)工藝順利進(jìn)行的前提，井眼鉆開后，井眼周圍的地層應(yīng)力發(fā)生改變，發(fā)生蠕變縮徑，加大了井下卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。目前計(jì)算井眼蠕變周期的模型較多，該文采用John Barker 所建立的地層蠕變與鉆井液密度的數(shù)學(xué)解析解方程進(jìn)行研究，通過井眼蠕變速率與鉆井液密度的關(guān)系判斷現(xiàn)場應(yīng)用的泥漿體系是否滿足作業(yè)需求。

井眼蠕變?nèi)绻剑?）所示。

得到蠕變速率：

根據(jù)公式（2）可以得出一定蠕變速率下的鉆井液密度確定公式：

鉆開原地層后導(dǎo)致井眼周圍應(yīng)力集中，再則鉆井液浸泡導(dǎo)致砂巖強(qiáng)度變低，巖石骨架有效應(yīng)力降低，會(huì)加劇井眼變形。在結(jié)合BZ34 區(qū)塊數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，計(jì)算出不同鉆井液泥漿密度下井眼縮徑率與井眼鉆開時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果表明，BZ34區(qū)塊深井地層坍塌周期短，裸眼暴露時(shí)間長，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大，需要采用合理的鉆井液選型及維護(hù)措施，同時(shí)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理安排作業(yè)工序，縮短工期。

2.2 地應(yīng)力系統(tǒng)研究

針對BZ34 油田壓力層系繁多且復(fù)雜的情況，為準(zhǔn)確預(yù)測井下情況，減少井下復(fù)雜情況概率，進(jìn)行了相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)預(yù)測。在渤中34 取心資料及測井資料的支持下，對油田進(jìn)行云狀圖計(jì)算，得到數(shù)據(jù)圖1、圖2。其中每個(gè)圖的左側(cè)彩色條代表其對應(yīng)需要的壓力相對密度。東營組坍塌應(yīng)力的最小主應(yīng)力方向在162°，最大主應(yīng)力方向在74°，對應(yīng)的壓力為1.3 g/cm～1.55 g/cm；東營組破裂壓力對應(yīng)的壓力數(shù)值在1.6 g/cm～2.6 g/cm。同樣沙河街組的地應(yīng)力分布，這為合理制定泥漿密度提供了理論依據(jù)。

圖1 東營組坍塌壓力（上）及破裂壓力（下）等值線

圖2 沙河街組坍塌壓力（上）及破裂壓力（下）等值線

同時(shí)，為真實(shí)揭示應(yīng)力釋放規(guī)律，對應(yīng)層位巖心進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度試驗(yàn)跟蹤，驅(qū)替后經(jīng)過長時(shí)間浸泡的巖心強(qiáng)度下降很快，說明當(dāng)?shù)貙鱼@開裸露后，井壁巖石經(jīng)過鉆井液的浸泡強(qiáng)度下降得很快。詳細(xì)情況如下：浸泡5d(驅(qū)替試驗(yàn)后)，天然狀態(tài)下，驅(qū)替后巖心單軸強(qiáng)度下降約14%；驅(qū)替試驗(yàn)后巖心單軸強(qiáng)度下降幅度大，泡水5d 后強(qiáng)度下降36%左右；驅(qū)替后泡水兩天相比天然狀態(tài)下泡水10d，巖心單軸強(qiáng)度下降約17%。

綜上可知，東營組和沙河街組易發(fā)生坍塌失穩(wěn)，與地應(yīng)力方向、層位不同、裸眼暴露時(shí)間、浸泡泥漿體系及性能等方面均有緊密關(guān)系，在鉆井液性能調(diào)配時(shí)須根據(jù)壓力云圖和三壓力曲線進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。即在有效支撐井壁和平衡地應(yīng)力的前提下，降低裸眼暴露時(shí)間，配以匹配性能的鉆井液，可顯著降低作業(yè)難度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3 復(fù)雜易坍塌地層治理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對東營、沙河街段的地層來說，巖石破碎，裂縫比較發(fā)育，在鉆井、測井期間，由于井眼暴露時(shí)間長，鉆井液對井壁的支撐作用差，在地應(yīng)力的釋放過程中，容易形成大小不一的掉塊，阻卡鉆具。

常規(guī)井身結(jié)構(gòu)為隔水導(dǎo)管入泥45m，17-1/2″井眼鉆進(jìn)至明化鎮(zhèn)組（約800m），下入13-3/8″套管，封隔松散土層；12-1/4″井眼鉆進(jìn)至東下段，下入9-5/8″套管，封隔明下段易水化分散的軟泥巖和館陶易漏失的大套砂巖；8-1/2″井眼從東營組鉆進(jìn)至沙河街，下入7″尾管。常規(guī)井身結(jié)構(gòu)使技術(shù)套管接觸地層較多，鉆井液體系及性能變化較大，增加了阻卡風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，尾管段比較長，不利于尾管下入。

調(diào)整后的井身結(jié)構(gòu)縮短了東營、沙河街段長度，從而減少該井段裸露時(shí)間。同時(shí)井眼尺寸大，為后續(xù)備用手段及措施空間：增加一開21-1/2″井眼段，下入18"套管至300m～500m，封隔表層疏松的土層，同時(shí)避免了隔水導(dǎo)管承壓低，表層鉆進(jìn)深度淺的弊端；17-1/2″或16″井眼鉆進(jìn)至東營組，下入13-3/8″套管，將坍塌壓力和漏失壓力相近的明化鎮(zhèn)組和館陶組封隔起來；12-1/4″井眼鉆進(jìn)至東下段，9-5/8″套管下至儲(chǔ)層頂部附近，不揭開儲(chǔ)層，不僅能夠?qū)⒁滋貙臃飧羝饋?，同時(shí)還降低了揭開油氣層的風(fēng)險(xiǎn)；8-1/2″井眼鉆進(jìn)至儲(chǔ)層，下入7″尾管。

在作業(yè)過程中，以減少井眼暴露時(shí)間為出發(fā)點(diǎn)，通過縮短?hào)|營、沙河街段長度，來減少裸露時(shí)間，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)；同時(shí)配合以水力振蕩器及微擴(kuò)眼器等新工具的運(yùn)用，有效地減少了鉆具阻卡現(xiàn)象，套管下入難度大幅降低，保障井下安全。

3.2 鉆井液體系優(yōu)化與維護(hù)

針對BZ34 油田深部地層巖性特點(diǎn)（圖3）首先對鉆井液體系進(jìn)行優(yōu)選，經(jīng)對比改進(jìn)，確定所用鉆井液體系為PEM鉆井液體系配方和HIBDRILL 鉆井液體系配方。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場檢驗(yàn)，通過化學(xué)封堵與物理封堵相互協(xié)同，以及KCL+PF-COK 調(diào)整活度，密度及時(shí)跟進(jìn)，解決了BZ34 的井壁坍塌難題，驗(yàn)證了HIBDRILL 體系良好的高溫流變性，以及抑制封堵能力。

圖3 渤中34 油田深部地層取心樣品放大圖樣

通過現(xiàn)場實(shí)踐，逐步得出了一套針對渤中34 區(qū)塊鉆井的鉆井液體系：1）17-1/2″井眼：明化鎮(zhèn)和館陶組上部采用海水膨潤土漿深鉆技術(shù)，完鉆前轉(zhuǎn)化為聚合物體系。2）12-1/4″井眼：東營組采用高密度鉆井液開鉆，平衡地層坍塌應(yīng)力；開鉆即用PEM 體系，做到封堵、抑制、平衡兼?zhèn)?，進(jìn)入東二下段后逐漸轉(zhuǎn)化為HIBDRILL 體系；增強(qiáng)抑制性及封堵性，降低泥巖活性；同時(shí)配合采用合理安排起下頻率、縮短井段周期的方法。3）8-1/2″井眼：沙河街組采用強(qiáng)抑制，強(qiáng)封堵HIBDRILL 體系，針對磨阻扭矩大等特點(diǎn)，使用RT-101 保駕護(hù)航。實(shí)踐證明，所選體系能形成薄而韌性十足的泥餅，降低了失水量，減少了鉆井過程中的卡鉆，優(yōu)于聚合醇、正電膠等體系。

4 應(yīng)用效果分析

BZ34 區(qū)塊針對東營組、沙河街組深井，通過梳理該區(qū)塊前期作業(yè)難點(diǎn)，配合井壁穩(wěn)定、井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系優(yōu)化等多方面專題研究并配套使用多種關(guān)鍵技術(shù)，不僅取得了全油田開發(fā)“零事故”的成績，同時(shí)也在生產(chǎn)時(shí)效、作業(yè)成本及油氣產(chǎn)量等方面取得了巨大進(jìn)步。在國際油價(jià)低位徘徊的大背景下，通過不斷優(yōu)化創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了工期、費(fèi)用的實(shí)現(xiàn)“降本增效”：實(shí)際工期較老井工期節(jié)省169.02 天，18 口井總計(jì)節(jié)省費(fèi)用12209.48萬元。

5 結(jié)論

中深井已經(jīng)成為渤海BZ 油田開發(fā)上產(chǎn)的主力。但是該區(qū)塊由于存在漏失、井壁坍塌等井壁失穩(wěn)問題，導(dǎo)致中深井鉆井作業(yè)難度極大。而優(yōu)選一整套恰當(dāng)?shù)木谑Х€(wěn)治理關(guān)鍵技術(shù)則成為了鉆井能否成功的關(guān)鍵。為此，通過從匹配泥漿鉆井液體系優(yōu)選、井身結(jié)構(gòu)、套管程序及對應(yīng)性能維護(hù)等方面開展針對性措施研究從根本上解決了BZ 油田深部地層極垮塌的難題，并形成了井壁失穩(wěn)治理關(guān)鍵技術(shù)成套流程。1）通過對John Barker所建立的地層蠕變與鉆井液密度的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，根據(jù)井眼蠕變速率與鉆井液密度的關(guān)系，判斷了現(xiàn)場應(yīng)用的泥漿體系是否滿足作業(yè)需求；2）針對BZ34 油田壓力層系繁多且復(fù)雜的情況，以BZ34 油田取心資料及測井資料的為基礎(chǔ)，推算了東營組及沙河街組壓力云圖和三壓力曲線，為合理制定泥漿密度、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)；3）研究形成了一整套適合BZ 油田深井井壁失穩(wěn)治理關(guān)鍵技術(shù)，從根本上解決了BZ 地區(qū)深部地層極易垮塌的難題，治理后實(shí)際工期較老井工期節(jié)省169.02天，18 口井總計(jì)節(jié)省費(fèi)用12209.48 萬元。