新工藝新技術(shù)在X超深井鉆完井中的應(yīng)用

摘 要

摘要：位于LG地區(qū)的X井，以145d鉆完6530m井深的深度在國(guó)內(nèi)鉆井界引起了強(qiáng)烈反響，兩個(gè)儲(chǔ)層的試油也僅耗時(shí)23d，創(chuàng)造了超深井鉆井試油速度的最新紀(jì)錄。為此，介紹了以氣體鉆井、氮?dú)饧?/p>

摘要：位于LG地區(qū)的X井，以145d鉆完6530m井深的深度在國(guó)內(nèi)鉆井界引起了強(qiáng)烈反響，兩個(gè)儲(chǔ)層的試油也僅耗時(shí)23d，創(chuàng)造了超深井鉆井試油速度的最新紀(jì)錄。為此，介紹了以氣體鉆井、氮?dú)饧訅荷淇?酸化-測(cè)試聯(lián)作試油等為代表的在該井鉆井、試油中發(fā)揮了重要作用的新工藝新技術(shù)，并針對(duì)應(yīng)用中存在的空氣錘縮徑、珍珠沖組地層坍塌和以O(shè)MNI閥代替LPR-N閥進(jìn)行測(cè)試作業(yè)等問(wèn)題以及需要進(jìn)一步探索的技術(shù)提出了近期的研究目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：氣體鉆井PDC鉆頭；氮?dú)饧訅荷淇?；空氣錘；超深井；酸化
0 引言
    在LG地區(qū)X井鉆井工程中，由于在鉆井完井方案論證與工程設(shè)計(jì)、氣體鉆井技術(shù)施工和完井試油技術(shù)施工中的周密計(jì)劃與創(chuàng)新實(shí)踐，最終以145d的時(shí)間鉆完6530m井深的成績(jī)，創(chuàng)造了碳酸鹽巖超深井鉆井新紀(jì)錄；長(zhǎng)興組和飛仙關(guān)組兩個(gè)儲(chǔ)層的試油測(cè)試也僅用23d就完成，創(chuàng)造了超深井試油速度的最新紀(jì)錄；并實(shí)現(xiàn)全井零事故、零污染、零組織停工的目標(biāo)。這些成績(jī)的取得，除了參戰(zhàn)各單位的重視和支持外，新工藝新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮了極其重要的作用。
1 工程設(shè)計(jì)方案
    根據(jù)“在確保安全鉆井施工作業(yè)，順利完成地質(zhì)任務(wù)的前提下，充分應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，盡可能地提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期”的原則，在鉆井工程設(shè)計(jì)中把盡可能延長(zhǎng)氣體鉆井井段作為x井提速的首要措施來(lái)考慮。但該井作為L(zhǎng)G構(gòu)造的第一口井，無(wú)準(zhǔn)確的資料可供參考，只能根據(jù)鄰近構(gòu)造以及川東類似井深的實(shí)鉆井進(jìn)行類比推測(cè)：X井可能存在的高壓鹽水層、淺層油氣、地層水、井壁失穩(wěn)、含硫化氫等因素將影響甚至隨時(shí)終止氣體鉆井的實(shí)施，目的層井段的高含硫和高井溫可能給鉆井、固井和試油作業(yè)增大難度和風(fēng)險(xiǎn)。工程設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)反復(fù)論證修改，最終形成了以安全提速為核心內(nèi)容、以詳盡完備的應(yīng)急預(yù)案為保障體系的鉆井完井工程設(shè)計(jì)方案[1～6]。
    鉆井方面，在非儲(chǔ)層上部井段采用空氣鉆井提速，在可能含氣且最難鉆的須家河組層段采用氮?dú)忏@井，在深部地層推廣PDC鉆頭配合螺桿鉆具技術(shù)、抗高溫優(yōu)質(zhì)鉆井液提速。
    完井方面，在長(zhǎng)興組層位采用射孔(氮?dú)饧訅?-酸化-測(cè)試聯(lián)作方式，盡可能降低井筒壓力，釋放地層能量，快速見(jiàn)到油氣顯示；飛仙關(guān)組層位，在不減少井下管柱功能的前提下，簡(jiǎn)化管柱結(jié)構(gòu)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高試油效率。
    為了從源頭上控制風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況，認(rèn)真分析該井的構(gòu)造背景和可預(yù)見(jiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井方式、鉆井液性能等細(xì)節(jié)入手，對(duì)可能出現(xiàn)的高壓、高溫、高含硫、井深差異等各種情況均做出了細(xì)致預(yù)測(cè)，明確了識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，制定了詳盡的應(yīng)對(duì)措施。
2 氣體鉆井新技術(shù)的研究與完善
    四川地區(qū)超深井鉆速慢、周期長(zhǎng)是一個(gè)公認(rèn)的難題。2005年氣體鉆井作為一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于超深井，提高鉆速見(jiàn)到了驚人效果。氣體鉆井先后在七里北101井、東升1井等多口井上應(yīng)用，創(chuàng)造了七里北101井深5287m用156d完鉆、東升1井井深6288m用245d完鉆的新紀(jì)錄，顯示出氣體鉆井對(duì)于超深井提速的重要意義。但是氣體鉆井過(guò)去的試驗(yàn)也暴露出井斜、空氣錘壽命短、現(xiàn)場(chǎng)制氮能力不足等問(wèn)題，提速潛力尚待進(jìn)一步挖掘。
    X井屬?gòu)?fù)雜地質(zhì)區(qū)域，巖層硬度大、研磨性強(qiáng)，埋藏于4000m以深的須家河組層厚達(dá)600m以上；地層剖面存在潛在的低壓漏失、高壓鹽水、淺氣層等復(fù)雜情況；儲(chǔ)層埋藏深度超過(guò)6500m。從相鄰構(gòu)造采用常規(guī)鉆井的7口實(shí)鉆深井情況看，平均井深比X井少911m，鉆井周期卻長(zhǎng)達(dá)487d。X井要想在七里北101、東升1井的基礎(chǔ)上更上一層樓，至關(guān)重要的是完善工藝技術(shù)和工具，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的新突破。
2.1 氣體鉆井防斜技術(shù)研究
    針對(duì)過(guò)去試驗(yàn)中多口井出現(xiàn)比較突出的井斜問(wèn)題，能否在打快的前提下有效控制井斜是首先必須解決的技術(shù)難題。研究中收集了過(guò)去試驗(yàn)存在井斜問(wèn)題井的資料，通過(guò)大量的分析對(duì)比認(rèn)為：導(dǎo)致井斜的主要因素是氣體鉆井相對(duì)于鉆井液鉆井而言存在不同程度井壁失穩(wěn)，并由此產(chǎn)生井徑擴(kuò)大率較鉆井液鉆井大。由于氣體鉆井井徑擴(kuò)大，其施工參數(shù)受到限制。通過(guò)大量調(diào)研分析認(rèn)為：空氣錘的工作原理決定了其能夠在低鉆壓條件下獲得理想的機(jī)械鉆速，有利于防斜打快，確立了X井上部地層主要采用空氣錘防斜的試驗(yàn)方案。
    長(zhǎng)期以來(lái)，氣體鉆井不敢采用扶正器的主要原因是，一旦地層出水，極易導(dǎo)致卡鉆事故，但采用扶正器能強(qiáng)化鉆壓、有利于防斜。通過(guò)對(duì)鄰區(qū)已鉆井資料分析，認(rèn)為X井須家河組一嘉陵江組層段出水的可能性小，據(jù)此，確立了須家河組以下井段實(shí)施氣體鉆井采用雙扶正器防斜的試驗(yàn)方案。
2.2 氣體鉆井施工參數(shù)優(yōu)化研究
    在對(duì)氣體鉆井施工參數(shù)有了一些認(rèn)識(shí)后，如何優(yōu)化、氣體鉆井提速的潛力到底有多大、是否可以追求更高的目標(biāo)等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。運(yùn)用多相流理論和數(shù)值模擬的方法，分析了注氣排量與井眼尺寸、鉆具尺寸、井內(nèi)溫度、巖屑尺寸、井底流壓、井口套壓、巖屑濃度、機(jī)械鉆速等的關(guān)系，建立了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)械鉆速所需注氣量的計(jì)算方法，為氣體鉆井設(shè)備配套、進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速找到了理論依據(jù)，同時(shí)，為少量出水、井徑擴(kuò)大提供了足夠的氣量配置。
2.3 氮?dú)饣旌峡諝忏@井的探索
    為應(yīng)付在儲(chǔ)層氮?dú)忏@井時(shí)出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，對(duì)氮?dú)饣旌峡諝忏@井的可行性進(jìn)行了研究。根據(jù)燃爆理論研究，若氧氣的濃度低于某一臨界極限，空氣、氮?dú)夂蜔N的混合物不能燃燒。因此，用來(lái)防止井下燃燒的循環(huán)氣體不必用純氮?dú)?；鑒于可燃混合物燃燒所需氧氣的最低濃度受壓力、溫度的影響，可以通過(guò)對(duì)X井井底壓力、溫度的分析計(jì)算，將混合氣體的氧氣濃度控制在臨界值以下，再配合燃爆監(jiān)測(cè)，控制井下安全。
2.4 空氣錘使用壽命研究
    針對(duì)過(guò)去試驗(yàn)中因空氣錘釬頭磨損嚴(yán)重導(dǎo)致空氣錘使用壽命縮短的問(wèn)題。對(duì)多口井空氣錘的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集整理，深入地分析了空氣錘釬頭磨損的機(jī)理和影響因素。經(jīng)對(duì)比分析認(rèn)為：空氣錘釬頭磨損包括縱向震動(dòng)磨損和周向轉(zhuǎn)動(dòng)磨損，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆壓大小是釬頭磨損的重要影響因素。在深入分析空氣錘工作原理和破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了增加保徑齒、控制空氣錘使用時(shí)間、采用遞減尺寸或設(shè)計(jì)偏心擴(kuò)眼釬頭的改進(jìn)意見(jiàn)，計(jì)算出了優(yōu)化的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆壓參數(shù)范圍，使其既能滿足空氣錘正常發(fā)揮功能、又能最大限度減緩磨損、延長(zhǎng)使用壽命。
3 氣體鉆井提速實(shí)踐
    145d完成一口6530m的超深井，這在我國(guó)鉆井歷史上創(chuàng)造了一個(gè)最新紀(jì)錄。通過(guò)周密的組織與技術(shù)策劃，實(shí)鉆中在井深加深214m的情況下，全井比設(shè)計(jì)提前62.5d完鉆，節(jié)約周期30%以上；在X井6530m進(jìn)尺中，氣體鉆井進(jìn)尺3303.62m，占50.6%；在X井145d實(shí)鉆周期中，氣體鉆井32d，僅占22%。即氣體鉆井僅用1/5強(qiáng)的時(shí)間完成了X井一半以上的進(jìn)尺，對(duì)該井提速起到了決定性作用。
3.1 合理增加氣體排量，挖掘提速潛力
    根據(jù)理論研究成果，提高設(shè)備配套供氣能力，進(jìn)一步提高了機(jī)械鉆速，顯示了氣體鉆井的提速潛力。創(chuàng)造了日進(jìn)尺557.32m的新紀(jì)錄。
3.2 氣體鉆井井斜控制
運(yùn)用空氣錘或雙扶正器鉆具組合在直井中成功地控制井斜，該井使用空氣錘鉆進(jìn)井段的井斜控制在2.3°以內(nèi)(最大井斜2.09°)，為解決氣體鉆井井斜難題找到了有效途徑。
3.3 空氣錘的磨損控制
    針對(duì)過(guò)去試驗(yàn)中空氣錘釬頭磨損嚴(yán)重導(dǎo)致空氣錘壽命縮短的難題，在強(qiáng)化釬頭保徑措施的同時(shí)，通過(guò)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，確定適當(dāng)?shù)你@壓，成功地減少了釬頭磨損，延長(zhǎng)了空氣錘的使用壽命，創(chuàng)造了單只空氣錘進(jìn)尺1712.82m的使用紀(jì)錄。由于上述創(chuàng)新實(shí)踐的有效開(kāi)展，X井取得了新的鉆井技術(shù)指標(biāo)：X井在Ø311.2mm井眼采用空氣加空氣錘或牙輪鉆頭從791m井深鉆進(jìn)至3441m井深，平均機(jī)械鉆速為24.17m/h；在Ø215.9mm井眼采用純氮?dú)?、氮?dú)饣旌峡諝鈳щp穩(wěn)定器組合從3589m鉆至4243m井深，平均機(jī)械鉆速為10.78m/h；整個(gè)氣體鉆井平均機(jī)械鉆速為19.4m/h。創(chuàng)造了4項(xiàng)氣體鉆井全國(guó)紀(jì)錄：①單井氣體鉆井總進(jìn)尺最長(zhǎng)(3304m，占全井設(shè)計(jì)井深的52.3%)；②氮?dú)忏@井井深最深(4243m)；③單只空氣錘進(jìn)尺最長(zhǎng)(1712.82m)；④氣體鉆井日進(jìn)尺最高(557.32m)。X井與相鄰構(gòu)造7口超深井的平均數(shù)據(jù)對(duì)比，平均鉆速提高420%，在比7口井平均井深多911m的情況下，縮短鉆井周期70%以上。
4 深井完井試油安全快速作業(yè)工藝
4.1 管柱優(yōu)化技術(shù)
    飛仙關(guān)組層位在進(jìn)行試油測(cè)試的時(shí)候，井下測(cè)試管柱中只使用了OMNI閥，而沒(méi)有使用LPR-N閥。基于對(duì)該層位地質(zhì)資料的分析，推斷該層儲(chǔ)層較好，在進(jìn)行測(cè)試作業(yè)時(shí)井筒儲(chǔ)集效應(yīng)的影響會(huì)很小，確信利用井口進(jìn)行開(kāi)關(guān)井，同樣能很快求取到地層壓力。因此，首先精簡(jiǎn)掉LPR-N閥，這樣，測(cè)試作業(yè)時(shí)就不用再進(jìn)行環(huán)空壓力操作，減少了井下測(cè)試閥開(kāi)關(guān)失靈的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了測(cè)試的成功率；其次，在管柱中加入了OMNI閥，利用其所具備的循環(huán)孔，能夠在射孔前將酸液替至儲(chǔ)層，在替酸結(jié)束后，關(guān)閉循環(huán)孔完成試油。
4.2 H2S在線監(jiān)測(cè)儀的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    X井在每一層次的放噴測(cè)試作業(yè)中都使用了H2S在線監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)測(cè)試管線中實(shí)時(shí)的H2S含量值。該監(jiān)測(cè)儀所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)與專業(yè)分析單位的人工化驗(yàn)分析結(jié)果相對(duì)比，二者相差很小，說(shuō)明該儀器測(cè)試結(jié)果真實(shí)、可靠。而該設(shè)備通過(guò)電腦自動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的優(yōu)越性是其他方式不能替代的。使用該儀器設(shè)備能有效地提供現(xiàn)場(chǎng)決策參考，以便讓作業(yè)人員采取及時(shí)的防范措施，具有廣泛的推廣前景。
4.3 綜合防腐技術(shù)應(yīng)用
    飛仙關(guān)組二次完井管柱綜合應(yīng)用多項(xiàng)H2S防腐措施，充分保證了飛仙關(guān)組井下完井管柱的長(zhǎng)久使用安全。X井采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，長(zhǎng)興組和飛仙關(guān)組兩個(gè)儲(chǔ)層的試油測(cè)試僅用23d就完成，創(chuàng)造了深井試油速度的最新紀(jì)錄。長(zhǎng)興組試油，測(cè)試閥以上油管柱掏空5134m，創(chuàng)造了新的掏空深度紀(jì)錄?？朔藘纱罄щy：第一、由于要利用注入氮?dú)馄胶鉁y(cè)試閥上、下的壓差開(kāi)關(guān)測(cè)試閥和引爆射孔槍。因此，要求現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員能夠準(zhǔn)確計(jì)算井底的氮?dú)庵鶋毫?。事?shí)上由于受到溫度及管柱摩阻等因素的影響，井越深，井底氮?dú)庵鶋毫τ?jì)算的結(jié)果誤差越大，工藝成功的保障越低。第二、由于氣體壓縮系數(shù)較大，在氮?dú)庖淇讟屩?，井底壓力?huì)趨向地層壓力，但在較短的時(shí)間內(nèi)地面壓力變化卻很小，地面難以準(zhǔn)確判斷射孔情況。但是技術(shù)人員通過(guò)攻關(guān)，提出了精確計(jì)算井口氮?dú)獠僮鲏毫Φ姆椒?，同時(shí)，配合井口精密的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，很敏銳地捕捉到了射孔后井口壓力的微妙變化，從而在很短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確判斷出射孔槍引爆，為下步措施的實(shí)施提供了依據(jù)。
5 認(rèn)識(shí)與建議
    1) 空氣錘沒(méi)能形成系列規(guī)范產(chǎn)品，如采用Ø315～311mm系列空氣錘有望一只空氣錘打完Ø311.2mm井段。建議生產(chǎn)廠家生產(chǎn)規(guī)格齊全的空氣錘。
    2) 針對(duì)珍珠沖組層段出現(xiàn)接單根沉砂嚴(yán)重，替漿后井下又處理井漏耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，可考慮探索試驗(yàn)牙輪鉆頭強(qiáng)鉆、氣體測(cè)井技術(shù)和空井下套管固井技術(shù)，以期避免替漿后的被動(dòng)局面。以O(shè)MNI閥代替LPR-N閥進(jìn)行測(cè)試作業(yè)的管柱結(jié)構(gòu)，僅在川渝地區(qū)開(kāi)始初步探索，雖然效果比較理想，但還需在以后的高壓、超深井測(cè)試作業(yè)中推廣完善。
參考文獻(xiàn)
[1] 魏武，許期聰，余梁，等.利用空氣鉆井技術(shù)提高鉆井速度研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26(7)：57-58.
[2] 練章華，林鐵軍，劉健，等.水平井完井管柱力學(xué)——數(shù)學(xué)模型建立[J].天然氣工業(yè)，2006，26(7)：61-64.
[3] 魏武，許期聰，鄧虎，等.氣體鉆井技術(shù)在七北101井的應(yīng)用與研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(9)：48-50.
[4] 鄧虎，孟英峰，陳麗萍，等.硬脆性泥頁(yè)巖水化穩(wěn)定性研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26(2)：73-76.
[5] 趙大鵬，石曉兵，王蓉先，等.天然氣欠平衡鉆井技術(shù)在井淺2井的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2005，25(2)：72-74.
[6] 王維斌，馬廷虎，鄧團(tuán)，等.川東宣漢-開(kāi)江地區(qū)惡性井漏特征及地質(zhì)因素[J].天然氣工業(yè)，2005，25(2)：90-92.
 
(本文作者：孫海芳 韓烈祥 川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院)