库车凹陷山前地区钻井风险评价及措施研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 2 月 第3 6 卷 第 2 期 J o u r n a l o f O i l a n d Ga s T e c h n o l o g y J ． J P I F e b ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 2 库车凹陷 山前地 区钻 井风 险评价及措施研 究 朱亮 长江大学石油工程学院， 湖北武汉4 3 0 1 O 0 ； 中石油钻井工程重点实验室， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 钟文建 ，刘晓 民 中石化西北油田分公司工程技术研究院， 新疆乌鲁木齐8 3 o o o o [ 摘要] 随着钻探开发 不断向深部 复杂地层发展 ，对钻 井过程风 险的控制越 来越 困难 在分 析钻 井工 程特 点的基础上 ，对库车 凹陷山前地 区钻井过程 中的风 险进行 了评价分 析 ，认 为钻 进过程 中遇 到的风 险来 自 于井壁 失稳 、盐膏岩 以及钻头性能等 因素 。通过对库车 凹 陷山前地 区安全 钻井 液 密度 窗 口的确定 、钻 井 液体 系的评价 、盐膏层特性 以及钻 头性 能的分析 ，提 出 了保证 库车 凹 陷山前地 区安全 钻进 的措施 。所做 的研 究对有效规避库 车凹陷山前地 区钻进过 程风 险，制定库 车凹 陷山前地 区安全钻进 技术 方案具有 重要 意 义 。 [ 关键 词]钻井风险；钻 进安全；山前地 区；库 车凹陷 [ 中图分类号]TE 2 8 [ 文献标志码]A [ 文章编 号] 1 0 0 09 7 5 2 2 0 1 4 O 2 一 O 1 l O O 4 近年来 ，随着油气勘探不断 向深部复杂地层发展 ，在钻井工程中对钻井风险的控制越来越 困难 。库 车凹陷是塔河油 田的重点勘探作业区，在库车凹陷山前地区钻井过程 中遇到的一系列复杂问题 ，给该地 区的勘探开发带来 了很大的风险 ，严重制约其开发进度，降低了钻井施工效率 。 1 库车凹陷山前地区钻井工程特点 从已钻井的工程实践来看 ，该地区钻井工程施工具有如下特点 1 地 层 压 力 系 统 复 杂 。 KU1井 钻 至 井 深 6 7 3 2 ． 4 m 后 发 生 溢 流 ， 钻 井 液 密 度 逐 渐 提 至 1 ． 8 5 ～ 1 ． 9 3 g ／ c m。 。 2 机械钻速低 ，钻头选型困难 。KU1 井一开第 四系西域组和库车组钻遇巨厚砾石层，平均机械钻 速 只有 0 ． 2 6 m／ h ，而全 井 的机 械钻 速仅 为 0 ． 6 8 m／ h ，钻 进过 程面 临憋跳 严重 、钻 具负 荷重 、携砂 困难 、 砾石易脱落、大尺寸钻头选型困难等问题 。 3 盐膏层发育 。KUI 井在新近系吉迪克组钻遇 3套盐膏层段 ，钻井液 密度从 I ． 5 5 g ／ c m。提高到 2 ． 0 8 g ／ c m。 才抑制住盐层蠕变缩径 ，固井后发现套管有多处变形。D G2井后期完井期 间发现套管也有 变形 存在 。 4 深部地 层复 杂 ，井壁稳 定性 差 。从古 近系 苏维依 组 到寒 武 系地 层 普 遍井 径 扩 大 明显 ，最 大 井 径 扩 大率达 8 8 ． 7 9 。 2 钻井风险评价 钻井工程过程受很多因素的影响 ，因此 ，钻井过程的风险来源也很多 ，主要包括客观因素风险 、技 术风险和生产风险。通过层次分析法可以把复杂的钻井工程过程风险 中的各种因素划分为互相联系的有 序层次 ，使其条理化 ，就每一层次的相对重要性给予定量表示。然后利用数学方法确定表达每一层次全 部要素 的相对重要权值 。为分析找到控制钻井工程中风险的主要 因素 ，规避其对钻井工程过程带来潜在 的危害提供依据 。图 1 是利用层序分析法将库车凹陷山前构造钻井风险进行分解的分析图口 。 [ 收稿 日期]2 0 1 30 9 1 2 [ 基 金项目] “ 十二五 ”国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 5 0 4 9 0 2 0 2 。 [ 4 q s 者简介 ]朱亮 1 9 8 0一 ，男 ，2 0 0 3年大学毕业 ，硕士 ，讲师 ，现主要从事油气井工程方面的教学与研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 2期 朱亮 等 库车 凹陷 山前地区钻井风险评价 及措 施研 究 图 1库车凹陷山前构造钻井风险指标评价层次图 在图 1所示的层次结构图中，把“ 库车凹陷山前构造钻井风 险”定义为 目标层 ，把 “ 客观 因素风 险” 、“ 技术风险”和 “ 生产风险”定义为中问准则层，把 “ 地层特性” 、“ 井壁稳定性” 、“ 钻具性能”等 定义为风险因素层 。 根据 图 1所示 的库车凹陷山前构造钻井风险层次图，可构造一个判断矩阵 A， 来判断各指标相对重 要 程度 ‘ A 式 中 口 一 j i ； f i ， 分别表示 i 、 指标对风险值影响程度的大小。 j | 中间层的风险对总体 目标 的贡献是不同的 ，在计算时可通过平方和法 、S a t t y最大特征 向量法 、几 何平均法对其权重进行评价。 经过计算分析表明，对库车凹陷山前构造钻井风险影响最大的是技术风险，其 中井壁失稳、盐膏岩 以及钻头性能是危险性最高的因素。因此 ，在控制山前构造钻井风险时，可有针对性地制定相关措施 ， 来预防钻井复杂情况和事故的发生。 3 控制库车凹陷山前构造钻井风险的措施 结合库车凹陷山前构造钻井工程特性 ，依据山前构造钻井风险分析结果 ，笔者主要从井壁失稳、盐 膏岩 以及 钻 头性能 等方 面来 分析 控制 该地 区钻 井风 险 的措施 。 3 ． 1井壁稳 定分 析 要保持井壁稳定 ，其实质是要计算出地层坍塌压力和地层破裂压力，以确定钻进时的安全钻井液密 度窗 口。 以库车凹陷的 KU1 井为例，依据地层坍塌压力和地层破裂压力 的计算模型 卜引，利用测井 资料确 定 了地层坍塌压力和地层破裂压力对应 的当量密度剖面图，如图 2所示 。 P m 一 二 K 上 H 垒 1 0 o K c 。 t 4 5 。 一 号 2 “ ⋯～ 一 ⋯ 一 2 ／ ； ； n n ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然气 工程 2 0 1 4 年 2 月 p r 一 ．_ 一 Q v a p a s P f 一 各 3 Q 一 l 一 3 w 2 4 式中 H为井深 ， m； ID 为地层坍塌压力对应的当量密度 ， g ／ c m。 ； P r 为地层破裂压力 ， MP a ； p r 为地层破裂压 力梯 度对应 的 当量密 度 ，g ／ c m。 ； ff 为最大水 平 主应 力 ， MP a ； 。 为最 小水 平 主应 力 ， MP a ； P 为地 层 孔 隙 压力 ， MP a 为地层 抗拉 强 度 ， MP a ； 、 ， 为 上 覆地 层 压 力 ， MP a ； 为 泊 松 比， 1 ； a为 有效 应力 贡献 因 数 ， 1 ； C为 黏聚力 ， MP a ； 叩为非 线性 修正 因数 ， 1 ； 为 内摩 擦 角 ， 。 ； 为最 大水平 构 造应力 因数 ， 1 ； 叫 为 最小 水平 构造 应力 因数 ， 1 。 5 7 0 0 5 9 0 0 6l 0 O 6 3 0 0 牧 6 5 0 0 6 7 0 0 6 9 0 0 8 0 井径扩大率／ ％ 6 0 4 0 20 当量密度／ g． c m。 0 l 4 1 ． 6 1 ． 8 2． 0 2．2 2．4 2 ． 6 2 8 状 5 7 0 0 5 9 0 0 6l O 0 6 5 0 0 6 7 0 0 6 9 0 0 图 2 K U1井井壁稳定分析图 图 2左边部分是 KU1井井径扩大率随井深变化曲线 ；右边部分两条曲线分别是坍塌压力随井深变 化曲线和破裂压力随井深变化 曲线，这两条曲线所夹的区间即为控制库车凹陷山前构造井壁失稳风险的 安全 钻井 液密 度窗 口。在苏维 依组 地层 的安全钻 井 液密度 窗 1 1 为 1 ． 5 1 ～2 ． 1 3 g ／ c m。 ，在舒 善河 组地 层 的 安全 钻井 液密 度窗 口为 1 ． 5 0 ～ 2 ． 2 2 g ／ c m。 。在 实钻 中 ，苏维 依 组 地 层 和舒 善河 组 地 层 的钻 井 液 密 度 在 1 ． 4 5 ～1 ． 5 O g ／ c m。 ，低于安全钻井液密度窗V I ，井壁垮塌导致的井径扩大比较明显 ，井径扩大率大，说 明采用合适的钻井液密度对控制由于井壁失稳引起的钻井风险有十分重要的意义。 3 ． 2 钻井液性能评价分析 对于库车凹陷易塌井段除了从钻井液密度方面来控制其坍塌外，还要从钻井液体系来考虑。为此对 两套钻井液体系进行了评价试验 ，试验温度为 1 5 0 。 ，压力为 3 ． 5 MP a 。 其基本配方分别为 1 ． 5 g增稠剂 MC2 g降滤失剂 K J 一 1 0 ． 3 g润滑剂 RHJ 一 1 2 g有机硅醇抑制 剂 D S 一 3 0 2 3 g乳 化 沥 青 润 滑 剂 R HJ 一 3 0 ． 1 5 g乳 液 聚合 物抑 制 剂 DS 一 3 0 1 1 0 g原 油 O ． 2 g乳 化 剂 S p a n 一 8 00 ． 1 5 g聚胺 。 通过无渗透成膜评价仪以及高温高压砂床法试验表明，在 2 0 rai n内，钻井液全部漏失 ，侵入砂床 深度达到 4 ． 2 c m，说 明该体系不能有效封堵地层 ，应优化钻井液的流变性和提高钻井液 的封堵性能。 3 ． 3 地层特性评价及钻头选型 根据已钻井情况来看 ，在库车凹陷山前地区钻井机械钻速慢 ，究其原因主要是地层可钻性差 ，夹层 多，钻头适应性不好 ，特别是在第四系西域组及新近系库车组上部地层存在大段的砾石 ，导致表层机械 钻速相 当低 。通过试验测试建立 了 KU1 井可钻性级值剖面，如图 3所示 。分析认为，第四系西域组及 新近系库车组上部砾石层可钻性级值为 2 ～6 ，说明地层特性变化大，非均质性强；在库车组 中下部及 以下地层岩石可钻性级值主要分布在 5 --8 ，属于中硬一 硬地层。 依据库车凹陷山前地 区岩石可钻性的特点和现场钻井情况分析 ，在钻头选型时，砾石层宜选用镶齿 而 不选 用钢齿 ；从 齿形 上不 应该选 择较 长 的尖锥形 齿 ，因为在钻 压 及水 力渗流 的作 用下 ，很 容易造 成牙 齿因与砾石反复碰撞而崩断，同时应使钻头具有较强的保径能力 。对于 中下部地层 ，主要 以砂泥岩为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 2期 朱亮 等 库车凹陷山前地区钻井风险评价及措施研究 主 ，宜 选用 具 有 耐磨 复 合 片 、 双 排 齿 结 构 以及 强 化 水 力 作 用 的 P DC 钻 头 ，配 合 螺 杆 ， 以达到提高机械钻速的 目的。 3 ． 4 盐膏层钻井技术分析 袒 在库 车 凹陷山前 地 区 的 吉迪 克组地 层普遍存 在 盐膏 层 ，一般埋深在 5 0 0 0 m 以下 ， 由于 盐 层 埋 藏 深 ，厚 度 大 ， 很 容 易 引 起 盐 膏 层 的 塑 形 流 动而导致 缩径 卡钻 事故 。通 过数 值 模拟 方 法l_ 6 ] ，计 算 分 析了不 同深度 、不 同缩径 率 条件 下 的 钻 井 液 密 度 图 谱， 妄 结果 如 图 4所 示 。 根据 钻头 直径 及钻 具外 径 ，在 确 定 盐 膏 层 段 钻 进 时 间后 ，结合 地层破 裂 压力所 姆 确定 的地 层承压 能力 ，推 荐 缩径 率为 0 ． 0 0 5 h 的钻井液 密度为盐 膏层 安全钻 井液 密 度 ，可 以抑 制盐膏 层蠕 变缩 径 对 钻井过 程及 套 管安 全 的影 响 。 4 结论 图 3 KU 1井可钻性级值剖面 图 4不 同深度不 同缩径率条件下的钻井液密度图谱 1 通过分析钻井工程特点，利用层次分析法 ，分析 了库车凹陷山前地区钻井风险要素 ，说 明井壁 稳定性 、钻井液性能、盐膏层 以及钻头性能是控制库车凹陷山前地区钻井风险的主要因素。 2 只 要钻 进时 钻井 液密 度保持 在 安全钻 井 液 密度 窗 口之 内 ，就 可 以控制 井 壁 失稳 ，达 到控 制 钻进 过 程 中 由井 壁失 稳带 来 的钻井 风 险的 目的。 3 在库车山前地区，对于易塌地层，应优化钻井液 的流变性和提高钻井液的封堵性能 ，有助于保 持 良好 的井壁稳定性 ，提高钻进效率。 4 对于吉迪克组盐膏岩地层 ，推荐缩径率为 0 ． 0 0 5 h 的钻井液密度为盐膏层安全钻井液密度 ，可 有效控制盐膏岩地层蠕变带来 的钻井风险。 5 在砾石层 中，宜选用镶齿而不选用钢齿 ；从齿形上不应该选择较长的尖锥形齿 ，同时应使钻头 具有较强的保径能力 。针对 中下部地层的特点 ，宜选用具有耐磨复合片、双排齿结构以及强化水力作用 的 P D C钻 头 。 [ 参考文献] [ 1 ]李海宏 ．钻井风险评价方法与模型建立 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 3 ，3 1 6 6 6 ～6 8 ． [ 2 ] 何沙 ，王志明 ．基于层次分析法的高含硫气井钻井风险评价研究 _ J ]．钻采工艺 ，2 O l O ，3 3 2 2 8 3 o ． [ 3 ]楼一珊 ，金业权 ．岩石力学与石油工程 [ M]．北京 石油工业出版社 ，2 0 0 6 ． [ 4 ] 陈勉 ，邓金根 ，吴志坚 ．岩石力学在石油工程中的应用 [ M]．北京 石 油工业 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 5 ]邓金根 ，张洪生 ．钻井工程中井壁失稳的力学机理 [ M]．北京 石油工业 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 6 ]朱亮 ，楼一珊 ，黄 万 龙，等 ．盐 膏 层合 理 钻 井液 密 度 的确 定 [ J ] ．石 油 天然 气 学 报 江 汉 石油 学 院 学 报 ，2 0 0 9 ，3 1 4 1 1 1 ～1 1 4 - [ 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