也门71区块钻井防塌技术方案及应用.pdf

第 3 8卷 第 5期 2 0 1 0年 9月 石 油 钻 探 技 术 PETR L EUM DRI I i I NG TECHNI QUE S Vo1 ． 38 No． 5 Se p ．， 2 01 0 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 0 ． 0 5 ． 0 1 0 也 门 7 1区块钻井防塌技术方案及应用 刘友义 雷娅 丽。 王长生 崔卫华 1 ． 中国石 化 国际石油勘探开发有 限公 司， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 中国地质大学 北京 工程技术学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ． 中国石化河南 油田分公 司 石油工程技术研究院 ， 河南 南 阳4 7 3 1 3 2 摘 要 也 门 7 1区块是 中国石化 国际石油勘探 开发有限公 司在 中东地 区的重 点勘探 区块之 一， 目前 已完钻 2 口探 井并获得 了良好 的油气发现 。针对该 区块在钻探过程 中 出现 的井壁失稳 、 井眼垮塌等 井下故 障， 根 据 井壁 失 稳的强度判别准则， 分析 了不 同井段 的工程特 点、 地质特 点和井 眼垮 塌原 因， 在全 井优化设计 的基础 上， 从 井身结 构 、 钻 井工 艺和钻 井 液体 系等方 面提 出 了一 套 综合 的 防塌技 术 方 案。该 方案 在 也 门 7 1区块 第三 口探 井 J u d a y a a h 一 1井的钻 井设计和钻 井施工 中进行 了应用 ， 结果表 明， 该 井井下故 障明显减 少， 避免 了井下事故 ， 提 高 了 钻 井 效 率 ， 取 得 了较 好 的 经 济 效 益 。 关键词 井眼稳定 ；井塌；井身结构 ； 钻 井液 ；防塌 ；也 门 7 1区块 中图分类号 T E 2 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 0 0 5 0 0 4 2 0 4 Bl o c k 71 o f Ye me n Fo r ma t i o n Co l l a p s e Pr e v e n t i o n T e c h n i q u e a n d I t s Ap p l i c a t i o n Li u Yo u y i ’ Le i Ya l i 。 W a n g Cha n g s h e ng Cu i W e i h u a 1 ． S i n o p e c I n t e r n a t i o n a l Pe t r o l e u m Ex pl o r a t i o n a n d Pr o d u c t i o n Co r p o r a t i o n， Be i j i n g， 1 0 0 0 8 3， C h i n a； 2 ．S c h o o l o f En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y， C hi n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s ， Be i j i n g， 1 0 0 0 8 3， C h i n a；3 ．Pe t r o l e u m En gi n e e r i ng Te c hno l o gy I ns t i t ut e，H e na n Oi l Fi e l d，Si n o pe c，N a ny an g，H e n an， 4 7 3 1 3 2， Ch i n a Ab s t r a c t Bl o c k 7 1 i S o ne o f t h e ke y e x pl o r a t i on bl o c ks o f SI PC i n Ye me n ． TWO e x pl o r a t i on we l l s ha v e b e e n d r i l l e d a n d g o o d g a s o i l d i s c o v e r y i s o b t a i n e d ． F o r b o r e h o l e i n s t a b i l i t y， b o r e h o l e c o l l a p s e ， a n d o t h e r c o mp l i c a t i o ns， t he e ngi ne e r i ng c h a r a c t e r i s t i c s o f v a r i ou s we l l s e c t i o n s， ge o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a nd r e a s on s f o r bo r e ho l e c o l l a p s e we r e a n a l y z e d ．Ba s e d o n wh ol e we l l op t i m i z a t i o n， a c omp r e he ns i v e pr o g r a m f o r c o l l a p s e p r e v e n t i o n wa s p r o po s e d i n t e r ms o f we l l s t r uc t u r e， dr i l l i n g t e c hn o l og y a nd d r i l l i n g f l u i d s ys t e m ， e t c ． Th i s t e c h n i q u e wa s u s e d i n d r i l l i n g t h e 3 r d e x p l o r a t i o n we l l -- J u d a y a a h 一 1 ， i n Bl o c k 7 1 ． Th e a p p l i c a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t t hi s t e c hno l o gy s i g ni f i c a n t l y r e d uc e d d o wnh ol e c o m p l e x i t y， a v oi de d dr i l l i ng a c c i de nt ， i m pr o v e d d r i l l i ng e f f i c i e nc y a nd a c hi e ve d g o od e c o n omi c a l be ne f i t ． Ke y wo r ds ho l e s t a b i l i t y； ho l e c a v i n g； c a s i n g pr o gr a m ； d r i l l i ng f l u i d； ho l e s l o ug hi n g p r e v e n t i o n； Bl o c k 71 i n Ye me n 井 壁失稳 是 一个涉 及多种 因素的复 杂 问题 。当 井 内液 柱压力 小 于地层 坍塌 压力 时 ， 将 发生 井 壁坍 塌或缩 径 ] 。实钻 过 程 中， 处 理井 壁 失 稳 主要 从 力 学稳定 和化 学 防塌 两方 面 着 手 ， 并依 据 当地 的地 质 条件 、 施工 条 件 和 技 术 水 平 采 取 相 应 的技 术 措 施 。 力学 因素是 井 眼稳 定 的前 提 和 基础 ， 化 学 方 法 能在 很大程 度上 改变 和 强 化这 一 前 提 和基 础 ， 并 与力 学 因素 协 同作 用起 到 防塌 的效 果 ] 。 也门 7 1区块是中国石化国际石油勘探开发有 限公司 S I P C 在也门的 3个勘探区块之一， 该 区块 最 主要 的钻 井技术 难 点 ， 就 是 由井 壁 失 稳造 成 的井 收稿 日期 2 0 l 0 一 O 6 0 2 ； 改 回 日期 2 0 1 O O 7 3 1 作者 简介 刘友 义 1 9 6 4 ， 男， 四川 中江人， 1 9 8 6年毕业 于重 庆大学矿山工程专业 ， 在读博士研 究生 ， 高级 工程师， 主要从事 油气 井 钻 井 J - 程技 术 的研 究 及 应 用 J - 作 。 联 系 方式 0 1 0 8 2 3 1 8 7 8 6 ， y o u y i l i u s i p c ． c n 第 3 8巷 第 期 刘 友 叉等 也 门 71区块 钻 井 防 塌技 术 方 案 及 应 用 眼垮 塌 、 卡钻等 井下 故 障或事 故 ， 并 导致井 身结 构 改 变 、 钻井周 期延 长 、 钻 井 成本 超 出预 算 ， 从 而 影 响 到 整个 区块 的勘 探部 署 和 进 程 。为 此 ， 笔 者 通 过 分析 研究该区块 的情况 ， 提出了一套综合防塌技术方案 ， 在 J u d a y a a h 一 1 井 的现场 应用 结果 表 明 ， 该技 术 方案 能有 效减少 井下 故 障 ， 提 高钻井 效率 。 1 井壁失稳的强度 判别 准则 影 响井 壁 稳定 性 的 力学 因素 主要 有 地应 力 、 地 层孔 隙压力 和地 层强 度等 。按 照忽 略 中间主 应力 的 Mo h r C o n l n mb剪切 破 坏理 论 ， 作 用在 井 壁 岩石 最 大剪切应 力平 面上 的剪 切应 力和有 效法 向应 力分 别 为 r 一 l 一 ／ 2 1 3 ／ 2一 户 2 式 中 z -⋯ 为最 大剪 切 应 力 ， MP a ； 为 作 用 在 最 大 剪切应 力平 面上 的有 效 法 向应 力 ， MP a ； 为 作 用 在井壁 岩石 上 的最 大 主 应 力 ， MP a ； 。为作 用 在 井 壁岩 石 上 的 最 小 主 应 力 ， MP a ； 为 中 问 主 应 力 ， MP a ； P 为地 层孔 隙压力 ， MP a 。 考 虑 中间主应 力 均 方 根 广 义 剪 切 应 力 和 有 效 法 向应力 j o √ 3 I， 一 一 P s 4 J l n ＼ ／ 式 中 为剪 切应 力 均 方 根 ， MP a ； J 为 有 效 法 向 应力 ， MPa 。 最后 ， 根据 直线 型剪切 强度 公式 ， 计算 井壁 岩石 的剪 切强 度 ， 即 r C h t a n 5 C 一 1 ／ 2 6 式 中 r为 岩 石 的 剪 切 强 度 ， MP a ； C h为 岩 石 的 内聚 力 ， MP a ； 声 为储层岩石 的内摩 擦角 ， 。 O c 为岩石 的单 轴抗压 强度 ， MP a 为岩石 的单 轴抗拉强度 ， MP a 。 基于 井壁应 力 、 主应 力 的计 算结 果 ， 利用 强度 准 则 ， 就可判别 钻井过程 中的井 壁稳 定性l 4 ] 。若 由 式 5 算 出 的岩石剪 切强 度 r 大于 由式 1 计 算 出的 井 壁岩石 最大剪 切应 力 r ， 即 r r ⋯ ， 表 明井 眼稳 定 ； 反之 ， 将 会发 生 井 眼力 学 不 稳 定 的情 况 ， 即 可能 发生井眼坍塌。因此 ， 在钻井设计和施工中， 应在综 合分 析各种 地质 与 工程 因素 的 前 提 下 ， 结 合力 学 分 析结 果确 定合 理 的井 身 结 构 、 钻 井 措施 和钻 井 液 体 系 与性能 ， 采取 综合 性 防塌技 术措施 ， 才能取 得事 半 功倍 的效 果 。 2 上部井段 防塌技术方案 2 ． 1上部 井段 地层 特点 也 门 7 1区块上 部井 段 主要有 2种 情况 一是 上 部井 段有 第三 系乌 姆 拉 杜 玛组 地 层 ， 该 地 层 虽 然 厚 度小 于 1 0 0 m， 但 孔 隙裂缝 发育 ， 易 发 生严 重井 漏 而 导致 出 现 井 下 复 杂 情 况 无 法 正 常 钻 进 如 南 部 的 Al Qa r n - 1 井 ； 二 是 乌 姆 拉 杜 玛 组 地 层 剥 蚀 严 重 ， 主要 为穆 卡拉组 河 流 相 碎 屑岩 ， 该 地 层 厚 度 变 化 大 超过 6 0 0 m ， 以 砂 岩 为 主 ， 下 部 夹 少 量 泥 岩 如北 部 的 R a b a a 一 1 井 。 Al Qa r n 一 1 井 为 国外 石油公 司早 期 在该 区块所 钻 的一 口探 井 ， 钻 至 井 深 5 3 I T I 时 便 发 生 失 返 性 井 漏 ， 常 规堵 漏及 打水 泥浆堵 漏 等均无 效 ， 被迫改 为泡 沫钻井 ， 但 在钻进 过程 中还 发生 了卡 钻事 故 ， 导 致钻 井 成本 大 幅增加 。 2 ． 2上 部 井段 防塌措 施 在 上 述第 一 种 情 况下 ， 重 点 考 虑发 生 严 重井 漏 而导致 的井 塌 、 卡钻 等井 下 复 杂 情 况 和事 故 。乌 姆 拉 杜玛组 地层 为一 套 浅 海 相 碳 酸 盐 岩沉 积 ， 主要 以 灰 白色 隐 晶质 灰 岩 为 主 ， 夹 白云质 灰 岩 。从 岩 石 力 学方 面分 析 ， 该 地 层 稳 定性 较 好 ； 另外 ， 在 发 生 失 返 性井 漏 的 情 况 下 ， 因 漏 层 的位 置 较 高 静 液 面 在 8 0 1 3 “1 以上 ， 对 下 部 的穆 卡 拉 组 地 层 的稳 定性 不会 造成 严重 影响 。因此 在 钻 井设 计 和 施 工 中 ， 可 采 用 盲钻技 术 方案 。 第 二 种 情 况下 ， 钻 井 设 计 和施 工 均 可按 常 规方 法正 常进行 ， 主要 是 以低 密 度 优质 膨 润 土 聚 合物 钻 井 液快 速钻 完上 部 井段 未 固结 砂 岩 和 渗漏 性 砂 岩 ， 进 入下 部泥 岩地 层后 下 套 管 固井 封 隔 ， 防 塌技 术 方 案 相对 简单 。 2 ． 3盲 钻方 案的 效果分 析 J u d a y a a h 一 1 井 上部 井 段 在 钻井 设 计 和 施 工 中 ， 均采 用 了盲钻 技术 方 案 ， 盲 钻 至 下 部穆 卡 拉 组 的 泥 岩后 下套 管 固井 封 隔 。该 井 一 开 6 6 0 ． 4 mm 井段 钻至井 深 6 8 ． 1 m 发 生 井 漏 并 完 全 失 返 钻 井 液 密 度 1 ． 0 3 k g ／ L ， 估 算 漏速 为 1 8 0 m。 ／ h以上 ， 从 井深 石 油 钻 探 技 术 6 8 ． 1 m 开始盲 钻至一 开 中完 井 深 3 5 0 ． 0 m， 盲 钻 井 段 的平 均机械 钻 速 为 3 ． 2 m／ h ， 比非盲 钻 井 段 的平 均机械 钻速 1 ． 6 3 m／ h提 高近 1 0 0 ， 节 约钻 井 时间 近 2 d ， 并且在 不堵漏 的情 况下安 全顺 利地 完成 了下 套 管 和固井作 业 ， 保 守估 计可节 约堵 漏时 间 3 d 。实 践 表 明 ， 该技术 方 案 与各 种 堵 漏 、 打 水泥 塞 、 充 气 钻 井 或者 在井 身结构 上另外 增加 一层 防漏技 术套管 等 方案相 比， 经济合理、 简单易行 。 3 易塌井段 防塌技术方案 3 ． 1井塌 复杂情 况分析 也 门 7 1区块 白 垩 系 的 S a a r 组 、 Na y f a组 地 层 井 壁稳 定性差 ， 其 中 S a a r 组 地层 又是 全井 防塌 的关 键 。S a a r 组 地层为 一套 浅海 一 滨浅 海 相 灰 岩 和泥 灰 岩夹泥 页岩地 层 ， 纵 向厚 度较 大 ， 钻 进过程 中井下 复 杂情况 较多 。一 方 面 ， 其 中的 泥 页岩 具 有 烃 源岩 的 属性 ， 导致地 层孔 隙压 力 变化 较 大 、 井 控 风 险增 加 ； 另一方 面 ， 中上部 存 在多 段 破 碎性 泥 页 岩 和部 分 软 泥岩 ， 钻 井过 程 中容 易 发生 漏 失 、 垮 塌 、 泥 包 和卡 钻 等井下 故 障 。 国外石 油公 司在邻 区 QQ2 井 的钻探 过程 中 ， 在 S a a r 组地 层遇高 压气 侵 ， 加 重 钻井 液压 井 时 发 生井 漏 ， 导致 井塌 、 卡 钻 。S I P C也 门分 公 司 2 0 0 9年 在该 区块北 部所 钻 的 Ra b a a 一 1井 ， 在 S a a r 组 地层 也 发生 井塌 、 卡钻 ， 被迫 填井 侧钻 ， 损失钻 井 时间 1 1 ． 5 d ， 报 废进 尺 3 4 7 m 2 2 3 3 ～ 2 5 8 0 m ， 打 乱 了后 续定 向 钻井 、 测井、 下套管固井等的作业计划 。 3 ． 2地 层稳定 性分 析 邻井 实钻情 况 表明 ， 白垩 系 S a a r 组泥 页 岩地 层 是 导致 出现井 下故 障 的主要 因素 ， 钻 井 液 密度 过 高 易漏、 过低易塌。利用测井资料通过软件模拟分析， 该 区块 S a a r 组地 层 的稳定性 差异 较 大 ， 灰 岩 地层 相 对 较为稳 定 ， 泥 页岩 稳 定性 较 差 。按 照 井 壁稳 定 的 强度判 别准则 ， 理 论上 只要 钻井 液 密度 达 到 1 ． 2 0 ～ 1 ． 2 5 k g ／ L便 不会 发生 井 眼力学 失 稳 。但 因该 地层 中存 在多段 破碎 性 泥 页岩 ， 井 眼 形 成后 如 果 长 时 间 受到钻 井液 滤液 的影 响 ， 泥 页岩 的强度减 弱 、 稳 定性 变差 ， 在 同样 的钻 井液 密度 下 ， 便 可能发 生井 眼力学 失稳 ， 即 可 能 发 生 井 眼 坍 塌 等 。 ] 。前 期 钻 探 的 R a b a a 一 1井 ， 对 S a a r 组 地 层 的井 眼 失稳 认 识 不 足 ， 4 3 3 9 ． 7 mm套 管仅 下 至 井深 1 4 8 3 ． 1 0 m， 难 以 满 足 防塌 要求 。 3 ． 3防塌技术 措施 针对 易 塌地 层 的特 点 ， 采 用力 学 稳定 和 化 学 防 塌 的协 同防塌技 术方 案 ， 在保 证力 学稳 定 的同时 ， 强 化钻 井液 的防 塌作 用_ 6 。 ] 。具 体 措 施包 括 在 钻井 设 计 和施工 中 ， 一 方 面确 定 合理 的井 身结 构 和 套 管下 深 ， 将低 密度下 易垮塌 、 高 密度下 易漏失 的复 杂地层 有效封隔 ； 另一方面优化钻井液体系和性能， 并根据 实钻情况及时采取相应措施 ， 提高钻井液对破碎性 泥页 岩 的封堵 能力和 抑制性 。 J u d a y a a h ～ 1井在 钻井 设 计 与施 工 中 ， 采 用 了上 述 防塌技 术方 案 ， 将 3 3 9 ． 7 mm 技术套 管 的下深增 加 ， 封隔井 深 1 8 0 0 m 以浅 的易塌地 层 、 破 碎性 泥页 岩地 层 ； 同时 ， 钻井 密度保 持在 1 ． 2 0 ～1 ． 2 5 k g ／ L之 间 ， 并用 密度 为 1 ． 2 5 ～ 1 ． 4 5 k g ／ L的钻 井液 进 行三 开钻 进 ， 既能避 免发 生井 眼力学 失稳 和井控 的风 险 ， 又 能 防止压漏 地层 引发更 大风 险 。 在化 学防 塌方 面 ， 设 计并 采 用 了 KC 1 聚合 物 钻 井液 体 系 KC 1 ／ P HP A P o l y me r ， 并 配 合使 用 页岩 抑制剂 Kl a S t o p 等强化钻井液的抑制性， 使用磺 化 沥青增 强钻 井 液 的封 堵 防 塌 能力 ， 钻 井 液 的 AP I 滤 失量 控 制 在 5 mL左 右 ， KC 1 加 量 控 制 在 5 ～ 6 ， 磺 化沥 青 的 质 量 浓 度 保 持 在 2 2 ～ 2 5 k g ／ m。 ， P HP A 的质量 浓度 保持 在 0 ． 2 5 ～0 ． 4 2 k g ／ m。 。 4 全井优化设计方案及应用 全井优 化设计 方案 以地 质工 程综合 分析 和井下 故障预测为基础 ， 以优快钻井为 目的， 为各项防塌措 施 的实施提 供技 术保 障 ， 是综 合 防 塌技 术 方 案 的前 提 和基础 ， 它包 括井 身结构 优化 、 钻井液 体 系优 选 和 性能 优化 、 钻井 工艺优 化 等 。 J u d a y a a h 一 1 井的全井优化方案， 就是综合权衡 4 4 4 4 ． 5 mm 井段 的钻井 难度 ， { ＆ 3 3 9 ． 7 mm 技 术套管 下 至 S a a r 组 地 层 的压 力 过 渡 带 ， 以封 隔 S a a r 组 上 部 的易 漏地层 和其 下 部 的 不稳 定 泥 页 岩地 层 ， 保 证 3 1 1 ． 1 mm 井段 能在 异常 高压 层 内安 全 钻进 ， 以较 高的钻井 液密度满 足长裸 眼 的防塌要求 ； 2 4 4 ． 5 mm技术套管下至 S h u q r a组高压层的底部 ， 防止钻 进 Ku l a n组地 层 的低压 风 化 壳发 生 井 漏进 而 井塌 ， 保 证 2 1 5 ． 9 mm 井 段 能在 裂 缝性 低 压地 层 和花 岗 岩基底 地层 内安 全钻进 ， 并充 分利 用 2 1 5 ． 9 mm 钻 头 的技 术优 势解 决花 岗岩地 层可 钻性差 的 问题 。