库车凹陷山前地区钻井风险评价及措施研究

2014-06-19朱亮长江大学石油工程学院湖北武汉430100中石油钻井工程重点实验室湖北荆州434023

石油天然气学报 2014年2期

关键词：库车钻井工程钻头

朱亮 (长江大学石油工程学院,湖北武汉 430100;中石油钻井工程重点实验室,湖北荆州 434023)

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 830000)

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 430100;中石油钻井工程重点实验室,湖北荆州 434023)

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 830000)

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。

钻井风险;钻进安全;山前地区;库车凹陷

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6732.4m后发生溢流,钻井液密度逐渐提至1.85～1.93g/cm3。

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0.26m/h,而全井的机械钻速仅为0.68m/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。KU1井在新近系吉迪克组钻遇3套盐膏层段,钻井液密度从1.55g/cm3提高到2.08g/cm3才抑制住盐层蠕变缩径,固井后发现套管有多处变形。DG2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88.79%。

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[1,2]。

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”定义为中间准则层,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:

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、Satty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[3～5],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。

式中:H为井深,m;ρm为地层坍塌压力对应的当量密度,g/cm3;pf为地层破裂压力,MPa;ρf为地层破裂压力梯度对应的当量密度,g/cm3;σh,max为最大水平主应力,MPa;σh,min为最小水平主应力,MPa;pp为地层孔隙压力,MPa;st为地层抗拉强度,MPa;σV为上覆地层压力,MPa;μ为泊松比,1;α为有效应力贡献因数,1;C为黏聚力,MPa;η为非线性修正因数,1;φ为内摩擦角,(°);ω1为最大水平构造应力因数,1;ω2为最小水平构造应力因数,1。

图2 KU1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口为1.51～2.13g/cm3,在舒善河组地层的安全钻井液密度窗口为1.50～2.22g/cm3。在实钻中,苏维依组地层和舒善河组地层的钻井液密度在1.45～1.50g/cm3,低于安全钻井液密度窗口,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150°,压力为3.5MPa。

其基本配方分别为:1.5g增稠剂MC+2g降滤失剂KJ-1+0.3g润滑剂RHJ-1+2g有机硅醇抑制剂DS-302+3g乳化沥青润滑剂RHJ-3+0.15g乳液聚合物抑制剂DS-301+10g原油+0.2g乳化剂Span-80+0.15g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20min内,钻井液全部漏失,侵入砂床深度达到4.2cm,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-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PDC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

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5000m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[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,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确定的地层承压能力,推荐缩径率为0.005h-1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。