沙特碳酸鹽巖氣田水平井鉆井挑戰(zhàn)
時間：2017-10-11 11:00
來源：
作者: 李曉生
為了開發(fā)碳酸鹽巖氣田，沙特阿美石油公司一直在沿 SHmin 方向鉆水平井和分支井，目的是使井眼穿過水平儲層，通過橫向水力壓裂提高產(chǎn)氣量。然而，由于上覆壓力（Sv）的因素，使得橫跨井眼存有較大的應(yīng)力差，該氣田還普遍存在滑動應(yīng)力構(gòu)造，在最大水平應(yīng)力（以下簡稱 SHmax）方向鉆井非常困難，致使該氣田水平井鉆井始終面臨諸多挑戰(zhàn)。包括裸眼錄井在內(nèi)的幾個數(shù)據(jù)，一個通過地質(zhì)力學(xué)分析開發(fā)出的地質(zhì)力學(xué)模型（MEM）對數(shù)據(jù)進行整合，提供三個主要數(shù)據(jù)的量值，即：原位應(yīng)力、SHmax 方向的方位角、孔隙壓力以及沿已錄裸眼段的巖石強度特性。一種多孔彈性水平應(yīng)變模型可以用來計算原位水平應(yīng)力，還可以通過觀察到的井壁坍塌做進一步校正；結(jié)果得出沿井眼軌跡應(yīng)力大小的連續(xù)輪廓，圖 1 是一口沿 SHmin 方向鉆井所觀察到的井眼原位應(yīng)力與孔隙壓力的輪廓狀況。
除了孔隙壓力，水平應(yīng)力的大小受制于地層巖石的彈性特征，巖石孔隙度和礦物質(zhì)的變化可能會引起 Sv 與不同層位兩個水平應(yīng)力之間的應(yīng)力對比發(fā)生變化；向 SHmin 方向鉆的一口井，Sv 和 SHmax 會在井壁的頂部和底部產(chǎn)生更高的應(yīng)力集中（壓縮），在井眼穿過的一些地層，當(dāng)這個集中的應(yīng)力值大于泥漿的有效支撐力（泥漿液柱壓力）時，可能會導(dǎo)致井壁脫落，甚至出現(xiàn)井眼坍塌的嚴(yán)重事故，圖 1 展示的是測徑器測得的數(shù)據(jù)（井徑圖）。因坍塌導(dǎo)致的巖屑體積，加上鉆頭鉆出的巖屑，這些都需要盡快循環(huán)出井眼，避免縮徑、上提過載、高扭矩／高摩阻、井眼堵塞和卡鉆這類嚴(yán)重的井下事故。增大泥漿過平衡可以減少井壁坍塌（含深度和寬度），圖２是根據(jù)地質(zhì)力學(xué)分析給出的一個已開發(fā)區(qū)塊和儲層推薦的泥漿過平衡的最佳 數(shù) 據(jù)， 使 用給井眼凈化帶來很大負(fù)擔(dān)，對水平井鉆井來說更具挑戰(zhàn)，確保良好的井眼凈化 ROP 扮演著重要角色，因此，作為井眼穩(wěn)定性管控的一部分，并行研究泥漿過平衡和 ROP勢在必行，它們之間的優(yōu)化、匹配十分重要。對于已知的原位應(yīng)力和巖石強度特性，圖 2 是一個給定深度泥漿過平衡對計算的坍塌嚴(yán)重度的影響。藍色虛環(huán)形線（鉆頭尺寸）以外白色區(qū)域的程度代表坍塌的嚴(yán)重 度， 高 泥 漿 過 平 衡 能 使 井 壁 穩(wěn)定，減小坍塌的寬度（θb）和深度（db）。
鉆井事故特征
圖 3 是不同方向所鉆水平井的鉆井經(jīng)驗圖，展示了幾口水平井鉆井的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，圖上標(biāo)出的每個點代表該儲層帶有方位角、輻射線在0° 或平行于 SHmax 方向與 90° 或平行于 SHmin 方向之間變化的一口井。同心圓代表井斜，0°表示是一口直井，最外圈的圓環(huán)表示為一口水平井，數(shù)據(jù)點的顏色象征著所遇事故的嚴(yán)重度，紅色表示因嚴(yán)重事故和事故重復(fù)出現(xiàn)不能按設(shè)計進行鉆井施工的井；綠色表示按設(shè)計施工未發(fā)生明顯事故的井；同樣，粉紅色和淺粉紅色表示出現(xiàn)過中度和輕度的多種鉆井異常， 如縮徑、 劃眼、高扭矩和高摩阻等。
這 些 井 也 是 按 鉆 井 設(shè) 計 施 工的，雖然它們中的少數(shù)井據(jù)說因遭遇事故在打到設(shè)計井深前進行了完井。可以看出，由于井的方位逼近SHmin 方向，鉆井作業(yè)變得更具挑戰(zhàn)。所有這些井都進行了預(yù)鉆地質(zhì)力學(xué)模型的模擬，為的是預(yù)測穩(wěn)定的泥漿比重窗口（限值）。數(shù)據(jù)分析表明，除了泥漿比重外，還可能有其它因素對事故產(chǎn)生影響， 因此，需要分析各種原因，拿出一個綜合的解決方案。由于井眼不穩(wěn)定可能源自于地質(zhì)力學(xué)和與鉆井有關(guān)的共同因素，需要一個詳細(xì)分析來識別這些問題的性質(zhì)，確定這種可變的鉆井經(jīng)驗的主要控制因素。
為了管控井眼穩(wěn)定，對鄰井?dāng)?shù)據(jù)進行分析，并用地質(zhì)力學(xué)模型對數(shù)據(jù)進行模擬，得出圖 4 的部分?jǐn)?shù)據(jù)，圖 4 是使用校準(zhǔn)的一維地質(zhì)力學(xué)模型對一口鄰井進行井眼穩(wěn)定分析的效果圖，對每口設(shè)計的水平井提出施工建議，建議的泥漿比重包含在鉆井設(shè)計中， 并進行鉆后分析，解釋鉆井事故的性質(zhì)。
最佳泥漿過平衡會使井壁更穩(wěn)定，減少井壁坍塌，使水平井鉆井獲得成功；然而，不能一味增大泥漿過平衡，要有一定的限值，原因是這可能會導(dǎo)致孔隙地層和壓力耗盡層發(fā)生壓差卡鉆事故，最佳過平衡給定的這些限值，預(yù)計仍會出現(xiàn)低烈度到中烈度的井壁垮塌，為了避免與之相關(guān)的鉆井事故，垮塌產(chǎn)生的巖石碎屑必須被及時循環(huán)出井筒。因此，為使鉆井作業(yè)更安全，除了運用最佳過平衡這一手段，還需考慮 ROP，ROP 越高、鉆出的巖屑和脫落的井壁碎屑也越多，這數(shù)據(jù)分析表明，多數(shù)卡鉆事件與倒劃眼和起鉆有關(guān)，事故可能歸因于滯留在井底的巖屑和坍塌屑；起鉆或倒劃眼期間，如果鉆具向上移動的速度高于巖屑被循環(huán)出井眼的速度，巖屑和坍塌屑會在井底鉆具組合（BHA）后堆積，導(dǎo)致當(dāng)前井深以上的某個深度出現(xiàn)縮徑或卡鉆；因此，除了泥漿過平衡外，還要考慮 ROP，評估是否井眼凈化對所發(fā)生的事故有一定影響。
圖 5 展示的是距 SHmax 方向某個方位角、以不同鉆井參數(shù)所鉆水平井的鉆井經(jīng)驗的變化情況， （a）泥漿過平衡，（b）平均 ROP；圓點和菱形符表示兩個儲層的不同數(shù)據(jù)，坐標(biāo)圖中逗號分隔的數(shù)值代表井號，F(xiàn)1 和 F2 代表兩個相鄰區(qū)塊（儲層）。根據(jù)所發(fā)生事故的嚴(yán)重度，作為井眼方位的函數(shù)，鉆出的井按對應(yīng)的泥漿過平衡（圖 5a）和平均 ROP（圖 5b）繪制出圖形，井眼方位指的是距 SHmax 方向的角度；圖中的彩色數(shù)據(jù)點代表事故的嚴(yán)重度，先前已做出解釋；圖中展示的是兩個臨近區(qū)塊所鉆的井，F(xiàn)1和 F2 是被一個非產(chǎn)致密層垂直分隔的兩個儲層，圖 5a 中的字母和數(shù)字符號表示井號（左側(cè)數(shù)字）和區(qū)塊，無論是 F1 或 F2。圖 5a 表 明， 距 SHmax 方 向45°方位以內(nèi)的井，兩個區(qū)塊都可以 用 0.16-0.19g/cm 3 相 同 的 泥 漿過平衡，以及 10.67~11.58m/hr. 的ROP 進行鉆井作業(yè)；當(dāng)井的方位角增至 45°以上（接近 SHmin 方向）時，圖 5a 中兩個區(qū)塊的泥漿過平衡需按兩條曲線走勢增大，F(xiàn)1按實線走勢增大，F(xiàn)2 按虛線走勢增大，為的是保持井眼穩(wěn)定。分析建議，由于兩個區(qū)塊的原位應(yīng)力和其它地質(zhì)力學(xué)因素或許不盡相同，需要采用可變的泥漿過平衡；一口距SHmax 方向方位角大于 45° 的井，井壁經(jīng)歷了較高的應(yīng)力差，這種情況下，需要增大泥漿過平衡，以更高的過平衡來降低坍塌度和發(fā)生率，圖 5b 顯示，根據(jù)兩個區(qū)塊的單一曲線，ROP 需要逐漸降低，對于方位角在 75°~90°之間的井，保持3~3.66m/hr. 的 ROP 為適宜。
依據(jù) ROP 值和泥漿過平衡，圖5 所列井的數(shù)據(jù)被用于井眼穩(wěn)定的進一步分類，分為 4 個風(fēng)險等級，風(fēng)險等級為 1 的井是那些依據(jù)圖 5確定的 ROP 和泥漿過平衡都在安全限值內(nèi)的井，這些井鉆井期間未出現(xiàn) 大 的 問 題， 如 井 1、2、10、12和 13；風(fēng)險等級為 2 的井包括那些要么因泥漿過平衡低于穩(wěn)定限值，導(dǎo)致出現(xiàn)坍塌，如井 6、7，或者因ROP 高于安全限值，導(dǎo)致巖屑過量，如井 3、5，這樣的井被定為中等風(fēng)險等級，可能遇到的問題如縮徑、高扭矩和高摩阻、以及偶爾出現(xiàn)的卡鉆事件。同樣，如果兩個參數(shù)都未在規(guī)定的限值內(nèi)，如泥漿過平衡較低且 ROP 高于安全限值，就會存在更高的卡鉆風(fēng)險，由于井下過量的巖屑和塌屑很難有效循環(huán)出井筒，很可能導(dǎo)致埋鉆具事故，如果是那樣，就會損失井底鉆具和昂貴的工具，這些井被分類為高風(fēng)險井，風(fēng)險等級為 3 級，如井 4、8 和 9。
風(fēng)險等級為 2 的井可能需要調(diào)整兩個參數(shù)中的一個，以實現(xiàn)穩(wěn)定的井眼工況；對于風(fēng)險等級為 3 的井，需要同時增大泥漿過平衡和降低 ROP 至安全限值，以保持井眼穩(wěn)定；極高風(fēng)險的井是風(fēng)險等級為 4的井，為了抑制坍塌，泥漿過平衡大于穩(wěn)定限值過多時，即使 ROP 在安全限值內(nèi)，如井 14 和 15，由于穿越滲透層時壓差過大，遭遇卡鉆事故；這類事故的解決方法是減小泥漿過平衡，使其接近穩(wěn)定的泥漿過平衡限值，見圖 5a。
如何優(yōu)化鉆井施工應(yīng)當(dāng)與實時觀察和井眼穩(wěn)定數(shù)據(jù)更新一起納入經(jīng)驗教訓(xùn)，有助于成功戰(zhàn)勝挑戰(zhàn)，降低沿 SHmin 方向鉆進的事故復(fù)雜，圖 6 是沿 SHmin 方向鉆井性能改善的示意圖，從中可以看出，鉆井成功的數(shù)量從 2012 年占比的22% 增至 2014 年的 65%，2014 年大約有 25% 的井遭遇了嚴(yán)重的鉆井事故，事故主要是因鉆井穿過低壓或高孔隙度地層產(chǎn)生的自然壓差所致，這類事故正通過優(yōu)化泥漿添加劑和使用合適的橋接材料得到進一步解決。
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