超深大位移井井壁稳定及储层保护技术与应用.pdf
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1、第 卷第期 年 月中 国 海 上 油 气 中 海 石 油(中 国)有 限 公 司 重 大 科 技 专 项“东 海 上 产 万 吨 关 键 技 术 研 究(编 号:)”部 分 研 究 成 果。第 一 作 者 简 介:邢 希 金,男,高 级 工 程 师,年 毕 业 于 西 南 石 油 大 学,现 在 主 要 从 事 海 洋 石 油 开 发 油 田 化 学 方 面 的 设 计 与 研 究 工 作。地 址:北 京 市 朝 阳 区 太 阳 宫 南 街号 院(邮 编:)。:。文 章 编 号:?()?:?引 用:邢 希 金,王 涛,刘 伟,等超 深 大 位 移 井 井 壁 稳 定 及 储 层 保 护 技 术
2、 与 应 用中 国 海 上 油 气,():,():超 深 大 位 移 井 井 壁 稳 定 及 储 层 保 护 技 术 与 应 用邢 希 金,王涛刘伟崔 应 中向 兴 国(海 洋 油 气 高 效 开 发 全 国 重 点 实 验 室北 京 ;中 海 油 研 究 总 院 有 限 责 任 公 司北 京 ;中 海 石 油(中 国)有 限 公 司 上 海 分 公 司上 海 ;荆 州 市 汉 科 新 技 术 研 究 所湖 北 荆 州 )摘要随 着 中 国 海 上 油 气 田 大 位 移 井 钻 井 作 业 越 来 越 多,超 深 大 位 移 井 钻 井 作 业 面 临 井 壁 稳 定 和 储 层 保护 双
3、重 挑 战。东 海 油 气 田 超 深 大 位 移 井 垂 深 更 深,存 在 大 段 泥 岩、储 层 低 孔 渗、多 压 力 系 统 并 存、工 况 复 杂 等情 况,因 此 井 壁 稳 定 和 储 层 保 护 的 难 度 大。以 该 区 域 超 深 大 位 移 井 井 为 例 开 展 油 基 钻 井 液 用 封 堵 固 壁剂 研 选,开 展 了 钻 井 作 业 参 数 分 析 及 储 层 保 护 效 果 评 价,通 过 研 究 形 成 了 井 壁 稳 定、当 量 钻 井 液 循 环 密 度()控 制 及 低 渗 储 层 保 护 为 一 体 的 超 深 大 位 移 井 钻 井 技 术。东 海
4、口 大 位 移 井 作 业 实 践 表 明,平 均 钻 井周 期 仅 天,钻 井 周 期 短、作 业 顺 利,降 低 了 现 场 作 业 风 险,提 升 了 该 区 块 的 油 气 田 开 发 综 合 经 济 效 益。上 述 研 究 成 果 对 东 海 其 他 超 深 大 位 移 井 的 作 业 实 施 具 有 良 好 参 考 借 鉴 及 指 导 意 义。关 键 词超 深 井;大 位 移 井;高 压 差;油 基 钻 井 液;井 壁 稳 定;储 层 保 护中 图 分 类 号:文 献 标 识 码:犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺 犪 狀 犱 犪 狆 狆 犾犻犮 犪 狋犻狅 狀 狅 犳 犱 狉犻犾犾犻
5、 狀 犵 狉犻狊 犽 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋犻狅 狀 犪 狀 犱 犮 狅 狀 狋狉 狅犾 犿 犲 犪 狊 狌 狉 犲 狊 犻 狀狌 犾狋狉 犪 犱 犲 犲 狆 犲 狓 狋犲 狀 犱 犲 犱 狉 犲 犪 犮 犺 狑 犲犾犾狊 ,(犖 犪 狋犻 狅 狀 犪 犾 犓 犲 狔 犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋狅 狉 狔 狅 犳 犗 犳 犳 狊 犺 狅 狉 犲 犗 犻犾 犪 狀 犱 犌 犪 狊 犈 狓 狆 犾 狅 犻狋 犪 狋犻 狅 狀,犅 犲犻 犼犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪;犆 犖 犗 犗 犆 犚 犲狊犲 犪 狉 犮 犺犐 狀 狊狋犻狋 狌 狋犲 犔 狋 犱,犅 犲犻 犼犻 狀 犵 ,犆 犺 犻
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7、指 水 平 位 移 或 侧 深 与 垂 深 之 比 大 于的 井,或 者 水 平 位 移 大 于 等 于 的 井,从 井 型上 可 以 看 做 定 向 井 和 水 平 井 井 型 的 结 合。大 位 移井 钻 井 技 术 是 为 了 降 低 开 采 成 本 通 过 定 向 钻 进 提 高储 层 开 发 效 率、降 低 建 井 和 完 井 成 本 而 研 究 应 用 的一 项 钻 井 综 合 技 术。大 位 移 井 钻 井 技 术 始 于 世纪 年 代,年 代 末 期 迅 速 发 展。大 位 移 井 由 于水 平 位 移 大 能 够 较 大 范 围 地 控 制 含 油 面 积、钻 穿 油层 井
8、段 长 使 得 泄 油 面 积 增 大,所 以 能 够 大 量 减 少 平台 数 量 和 大 幅 提 高 单 井 产 量,因 此 大 位 移 井 技 术 是管 柱 的 摩 阻 扭 矩、钻 柱 设 计、轨 道 设 计、井 壁 稳 定、井眼 清 洗、固 井 完 井、轨 迹 控 制 等 多 种 技 术 的 系 统集 成。世 纪 年 代 以 来,国 外 大 位 移 井 钻 井 技 术飞 快 发 展,国 内 通 过 技 术 合 作 于 年 在 西 江 油 田 由 菲 利 普 斯 公 司 作 业 的 井 创 造 了当 时 水 平 位 移 的 世 界 纪 录。年,为 了拥 有 中 国 自 己 的 大 位 移
9、 井 钻 井 技 术,由 中 国 海 油 牵头 联 合 油 田 单 位 和 科 研 院 所 依 托 国 家“”计 划 通过 联 合 攻 关 形 成 了 中 国 海 上 大 位 移 井 钻 井 技 术。目前 大 位 移 井 钻 井 技 术 已 经 在 国 内 陆 地 油 田 和 海 上 油田 广 泛 应 用 。国 外 大 位 移 井 虽 然 井 深 较 深、水 平 位 移 大,但 是多 数 垂 深 小 于 ,垂 深 较 浅。国 内 大 位 移 井 部分 油 田 作 业 垂 深 相 对 较 深,但 是 作 业 井 深、水 平 位 移与 国 外 差 距 较 大,如 表所 示。表 国 内 外 部 分
10、典 型 大 位 移 井 信 息犜 犪 犫 犾犲 犐 狀 犳 狅 狉 犿 犪 狋犻狅 狀 狅 犳 狊 狅 犿 犲 狋 狔 狆 犻犮 犪犾 犲 狓 狋犲 狀 犱 犲 犱 狉 犲 犪 犮 犺 狑 犲犾犾狊 犪 狋 犺 狅 犿 犲 犪 狀 犱 犪 犫 狉 狅 犪 犱油 田井 号井 深垂 深水 平 位 移水 垂 比英 国 陆 上 油 田 挪 威 北 海 美 国 加 利 福 尼 亚 油 田 阿 根 廷 胜 利 油 田 桩 斜 大 港 油 田 赵 东 油 田 中 国 南 海 西 江 油 田 油 田 (平 均)(平 均)油 田 西 区口 井 (平 均)(平 均)(平 均)(平 均)油 田 (平 均)(平 均)
11、油 田 (平 均)(平 均)地 层 的 稳 定 程 度 是 制 约 大 位 移 井 延 伸 极 限 的 重 要因 素 之 一,在 钻 井 液 作 用 下,井 壁 泥 岩 微 观 存 在 复 杂 的物 理 及 化 学 作 用,这 将 对 泥 岩 的 力 学 性 质 及 井 壁 应 力状 态 产 生 决 定 性 的 影 响。目 前 的 解 决 手 段 多 集 中 在 添加 封 堵 及 降 失 水 材 料 以 降 低 钻 井 液 中 液 相 进 入 泥 岩 地层,但 受 颗 粒 尺 寸 的 影 响 效 果 不 一。大 位 移 井 由 于 建井 周 期 长,长 时 间 高 压 差 浸 泡,储 层 伤
12、害 问 题 突 出,通 常采 用 油 基 钻 井 液 在 提 高 地 层 稳 定 性 的 同 时 来 降 低 对 亲 水性 地 层 的 伤 害。近 海 油 气 田 是 中 国 重 点 能 源 战 略 开 发 区 块,为了 提 高 开 发 效 率 和 降 低 成 本,近 年 来 中 国 海 上 大 位移 井 尤 其 超 深 大 位 移 井 钻 井 作 业 越 来 越 多。中 国 海油 通 过 自 主 研 发 形 成 了 一 套 油 基 钻 井液 技 术,已 成 功 应 用 于 海 上 很 多 区 块 复 杂 井、大 位 移井 的 钻 井 作 业 。东 海 海 域 某 目 标 区 域 地 层 泥
13、岩发 育,储 层 低 孔 低 渗 且 多 压 力 系 统 并 存,井 底 作 业 压差 大,井 壁 失 稳 和 储 层 污 染 的 风 险 高。针 对 上 述 问题,通 过 固 壁 剂 研 选、钻 井 参 数 优 化 及 储 层 保 护 评价,形 成 了 一 套 适 合 该 区 域 的 超 深 大 位 移 井 井 壁 稳定 和 储 层 保 护 技 术,并 在 东 海口 大 位 移 井 作 业 中成 功 应 用,可 为 东 海 其 他 超 深 大 位 移 井 的 作 业 实 施提 供 良 好 借 鉴 意 义。超 深 大 位 移 井 井 壁 稳 定 及 储 层 保 护难 点 前 期 钻 探 过 程
14、 中 发 现,位 于 东 海 海 域 的 目 标 区块 超 深 大 位 移 井 主 要 面 临 井 壁 失 稳 和 低 孔 渗 储 层 污染 两 项 技 术 难 点。其 中,超 深 大 位 移 井 井 壁 失 稳 问题 表 现 较 为 突 出,已 实 施 深 井 及 超 深 大 位 移 井 作 业垂 深 多 大 于 ,且 硬 脆 性 泥 岩 发 育 和 分 布 较 中 国 海 上 油 气 年 月多,井 壁 失 稳 风 险 大,此 海 域 的 硬 脆 性 泥 岩 地 层表 现 出 与 钻 井 流 体 接 触 后 强 度 下 降 较 快 的 特 征。分析 发 现,无 论 是 水 基 钻 井 液 还
15、 是 油 基 钻 井 液,与 该 地层 接 触 后 钻 井 液 滤 液 会 沿 地 层 割 理 方 向 快 速 向 内 部浸 入,钻 井 液 滤 液 进 入 泥 岩 后,泥 岩 界 面 发 生 吸 液 膨胀,导 致 泥 岩 层 更 加 容 易 剥 落,特 别 是 在 砂 泥 岩 互 层的 情 况 下,泥 岩 的 剥 落 会 使 用 砂 泥 岩 界 面 产 生 台 阶,进 而 发 生 起 下 钻 阻 卡 现 象。表给 出 了 东 海 目 标 气田 探 井 钻 井 复 杂 情 况 统 计,钻 井 期 间 的 复 杂 情况 表 现 为 与 硬 脆 泥 岩 相 关 的 阻 卡。表 东 海 目 标 气
16、田 探 井 钻 井 复 杂 情 况 统 计犜 犪 犫 犾犲 犛 狋 犪 狋犻狊狋犻犮狊 狅 犳 犱 狉犻犾犾犻 狀 犵 犮 狅 犿 狆 犾犲 狓犻狋 狔 狅 犳 犲 狓 狆 犾狅 狉 犪 狋犻狅 狀 狑 犲犾犾狊 犻 狀 狋 犺 犲 犈 犪 狊狋 犆 犺 犻 狀 犪 犛 犲 犪 狋 犪 狉 犵 犲狋 犵 犪 狊 犳犻犲犾 犱井 名井 漏 次 数遇 阻 次 数遇 卡 次 数憋 泵、蹩 扭 矩 次 数其 他 事 故 次 数 合 计 合 计 超 深 大 位 移 井 的 另 一 个 难 点 表 现 为 储 集 层 易 液相 污 染 导 致 产 能 不 足。首 先 东 海 油 气 区 低 孔 低 渗 砂
17、岩 油 气 藏 居 多,地 层 孔 喉 细 小 毛 细 管 力 强,钻 完 井 作业 过 程 中 储 层 普 遍 存 在 液 锁 伤 害;其 次 地 层 多 压 力系 统 并 存,储 层 既 存 在 正 常 压 力 系 统 也 存 在 异 常 高压,异 常 高 压 地 层 压 力 系 数 可 达 ,为 满 足 井 控要 求 大 压 差 作 业 会 促 进 低 孔 渗 储 层 孔 喉 毛 细 管 自吸,导 致 液 锁 范 围 增 大;第 三 超 深 大 位 移 井 往 往 井 深大,作 业 周 期 长,长 时 间 的 液 相 浸 泡,扩 大 近 井 地 带液 锁 范 围,导 致 地 层 排 采
18、初 期 启 动 压 力 和 附 加 表 皮高,储 层 保 护 难 度 大。超 深 大 位 移 井 井 壁 稳 定 及 储 层 保 护关 键 技 术 泥 岩 井 壁 失 稳 风 险 主 要 在 于 钻 井 液 长 期 浸 泡 条件 下 液 相 和 压 力 向 地 层 深 部 的 侵 入 和 传 递,低 孔 低渗 储 层 主 要 损 害 风 险 在 于 液 相 的 侵 入 带 来 的 有 效 渗透 率 的 下 降。针 对 该 区 域 地 层 多 压 力 系 统 特 征,有效 控 制 和 降 低 井 下 钻 井 液 当 量 密 度 ,降 低 压 差驱 动 力 和 加 强 钻 井 液 的 封 堵 性
19、能,减 少 液 相 侵 入 和减 缓 压 力 传 递 ,是 降 低 井 壁 失 稳 风 险 和 减 少 储层 污 染 的 根 本 途 径。井 壁 稳 定 技 术目 标 区 块 深 部 泥 岩 由 于 岩 性 致 密,虽 然 也 存 在有 微 米 级 孔 缝,但 是 多 以 纳 米 级 微 孔 缝 为 主,而 油 基钻 井 液 老 浆 通 过 激 光 粒 度 分 析 显 示 其 粒 度 分 布 在 几 十 微 米 范 围,因 此 无 法 实 现 对 深 部 地 层 泥 岩 的纳 米 级 微 孔 缝 的 有 效 封 堵。为 此,室 内 首 先 借 助 激光 粒 度 仪 优 选 了 粒 径 匹 配
20、的 纳 微 米 封 堵 材 料,再 通过 人 工 泥 岩 岩 心 的 压 力 传 递 实 验 及 微 裂 缝 钢 质 岩 心的 纳 米 孔 隙 和 微 米 缝 隙 的 封 堵 实 验 评 价 了 封 堵 材 料的 封 堵 性 能,最 后 通 过 人 工 泥 岩 岩 心 长 期 浸 泡 的 单轴 抗 压 强 度 实 验 评 价 了 封 堵 剂 对 泥 岩 的 稳 定 效 果。实 验 用 人 工 泥 岩 岩 心 制 备 流 程 为:参 照 天 然 泥 岩组 分,将 不 同 粒 径 石 英 砂、黏 土 矿 物 和 胶 结 物 于 水 混合 均 匀;将 混 合 物 装 入 内 径 岩 心 模 具 中
21、压实,压 制 压 力 ;泄 压,取 出 岩 心 模 具,将 岩心 取 出 在 室 温 养 护天;用 精 密 切 割 机 切 出 符 合实 验 要 求 长 度 尺 寸 的 岩 心;将 岩 心 在 的 烘箱 中 烘 干,冷 却 至 室 温,即 可 获 得 实 验 用 人 工 泥 岩 岩心。人 工 泥 岩 照 片 如 图所 示。人 工 泥 岩 经 压 汞 测试 和 力 学 性 能 测 试,其 平 均 孔 喉 半 径 ,单轴 抗 压 强 度 约 ,孔 喉 半 径 和 强 度 接 近 天 然 泥岩 参 数,可 以 用 于 纳 米 孔 隙 的 封 堵 实 验。室 内 通 过 测 试 常 用 的 树 脂 类
22、、沥 青 类 及 纳 米 乳液 类 油 基 封 堵 材 料 的 粒 度 分 布,优 选 出 一 种 适 合 油基 钻 井 液 体 系 的 油 基 固 壁 剂 ,激 光 粒 度 分析 结 果 详 见 表。该 固 壁 剂 的 井 壁 稳 定 机 制 为:首先,粒 径 分 布 在 纳 米 级 范 围,与 纳 米 级 微 孔 缝 适 配 性好,激 光 粒 度 测 试 结 果 显 示,固 壁 剂 为 、为 ;其 次,产 品 形 态 是 一 种 柔 性 可变 形 的 纳 米 乳 液,更 容 易 适 应 和 进 入 各 类 纳 微 米的 不 规 则 孔 缝;第 三,固 壁 剂 含 有 适 度 交 联、物 理
23、缠 绕 和 镶 嵌 吸 附 的 基 团 和 链 条,所 以 能 够 对 岩 石孔 缝 进 行 黏 结、胶 结 从 而 实 现 对 破 碎 性 微 裂 缝 发育 地 层 的 加 固。第 卷第期邢 希 金 等:超 深 大 位 移 井 井 壁 稳 定 及 储 层 保 护 技 术 与 应 用 图 人 工 泥 岩 照 片犉 犻犵 犘 犺 狅 狋 狅 犵 狉 犪 狆 犺 狅 犳 犪 狉狋犻犳犻犮犻犪犾 犿 狌 犱 狊狋 狅 狀 犲表 封 堵 材 料 激 光 粒 度 分 析 结 果犜 犪 犫 犾犲 犔 犪 狊犲 狉 狆 犪 狉狋犻犮犾犲 狊犻狕 犲 犪 狀 犪犾狔 狊犻狊 狉 犲狊 狌 犾狋狊 狅 犳 狊
24、犪 犿 狆 犾犲狊评 价 内 容 油 基 钻 井 液 油 基 固 壁 剂 沥 青 树 脂 沥 青 类 封 堵 剂 油 基 降 滤 失 剂 )压 力 传 递 测 试。为 考 察 优 选 出 的 固 壁 剂 材 料 是 否 能 够 有 效 降 低压 力 传 递,室 内 设 计 了 压 力 传 递 测 试 实 验,并 以 不 加固 壁 剂 的 油 基 钻 井 液 作 为 对 比 样。实 验 结 果 如 表所 示,使 用 压 力 传 递 实 验 装 置,在 模 拟 泥 岩 岩 心 上 对固 壁 剂 进 行 了 压 力 平 衡 时 间 的 测 定,油基 钻 井 液 中 加 入 固 壁 剂 后,压 力 传
25、 递 稳 定 时 间 延 长 ,说 明 固 壁 剂 对 泥 岩 的 纳 米 孔 隙 的 封 堵 能 力 进一 步 提 升。表 压 力 传 递 实 验 结 果犜 犪 犫 犾犲 犈 狓 狆 犲 狉犻 犿 犲 狀 狋 犪犾 狉 犲狊 狌 犾狋狊 狅 犳 狆 狉 犲狊狊 狌 狉 犲 狋狉 犪 狀 狊犳犲 狉实 验 体 系上 游 端(钻 井液)压 力 下 游 端(标 准盐 水)压 力 压 力 平 衡时 间油 基 钻 井 液 油 基 钻 井 液 注:评 价 条 件 为 ,模 拟 泥 岩 岩 心(长 度 ,直 径 ,渗 透 率 )。)微 裂 缝 封 堵 效 果 测 试。为 考 察 优 选 出 的 固 壁 剂
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