乌兹别克斯坦高压盐水水平井钻井技术

('乌兹别克斯坦高压盐水水平井钻井技术王万庆藕向东李润苗韩春雨摘要354井是钻井总公司第一口涉外水平井技术服务井，也是乌兹别克斯坦库克杜马拉克油田第一口钻穿高压盐水层的水平井。该井克服了一系列复杂情况如：高压盐水侵污、盐膏层蠕动、目的层“有进无出”大型漏失，顶部气层活跃，出现“上喷下漏”、固井时易发生气窜等。成功应用和完善了复合盐膏层钻井技术、无固相“水包油”钻井液技术、水平段清水抢钻工艺技术、水平井防气窜完井固井技术、非常规情况下反注平衡法固井等成熟技术。同时开展了高压盐水层钻井与定向技术、高密度钻井液技术、高密度固井技术、在高压盐水存在下的定向、轨迹控制等技术、高密度钻井液条件下的MWD测量等技术的研究和应用。成功的完成了354水平井施工，为乌兹别克斯坦国库克杜马拉克油田高压盐水区域水平井钻井在技术支撑上奠定了坚实的基础，也填补了长庆钻井高压盐水水平井钻井的技术空白关键词水平井复合盐层高压盐水高密度钻井液轨迹控制MWD测量一、概况：乌兹别克斯坦水平井技术服务项目是钻井工程总公司在乌兹别克斯坦库克杜马拉克油田成功完成三口水平井后承接的水平井技术服务项目，合作的甲方是乌兹别克斯坦国家石油天然气公司所属的乌兹别克地质石油天然气开采股份公司和中国石油技术开发公司，合同工作量为两口水平井技术服务，现已完成354水平井的技术服务。354井是钻井总公司第一口涉外水平井技术服务井，也是乌兹别克斯坦国家使用自身设备在库克杜马拉克油田施工的第一口水平井。该井位于库克杜马拉克油田中部高压盐水区域边缘，在354井南偏西40°大约距离600米处乌方施工的143井，由于在盐膏层施工中出现高压盐水，无法继续施工而报废。354井地质结构自下而上为中生代侏罗系、白垩系、下第三系、上第三系和第四系沉积层，具有地层时代新、成岩后期压实作用弱、岩性普遍较软、岩层厚度相对稳定等特点。油气藏埋深在3035-3060m，是以厚度近518m的硬石膏和岩盐层为盖层，封盖良好。储层为海绵状、多孔、含裂缝的碳酸盐岩，属低压、高渗、底水油气藏，油气水同层且界限分明，井底温度117℃，地层原始压力为57.39MPa，经过多年开采地层压力递减速度较快，354井目的层地层压力为18.0MPa。地质复杂情况主要体现是中部地层有近600m的复合盐膏层。在复合盐膏层钻进时，泥浆温度高达780C，盐层蠕动，硬石膏吸水缩径，随时可能造成遇阻、遇卡等复杂情况。在岩盐层中高压盐水存在的几率较高，由于高压盐水压力较高容易造成井喷，同时高温高压盐水侵入井筒，易造成泥浆严重污染，泥浆中的盐迅速结晶，埋住正在钻进中的钻具，造成全井报废。另外，在盐层中造斜、增斜较困难。目的层为碳酸盐礁状体，渗透性极好，极易发生“有进无出”的大型漏失，顶部气层比较活跃，漏失后出现“上喷下漏”的复杂情况，固井时易发生气窜。354水平井技术服务从2318米开始，φ508毫米表层套管下深400米和φ365毫米技术套管2316米的施工全部由乌方负责。我方只提供354井三开后（合同规定2300米）的1）导向钻井技术服务，确保井眼轨迹达到设计的中靶要求。2）钻井液技术服务，提出各井段的钻井液类型和性能参数。3）固井施工和技术服务。4）测井技术服务和作业，提交合格的测井资料。5）负责制订三开以后的技术措施和钻井参数。二：钻井技术难点及关键技术研究和应用：1、复合盐层钻井技术第三次开钻至完钻，所施工507米的井段主要由泥岩、盐膏层、盐水层、盐岩层、石膏层组成的复合盐层。其特点：①地层异常高温，出口温度达78ºC；②盐水层塑性流动和蠕动，易造成阻卡等井下复杂；③石膏层、泥岩夹层易水化膨胀、坍塌；④盐层易产生溶解和重结晶，形成“大肚子”井眼，携砂困难，易造成电测下套管遇阻等井下复杂。针对地层特点，采用成熟的复合盐层钻井技术，按技术服务合同要求使用欠饱和聚磺盐水钻井液体系，调整好钻井液性能，钻井液密度为1.25g/cm3-1.35g/cm3，粘度45-60S,失水4-6ml，PH值9-10，加入30%的NaCL，在钻井中严格执行工程技术措施，保证了盐层的安全钻进。（1）、钻遇盐膏层之前，对所有入井钻具要进行认真检查。（2）、开钻钻穿泥岩层进入盐层时进行地破实验，以确定盐层的承压能力（（3）、钻进时应密切注意转盘扭矩、泵压和返出岩屑变化，发现扭矩增大，应立即上提划眼，且上提距离不小于3米。（4）、钻进中应控制钻压、钻速，在岩盐层钻进时适当控制钻进速度，尤其在钻井液中盐含量未形成饱和之前，控制钻进速度在9min/m以上。在钻井液中含盐量形成饱和后，钻进速度控制在5min/m以上。钻时过快，应增加上提划眼次数。（5）、钻进中应保证尽可能大的泥浆排量和较高的返速，有利于清洗井底。冲刷井壁上吸附的虚假泥饼。（6）、加强划眼，释放地层应力。采用“打一退二”的方式，特别对钻开的新盐膏层，应钻一个钻头进尺立即上提划眼。（7）、岩盐层每钻进100米，短起下钻一次，起钻必须保证起至盐层顶部以上，以减少上部盐层长时间蠕动后起钻遇卡严重的风险。（8）、裸眼井段内要求连续活动钻具，以上下活动为主，活动距离大于3米，因设备检修等原因不能活动钻具，必须将钻具起入套管内。（9）、起下钻要控制速度。起钻遇卡不能超过10吨，活动钻具以下放为主，在能下放的前提下，倒划眼提出；下钻遇阻，不能超过5吨，否则采取划眼解除。（10）、钻头的使用中强调扶钻人员的素质，钻具的安全主要通过泵房坐岗记录来兼控。2、高压盐水钻井技术：354井钻至井深2497米时地面泥浆量突然增加22方，停泵起至井深2299米（套管下深2316米）静止后，出口立即开始出现溢流，流速0.6m3/h。关井后立管压力和环空套压变化情况如图所示。套管压力MPa0510150:004:308:0011:0013:1515:009:00时间套压压力MPa立压MPa05101510:3011:4512:4513:4514:4520:199:45时间立管压力立压MPa通过对354井周围已完成井和报废井的调查，结合354井实际钻井液污染情况分析，认为354井高压盐水层位于2464--2492米的岩盐层中，当量钻井液密度为2.15g/cm3-2.18g/cm3，属于高压低产盐水层。通过乌方对高压盐水污染后钻井液进行化验分析，污染后的钻井液滤液中钙离子含量为5510mg/l；镁离子含量为3340mg/l。对钻井液的污染较为严重，尤其对钻井液的流动性、碱性控制、滤失量控制影响较大。高压盐水在井下温度高达110℃，井口温度实测为88℃。由于现场配浆设备和循环罐条件的限制，先后进行了九次压井施工作业，于4月3日恢复钻井。钻井液密度由1.33g/cm3提高到2.18g/cm3。由于加重剂重晶石由乌方提供，没有给我方提供重晶石的物理性质。我方只能应用井场的有限设备对重晶石的密度进行初步的确定，通过比较法确定重晶石密度为3.3g/cm3,含土量为1.41%（质量百分比）。钻井液加重剂质量差，加上高密度钻井液又是在高压盐水严重污染的钻井液体系中经过大量处理和多次加重配制而成。所以高密度钻井液中总固相含量高达48%，从而导致钻井液性能很不稳定，给高压盐水层钻井带来不可预测的风险。在钻井中严格按复合盐层钻井技术执行外，补充了以下技术措施。1）、在岩盐层钻进时适当控制钻进速度，控制速度在15min/m以上。2）、每15分钟记录PVT检测仪泥浆总量，不加入钻井液处理剂的情况下体积增加量不超过1方，否则应分析原因、采取措施。每30分钟准确测量记录泥浆密度一次。泥浆密度变化值超过0.02必须汇报技术人员。控制裸眼段起下钻速度在0.5米/秒以内，防止违章操作卡死钻具，上提和下放钻具遇阻不准超过10吨，遇阻时尽量使用开泵划眼、倒划眼来解除。3）、为防止粘卡，钻具在井内静止时间不允许超过3min，尽量缩短接立柱时间，如果需要检修设备等原因可将钻具起至套管内进行。4）、在高密度钻井液的条件下，尤其要加大对钻头和钻具使用的判断。3、高密度钻井液技术在开始技术服务时，根据技术服务合同要求，结合项目部已取得的成功经验和钻井液优化配方，配制了欠饱和聚磺盐水钻井液体系（加入27%细食盐）。钻井液密度1.27g/cm3；粘度：35s；滤失量：8ml；PH：9。2318米至2490米井段钻进时井下正常，无任何复杂显示。在井深2490米泥浆性能为1.31g/cm3、56″5ml、PH：9、0.2mm。钻至井深2493米，钻速加快，泥浆池面出现气泡。钻至井深2497米，地面泥浆量增加22方。泥浆性能为1.25g/cm3、65″6ml、PH：9、0.3mm。泥浆大量起泡，从锥形罐溢出。立即起钻。起至井深2299米（套管内），开井观察出口有溢流，流速0.6m3/h。在无任何地质预告的情况下，钻开了高压盐水层。按照合同规定，出现地质复杂（高压盐水）由甲方（乌兹别克地质石油天然气开采股份公司）负责处理，处理复杂的材料均由甲方负责。由于甲方无有效处理高压盐水技术，通过协商由甲方提供地质资料以及354井周围所钻遇高压盐水井资料，双方技术专家共同研究和制订技术方案，根据技术方案由中方拿出钻井液配方，使用乌方加重材料；其它处理剂由中方提供；在中方技术专家的指导下配制高密度钻井液和压井工作。由于受乌方配浆设备的限制，高密度钻井液分九次在原浆基础上配制和压井。于4月3日基本上控制了井下高压盐水层的侵入，恢复了正常钻井工作。高密度钻井液配制和压井工作历时24天，在此期间得到了局以及总公司有关技术专家的大力技术帮助和技术支持。密度g/cm3粘度s滤失量mlPH泥饼mmCa2+mg/lMg2+mg/l加重处理前钻井液1．33852651．255103340加重处理后钻井液2．16338280．5300610替换后钻井液2．18150480．32803104、MWD随钻测量技术MWD随钻测量仪器第一次入井井深为2750米，工作状态为定向造斜钻进，地层为硬石膏层，钻井液性能为：密度2.16g/cm3,粘度310秒。钻井过程中由于钻井液中总固相含量大于42%，钻井液抗温能力较差，高密度钻井液性能不均匀，导致泵压跳跃，严重影响了地面解码。为了提高MWD随钻测量仪正常工作和测量精度。现场采取如下方法：1）、仪器入井前检修钻井泵、填充空气包之压力为6Mpa，正常钻进两台钻井泵轮流检修，泵上水平稳是接收正常信号的前提条件。2）、检查好下部钻具尤其是循环接头和循环套的密封。3）、选择限流环和蘑菇头的配合尺寸为：35.428.5，地面试泵压力波动±1.0MPa。4）、针对杂波大的困难，综合采用循环、调节检测门限值、调节泵排量泵压、调节钻压、换泵钻进等手段解决。现场采用的水力参数为：排量20-25l/s,泵压18-20Mpa。钻至井深2805米起钻换钻头。MWD测量仪器在井底作用时间总计为189小时，从出井仪器外表冲刷印记看，只要采用合适的排量其高密度钻井液对测量仪冲蚀破坏作用不大。MWD随钻测量仪器第二次入井井深为2805米，地层为岩盐层和硬石膏层；工作状态为增斜钻进，钻井液密度2.15g/cm3、粘度150s，由于在前期处理井下事故时替换了高密度钻井液。高密度钻井液总固相含量在33%以内，高密度钻井液性能稳定，采用的水力参数为：泵排量：25l/s,立管压力为18-19Mpa，MWD脉冲信号较好，钻至井深2825米完成三开进尺起钻，出井仪器冲蚀不明显。MWD测量仪第三次入井，井深2825米，地层为碳酸岩层，工作状态为增斜钻井，钻井液体系为水包油体系，水力参数为：35l/s,15Mpa,空气包压力5Mpa,仪器接收信号良好。在钻至井深2962米处发生有进无出的漏失，漏失后采用的清水强钻，水力参数为：35-40l/s,1.5-2.5Mpa,仪器接受信号正常。存在问题是在清水强钻过程中连续出现3只传感器损坏，损坏的现象总是在初开泵时出现连串乱波。现场进行认真分析，认为由于井漏造成接立柱后钻具内真空度较高，传感器的感应部位处在负压条件下受拉力，在加上开泵后瞬间正负压力交替，导致感应片受拉不能复位造成。后经过对传感器和钻具内的真空采取了低扭矩阀隔离，在有泵压时重新打开低扭矩阀的方法有效的保护了传感器。测量仪出井后稳定器扶正块冲蚀严重，刷洗后脉冲保护筒和电池筒表面呈现红紫色，密封正常，探管外表磨损正常。总之354井地质情况特殊，定向造斜井段钻遇高压盐水层，水平井段发生井漏，气层中HS气体活跃，井下温度异常，MWD测量仪禁受了严峻的挑战。354井MWD测量仪成功使用，说明该仪器具有密封性强、耐腐蚀、脉冲能力强、仪器性能稳定、适用范围广等优点。5、定向钻井与水平井井眼轨迹控制技术根据库克杜马拉克油田地层特征和水平井施工经验，354井定向造斜点确定为井深2775米，地层为下盐层。在实际钻井过程中，由于在上盐层钻井中出现高压盐水，钻井液密度由合同规定的1.35g/cm3提高到实际的2.18g/cm3；同时在中石膏层钻井中由乌方提供的121/4″钻头存在质量问题，钻至井深2750米时3#牙轮破裂落井。处理完落物后经与乌方协商提前定向造斜。石膏层定向时钻进速度很慢，钻时都在4h/m以上。同时石膏层增斜率较低。在定向造斜中，由于高密度钻井液中固相含量高达42%，井壁泥饼厚，滑动钻进时摩阻大，摆工具面和加压比较困难。在下盐层增斜时由于盐层的蠕动，每钻进0.5米就要上提钻具划眼，钻进2米就要上提8米以上，并旋转划眼防止卡钻。所以增斜率较低，平均只有4.45°/30m。钻入碳酸岩增斜井段和水平井段控制是成熟的技术。增斜段使用1.25°单弯螺杆，滑动钻进造斜率为7.2°/30m,采用复合钻进（80KN，25RPM），增斜率为5.2°/30m,钻至井深3023米。第二增斜段换1.5°单弯螺杆，实际操作中采用滑动5米，复合5米的方法，控制增斜率在9-10°/30米，钻至3150米顺利复合钻进入窗。水平段钻进考虑安全的需要，本井选取了206mm短扶正带钢性螺旋稳定器配合单弯螺杆（扶正器208mm）稳斜,复合钻进参数为50KN、25rpm；增斜率平均为1.2°/30米,稳斜钻具钻至完钻井深3660米三、水平井钻井现场施工1、354井完成的井身结构:套管程序钻头尺寸（mm）井深套管外径（mm）套管下深表层套管26"40020"400m技术套管171/2"2318133/8"2316m挂尾管12¼"282595/8"11.992166m-2820m悬挂生产套管81/2"366065/8"+5½"9.1765/8"-20m+5½"-3167+5½"筛管-36592、354井井身数据；设计实际造斜点井深27702750米第一入窗点斜深31553150米垂深30403038.64米纵坐标100.08103.72米横坐标-195.91-205.21米井斜9087.8°方位297．06298.1°闭合方位297．06296.81°水平位移220229.93米第二入窗点斜深36553660米垂深30403042.41米纵坐标327.54340.06米横坐标-641.18-645.60米井斜9090.1°方位297．06299.5°闭合方位297．06297.78°水平位移720729.69米水平段长500510米完成的井身质量；直井段最大井斜1.2度。本井井身质量优秀固井质量：通过声幅检测，固井质量优秀3、钻头的使用情况:354井在三开时使用了两只乌方提供121/4″钻头，由于第二只钻头出现了质量事故，考虑到斜井段钻进钻头保径的需要，经和甲方协商使用我方提供的钻头。钻头的使用情况见下表：产地型号尺寸使用井段、地层参数进尺/时间分析ITALY121/4”ST2318-2721盐膏层25-50l/s/90rpm403/120出井钻头属后期K-4０TSK331.2mm2721-2751膏层180KN/90rpm/23l/s30/88掉牙轮属质量事故江汉311HJ517L2751-2805盐膏层10-15吨/螺杆/20l/s/20Mpa54/67.5新度65%江汉311HJ537L2805-2825膏层12吨/螺杆/24l/s/20Mpa20/47新度70%休斯212MX30G2825-3023石灰岩50-100KN/35l/s/15Mpa198/49新度65%休斯212MX30G3023-3152石灰岩50-200KN/35l/s/2Mpa129/21.5新度75%休斯212MX30G3152-3361石灰岩100-200KN/35l/s/2Mpa209/34.5螺纹损坏休斯212MX30G3361-3660石灰岩100-200KN/35l/s/2Mpa299/46新度60%从上表看出：1）、自三开、本井使用钻头8只，我方提供6只，平均进尺167.75米/只。钻头最高进尺403米，抛除完钻钻头，事故钻头进尺最低为30米。三开钻头平均进尺126.75米/只，在盐层进尺可达403米，使用时间120小时，石膏层进尺30-60米；四开钻头平均进尺208.75米/只，最高进尺299米。2）、本井出现钻头牙轮事故一起，该钻头为上表所列第二只钻头，出厂日期为1992年12月，捞获的牙轮断裂成较均匀的三片，牙轮上刻印不深，说明此次事故应属钻头质量事故，打捞过程分两次，第一次用乌方强磁打捞无收获，第二次使用我方牙轮打捞器一次捞获。3）、第七只钻头螺纹损坏的原因是井口转盘卸扣、操作不当造成。4、井下动力钻具（螺杆钻具）使用情况型号度数使用井段、岩性参数使用时间出井分析φ2035LZ-7Y-61.252751-2805、盐膏层10-15KN/20l/s/20Mpa82小时泥浆堵塞、回修φ2035LZ-7Y-61.252805-2825、膏层12KN/24l/s/20Mpa71小时磨损不明显5LZ159-7Y-81.252825-3023、石灰岩50-100KN/35l/s/15Mpa63小时可再用5LZ159-7Y-81.53023-3152石灰岩50-200KN/35l/s/2Mpa25.5小时可再用5LZ159-7Y-813152-3361石灰岩100-200KN/35l/s/2Mpa36小时螺纹损坏、回修5LZ159-7Y-13361-3660石100-200KN/35l/s/70可再用8灰岩2Mpa小时上表说明：本井共使用螺杆6只，平均使用时间为：203mm螺杆76.5小时；159mm螺杆正常使用超过了70小时，螺杆使用未尽期是轨迹的需要。上表所列第五只螺杆螺纹损坏的原因是乌方使用倒档卸扣所致，属人为损坏。四、取得的效益354井水平井技术服务项目的成功完成，具有以下意义：1）、354井是钻井总公司在境外进行水平井技术服务的第一口井，也是钻井总公司自主完成的第一口水平井。技术服务最后达到了合作双方双赢的理想局面，为总公司进一步开拓国际市场提供了宝贵的施工经验。2）、354井的成功完成，实际是双方技术人员合作共事的成功，现场技术工作的方法是技术人员难得的宝贵经验。354井填补和刷新了以下指标：1)在我局首次攻克高压盐水层压井、高压盐水层钻进尖端难题，进一步完善了技术体系，获得了宝贵的经验。2)首次在高压盐水层进行水平井作业并获成功。3)MWD仪器首次在高压盐水层使用并获得成功。4)在高压盐水层存在的前提下电测施工一次成功。5)首次在高压盐水层进行固井，固井一次成功，质量优质。创造了乌兹别克斯坦库克杜马拉克油田在高压盐水区域按技术要求完井的先例。6）、在0.59压力梯度的漏层钻进，进一步完善了清水强钻、环空吊罐、重泥浆帽钻进的配套方法五、认识与建议1、钻遇高压盐水层后应立即停钻，将钻具起至安全井段后，立即关井控制高压盐水侵入井中的速度和流量，尽量减少高压盐水侵入井筒的总体积。2、在地面采用优质搬土（控制加量在3%以内）进行预水化后，加入适量的增粘剂、NaCl、润滑剂、降滤失剂等处理剂配制好基浆，加入优质加重材料（优选活化重晶石）配制好高密度钻井液，一般密度在2.18g/cm3左右，控制高密度钻井液总固相含量在35%以内。否则在后期的钻井施工中钻井液性能控制困难，钻井液性能稳定性较差。3、在地面最好一次性将高密度钻井液配制好，采用置换法压井。尽量减少高密度钻井液与污染钻井液相混。避免象354井在污染钻井液的基础上进行处理和加重，导致钻井液处理工作量加大，性能稳定性差等不利因素。',)