楊玉貴，劉兆年，馮桓榰

中海油研究總院有限責(zé)任公司（北京 100027）

0 引言

東非K油田地層沉積較新，主要目的層為早上新世的P1層下部和晚中新世的M6層，區(qū)域地層巖性主要為砂泥巖互層，因油藏深埋阿爾伯特湖底，油田開發(fā)方案采用從湖岸鉆大位移井的開發(fā)方案。前期該區(qū)已鉆4口定向探井及評(píng)價(jià)井，漏失、垮塌、卡鉆等井下復(fù)雜事故頻發(fā)，均進(jìn)行了側(cè)鉆作業(yè)。如何較準(zhǔn)確描述該區(qū)鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系到未來湖岸大位移井鉆井方案的成功實(shí)施。

研究人員開展了大量關(guān)于井下復(fù)雜事故分析及鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的研究[1-4]，而孔隙壓力、坍塌壓力及破裂壓力等三壓力剖面是進(jìn)行鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)分析的重要依據(jù)，選擇較為準(zhǔn)確的壓力預(yù)測方法十分重要?，F(xiàn)有壓力預(yù)測方法主要分為基于壓實(shí)趨勢(shì)線的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)法和基于巖石力學(xué)模型及物理學(xué)模型的方法[5-7]，得出的壓力剖面均是單一曲線，但由于地層參數(shù)復(fù)雜性、資料解釋及數(shù)學(xué)模型的精度等因素，三壓力剖面的真值都有一定不確定性，單一壓力曲線很難滿足工程設(shè)計(jì)要求。管志川等[9-10]基于地層信息的不確定性，提出了含可信度區(qū)間的地層壓力剖面定量描述方法，其預(yù)測結(jié)果分布于一個(gè)可信度區(qū)間，能更好地描述地層壓力情況，開展鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)，可較好地實(shí)現(xiàn)鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)鉆前定量評(píng)價(jià)。

針對(duì)K油田大位移井鉆井，引入含可信度地層壓力評(píng)估方法，根據(jù)已鉆探井三壓力剖面預(yù)測開發(fā)井含可信度的三壓力剖面，進(jìn)而定量評(píng)估大位移開發(fā)井鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率，制定大位移井鉆井風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，以期實(shí)現(xiàn)湖岸大位移井安全、高效鉆井。

1 鉆井主要地質(zhì)與工程風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 已鉆井井下復(fù)雜事故統(tǒng)計(jì)

截至目前，K油田已完鉆4口井（圖1），前3口井采用水基鉆井液，井下復(fù)雜事故頻發(fā)，各井均進(jìn)行了側(cè)鉆（表1）。K-2、K-3、K-3A井井眼縮頸和垮塌較為普遍且嚴(yán)重，起下鉆阻卡和電測阻卡多；K-1、K-1A、K-1B井均發(fā)生了嚴(yán)重井漏；K-2、K-3、K-3A三口井鉆井過程中出現(xiàn)了卡鉆，其中K-2發(fā)生兩次嚴(yán)重卡鉆導(dǎo)致該井回填側(cè)鉆兩次；K-3井發(fā)生過一次鉆具落魚事故。在汲取前3口井經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上K-4井采用合成基鉆井液，之前井發(fā)生過復(fù)雜情況的地層（垂深2 000 m以前）起下鉆時(shí)發(fā)生輕微阻卡，鉆井相對(duì)順利，但因作業(yè)參數(shù)不合理、突然鉆遇易垮塌層及易漏層等導(dǎo)致下部地層阻卡嚴(yán)重，并因此發(fā)生側(cè)鉆3次。但整體看，該區(qū)黏土礦物中蒙脫石含量較高，K-4井采用合成基鉆井液可以很好地抑制泥頁巖水化膨脹，有利于地層穩(wěn)定，后續(xù)開發(fā)井推薦合成基鉆井液。

圖1 K油田地質(zhì)分層及已鉆井井身結(jié)構(gòu)

表1 已鉆井井下復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)

1.2 鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)方法

鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)方法[9-10]是在對(duì)地震及測井資料進(jìn)行概率計(jì)算與處理的基礎(chǔ)上，以含可信度三壓力剖面和安全鉆井液密度約束條件為基礎(chǔ)進(jìn)行（圖2）。含可信度三壓力剖面假定制約地層各種壓力預(yù)測精度的關(guān)鍵參數(shù)（Eaton指數(shù)、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角等）存在某種分布規(guī)律，這種分布與地層壓力預(yù)測可信度相關(guān)，據(jù)此建立含可信度的地層孔隙壓力、垮塌壓力、破裂壓力剖面的定量描述方法（圖3）。依據(jù)建立的地層壓力可信度剖面，根據(jù)壓力平衡約束準(zhǔn)則確定鉆井液安全密度可信度窗口。

圖2 鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)方法流程

圖3 含可信度地層壓力剖面建立

鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)將鉆井風(fēng)險(xiǎn)主要分為井涌、鉆進(jìn)井漏、井壁垮塌、壓差卡鉆4類，造成風(fēng)險(xiǎn)的主要原因是安全鉆井液密度約束條件沒有得到滿足，4種鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型如下：

式中：Rk(h)、Rc(h)、Rsk(h)、RL(h)分別表示井深h處的井涌風(fēng)險(xiǎn)、井壁垮塌風(fēng)險(xiǎn)、鉆進(jìn)井漏風(fēng)險(xiǎn)和壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)；P為不同風(fēng)險(xiǎn)的概率分布；ρd為鉆進(jìn)時(shí)的鉆井液密度，g/cm3；ρk(h)、ρc(h)、ρsk(h)、ρL(h)分別表示井深h處防井涌鉆井液密度下限值、防井壁垮塌鉆井液密度上限值、防井漏鉆井液密度上限值、防壓差卡鉆鉆井液密度上限值,g/cm3；F為不同風(fēng)險(xiǎn)類型的累積概率分布函數(shù)。

根據(jù)上述方法，考慮到后期開發(fā)井均采用合成基鉆井液鉆井，以K-4A井為例進(jìn)行分析，含可信度地層壓力剖面和安全鉆井液密度窗口、鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率剖面預(yù)測結(jié)果如圖4、圖5所示。以圖4含可信度地層壓力剖面中的孔隙壓力為例，表示地層孔隙壓力在5%和95%之間的概率為90%，即由這兩條線組成的地層孔隙壓力帶的可信度為90%，也即地層孔隙壓力有90%的可能落在這兩條線組成的地層孔隙壓力剖面中，破裂壓力與垮塌壓力以此類推。

圖4 K-4A井含可信度地層壓力剖面和安全鉆井液密度窗口

K-4井下部井段發(fā)生3次卡鉆，第一次是壓差卡鉆，故K-4A井降低鉆井液密度至1.19 g/cm3后鉆進(jìn)，但在3 494、3 671、3 736、3 828 m等處起下鉆過程中多次遇阻，并伴隨憋泵憋扭矩現(xiàn)象發(fā)生，不斷進(jìn)行倒劃眼或劃眼，返出大量巖屑，主要為米粒狀灰色泥巖及部分綠灰色泥巖，最大尺寸巖屑為2 cm×2 cm，塊狀或片狀，棱角分明，據(jù)此認(rèn)為是井眼縮徑后劃眼切屑所致。第二次卡鉆是因泥巖縮徑，與圖5中K-4A井3 500～3 900 m井段井塌風(fēng)險(xiǎn)概率大于50%相吻合，說明實(shí)際鉆井液密度偏低。K-4B井從3 900 m開始見到紅棕色泥巖（K-4A中未見），后逐漸增多，從4 160 m至井底基本上都是紅棕色泥巖，鉆進(jìn)時(shí)鉆井液密度1.265 g/cm3，最大井底當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）1.52 g/cm3，起鉆之前把鉆井液密度提高至1.29 g/cm3，仍發(fā)生嚴(yán)重垮塌卡鉆，這表明地層垮塌應(yīng)力仍高于井內(nèi)鉆井液密度，下部大段紅棕色泥巖比上部砂泥巖更易垮塌。

圖5 K-4A井鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率剖面預(yù)測圖

2 開發(fā)井鉆前風(fēng)險(xiǎn)定量化預(yù)測及設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于探井壓力預(yù)測結(jié)果，利用地層壓力移植方法預(yù)測大位移開發(fā)井K-D井壓力剖面（圖6），根據(jù)設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)、鉆井液密度和井底ECD計(jì)算等，對(duì)K-D井進(jìn)行鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率預(yù)測。

圖6 K-D井含可信度地層壓力剖面

根據(jù)K-D井預(yù)測結(jié)果，生產(chǎn)套管下至4 700 m、鉆井液密度為1.26 g/cm3時(shí)，在4 700~4 900 m及5 500～5 700 m井段存在井塌的概率大于80%，井漏概率很小。結(jié)合探井鉆后風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，該區(qū)漏失和垮塌地層在同一井段，而井塌危害大、治理難，一旦發(fā)生就可能造成嚴(yán)重的井下卡鉆事故，必須規(guī)避；而井漏主要是砂巖滲透性漏失，優(yōu)化作業(yè)參數(shù)即可控制，故必須降低井塌風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上述思路，針對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，圖7為將生產(chǎn)套管進(jìn)一步下深至4 900 m且提高鉆井液密度至1.30 g/cm3時(shí)的鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率結(jié)果，5 500～5 700 m段井塌風(fēng)險(xiǎn)概率小于5%，井漏風(fēng)險(xiǎn)概率上升至20%，在可接受范圍內(nèi)。

圖7 K-D井含可信度安全鉆井液密度窗口及鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率預(yù)測圖

3 K油田主要鉆井風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施

如前所述，采用合成基鉆井液，上部地層穩(wěn)定，鉆井工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較小，而下部儲(chǔ)層附近地層復(fù)雜，易垮塌層與易漏失層同在215.9 mm井段，后續(xù)鉆井需要合理設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)，盡量將生產(chǎn)套管下深，封固儲(chǔ)層頂易垮塌層，并在進(jìn)入儲(chǔ)層后保證防井塌前提下，盡量降低鉆井液密度，控制合理的施工參數(shù)和鉆井液性能以降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)下部地層部分井可能存在的紅棕色泥巖垮塌壓力較高的問題，可通過適當(dāng)提高合成基鉆井液密度實(shí)現(xiàn)井眼穩(wěn)定；對(duì)于密度提高后可能發(fā)生的卡鉆及井漏等問題，要注意優(yōu)化鉆井液性能參數(shù)，并通過控制鉆桿轉(zhuǎn)速、泵排量、起下鉆速度、加強(qiáng)循環(huán)和現(xiàn)場監(jiān)測等作業(yè)措施，在控制井底ECD小于漏失壓力的前提下確保井眼清潔，并根據(jù)現(xiàn)場情況提前預(yù)備一定量的隨鉆堵漏材料，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、迅速隨鉆處理井下漏失，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。K油田大位移井215.9 mm井段鉆井液密度推薦1.30～1.39 g/cm3，需注意控制鉆井液的塑性黏度與屈服值范圍，及時(shí)維護(hù)鉆井液性能；隨泵排量增大ECD增加較快，要控制泵排量不超過2.5 m3/min；大位移井鉆井推薦采用組合鉆具作業(yè)，從井眼清潔角度考慮適當(dāng)提高鉆桿轉(zhuǎn)速。

根據(jù)上述分析及認(rèn)識(shí)，結(jié)合已鉆井作業(yè)分析，提出開發(fā)井主要鉆井風(fēng)險(xiǎn)及控制措施見表2。

表2 K油田開發(fā)井鉆井風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)及主要應(yīng)對(duì)措施

4 結(jié)論

1）針對(duì)東非K油田首次引入含可信度地層三壓力剖面預(yù)測方法及鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)方法，并根據(jù)該區(qū)探井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了適應(yīng)性驗(yàn)證，用該方法評(píng)估的K油田鉆井井下風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果與實(shí)際情況符合度較高。

2）根據(jù)預(yù)測結(jié)果及探井分析，K油田采用合成基鉆井液后，開發(fā)井主要鉆井風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生在下部儲(chǔ)層附近地層，包括鉆井漏失、井眼縮頸與垮塌、卡鉆等，通過方案優(yōu)化設(shè)計(jì)可以顯著降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率。

3）對(duì)潛在的鉆井風(fēng)險(xiǎn)，可通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理控制鉆井液性能、優(yōu)化作業(yè)參數(shù)及后期作業(yè)過程中加強(qiáng)隨鉆監(jiān)測等措施加以解決。