沙特碳酸盐岩气田水平井钻井挑战

时间:2017-10-11 10:45 来源:未知 作者: 李晓生
为了开发碳酸盐岩气田,沙特阿美石油公司一直在沿 SHmin 方向钻水平井和分支井,目的是使井眼穿过水平储层,通过横向水力压裂提高产气量。然而,由于上覆压力(Sv)的因素,使得横跨井眼存有较大的应力差,该气田还普遍存在滑动应力构造,在最大水平应力(以下简称 SHmax)方向钻井非常困难,致使该气田水平井钻井始终面临诸多挑战。包括裸眼录井在内的几个数据,一个通过地质力学分析开发出的地质力学模型(MEM)对数据进行整合,提供三个主要数据的量值,即:原位应力、SHmax 方向的方位角、孔隙压力以及沿已录裸眼段的岩石强度特性。一种多孔弹性水平应变模型可以用来计算原位水平应力,还可以通过观察到的井壁坍塌做进一步校正;结果得出沿井眼轨迹应力大小的连续轮廓,图 1 是一口沿 SHmin 方向钻井所观察到的井眼原位应力与孔隙压力的轮廓状况。
 
除了孔隙压力,水平应力的大小受制于地层岩石的弹性特征,岩石孔隙度和矿物质的变化可能会引起 Sv 与不同层位两个水平应力之间的应力对比发生变化;向 SHmin 方向钻的一口井,Sv 和 SHmax 会在井壁的顶部和底部产生更高的应力集中(压缩),在井眼穿过的一些地层,当这个集中的应力值大于泥浆的有效支撑力(泥浆液柱压力)时,可能会导致井壁脱落,甚至出现井眼坍塌的严重事故,图 1 展示的是测径器测得的数据(井径图)。因坍塌导致的岩屑体积,加上钻头钻出的岩屑,这些都需要尽快循环出井眼,避免缩径、上提过载、高扭矩/高摩阻、井眼堵塞和卡钻这类严重的井下事故。增大泥浆过平衡可以减少井壁坍塌(含深度和宽度),图2是根据地质力学分析给出的一个已开发区块和储层推荐的泥浆过平衡的最佳 数 据, 使 用给井眼净化带来很大负担,对水平井钻井来说更具挑战,确保良好的井眼净化 ROP 扮演着重要角色,因此,作为井眼稳定性管控的一部分,并行研究泥浆过平衡和 ROP势在必行,它们之间的优化、匹配十分重要。对于已知的原位应力和岩石强度特性,图 2 是一个给定深度泥浆过平衡对计算的坍塌严重度的影响。蓝色虚环形线(钻头尺寸)以外白色区域的程度代表坍塌的严重 度, 高 泥 浆 过 平 衡 能 使 井 壁 稳定,减小坍塌的宽度(θb)和深度(db)。
 
钻井事故特征
 
图 3 是不同方向所钻水平井的钻井经验图,展示了几口水平井钻井的经验数据,图上标出的每个点代表该储层带有方位角、辐射线在0° 或平行于 SHmax 方向与 90° 或平行于 SHmin 方向之间变化的一口井。同心圆代表井斜,0°表示是一口直井,最外圈的圆环表示为一口水平井,数据点的颜色象征着所遇事故的严重度,红色表示因严重事故和事故重复出现不能按设计进行钻井施工的井;绿色表示按设计施工未发生明显事故的井;同样,粉红色和浅粉红色表示出现过中度和轻度的多种钻井异常, 如缩径、 划眼、高扭矩和高摩阻等。
 
这 些 井 也 是 按 钻 井 设 计 施 工的,虽然它们中的少数井据说因遭遇事故在打到设计井深前进行了完井。可以看出,由于井的方位逼近SHmin 方向,钻井作业变得更具挑战。所有这些井都进行了预钻地质力学模型的模拟,为的是预测稳定的泥浆比重窗口(限值)。数据分析表明,除了泥浆比重外,还可能有其它因素对事故产生影响, 因此,需要分析各种原因,拿出一个综合的解决方案。由于井眼不稳定可能源自于地质力学和与钻井有关的共同因素,需要一个详细分析来识别这些问题的性质,确定这种可变的钻井经验的主要控制因素。
 
为了管控井眼稳定,对邻井数据进行分析,并用地质力学模型对数据进行模拟,得出图 4 的部分数据,图 4 是使用校准的一维地质力学模型对一口邻井进行井眼稳定分析的效果图,对每口设计的水平井提出施工建议,建议的泥浆比重包含在钻井设计中, 并进行钻后分析,解释钻井事故的性质。
 
最佳泥浆过平衡会使井壁更稳定,减少井壁坍塌,使水平井钻井获得成功;然而,不能一味增大泥浆过平衡,要有一定的限值,原因是这可能会导致孔隙地层和压力耗尽层发生压差卡钻事故,最佳过平衡给定的这些限值,预计仍会出现低烈度到中烈度的井壁垮塌,为了避免与之相关的钻井事故,垮塌产生的岩石碎屑必须被及时循环出井筒。因此,为使钻井作业更安全,除了运用最佳过平衡这一手段,还需考虑 ROP,ROP 越高、钻出的岩屑和脱落的井壁碎屑也越多,这数据分析表明,多数卡钻事件与倒划眼和起钻有关,事故可能归因于滞留在井底的岩屑和坍塌屑;起钻或倒划眼期间,如果钻具向上移动的速度高于岩屑被循环出井眼的速度,岩屑和坍塌屑会在井底钻具组合(BHA)后堆积,导致当前井深以上的某个深度出现缩径或卡钻;因此,除了泥浆过平衡外,还要考虑 ROP,评估是否井眼净化对所发生的事故有一定影响。
 
图 5 展示的是距 SHmax 方向某个方位角、以不同钻井参数所钻水平井的钻井经验的变化情况, (a)泥浆过平衡,(b)平均 ROP;圆点和菱形符表示两个储层的不同数据,坐标图中逗号分隔的数值代表井号,F1 和 F2 代表两个相邻区块(储层)。根据所发生事故的严重度,作为井眼方位的函数,钻出的井按对应的泥浆过平衡(图 5a)和平均 ROP(图 5b)绘制出图形,井眼方位指的是距 SHmax 方向的角度;图中的彩色数据点代表事故的严重度,先前已做出解释;图中展示的是两个临近区块所钻的井,F1和 F2 是被一个非产致密层垂直分隔的两个储层,图 5a 中的字母和数字符号表示井号(左侧数字)和区块,无论是 F1 或 F2。图 5a 表 明, 距 SHmax 方 向45°方位以内的井,两个区块都可以 用 0.16-0.19g/cm 3 相 同 的 泥 浆过平衡,以及 10.67~11.58m/hr. 的ROP 进行钻井作业;当井的方位角增至 45°以上(接近 SHmin 方向)时,图 5a 中两个区块的泥浆过平衡需按两条曲线走势增大,F1按实线走势增大,F2 按虚线走势增大,为的是保持井眼稳定。分析建议,由于两个区块的原位应力和其它地质力学因素或许不尽相同,需要采用可变的泥浆过平衡;一口距SHmax 方向方位角大于 45° 的井,井壁经历了较高的应力差,这种情况下,需要增大泥浆过平衡,以更高的过平衡来降低坍塌度和发生率,图 5b 显示,根据两个区块的单一曲线,ROP 需要逐渐降低,对于方位角在 75°~90°之间的井,保持3~3.66m/hr. 的 ROP 为适宜。

依据 ROP 值和泥浆过平衡,图5 所列井的数据被用于井眼稳定的进一步分类,分为 4 个风险等级,风险等级为 1 的井是那些依据图 5确定的 ROP 和泥浆过平衡都在安全限值内的井,这些井钻井期间未出现 大 的 问 题, 如 井 1、2、10、12和 13;风险等级为 2 的井包括那些要么因泥浆过平衡低于稳定限值,导致出现坍塌,如井 6、7,或者因ROP 高于安全限值,导致岩屑过量,如井 3、5,这样的井被定为中等风险等级,可能遇到的问题如缩径、高扭矩和高摩阻、以及偶尔出现的卡钻事件。同样,如果两个参数都未在规定的限值内,如泥浆过平衡较低且 ROP 高于安全限值,就会存在更高的卡钻风险,由于井下过量的岩屑和塌屑很难有效循环出井筒,很可能导致埋钻具事故,如果是那样,就会损失井底钻具和昂贵的工具,这些井被分类为高风险井,风险等级为 3 级,如井 4、8 和 9。
 
风险等级为 2 的井可能需要调整两个参数中的一个,以实现稳定的井眼工况;对于风险等级为 3 的井,需要同时增大泥浆过平衡和降低 ROP 至安全限值,以保持井眼稳定;极高风险的井是风险等级为 4的井,为了抑制坍塌,泥浆过平衡大于稳定限值过多时,即使 ROP 在安全限值内,如井 14 和 15,由于穿越渗透层时压差过大,遭遇卡钻事故;这类事故的解决方法是减小泥浆过平衡,使其接近稳定的泥浆过平衡限值,见图 5a。
 
如何优化钻井施工应当与实时观察和井眼稳定数据更新一起纳入经验教训,有助于成功战胜挑战,降低沿 SHmin 方向钻进的事故复杂,图 6 是沿 SHmin 方向钻井性能改善的示意图,从中可以看出,钻井成功的数量从 2012 年占比的22% 增至 2014 年的 65%,2014 年大约有 25% 的井遭遇了严重的钻井事故,事故主要是因钻井穿过低压或高孔隙度地层产生的自然压差所致,这类事故正通过优化泥浆添加剂和使用合适的桥接材料得到进一步解决。
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