高压膏盐层定向井钻井关键技术研究

2023-12-23吴臣

石化技术 2023年11期

吴臣

中海油能源发展股份有限公司工程技术公司中海油监督中心天津 300450

高压膏盐层是指盐岩地质中存在的一种特殊层位，其特征是含有具有较高黏度的盐层间隙填充物或溶液，高压膏盐层的形成通常是由于盐层中的盐溶液或盐岩矿物在地质历史中发生了一系列的沉积、溶解和再结晶过程，这些过程导致了盐层中的空隙被填充或浸润了具有较高黏度的盐层间隙填充物，形成了高压膏盐层。高压膏盐层对钻井和采油等工程活动具有一定的挑战性，由于高压膏盐层具有较高的黏度和封闭性，可能导致钻井过程中的困难，如钻头堵塞、井眼塌陷等，因此，在钻井和采油过程中需要针对高压膏盐层的特点采取相应的工程措施和技术手段，以确保操作的顺利进行[1]。本次研究主要是根据高压膏盐层定向井钻井的难点，对高压膏盐层定向井钻井关键技术进行研究，以此推动高压膏盐层定向井钻井领域的进一步发展。

1 高压膏盐层定向井钻井难度分析

1.1 井眼控制

高压膏盐层的压力对井壁稳定性提出了更高的要求，高压力环境下，井壁容易发生塌陷、溶解或断裂，特别是在膏盐层中，由于盐岩的可塑性和可溶性，井壁的稳定性更为复杂和敏感，需要采取适当的井眼支撑技术，如钻井液和套管设计、固井操作等，以保持井壁的稳定。高压膏盐层中存在气体和井喷风险，膏盐层中的高压气体或溶解的气体可能会在钻井过程中突然释放，导致井喷事故发生，这对井眼控制和工作人员安全提出了严峻的挑战，需要采取严格的安全措施，包括实施有效的气体探测、井喷防控和应急预案。在高压膏盐层中，井眼垮塌和高压膏盐层的塑性变形是常见的问题，高压力会增加盐层的变形和流动风险，可能导致井眼的不稳定性和不规则的井眼形状，需要采取适当的井眼支撑和固井技术，以防止井眼的垮塌和高压膏盐层的过度变形[2]。膏盐层地质通常非常复杂，存在多个层位和结构变化，在高压膏盐层中进行定向钻井时，需要面对不均匀的地层厚度、不连续的盐层、溶洞、断层等地质复杂性，这对井眼轨迹设计、钻井方向的选择和导航等提出了更高的要求，需要进行详细的地质勘探和评估。

1.2 钻井液设计

高压膏盐层意味着钻井液需要具备足够的密度和压力控制能力，钻井液必须能够抵抗高压力并保持井眼的稳定性，以防止井眼垮塌或井壁失稳，选择适当的钻井液配方和密度是确保钻井作业成功的关键。膏盐层具有一定的溶解性和可塑性，选择与盐层相兼容的钻井液成为挑战，钻井液的成分和pH值需要经过精心设计，以避免与盐层发生不良反应，如溶解、渗透或塌陷，同时钻井液还应具备足够的抑制盐层溶解的能力，膏盐层的高压力和特殊的地质性质可能会对切削效果和排渣能力造成影响，钻井液需要具备良好的切削性能，以确保钻头在高压盐层中的钻进效率，同时钻井液的排渣能力也需要优化，以防止井眼堵塞和钻头卡钻。高压膏盐层通常伴随着高温环境，钻井液需要具备良好的温度稳定性，高温会对钻井液的性能和稳定性产生影响，可能导致液相分离、降低黏度、降解添加剂等问题，因此选择和调整钻井液的配方和添加剂，以适应高温条件，是钻井液设计的一个重要考虑因素[3]。

1.3 钻具选择

高压膏盐层中的钻具需要具备足够的强度和耐腐蚀性，以应对高压力和腐蚀性环境，高压力会对钻具施加较大的力量和压力，因此需要选择具备高强度和耐磨损能力的钻具，膏盐层中可能存在腐蚀性物质，钻具需要具备良好的耐腐蚀性，以延长使用寿命[4]。膏盐层通常具有较高的硬度和黏性，对钻具的切削效果提出了更高要求，选择适当的钻头和钻具设计，以确保在高压膏盐层中获得良好的切削效果，提高钻进速度和效率，高压膏盐层中的井壁稳定性对钻具稳定性提出了挑战，高压环境下，井壁容易发生塌陷和变形，对钻具的支撑和稳定性要求更高，选择具备足够刚性和稳定性的钻具设计，并采取适当的井眼支撑技术，如套管、固井等，以确保钻具的稳定。膏盐层的高硬度和黏性可能会对钻具的耐磨性造成影响，在高压膏盐层中进行钻井作业时，钻具需要具备良好的耐磨性，以减少磨损和钻具寿命的降低，膏盐层中可能存在溶解物和切削渣等难以清除的物质，因此，钻具设计应考虑到清洁和冲洗的便利性，以确保钻具在钻井过程中的顺畅运行。

1.4 井下测量

在高压膏盐层中进行定向井钻井作业时，准确地测量井斜角度和井眼方位非常关键，但是高压环境可能导致传感器受到压力和温度的影响，影响测量的准确性，因此，选择具有高温和高压性能的测量工具是必要的，并需要进行校准和校验，以确保测量的准确性和可靠性。在膏盐层进行定向井钻井时，了解钻具的偏心位置对于井眼轨迹的控制和调整至关重要，高压环境下，钻具的偏心位置测量可能受到压力和挤压的影响，因此，需要选择适用于高压环境的偏心位置测量工具，并进行相应的补偿和校准。高压膏盐层中的井深测量也面临一些挑战，由于膏盐层的地质特性，井深测量工具可能受到盐层溶解和变形的影响，导致测量的不准确，因此，需要选择适用于膏盐层环境的井深测量工具，并考虑地质变化对测量结果的影响，在高压膏盐层中进行定向井钻井时，及时和准确地传输和记录测量数据是至关重要的，高压环境可能对数据传输和记录设备造成挑战，例如传感器故障、数据干扰等，因此，需要选择可靠的数据传输和记录系统，并采取必要的保护措施，以确保数据的完整性和可靠性[5]。

2 高压膏盐层定向井钻井轨迹优化设计

2.1 合理选择井眼轨迹

了解膏盐层的地质特征、压力分布和稳定性，同时考虑工程要求，如产能目标、采收率、井下设备布置等，综合这些因素，设计井眼轨迹以最大化油气储层的接触面积和产能，在高压膏盐层中，选择适当的井斜角度和方位对于井眼轨迹的控制和稳定至关重要，合理的井斜角度可以在保持井眼稳定的同时最大化储层接触，方位的选择应考虑膏盐层的地质构造和油气储层的分布，选择合适的弯曲半径有助于控制井眼轨迹的曲率，较大的弯曲半径可以减小钻具在膏盐层中受到的剪切力和压力，减少井壁稳定的问题。膏盐层的特点之一是容易发生变形和溶解，在轨迹设计中，要考虑盐层的变形特性，并避免井眼穿越容易溶解的盐层区域，通过合理选择井眼位置和方位，尽量避开盐层的脆弱区域。

2.2 开展套管设计

首先，进行充分的压力评估，了解膏盐层的高压情况，根据评估结果，选择具有足够抗压能力的套管材料和尺寸，以确保套管能够承受膏盐层的高压力，使用高强度的套管材料，并确保套管的壁厚能够满足高压环境的要求。在设计套管位置和固定方式时，特别关注套管的支撑和固定，考虑使用附加的支撑工具，如夹具、支架和夹环等，以增强套管的支撑能力，这些支撑工具可以提供额外的支撑力和稳定性，确保套管能够抵御高压膏盐层的挤压和变形。根据膏盐层的压力和井壁稳定性要求，进行套管尺寸的优化设计，确保套管的内径足够大，以满足产能目标，并提供足够的空间用于油气生产和井下设备的布置，同时，考虑到井眼稳定性，确保套管的外径不超过井眼的承载能力。选择适当的套管连接和固定方式，以确保套管的连接强度和稳定性，采用高强度的套管连接方式，如螺纹连接和焊接连接，以确保套管能够抵御高压环境下的力学要求，同时，选择适当的套管固定方式，如水泥固井和附加固定装置，以增强套管的稳定性。

2.3 选择合理的钻井工具

选择适应高压膏盐层的钻头。考虑使用具有高强度和耐磨性的钻头材料，以应对高压下的钻井要求，对于膏盐层这种具有特殊地质特征的层段，可能需要选择特殊的钻头类型，如钻探盐层的特殊钻头。选择适应高压环境的钻具连接方式，螺纹连接是常见的连接方式，但在高压条件下可能存在连接强度不足的风险，考虑使用更牢固的连接方式，如焊接连接或压力密封连接，以确保连接的可靠性和密封性。在选择钻具时，确保其具有足够的强度和耐压能力，能够承受膏盐层的高压力，选择高强度的钢材制造的钻具，并根据实际情况进行钻具尺寸和壁厚设计，以满足高压环境下的力学要求。在定向井钻井作业中，使用适当的导向系统和测量工具是关键，选择精确的测斜仪、方位工具和导向系统，以实时监测井眼位置和方向，确保井眼轨迹的精确控制。

3 高压膏盐层定向井钻井液优化研究

3.1 密度控制

根据预测的高压膏盐层压力范围，通过调整钻井液配方来控制密度，增加或减少重质物料的添加量，可以改变钻井液的密度，利用高密度物料调整钻井液的密度，以满足膏盐层的高压力要求，在调整钻井液密度的过程中，选择合适的添加剂来提供所需的密度。常用的添加剂包括重晶石、钾盐、钡盐等，它们具有较高的密度，并且能够在钻井液中稳定悬浮，选择合适的添加剂，使其与其他组分相容，并能够在高压环境下保持稳定性。密度控制剂是一种常用的钻井液添加剂，可以在一定程度上调整钻井液的密度，通过调整密度控制剂的添加量，可以精确控制钻井液的密度，在膏盐层钻井中，使用密度控制剂可以实现精准的密度控制，以适应高压力环境的需求。在钻井过程中，实时监测钻井液的密度，并及时进行调整，通过密度测量设备和实时数据传输系统，监测井下钻井液的密度变化，如果密度偏离目标范围，及时调整钻井液配方或添加剂的使用量，以保持所需的密度控制。

3.2 抑制溶解和侵蚀

膏盐层中溶解和侵蚀的程度通常与钻井液的酸碱性有关，通过控制钻井液的pH值，可以减少膏盐层中的溶解和侵蚀，通常选择碱性或中性的钻井液来降低酸性对膏盐层的腐蚀作用。针对膏盐层的特殊性，可以选择特殊的钻井液体系来抑制溶解和侵蚀，例如针对含有盐层的高压环境，可以使用高密度的钻井液来减少盐层的溶解速率，并提供更好的井壁支撑。添加适当的清洁剂和保护剂可以帮助清除钻井液中的盐沉积物，并保护井壁免受溶解和侵蚀，这些化学品可以降低盐层与钻井液之间的反应，减少溶解和侵蚀的风险。