复合盐层钻井技术

复合盐层钻井技术复合盐层对钻井工程的危害复合盐层钻井，特别是深井复合盐层钻井，是一个钻井技术难题。据国内外资料介绍和塔里木复合盐层钻井情况分析，复合盐层层钻井时会产生以下复杂情况：深部盐层会呈现塑性流动的性质，盐岩的塑性变形产生井径缩小。“软泥岩”蠕变速率极高。美国安秋子牧场油田曾测得这种“软泥”的初始蠕变速率约2.54cm/h。以盐为胎体或胶结物的泥页岩、粉砂岩或硬石膏团块，遇矿化度低的水会溶解。盐溶的结果导致泥页岩、粉砂岩、硬石膏团块失去支撑而坍塌。夹在盐岩层间的薄层泥页岩、粉砂岩，盐溶后上下失去承托，在机械碰撞作用下掉块、坍塌。山前构造多次构造运动所形成的构造应力加速复合盐层的蠕变和井壁失稳。无水石膏等吸水膨胀、垮塌。无水石膏吸水变成二水石膏体积会增大26%左右，其它盐类如芒硝、氯化镁、氯化钙等也具有类似性质。盐层段非均匀载荷引起套管挤毁变形。石膏或含石膏的泥岩在井内钻井液液柱压力不能平衡地层本身的横向应力时，会向井内运移垮塌。以上8个方面的复杂问题构成了复合盐层钻井的困难。在国内，比较典型的复合盐层存在于中原油田的文东地区沙三2、沙三4地层中，1976〜1986年中共发生复合盐层恶性卡钻事故17口井，其中6口井报废，5口井侧钻，6口井倒扣解除，2口井事故完井。据华北油田1993年的统计，第三系复合盐层造成荆丘地区64%油水井的套管被挤毁，美国的安秋子牧场油田由于复合盐层影响也多次发生卡钻、套管挤毁等复杂问题。塔里木第三系，石炭系和寒武系复合盐层给钻井带来了不同程度的危害性。5.2复合盐层井井身结构设计5.2.1确定井身结构准则复合盐层地质条件复杂，纵向和横向分布不均匀，存在不同的地层压力系统，因此根据常规的地层压力和地层破裂压力梯度来考虑的井身结构设计方法是不能满足工程需要的。复合盐层井身结构设计要同时考虑套管设计，因为有些地层需要下组合套管，其设计准则如下：复合盐层以上井身结构按常规设计进行；技术套管应尽可能下至复合盐层的顶部，必须封隔盐顶以上的所有低压地层，为安全钻穿膏盐层创造条件；采用适当高密度饱和盐水钻井液钻穿膏盐层或钻至可能的漏失层顶部后，下入高强度的套管；膏盐层套管设计主要考虑其抗外挤特性，对于蠕动膏盐层段套管的外挤力应按最大上覆岩层压力计算（山前构造带除外）；使用双心钻头钻蠕动膏盐层和用水力扩孔器扩孔，可以防卡和保证环空有足够强度的水泥环；使用厚壁高强度套管和双层尾管重叠技术，防止膏盐层蠕动挤毁套管。5.3复合盐层及纯盐层钻井液技术5.3.1复合盐层合理钻井液体系复合盐层钻井液体系主要包括聚合物（聚磺）饱和盐水钻井液、氯化钾聚磺饱和盐水钻井液、氯化钾/氯化钠过饱和盐水钻井液、KCl/NaCl复合饱和盐多元醇钻井液等四种水基钻井液体系以及油包水乳化钻井液。一般来讲，在钻遇复合盐层过程中，对钻井液类型及性能提出的要求是：1）有一个适宜的密度范围以抗衡盐岩及软泥岩的塑流缩径和泥页岩的坍塌;（2）抗盐、抗高温，滤失量低或对盐、泥岩不水化，护壁性和润滑性好；（3）在深井高温高压条件下有较稳定的钻井液流变性，在钻井作业中能使循环压耗降低，同时对岩屑有较好的悬浮和携带能力。5.4复合盐层钻井工艺要点及注意事项5.4.1复合盐层的实钻特征5.4.1.1石膏、膏泥岩的实钻特征膏泥岩钻时与邻层泥岩钻时基本相同，纯石膏钻时略低于邻层膏泥岩、泥岩钻时。用非抗盐抗钙聚合物钻井液钻遇石膏岩、膏泥岩、钻井液粘度、切力将大幅度上升。钻井液液柱压力不能平衡地层坍塌压力（普遍情况密度低于1.60g/cm3时）钻井液中抗盐抗钙处理剂加量不足时，井下垮塌、掉块、起下钻阻卡严重，接单根困难。新眼井段起下钻挂卡较老井眼严重，经过多次起下后，井下阻卡明显好转。钻遇膏泥岩转盘扭矩略有上升，并伴随有蹩跳钻现象。5.4.1.2盐岩层的实钻特征岩盐层多以薄夹层的形式分布，其钻时很低，一般10分钟/米〜20分钟/米。钻遇盐岩层，钻井液液柱压力不足以平衡岩层蠕变时，转盘扭矩明显上升，甚至卡钻。钻遇盐层后，井径缩小，起下钻阻卡频繁。用欠饱和盐水钻井液钻盐岩层段，井壁盐岩会发生溶解，电测井径扩大。井壁垮塌、掉块严重，起下钻遇阻卡，严重时发生井壁坍塌卡钻。在盐岩段发生卡钻，多数情况下泡油、泡解卡剂均不解卡，强提，震击亦难奏效。个别情况下泡淡水或淡水泥浆，配合大排量洗井见效。盐岩层段钻进，钻井液密度过高，不但不能稳定井壁，相反，会使井下阻卡更加严重。岩盐层段下面普遍存在一个物性较好的砂层或砾石层，并且靠近复合盐层底部，地质卡层对比稍有差错，就将造成严重井漏。5.4.1.3软泥岩的实钻特征软泥岩上覆的石膏层、膏泥岩层钻时均高于软泥岩的钻时，其每米钻时约高出一倍以上，如东秋5井膏泥岩层钻时为83〜158分/米，软泥岩钻时为64〜13分/米。在液柱压力不足以平衡水平地应力的情况下，水平地应力将驱动“软泥岩”向井眼中心蠕动；当液柱压力与水平地应力负差值较大时，“软泥岩”就会发生塑性流动。实钻证明钻井液密度较低时，在“软泥岩”段连续钻进进尺达到1米左右时，就会造成恶性卡钻事故。3.在“软泥岩段”，一旦发生卡钻事故，采用泡解卡剂、泡淡水，随钻震击均无效果，只有采用爆炸松扣、套铣倒扣或填井侧钻的方法。钻过“软泥岩”后，如果钻井液液柱压力仍不能平衡“软泥岩”的塑性变形，那么在“软泥岩”段起下钻就会有阻卡现象。“软泥岩”成岩性差，返出的岩屑成团互相粘接，易变形，用手可捏成任何形状，用水一冲很快分散。“软泥岩”层厚度愈大，塑性流动愈严重，所要求的平衡液柱压力愈高。软泥岩一旦发生蠕变，只能用划眼的方法消除。5.4.2复合盐层钻井工艺措施在合理的井身结构和合适的钻井液体系、性能确定后，采用正确的操作技术措施，是复合盐层安全钻进的重要环节。通过对已往复合盐层钻井的总结，复合盐层钻进的主要工程技术措施有：设计钻遇盐层的井，井身结构必须满足下列条件：套管鞋〜复合盐层顶的裸眼井段内，地层漏失压力必须高于钻开复合盐层所需的平衡液柱压力。如条件允许，应尽可能将套管下至盐层顶部。再次开钻前，按设计的钻井液类型和性能预处理好钻井液，应当强调的是，根据井所在的构造，盐层层位和深度，确定合适的钻井液密度至关重要。对于盐层埋藏深，上层套管因设备能力、套管强度等系列问题和综合经济考虑下深的井，盐层以上裸眼段可以使用较低的钻井液密度，以提高钻井速度。钻遇盐层后，再起钻至套管内调整处理好钻井液，将密度提高到设计要求。凡设计钻遇复合盐层的井，再次开钻后，钻出套管鞋下第一砂层，均应按《甲方钻井手册》上册第98页要求和操作程序，做地层破裂压力试验，准确求取地层破裂压力Pf，延伸压力Ppro，瞬时停泵压力Ps和裂缝重张压力Pr，以计算水平地应力梯度，确定软泥岩段的钻井液密度，确定裸眼段的承压能力。在复合盐层中钻进，应有钻遇软泥岩的思想准备。特别是在石膏、膏泥岩以下发现钻时加快，应密切注意转盘扭矩变化，泵压变化和返出岩屑变化，连续钻入快钻时地层，不允许超过0.5米。钻盐层、软泥岩不宜采用喷射钻井，钻具结构宜用光钻铤，不加扶正器，保证尽可能大的钻井液排量和较高的返速，清洗井底。应控制钻压、钻速，每米钻时不低于10分钟。因纯盐层和软泥岩均属于低钻时层，所以钻遇低钻时井段，每次钻进不得超过0.5米，就应把钻头提离井底2米以上划眼，证实无阻卡，无蹩泵后，才可以恢复钻进。打完方钻杆后应平稳划眼修整井壁。发现有任何缩径的井段都要进行短程起钻到复合盐层顶部，以验证钻头能否通过。钻穿盐层和软泥岩层，应短起至套管内，静止一段时间，再通井观察其蠕变情况，检查钻井液密度是否合适。钻进中出现复杂情况，不宜接单根，不宜立即停转盘、停泵，应维持转动和循环，待情况好转后，再上提划眼，判断分析复杂情况发生的原因。复合盐层段起下钻应降低起下速度，遇阻卡必须采用倒划眼或正划眼通过，不允许强提、硬压。复合盐层段钻进，应切实加强地层对比，卡准地质层位。钻穿复合盐层后应立即停钻下技术套管封隔，降低钻井液密度钻开下部地层，严防井漏。下套管前最后一次通井，应静止一个下套管作业周期以上的时间，再下钻通井，证实无阻卡后才能开始下套管作业。钻遇复合盐层之前，必须认真检查钻具，对钻铤要进行探伤，随钻震击器要工作正常。宜用光钻铤，不加扶正器。采用双心钻头钻复合盐层，以便扩掉瞬时快速蠕变的盐岩，减少阻卡。5.4.3深层纯盐层钻井技术措施塔里木油田在钻井实践中总结了以下经验，成功的钻穿了石炭系，寒武系纯盐地层，这些钻井措施包括：设计深层盐层井身结构时，盐上技术套管应尽可能深下，封隔低压地层。钻至盐层顶部，应对盐泥一上层套管鞋间的裸眼作地层承压试验，确定地层可承受的实际当量钻井液密度。根据钻井液密度图版或邻井资料设计钻井液密度。如裸眼井段漏失压力低于设计钻井液液柱压力，应对漏失层进行堵漏，提高承压能力。如果堵漏作业不能将承压能力提高到设计钻井液密度以上或漏失压力当量密度与设计密度差值较大，或低抗压强度的裸眼井段长，则应下衬管封隔（塔里木采用的是在1/2〃井眼中用81/2〃〜91似扩眼器扩眼，下75/8〃无接箍尾管】钻遇复合盐层之前，必须认真检查钻具，对钻铤要进行探伤，随钻震击器要工作正常，宜用光钻铤，不加扶正器。钻盐层应选用适当密度、适当含盐量的欠饱和盐水钻井液。盐层钻进时，应密切注意转盘扭矩、泵压和返出岩屑的变化。发现扭矩增大，应立即上提划眼.接单根前划眼一次，方钻杆提出后，停泵通一次井眼，不遇阻卡，方可接单根，否则重新划眼。盐层钻进，应保证尽可能大的钻井液排量和较高的返速，有利于清洗井底，冲刷井壁上吸附的厚虚假泥饼。在盐层段起下钻，应控制起下钻速度。提钻遇卡不能超过1O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，活动钻具以上提为主，划眼解除。在裸眼段内要连续活动钻具，以上下活动为主，活动距离应大于3米以上，因设备检查等情况，钻具必须提入套管内。盐层段钻进，应切实加强地层对比，卡准地质层位，盐层钻穿后应立即下技术套管封隔，以便降低钻井液密度钻开下部地层，防止井漏。采用双心钻头钻复合盐层，以便扩掉瞬时快速蠕变的盐岩，减少阻卡。双心钻头常用于钻蠕变率高的盐层或膨胀性页岩地层。因为钻头在旋转时双轴心作用能钻出比其通径大的井眼，从而减少卡钻机率。由于盐岩层段及膏质泥岩均由双心钻头钻进，故钻井参数选取的原则是：实现钻头的充分冷却，同时控制排量不得过大、防止井眼冲蚀。双心钻头前期使用较小钻压及适当转速，穿过盐层后，由于地层变硬，且钻头已部分磨损，可适当增大钻压，并降低转速。最大钻压根据机械钻速、转盘扭矩及钻具下部钻铤在钻井液中重量来确定。转盘工作平稳、扭矩无起伏时，可适当加大钻压。控制最大排量不超过25L/s.控制喷嘴射流速度不过高，实际选用排量为20-21L/s，射流速度为35m/s。若排量过大，钻铤周围返速高，对井壁冲蚀严重；而88m/s以上的高速射流对井壁也将起破坏作用。采用扩眼技术为避免挤毁套管，保证盐层段套管周围有较好且厚的水泥环，对盐层井段要进行扩眼设计，如：扩眼钻具组合为4215.9mmJ22导向钻头+A1型水力扩张式扩眼钻头+©158.75mm钻铤5柱+4158.75mm随钻上击器+4158.75mm钻铤3柱+4127mm加重钻杆4柱+4127mm钻杆。导向钻头，未装水眼。扩眼钻头原装412.7mm喷嘴1个。后考虑喷嘴小、排量达不到要求，故去掉喷嘴（钻头中心管内径16mm）。扩眼器的使用：第一次入井至开始扩眼深度时，曼开泵至牙轮臂初张开的排量，采用低转速（4