中俄联合作业公司在萨哈林e号区块的勘探实践

中俄联合作业公司在萨哈林e号区块的勘探实践

萨哈林e维宁区块位于俄罗斯远东萨哈林岛东北部的大陆架鄂霍次克海域。勘探面积约5300km2，水深0.05m。该海域于10月下旬开始完全硬化，次年6月下旬完全硬化。适合现场运营的年龄组只有四个月。该项目是中、俄油气勘探领域的第一个合作项目,该项目的实施,对探明萨哈林E号内区块圈闭、控制储量具有重大作用。在该区块先后成功实施了C井、B井和A井共3口井的钻探。B井和A井的油气发现,为萨哈林E号区块的勘探开发提供依据。1目的层和次要层萨哈林E号区块构造位置属于东萨哈林-鄂霍茨克盆地,主要目的层为中中新统达吉组,次要目的层为上中新统下努托瓦组。表层为浅层气发育区,有浅层气威胁,需钻先导井眼预防或排浅层气。该区块地质构造较复杂,断层较多,主要目的层为气层。1.1地质特征的地质勘探系统特征1.1.1中达吉组地层下努托瓦组及奥科贝凯组为砂泥岩、砂砾岩互层,泥岩胶结强度大,砾岩砾径较大,可钻性中等,跳钻频繁,只能用牙轮钻头钻进,砾岩对钻头轴承损坏严重。其中,属于海泛期的奥科贝凯组有发育火山凝灰岩夹层,由于火山活动影响形成火山凝灰质泥岩、凝灰质砂岩,非常坚硬,硬度在7以上,并有大套砾岩以及砾岩与泥岩的不等厚互层。该地层中砾岩厚度大、分选差、胶结不好,引起频繁跳钻现象,钻进速度较慢,而且潜在的发生井壁坍塌、卡钻和漏失等井下复杂情况的风险也较大。中达吉组地层为中强胶结的石英砂岩,含灰泥岩夹层可钻性级别为6~8级,岩性致密,硬度大,研磨性强,可钻性极差;下达吉组为中强胶结的长石—石英砂岩,粒径为细至中细,含当地特有的泥岩夹层,密度为2.55~2.65g/cm3,压实程度高,可钻性差。维宁区块整体地层岩性研磨性强,可钻性差,机械钻速偏低。1.1.2钻井速度和井斜角维宁区块属于背斜构造,地下断层多,中下部地层如上达吉、中达吉地层倾角高达23°,上部砂、泥地层交互出现,是强烈的造斜地层,给井身质量控制带来了很大难度,严重制约了钻井速度的提高,并因此易诱发键槽卡钻等事故及复杂情况。除了吊打防斜、定向纠斜外,目前没有有效的井斜控制手段,机械钻速缓慢。如:B井最大井斜角出现在3216.17m,为5.47°,其垂深3214.87m,但从2877m以下井斜角增大较快,而且往下有增大的趋势。滑动纠斜后,最大井底水平位移为60.14m,符合设计要求。1.1.3地层漏失情况中新统(N1ok)奥科贝凯组为泥岩夹砂岩,含砂量往下部增多,砂质岩中普含火山凝灰岩,局部含灰质和煤层,钻井过程可见煤屑,该地层可钻性差。根据已钻井资料显示,奥科贝凯组易漏失,已钻维宁2井(俄罗斯人所钻)在400~510m发生漏失,漏失速度为21m3/h,钻井液密度为1.17g/cm3,整个达吉组1320~1580m和1930~2370m含煤层,易漏,除玄武—砂—黏土基质的地层外均有漏失,漏速为15m3/h,第四系、上努托瓦组及下努托瓦组也含煤层,易发生钻井液漏失。临井在产层附近有H2S,含量较低,为0.2%~0.4%,A井钻探过程中未发现。1.2施工困难时期的运营1.2.1制约机械钻速提高并诱发潜在工程危险维宁区块上部地层钻井过程中钻头泥包严重,制约机械钻速提高并诱发潜在的工程危险。如先导井眼Ø311.1mm井段和Ø444.5mm井段钻头泥包严重(见图1)。1.2.2口井跳钻情况达吉组为滨浅海沉积相,地层岩性以砂岩、泥岩为主,含少量灰岩、云岩,地层较为压实,细砂岩、粉砂岩发育,岩性互层交错,表现为研磨性极强,中等强度的钻进跳钻。联合作业公司施工的3口井均跳钻频繁,其中,A井在2148m以下,钻遇砂泥岩互层,泥岩致密,压实程度高,密度在2.6g/cm3以上;砂岩孔隙度也较低,压实程度高,砂岩占40%~60%左右,机械钻速低(8~12m/h),这段钻具的横向震动和纵向震动很强,中达吉组的中下部机械钻速低。MWD所测的横向振动值为5~7,如果其数值长期大于5,则可能会折断钻具。跳钻、大幅度的黏滑扭转振动以及剧烈的横向振动及涡动不仅会影响钻井速度,还容易使钻柱疲劳破坏,诱发钻井事故,增加了钻井成本和风险1.2.3突出井径扩大上达吉和中达吉组段含当地特有的泥岩夹层,地层中的泥岩以非膨胀性黏土矿物为主,部分井段蒙脱石含量较高,表现为易水化膨胀,胶结差,压实情况差,易垮塌致井径扩大。如B井四开Ø311.1mm井段(1447~2500m),循环时一切畅通,起钻遇阻,振动筛返出大量的碎块,掉块直径10~40mm,电测结果显示1480~1562m井径330.2~368.3mm,1587~1803m井径381~419.1mm,2063~2293m井径381~419.1mm,大部分井段为381~406.4mm,井径扩大较大。1.2.4作业制度、程序规范、设备老化美国TRANSOCEAN公司是一个国际著名钻井承包商,各项作业制度、程序规范比较严格,但是由于大部分钻井设备在20世纪60、70年代建造,设备老化现象严重。如:B井钻具刺漏9次,振动筛经常坏,泥浆池不能完全密封等等。1.2.5施工费用较高钻井日费奇高,B井单位进尺成本为34945.12美元/m,测、录、试、固的服务费用也较高,根据在俄施工许可证要求,2009年度需在有限的时间窗口实现钻2口井,两开两完的目标十分艰巨。2挖掘技术对策技术2.1a井的井身结构利用三维地震、测井资料预测地层压力,建立该地区地层压力剖面后,针对维宁区块复杂的地质条件,在综合考虑安全、快速、俄罗斯矿产法规、岛内物资装备等因素条件下,前2口施工井采用通用的较常规结构预留一层套管的优化结构:Ø914.4mm×Ø660.4mm×Ø444.5mm×Ø311.1mm×Ø215.9mm,在正常情况下,下入Ø177.8mm尾管,遇异常时可以增加一级套管,增强处理复杂情况的能力。以上结构是俄罗斯国家矿产法规定的套管结构,改动需层层审批。经对三维地震、测井资料预测地层压力的研究及实钻分析后,多方努力,A井最终修改为Ø914.4mm×Ø444.5mm×Ø311.1mm×Ø215.9mm,改进的井身结构优势在于:(1)相对于该地区常规井身结构节省一层套管,降低钻井总成本和工作量。(2)应付复杂能力强,可以增加备用套管层次,减少承压堵漏的难度和井眼失稳的机率,并提高井控能力。(3)提高钻井速度。因为井眼尺寸适中,最大、最小井眼井段尽量减少。(4)取消Ø660.4mm井段岩屑收集和运输,减少了制约钻井机械钻速的因素,节约了宝贵的钻井作业时间窗口。2.2复合钻井技术常用的优快钻井技术主要有2种方式,即PDC钻头+螺杆钻具(无线随钻或有线随钻监测)钻井方式及国外广泛应用的垂直钻井系统。PDC钻头+螺杆钻具的钻井方式主要利用螺杆钻具的高转速和PDC钻头的破岩特点,在低钻压、高转速、大排量的情况下,达到提高机械钻速、有效控制井斜的目的。研究表明:复合钻井可以防斜,其实质仍然是钟摆钻具防斜,不同之处在于钻头转速提高了数倍,利用螺杆钻具低钻压、高转速特点,提高钻具的防斜、纠斜能力。钟摆钻具是利用斜井内钻柱切点以下钻铤重量的横向分力把钻头压向井眼下方,以逐渐达到减小井斜的目的。这个横向分力的作用就象钟摆一样,故称为钟摆力。螺杆防斜钻具也是利用钟摆力来达到防斜、降斜的目的。应用“PDC钻头+随钻打捞杯+塔式钻铤(MWD)+钻杆”组合适合于低钻压、高转速条件下的快速钻进,与钟摆钻具结构配合使用进行防斜钻井,如需要则可用MWD纠斜,以提高钻井速度和井身质量。A井使用复合钻井技术控斜效果较好,下钻探测海水底部井斜0.4°(井深72m处),Ø311.1mm井眼导眼钻进后井底700m井斜为4.5°,Ø444.5mm扩眼时使用塔式钻具采用吊打的方式,降斜为0.18°,完钻井底井斜为5.67°,水平位移39m,符合设计要求。螺杆防斜钻具组合的优点:可进行滑动钻进和复合钻进。滑动钻进时,如需要可纠斜、扭方位作业。螺杆钻具转速一般为150~200r/min,远高于钻机转盘的转速,因此,在中软地层能获得较高的机械钻速和较好的防斜纠斜效果。复合钻进技术在维宁区块提高机械钻速上取得了明显成效。在B井2848.7~2889m试验性使用复合钻进,机械钻速为15.07m/h,同等情况机械钻速达2.69~10.10m/h。为此,A井在三开Ø311.1mm井眼开始使用复合钻井方式,效果较好,如979~1627m井段试用PDC钻头+螺杆复合钻进,钻压为30~60kN,井底钻头转数为140~185r/min,排量为55~60L/s,环空返速为1.2~1.4m/s,机械钻速达33.23m/h,与常规钻井相比,钻进速度提高79%,并有效地控制井斜。全井仅在Ø311.1mm井段滑动纠斜8m(1968~1976m),完钻井底位移为37m,符合设计要求。全井的平均机械钻速为16.48m/h,为所施工3口井中最高,全井平均机械钻速提高了50%以上,井斜也得到了有效控制。同时还取得了开钻以来1趟钻井进尺最多(648m)和日进尺最高(437m)的技术指标。实钻效果充分证明该项技术在萨哈林地区具有较好的应用前景。根据已钻井资料和现场实际,计算出最优钻压,确保钻进成本最低的最优转速和最优钻压组合。如在四开Ø215.9mm井段采用塔式钻具组合配合PDC钻头钻进,钻压30~50kN、排量28~32L/s、120~180r/min高转速钻井时,实钻效果较好,具体情况见表1。2.3钻头机械钻测试利用已钻井的电性资料(测、录井)研究了不同层段的岩石组分,预测了牙轮钻头、PDC钻头可钻性,分析了岩石硬度、塑性及抗剪强度等力学特性,进而建立了维宁区块的钻井岩石力学特性连续剖面。经过对该地区钻井岩石力学特性连续剖面、岩石可钻性剖面研究,为钻头选型提供了理论和实践依据。研究表明,奥科贝凯组以上采用大牙齿钻头比较适合;较均质的泥岩、灰岩和粉砂岩,选择PDC钻头有利于提高速度,使用效果较好。通过对地层的分析及PDC钻头切削结构设计和水力结构设计原理的研究,结合PDC钻头在含砾夹层中的工况,并根据维宁区块实际情况,A井优选了适用于该地区的钻头,即上、中达吉组使用百施特的Ø311.1mmM1655SS钻头;中、下达吉组使用Smith的Ø311.1mmMSI716WPX钻头;下努托瓦组和奥科贝凯组选用Baker的Ø444.5mmRC135钻头,其机械钻速见表2。奥科贝凯组下部及上达吉组和中达吉组使用SMITH生产的Ø444.5mmM616VPBX钻头;中达吉组使用百施特的Ø215.9mmM1655SS钻头,该钻头中等抛物线、弧形六刀翼冠形、螺旋保径和中高密度布齿设计适合该地层上部钻进,使用不同专利技术的复合片提高了钻头钻进硬地层的能力,在钻具组合中加入减震器和震击器以减少钻具震动,并在卡钻时可以连续上击和下击,确保钻进安全。A井钻头施工具体情况见表2。B井Ø215.9mm井段2675~3252.5m使用HJT517G、M616BVPX、PDC-PSC136、M616BVPX、M616BVPX、M1955SS、M1955SS、M1955SS共8只钻头,平均机械钻速仅为4.57m/h,使用优快钻井技术后,A井Ø215.9mm井段共使用4只钻头(其中1只为取心钻头),平均机械钻速17.54m/h,机械钻速提高2.83倍。2.4正常钻进技术导眼使用海水+高黏钻井液(海水钻进,钻完用稠浆替满井眼),二开使用膨润土聚合物钻井液,三开至井底使用KCl聚合物钻井液,使用了M-ISWACO的新型AX-1震动筛,有效地减少了有害固相,并提高了CCB系统对钻井岩屑的收集,提高了工作效率。在Ø444.5mm井段使用KCl/聚合物钻井液,该体系不仅具有较好的页岩抑制性,而且流变参数合理、润滑性好、抗钙污染能力强,能够满足该地区钻井的要求。正常钻进时以“细水长流”的方式加入预水化的聚合物胶液,通过固控设备的使用,使钻井液性能满足低黏、低切、低密度、低固相和适当失水的要求,同时补充预水化膨润土浆和防塌剂,以增强钻井液的造壁性。建立钻井液安全密度是确保井壁稳定的基本条件,故而在易塌井段,取钻井液设计的最大值,防止井壁垮塌而造成井径扩大,并加入防塌类化学药品。钻进至目的层前,加入适量降失水剂,把失水降至设计要求的范围内,在用好固控设备和保证携砂、井壁稳定和压稳地层的情况下,保持钻井液性能达到钻井要求,改变钻井参数、精心操作,尽可能地提高钻井速度和减少PDC钻头泥包现象。在易漏地层,钻井液密度尽可能控制在设计下限,控制钻井液黏度、切力,保持钻井液有较好的流变性,降低环空压耗,加入堵漏材料,控制钻井液性能,并控制下钻速度,减少激动压力。在钻井中要求大排量钻进,一是保证在较高的机械钻速下环空有一个较低的钻屑浓度,二是加大对井壁的冲蚀效果,使泥岩水化膨胀缩径速度与钻井液的冲蚀达到一个动态平衡。每钻200~300m根据情况进行短起下,及时修复井壁,钻一段保一段。2.5泥包钻头的水力设计尽管PDC钻头不像牙轮钻头那样容易发生牙轮、牙齿脱落等事故,但发生钻头泥包的机率却比牙轮钻头大得多。研究表明,具有抛物线轮廓和刮刀式水力设计的聚晶金刚石(PDC)钻头在页岩地层中不易产生泥包,而采用脊式布齿或开放式表面水力设计的PDC钻头或平/圆轮廓PDC钻头则相反。PDC钻头的水力设计对钻头泥包的产生具有较大的影响,故而在A井中优选了PDC钻头。实践表明,所选钻头能满足现场需要。泥包钻头处理:加中心喷嘴,加长喷嘴,增加转速使岩屑甩向井壁,钻井液加入抑制剂,增大环空返速。为了减少泥包,尤其是假滤饼缩径,增大排量,提高钻井液的返速,使其达到紊流冲蚀井壁的作用。钻井过程中要求双泵打钻,通过调节喷嘴大小使排量满足高返速要求:即在二开井段上部采用大于1.1m/s的高返速钻进,三开和四开井段采用大于1.3m/s的高返速,钻进进入2300m后根据泵压情况,可适当降低返速,但不得小于1.0m/s的环空返速。使用安全防卡技术,主要是强化钻具管理制度,所有入井工具均进行探伤,使用减震器减轻钻柱震动,定期定钻深起下钻,并充分循环保证井内干净,钻井过程中优化钻井参数,并及时调整。配备足够数量的打捞工具等,全井使用18°斜坡钻杆,防键槽卡钻,并准确记录每次遇阻的吨位、井深等,认真分析并采取相应措施。3维宁区块全面钻井、开采取得的成效通过对以上优快钻井技术和管理方法的运用,A井井身合格率100%,18m长筒取心收获率100%,固井合格率100%,节约钻进周期4.5d,整个钻井生产工作安全无事故,A井的钻探获得成功。同时,维宁区块自推广应用“优快钻井技术”以来,取得了较好的效果。(1)A井完钻井深2530m,钻井周期21.81d,全井平均机械钻速16.48m/h。(2)取得了该区块施工以来一趟钻井进尺最多(648m)和日进尺最高(437m)的技术指标,创目前维宁区块的单只钻头进尺最高纪录。(3)平均机械钻速较B井提高83%以上,较C井提高21%以上;平均钻井周期较上2口井缩短30%以上;上达吉和中达吉组平均井径扩大率小于30%;单井尾管节约1055m以上;单井钻井成本节约预算4500万美元以上。4实施科学的钻井技术,提高地震解决地质问题的能力(1)钻井工程是投资大、风险大、技术密集的系统工程,因此系统筹划、周密考虑、超前运行是非常重要的。细化钻井计划进度,提高钻井效率、缩短周期,如在陆地上接好浮箍、浮鞋,候凝期间在安全窗口内,分次组织接钻具,组织好交叉作业等。(2)联合作业公司组织DRILLING-ONPAPER(纸上演练)和JSA(作业风险分析),制定紧急预案,是确保工程顺利实施的前提。管理人员知识面宽、高度负责、职责明确、精细管理、提前筹划、周密安排对工程顺利安全实