墨西哥灣深水巖膏地層鉆井實踐

張星星　黃小龍　嚴　德　冷雪霜　田瑞瑞（中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳　518067）

墨西哥灣深水巖膏地層鉆井實踐

張星星黃小龍嚴德冷雪霜田瑞瑞
（中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳518067）

在墨西哥灣大陸架外深水區域的水下存在大量的油氣資源，在鉆探過程中遇到了完全不同于以往的技術障礙，產層被分布廣泛的巨厚鹽層所覆蓋，對通常采用的鉆井和完井技術是一個巨大的挑戰。對如何利用先進的鉆井工具、工藝和鉆井液管理方法解決巨厚鹽層帶來的鉆井難點進行了論述，探討了如何在滿足深水開發的特殊經濟和技術需求的同時實現上述目標。墨西哥灣地區已經完成了鹽下遠景區的勘探工作，目前已進入開發和生產階段。

墨西哥灣；深水；鉆井；巨厚鹽層

墨西哥灣盆地是世界第3大油氣資源盆地，20世紀20年代開始涉足海洋勘探活動，90年代隨著深水及超深水遠景區豐富油氣資源的發現［1］，使墨西哥灣掀起了新一輪勘探熱潮，大多數深水區域油氣資源形成都離不開墨西哥灣特殊的淺層次生鹽蓬構造，機遇與風險并存，淺層鹽蓬相關構造也給勘探鉆井工程作業帶來極大的挑戰。

1　墨西哥灣鹽體構造給鉆井帶來的挑戰

墨西哥灣有幾個深水遠景區位于多個鹽層之下，其中部分鹽層厚度達6 100 m，鹽層從美國大陸架一直延伸到得克薩斯和路易斯安那海岸的深水大陸斜坡。在南端勘探活動相對較少的墨西哥Yucatan半島水域，也有一個類似的鹽下遠景區。為實現新的勘探目標，許多海上作業者不得不鉆穿巨厚鹽層來發現砂巖產層，并取得了巨大鹽下發現，如大陸架區的Mahogany油田，深水區的Gemini、Atlantis、Thunder Horse、Mad Dog和Pony油田，超深水區的Tahiti、St. Malo、Jack和Kaskida油田等［2］。

鹽層鉆進過程中遇到的挑戰與鹽體的獨特性質有關。鹽層即使在被埋藏之后，仍然還能保持相對較低的密度。隨著時間的推移，同一深度及更深處的其他地層的密度會隨著上覆地層的增加而增大，鹽層密度常常低于周圍地層或鹽下地層的密度。如果上覆沉積物無法阻擋鹽的運移（墨西哥灣經常出現這樣的情況），鹽體就會上升。鹽體的這種運移會在鹽底和鹽體側方形成一個難以模擬的壓裂碎石帶（圖1）。由于孔隙壓力、破裂梯度以及天然裂縫的存在及規模都難以預測，因此要想在鉆出鹽底的同時實現井控難度很大。

圖1　鹽體及鹽體周圍潛在的鉆井隱患

在持久的恒定應力下，鹽體的形態會隨著時間、負荷條件及其物理特性的變化而產生顯著變化。這種現象被稱為蠕動，能夠使鹽體侵入井筒，占據被鉆頭鉆出的那部分體積。尤其是在高溫條件下，鹽體的這種侵入速度可能快到足以引起卡鉆的程度，從而可能最終導致作業公司不得不放棄該井或對其實施側鉆。

另外，含鹽層段鉆井可能會加劇井底鉆井環境中固有的沖擊與振動現象。這種現象可能是由工具選擇不當和BHA設計不合理、鉆井液設計不合理、鹽層蠕動以及諸如鉆壓（WOB）或旋轉速度之類的鉆井參數選擇不佳等因素造成的。雖然鹽層的硬度要大于其他大多數地層的硬度，更難以被鉆入，但同時其獨特的巖石性質也給司鉆人員提供了某些特定的優點。例如，鹽體通常具有較高的裂縫梯度，有利于在套管鞋深度點之間鉆更長的井眼段；鹽體較低的滲透性質除了能夠提供穩定的油氣圈閉機制之外，還可以有效消除高滲透率地層鉆井過程中常見的井控問題。

2　墨西哥灣鹽膏層鉆井技術的進展

2.1實時鉆井監測和數據傳輸技術

盡管對鹽下成像技術做了諸多改進，但該技術仍然不完善，在鉆入及鉆出鹽層時仍存在一定程度的風險。為此，作業公司要依靠實時鉆井監測和快速的數據傳輸，將專業技能與數據相結合，來快速解決鉆井過程中可能出現的各種隱患［3］。

2.2旋轉導向鉆井系統

降低油田總開發成本的一個關鍵策略是要盡可能地限制每個海上油氣田的鉆井平臺數量，為此，就可能需要鉆大位移開發井。為了避免因大角度和狗腿的出現而引起嚴重的后果和延誤下套管作業和完井作業，通常需要一個較淺的造斜點。但是要想獲得較淺的造斜點，就需要在直徑相對較大的上部井段實施定向鉆井，該作業通常利用導向泥漿馬達來完成。但就這些上部井段而言，泥漿馬達所提供的機械鉆速（ROP）通常不夠快，且所鉆井眼軌跡不夠直。為了解決這一難題，鉆井工程人員采用了一個由1個?660.4 mm的旋轉導向系統（RSS）所鉆的淺造斜點。結果表明，與利用泥漿馬達所鉆的同一層段的鄰井相比，該系統可以節省63%的鉆井時間。這一成功歸功于RSS儀器的多次優化。

2.3鉆頭選型

PDC鉆頭比銑齒鉆頭更適合鹽層鉆井。PDC鉆頭的剪切作用使其能夠更有效地鉆透鹽層，且所需的WOB也更小。PDC鉆頭特別經久耐用，它的這一特性得益于鹽體的均質性，從而在下套管前通過1次下入作業就可以鉆很長的鹽層段。另外，還可以根據需要設計出具有不同切削性能的PDC鉆頭。鉆頭類型和相應的鉆井參數通常是造成井底沖擊、振動和卡滑的主要因素，并且會在ROP最大時嚴重影響BHA的方位趨勢。不合適的鉆頭可能會過早磨損，導致井眼質量不合格，引起工具故障并降低ROP。

2.4大尺寸井眼

在鹽層中鉆井時，評價井眼是否為高質量井眼的標準還包括是否能減少完井過程中的加載點，而加載點的減少也可能是鹽體的不均勻橫向載荷特征引起的。為了能夠經濟有效地達到這一目標，作業公司在鉆井過程中利用鉆井和擴孔同步技術來擴大井眼，而不是分別實施這兩項作業［4］。該技術被稱為隨鉆擴孔（EWD）技術，在實施過程中最常用的工具包括同心擴孔器、雙中心鉆頭和偏心擴孔器。增加井眼尺寸使其大于鉆頭直徑可以帶來許多好處。

2.5鉆井液

鉆入、鉆透及鉆出鹽層過程中對鉆井液的選擇有特定的要求。由于鹽層的沖蝕或淋濾作用及鹽體內蠕動現象、接縫或其他夾層以及與壓裂碎石帶相關的未知因素的存在，在設計鉆井液時必須要考慮如何平衡ROP、井眼質量、井筒穩定性和經濟性等這些有時會發生沖突、需要做出一定取舍的因素。利用欠飽和鹽水或海水鉆鹽層可以顯著地提高ROP，但同時鹽的淋濾作用也會明顯地擴大井眼。另一方面，利用海水可以節省大量成本，同時因為無需留出在對上部鹽層實施無隔水管鉆井時存儲加重鹽水所需的空間，這一方法還能夠節省寶貴的井場空間。

2.6鉆透鹽層技術［5］

墨西哥灣作業項目的鉆井目標是處于刺穿鹽丘、鹽層和殘余接合鹽體下。這些深水鹽體可能以多個鹽層的形式出現，相互之間通過垂直和傾斜的鹽脈連通。這些鹽層系統非常復雜，其內部變化形式多樣。尤其是縫合帶（鹽層合并區域）更是如此，這些區域包含來自圍巖地層的沉積物夾層。結果，鹽層內裂縫性白云巖或頁巖夾層內的圈閉壓力就可能導致流體流入，產生井涌現象。盡管這些井涌的流量可能相對較小，但如果作業公司在孔隙壓力和破裂梯度之間的窗口較窄的環境中采取標準井控措施進行應對，那么就可能引起若干問題。

2.7鉆出鹽層技術

鉆出鹽底作業與鉆入作業面臨同樣的風險，引起風險的原因也一樣，即鹽體的移動會對圍巖地層的應力系統造成干擾。鹽層正下方可能存在會對壓裂、壓力和傾覆地層造成不確定影響的壓裂碎石帶。多數墨西哥灣深水作業公司都已經開發出了本公司專用的鹽層鉆出程序。鉆井工程人員一般都會盡量在鹽底處一個較為平緩或低傾角區域鉆出鹽層，如果該方案不可行，那么工程人員會盡量將鹽底和井筒之間的鉆出傾角降低到30°以下。一旦確定了目標鉆出點及井軌跡，司鉆人員會在目標鹽底以上大約122 m處將ROP降至12 m/h左右。同時，鉆井人員還將對鉆井作業實施監測，并使扭矩、WOB、井底溫度、ECD、振動及近鉆頭自然伽馬響應等鉆井參數處于穩定狀態

2.8鹽蠕動固井解決方案

一旦完成鹽層鉆井后，必須立即下入套管并進行固井。與鉆井作業一樣，在固井作業中鹽蠕動問題也是一個需要重點考慮的事項，因為鹽蠕動可引起套管載荷不均勻，從而最終導致套管擠毀。因此，除了提供層間封隔和水泥環所需的基本結構支撐以外，還必須對用于整個鹽層的水泥進行合理的設計，必須確保蠕動所導致的載荷是均勻的。為此，水泥必須具有足夠的擾性強度和抗拉強度，以承受油井整個壽命周期內將要經受的套管壓力和載荷。

3　鉆井作業實例

GC504-#1井是Nexen公司在墨西哥灣的第1口深水鹽下探井，由ENSCO 8502平臺作業（第6代半潛式平臺、DP2動力定位）。本井水深1 123 m，設計井深9 180 m（斜深）/9 084 m（垂深）。根據地震及井場調查解釋，該井鉆遇淺層氣、淺層流風險較低。由于鹽的上拱作用，使其頂部斷層較發育，鹽頂預計深度1 568 m，平面坡度10°。根據地震解釋，在3 048~3 657 m左右可能鉆遇夾層，包裹體存在于5 486 m左右，離鹽體凹槽最近距離有533 m。鹽底預測深度6 914 m，出鹽平面坡度4~6°，鹽底狀況良好，沒有破碎帶、焦油帶地層、斷層等地質風險；鹽底地層壓力回歸的概率為20%：在鹽下305 m左右開始回歸，最大回歸值為0.48 g/cm3；鹽下地層傾角35°左右。

本井在鹽層中進行鉆井作業時，發現并解決了以下問題。

存在鹽內不整合薄弱漏層。使用?419.1 mm BHA（1.57 g/cm3）鉆進至?558.8 mm管鞋以下60.9 m左右處時出現漏失，漏速為28.6 m3/h，進行環空灌基油處理，共計漏失214.6 m3，井筒平衡時當量鉆井液密度為1.46 g/cm3。放棄下入?355.6 mm套管，起鉆更換?469.9 mm/?533.4 mm隨鉆擴眼BHA，使用1.38~1.41 g/cm3油基鉆井液鉆進至井深3 352.8 m，下固?457.2 mm應急尾管。

鹽內泥巖夾層承壓能力低。使用?419.1 mm BHA鉆水泥塞，劃眼至井底，做地層完整性試驗，當量鉆井液密度為1.461 g/cm3，未能滿足要求，因此進行管鞋處擠水泥作業，使其承壓強度達到1.77 g/ cm3，但是裸眼段內的泥巖夾層的承壓能力只有1.62g/cm3，依然不能滿足要求。放棄下入?355.6 mm套管，起鉆更換?419.1 mm/?495.3 mm隨鉆擴眼BHA，使用1.53~1.56 g/cm3油基鉆井液鉆進至井深4 267.3 m，下?406.4 mm應急尾管。

鹽內不整合高壓及泥巖夾層承壓能力低，出現下噴上漏。使用1.79 g/cm3鉆井液進行鉆進作業，由于泥巖夾層太多，期間鉆進至井深5 279.5 m，關井中途做FIT，當量鉆井液密度為1.85 g/cm3，PWD最大當量靜止密度為1.88 g/cm3。鉆進至井深5 763.8 m，扭矩升高，井口返出增多，將鉆具提離井底，關上萬能防噴器，觀察井涌量6.36 m3，根據溢流量計算環空井涌地層流體密度約1.0 g/cm3鹽水層，高壓層的壓力折合為此處上覆巖層壓力的97%，判斷為鹽內斷層不整合面。增加鉆井液密度至1.88 g/cm3，重漿進環空后出現漏失，漏失量為9.54 m3，將鉆井液密度降回1.86 g/cm3加堵漏材料進行堵漏作業，并降低隔水管鉆井液密度至1.83 g/cm3，控制漏失，觀察井筒穩定后，進行開井溢流，逐步加重隔水管鉆井液密度至1.86 g/cm3，井筒內鉆井液替換為1.88 g/cm3鉆井液，溢流趨勢減小；下?355.6 mm套管進行封隔，保持漏失狀態，起換近鉆頭擴眼器BHA，下鉆過程井筒緩慢回吐，逐漸調節隔水管鉆井液比重至1.93 g/cm3，頂替過程出現漏失，再將隔水管鉆井液密度調回1.64 g/cm3使井底當量靜止密度保持在1.88 g/ cm3左右，控制速度下鉆，減小漏失；下鉆至井底，擴眼，使用重晶石塞沉降法嘗試封堵下部高壓鹽水層，雖未能探到重晶石塞，但井況稍有好轉，下?355.6 mm套管至深度5 744.0 m。

出鹽做準備，對鹽下情況把握不準。固井候凝34.5 h后，對?355.6 mm套管試壓，不能穩壓，懷疑套管或管鞋某處漏壓；進行套管漏壓檢測，下入BHL（?355.6 mm）型封隔器，下至深度5 526.1 m坐封，判斷管鞋處漏壓；組合鉆水泥塞BHA，Shoe track無明顯鉆遇水泥顯示，替空，繼續鉆出浮鞋后無鉆遇水泥顯示，決定進行擠水泥作業，固井質量測井顯示效果不佳；組下?317.5 mm/?374.65 mm BHA，鉆過橋塞后，無水泥顯示，繼續下劃眼過程，出現溢流，壓井循環返出被污染的水泥漿及鉆井液；嘗試2次使用重晶石塞法隔離原高壓鹽水層，未能成功；配置FUSE-IT超級封堵泥漿，進行擠注作業；4次擠水泥作業處理好管鞋，做地層完整性試驗，當量鉆井液密度為1.95 g/cm3，滿足要求。

4　墨西哥鹽層鉆井面臨的挑戰

在墨西哥灣，多數深水開發項目位于水深1 219 ~3 048 m區域，儲層被2 100~6 100 m厚的鹽層所覆蓋，總深度為7 600~10 700 m［6］。這些巨厚鹽層下可能蘊藏著大量的油氣。

高效開采上述產層仍然是一項艱巨的任務。鹽下開發的首要障礙在于業界準確獲得鹽底及鹽下地層圖像的能力還十分有限。但是隨著這方面需求的不斷增加，地震勘探界已經開發出了相應的先進儀器和解釋程序。利用各種先進儀器和解釋程序有望鉆穿鹽層進入鹽下產層。

5　結論

墨西哥灣深水巨厚鹽層下取得了良好的油氣勘探發現，鹽層鉆井帶來了包括蠕變、地層壓力預測困難、裂縫發育和鹽下破碎帶等鉆井挑戰。隨著地震勘探技術、井下實時數據傳輸技術、鉆井工具和工藝等進展的取得，挑戰深水巨厚鹽層鉆井的難點正逐一被攻克，隨著深水油氣勘探開發需求的日益緊迫和技術更新的推進，順利鉆穿鹽層開發鹽下產層的幾率在增大。

［1］FARMER P, MILLER D, PIEPRZAK A, et al. Exploring the subsalt［J］. Oilfield Review, 1996, 8（1）: 50-64.

［2］SALVADOR A. Late triassic-jurassic paleogeography and origin of gulf of Mexico Basin［J］. AAPG Bulletin, 1987（4）: 419-451.

［3］PINDELL J, KENNAN L. Kinematic evolution of the Gulf of Mexico and Caribbean［C］. Van Hoorn B21st Annual Gulf Coast Section SEPM Foundation Bob F. Perkins Research Conference, 2001: 193-220.

［4］MINK R M, BEARDEN B L, MANCINI E A. Regional geologic framework of the norphlet formation of the onshore and offshore Mississippi, Alabama and Florida Area［C］. Ocean’88 MTS-OES-IEEE, 1988: 762-767.

［5］PEEL F J, Emplacement, inflation, and folding of an extensive allochthonous salt sheet in the Late Mesozoic（Ultra-Deepwater Gulf of Mexico）［J］. AAPG, Bulletin 2001, 6.

［6］GALLOWAY W E, GANEY CURRY P E, LI X. Cenozoic depositional history of the Gulf of Mexico Basin［J］. AAPG Bulletin, 2000, 11: 1743-1774.

（修改稿收到日期 2014-12-29）

〔編輯付麗霞〕

Drilling practices of deepwater salt rock stratum in Gulf of Mexico

ZHANG Xingxing, HUANG Xiaolong,YAN De, LENG Xueshuang, TIAN Ruirui
（Engineering Technology Shenzhen Branch, CNOOC Energy Technology & Services Limited, Shenzhen 518067, China）

There are abundant oil and gas resources underwater in the deepwater areas outside the continental shelf in the Gulf of Mexico. During the drilling and exploration, the technical obstacles encountered were completely different from those previously met. These production layers are covered by the widely distributed and tremendously thick salt beds, posing a great challenge to the common drilling and completion technologies. How to make use of advanced drilling tools, processes and drilling fluid management methods to settle the drilling difficulties due to the tremendously thick salt beds has been expounded, and how to meet the special economic and technical requirements of deepwater development while realizing the abovementioned goals has been discussed. The perspective exploration below the under-salt has been finished in the Gulf of Mexico. Currently, it has entered the development and production stages.

the Gulf of Mexico; deepwater; drilling; tremendously thick salt bed

TE24

B

1000 – 7393（2015） 01 – 0099 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.025

國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：5143009）和“深水鉆井表層套管噴射鉆井機理研究”（編號：51274223）。

張星星，1984年生。2007年畢業于中國石油大學（北京）石油工程專業，現就職于中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，鉆井總監。電話：0755-26023856。E-mail：zhxx4@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：張星星，黃小龍，嚴德，等.墨西哥灣深水巖膏地層鉆井實踐［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：99-102.