冀中坳陷深井-超深井井控技術(shù)難點及應(yīng)對措施

崔樹清，劉九忠，徐光波，王建云，劉冰潔，馬濤

1.中國石油華北油田分公司培訓(xùn)中心（河北 任丘 062552）

2.中國石油華北油田分公司工程技術(shù)部（河北 任丘 062550）

渤海灣盆地冀中坳陷是中國潛山復(fù)式油氣聚集理論的發(fā)源地[1]，隨著勘探的不斷深入，中淺層發(fā)現(xiàn)規(guī)模儲量的難度越來越大。近年來，隨著深潛山油藏和潛山內(nèi)幕油藏的持續(xù)發(fā)現(xiàn)[2]，深井、超深井鉆探已成為常態(tài)。由于深井、超深井在鉆進過程中要穿過多套地層和多個壓力系統(tǒng)，鉆井周期長、井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，井底壓力和溫度高，給井控工作帶來一系列技術(shù)難題。

1 冀中坳陷深井-超深井概況和井控技術(shù)難點

冀中坳陷深潛山區(qū)塊北部主要有蘇橋潛山、文安潛山、楊稅務(wù)潛山等，南部有深縣潛山、束鹿?jié)撋?、肅寧潛山等，完鉆井深多在4 500～6 200 m。以楊稅務(wù)潛山帶為例，該潛山帶位于冀中坳陷廊固凹陷東北部，整體為北西向古鼻隆起，由多個局部高點組成（圖1）。潛山頂面地層為峰峰組，上覆石炭-二疊系地層，縱向上發(fā)育三套層狀儲層段，勘探面積約2 00 km2。目前楊稅務(wù)潛山已完鉆16 口井，平均儲層埋深5 025 m，完井最深達(dá)到6 455 m（圖2）。

圖1 楊稅務(wù)潛山三維立體圖

圖2 楊稅務(wù)潛山部分已完鉆井鉆遇奧陶系各層位底部深度統(tǒng)計

由于冀中坳陷構(gòu)造特征復(fù)雜、鉆遇地層巖性復(fù)雜、地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，深井-超深井鉆探面臨著多壓力系統(tǒng)、窄密度窗口、溢漏同存等諸多工程技術(shù)挑戰(zhàn)[3-4]，增加了井控風(fēng)險，主要表現(xiàn)在：

1）構(gòu)造特征復(fù)雜，壓力精準(zhǔn)預(yù)測難度大，儲層保護與井控安全之間矛盾突出。目前，地層壓力鉆前預(yù)測技術(shù)對欠壓實成因的異常高壓具有較好的預(yù)測效果,對于構(gòu)造擠壓形成的異常高壓預(yù)測能力較弱[5-7]。冀中坳陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動和多次沉積間斷，地層壓力受巖性、沉積相、斷層、裂縫等多種因素控制，特別是由于斷塊破碎、地層橫向變化快，建立深層-超深層正常壓實曲線難度大,增加了壓力預(yù)測難度。為確保井控安全，施工隊伍往往采用設(shè)計鉆井液密度的上限。冀中坳陷深部潛山儲層微裂縫較發(fā)育，具有強速敏性特征，較大的正壓差易導(dǎo)致外來固相侵入損害，甚至產(chǎn)生水鎖損害，泥漿密度的增加對深層-超深層儲層傷害遠(yuǎn)大于中淺層。

2）深井-超深井鉆遇多套儲層和多套壓力系統(tǒng)，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化與井控安全矛盾突出。冀中坳陷深井-超深井自上而下鉆遇第四系、新近-古近系、二疊-石炭系、奧陶系和寒武系等多套地層。新近-古近系為砂泥巖剖面，有多套油氣儲層，壓力系數(shù)差異較大，W5井在Ed鉆遇高壓水層，壓力系數(shù)達(dá)到1.60（預(yù)測壓力系數(shù)1.10～1.20）；石炭-二疊系多為復(fù)雜巖性段，主要巖性為砂巖、碳質(zhì)泥巖、油頁巖、玄武巖、煤層；奧陶系、寒武系為潛山地層，主要巖性為灰?guī)r、白云巖，特別是寒武系府君山組的潛山內(nèi)幕油氣藏分布于潛山腹內(nèi)，斷層和潛山內(nèi)幕隔層發(fā)育[8]，一開次鉆穿潛山內(nèi)幕井控風(fēng)險高。冀中坳陷多套儲層和多套壓力系統(tǒng)，增加了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化難度，也增加了井控風(fēng)險。

3）鉆遇地層巖性復(fù)雜，深部地層可鉆性差，地層溫度高，地層漏失、垮塌嚴(yán)重。冀中坳陷古近系埋深達(dá)到4 500～5 500 m，地層可鉆性差、耐研磨性強，可鉆性級別6～7級，平均機械鉆速小于1.0 m/h，NG1 井沙三以下地層平均機速只有0.75 m/h，平均單只鉆頭進尺僅為40 m，井眼長時間浸泡和頻繁起下鉆增加了事故復(fù)雜和井控風(fēng)險。以ND1 井為例，該井完鉆井深6 027 m，四開井身結(jié)構(gòu)，揭開潛山388 m，三開鉆進過程中，垮漏同層，鉆井液密度1.70 g/cm3發(fā)生漏失，低于1.68 g/cm3氣侵并有掉塊；四開井段4 290～5 641.50 m 施工過程中，多次鉆遇高氣測異常層，鉆遇高氣測顯示后后效顯示活躍，全烴大多為99.99%，此段測后效38 次，處理氣侵周期19.8 d；潛山段鉆遇破碎帶，處理復(fù)雜情況周期長，易發(fā)生井控風(fēng)險。此外，井底高溫（170～205 ℃）、長裸眼段大溫差小間隙固井也給井控技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。

2 冀中坳陷深井-超深井井控應(yīng)對措施

2.1 基于鉆前預(yù)測與隨鉆監(jiān)測相結(jié)合的地層壓力預(yù)測方法

精準(zhǔn)掌控地層壓力是做好井控工作的關(guān)鍵，對保護油氣儲層（特別是天然氣）具有特別重要的意義[9-10]。盡管國內(nèi)外石油工作者不斷研究探索新的方法[11-12]，但由于不同地區(qū)異常地層壓力產(chǎn)生的復(fù)雜性，到目前為止地層壓力精準(zhǔn)預(yù)測的問題還沒有得到徹底解決。目前，國內(nèi)外針對砂泥巖等沉積型地層的壓力預(yù)測取得了一系列成果，對Eaton 法、等效深度法、經(jīng)驗公式法、壓實趨勢線法、有效應(yīng)力法等傳統(tǒng)方法進行了修正和完善，這些方法都是基于壓實效應(yīng)和欠壓實成因形成的異常壓力預(yù)測，不適用構(gòu)造擠壓、液態(tài)烴熱裂解、水熱增壓等產(chǎn)生的超高壓預(yù)測，更不適用裂縫發(fā)育、成因復(fù)雜、規(guī)律不清的碳酸鹽巖油氣藏。

冀中坳陷新近系-古近系地層雖然以砂泥巖剖面為主，但由于經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動和多次沉積間斷，異常高壓成因復(fù)雜，地層壓力預(yù)測結(jié)果往往與實鉆差距較大，造成鉆井液設(shè)計密度低于地層壓力（圖3），從而產(chǎn)生油氣侵。

圖3 SY1設(shè)計鉆井液密度與實鉆鉆井液密度對比

為提高地層壓力預(yù)測精度，在分析常規(guī)預(yù)測方法局限性的基礎(chǔ)上，充分考慮異常地層壓力形成的多樣性和冀中坳陷構(gòu)造特征的復(fù)雜性，對地層壓力預(yù)測分析軟件中各項指數(shù)進行優(yōu)化。①在已鉆井區(qū)塊，地質(zhì)研究人員通過比對已鉆井與待鉆井的沉積、構(gòu)造演化特征，優(yōu)選具有可比性的已鉆井地震、測井資料和實測孔隙壓力，利用已鉆井段數(shù)據(jù)資料修正模型系數(shù)，用于預(yù)測待鉆井相同地層段的孔隙壓力。②對沒有已鉆井的地層段，在利用上述方法建立正常地層壓力趨勢線的同時，利用上一開次的裸眼電測資料，結(jié)合沉積、構(gòu)造變化情況預(yù)測下一開次地層壓力系數(shù)。區(qū)域探井ST1井鄰井在ES1段曾鉆遇高壓水層，通過區(qū)域地質(zhì)資料以及已鉆井測井資料（無鄰井實測孔隙壓力數(shù)據(jù)）綜合分析，利用DrillWorks壓力預(yù)測軟件建立了該區(qū)塊正常壓力趨勢線，通過鄰井實測孔隙壓力綜合分析，將Eaton指數(shù)優(yōu)化為0.46，從而較為準(zhǔn)確地預(yù)測了ST1井ES1高壓水層出現(xiàn)位置及地層壓力系數(shù)，在進入高壓水層之前，將鉆井液密度由1.60 g/cm3提高至1.76 g/cm3，起下鉆期間井筒壓力穩(wěn)定，確保了井控安全。在四開開鉆前，由于沒有鄰井實鉆資料，利用該井三開裸眼電測資料更新預(yù)測了四開井段地層壓力，將四開鉆井液密度確定為1.80 g/cm3。四開開始密度1.72 g/cm3，至井深5 096.55 m，全烴升至47.743 1%，逐步提高密度至1.81 g/cm3，起下鉆無明顯氣水侵，起鉆及電測液面正常，實鉆與預(yù)測壓力系數(shù)相吻合。

目前技術(shù)條件下，地層壓力鉆前預(yù)測技術(shù)尚不成熟，隨鉆壓力監(jiān)測在一定程度上可以彌補壓力預(yù)測技術(shù)的不足。對同一鉆井液密度來說，氣侵對井底液柱壓力減小的影響淺井大于深井，由氣侵到溢流的時間深井-超深井要長于中淺井。因此，深井-超深井隨鉆壓力監(jiān)測對于及時有效發(fā)現(xiàn)異常高壓層尤為重要。目前，常用的鉆進中監(jiān)測地層壓力方法有機械鉆速法、頁巖密度法、dc指數(shù)法。在ST1等深井-超深井鉆探中，對施工隊伍相關(guān)人員進行隨鉆壓力監(jiān)測技術(shù)專題培訓(xùn)，配合鉆前壓力預(yù)測結(jié)果，實現(xiàn)了ES1高壓水層、ES4高壓油氣層的及時發(fā)現(xiàn)，確保了井控安全。

2.2 利用先導(dǎo)試驗確定“必封點”位置

井身結(jié)構(gòu)是確保優(yōu)快鉆井的重要影響因素，也是降低鉆井成本的突破點，更是確保井控安全的關(guān)鍵因素。以冀中坳陷楊稅務(wù)深潛山傳統(tǒng)的四開井身結(jié)構(gòu)為例，盡管鉆井綜合提速技術(shù)取得了較好的提速效果[13]，平均機械鉆速提高了27.4%，鉆井周期由最初的217 d縮短到174 d。但是現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)條件下再進一步縮短鉆井周期難度較大，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)成為該區(qū)塊降低鉆井成本的重要突破口。該區(qū)古近系地層砂層發(fā)育、斷層復(fù)雜，易發(fā)生漏失；石炭-二疊系為復(fù)雜地層，含碳質(zhì)泥巖和煤層，井壁穩(wěn)定性差，且潛山面以上有多套油氣顯示。四開變?nèi)_的難點是如何實現(xiàn)一開次鉆穿古近系和石炭-二疊系，實現(xiàn)二開揭開潛山面。如兼顧上部地層采用較低的泥漿密度，則會導(dǎo)致下部地層垮塌；如兼顧下部地層采用較高的泥漿密度，則會導(dǎo)致上部地層漏失（圖4）。

圖4 AT2x井地層三壓力剖面

針對上述技術(shù)難點，利用該區(qū)AT2X1 側(cè)鉆井開展先導(dǎo)試驗，通過井眼軌跡優(yōu)化、鉆井液配方優(yōu)選、潛山碳酸鹽巖防漏等一系列措施，利用較低鉆井液密度一開次順利鉆穿C-P 復(fù)雜地層和奧陶系碳酸鹽巖潛山儲層[14]（圖5），驗證了石炭-二疊系地層可以與沙河街地層用較低泥漿密度一開次完成，從而將二開“必封點”下移至潛山面以下，實現(xiàn)了三開完井。

圖5 AT2X1井身結(jié)構(gòu)示意圖

在AT2X1側(cè)鉆先導(dǎo)試驗成功的基礎(chǔ)上，AT1-1x井完鉆井深5 840 m，三開完井（表1），未發(fā)生溢流等井控險情，平均機械鉆速較之前提高了18.7%，平均鉆井周期由之前的174 d 降至124 d，降低了28.6%，實現(xiàn)了楊稅務(wù)深潛山鉆井提速提效新突破，AT1-2x、C8、S60-1x 等后續(xù)多口井均在確保井控安全的前提下實現(xiàn)三開完井。

表1 AT1-1x井三開井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

2.3 依托工程技術(shù)確保井控安全

1）精準(zhǔn)卡山技術(shù)。冀中坳陷深潛山鉆探過程中，為避免進山后地層漏失導(dǎo)致漏轉(zhuǎn)噴的井控風(fēng)險，在細(xì)化地震資料對比、地層追蹤對比確定進山深度的同時，工程地質(zhì)密切配合，進山前100 m 加強循環(huán)，發(fā)現(xiàn)鉆具放空、憋跳、漏失等情況及時停鉆進行薄片分析；在臨近潛山界面時，要求司鉆均勻加壓、送鉆，嚴(yán)格控制機械鉆速，必要時換牙輪鉆頭揭開潛山，確保井筒內(nèi)巖屑數(shù)量在3 m 之內(nèi)。系列措施的綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了精準(zhǔn)卡山，YSW 區(qū)塊潛山頂面平均垂深達(dá)4 872 m，三開（或二開）平均揭開潛山深度2.6 m。精準(zhǔn)卡山，避免了揭開潛山發(fā)生漏失等事故復(fù)雜，確保了井控安全。

2）超深井小間隙尾管固井技術(shù)。冀中坳陷地溫梯度高，YSW 潛山帶深層碳酸鹽巖儲層地溫梯度高達(dá)3.5 ℃/100 m[15]，深井-超深井鉆探中小間隙長裸眼段大溫差固井存在較大井控風(fēng)險。通過工藝技術(shù)攻關(guān)形成超深井小間隙尾管固井技術(shù)[16]，確保了固井質(zhì)量，實現(xiàn)了水泥環(huán)完整性和井控安全。

3）簡易控壓鉆井技術(shù)。由于精細(xì)控壓工藝技術(shù)復(fù)雜，費用高，冀中坳陷深井-超深井采用簡易控壓鉆井技術(shù)取得了良好效果。簡易控壓技術(shù)簡化了精細(xì)控壓裝備，通過旋轉(zhuǎn)控制頭配合常規(guī)鉆井設(shè)備實現(xiàn)控壓鉆井。當(dāng)采用較低泥漿密度正常鉆進發(fā)生井侵時，利用簡易控壓裝備給井口施加回壓，以增加井底當(dāng)量鉆井液密度；當(dāng)發(fā)生井漏時，通過減小井口控壓值，降低井底當(dāng)量鉆井液密度，從而減輕或消除漏失。簡易控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用12 口深井-超深井，與常規(guī)鉆井相比，鉆井液密度平均降低近0.1 g/cm3，平均機械鉆速提高了16%，避免了井漏和溢流，達(dá)到了控壓降密、安全提速的目的。

2.4 強化一線員工井控技能提升

近20年來國內(nèi)井噴事故原因分析，由于起鉆未按規(guī)定灌漿、起下鉆速度過快造成抽汲、發(fā)生溢流未及時發(fā)現(xiàn)等管理原因?qū)е碌木畤娛鹿收?0%，見表2。關(guān)井失敗、關(guān)井后裝備刺漏等技術(shù)和設(shè)備原因?qū)е碌木畤娛鹿室捕嗍怯捎谝缌靼l(fā)現(xiàn)不及時導(dǎo)致高套壓等復(fù)雜險情，從而錯失關(guān)井黃金時間。因此，強化現(xiàn)場管控和一線員工井控技能，對于確保井控技術(shù)的實現(xiàn)至關(guān)重要。

表2 近20年來國內(nèi)井噴事故原因統(tǒng)計表

冀中坳陷深井-超深井鉆探過程中，按照不同區(qū)塊、不同儲層、不同井別，從地質(zhì)、工程、人員能力、設(shè)備、關(guān)鍵工序等方面分區(qū)、分級進行井控風(fēng)險評估，針對性提出風(fēng)險預(yù)警，科學(xué)制定風(fēng)險管控措施。井控取證培訓(xùn)突出關(guān)鍵崗位溢流發(fā)現(xiàn)、井控設(shè)備正確安裝與使用、搶接內(nèi)防噴工具等關(guān)鍵技能的提升。同時，研發(fā)地質(zhì)工程一體化遠(yuǎn)程作業(yè)支持系統(tǒng)，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)了工程異常實時報警和24 h 實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)溢流、井漏等鉆完井異常，系統(tǒng)將自動報警，確保了工程異常早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處置。

3 結(jié)論

1）華北油田在冀中坳陷深井-超深井勘探過程中，不斷完善地層壓力預(yù)測技術(shù)，科學(xué)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，重視推廣應(yīng)用超深井小間隙尾管固井、簡易控壓等鉆井新技術(shù)新工藝，逐步實現(xiàn)科技井控，實現(xiàn)了連續(xù)17年井控安全無事故。

2）鑒于目前地層壓力鉆前預(yù)測技術(shù)的局限性，強化隨鉆壓力監(jiān)測在一定程度上可以彌補壓力預(yù)測技術(shù)的不足。特別是深井-超深井隨鉆壓力監(jiān)測技術(shù)，對于及時有效發(fā)現(xiàn)異常高壓層尤為重要。

3）提升一線員工井控技能對于確保井控技術(shù)的實現(xiàn)至關(guān)重要。