国内外盐膏层钻井完井技术进展及工艺特点sk

国内外盐膏层钻井完井技术进展及工艺特点1、技术进展近50年来，国外为征服盐膏层钻探复杂问题，进行了广泛深入的研究。国内近30年来通过攻关研究也取得很大成绩。按年代划分，防止盐膏层套管损坏的研究取得如下进展：30年代，对盐膏层和非盐膏层井眼一律采用淡水水泥浆固井，盐膏层套管损坏严重。40年代末，首先在墨西哥湾地区，开始使用盐水水泥浆固井，但并不普遍。50年代，越来越多的国家采用盐水水泥浆固井，并下高强度套管。60年代，苏联和美国对盐膏层固井的有关理论和技术，以及套管挤毁理论和防挤方法进行了大量的室内试验研究。七八十年代，世界上许多国家，特别是美国对岩盐层塑性流动机理及套管挤毁过程，进行了大量地面模拟试验和套损数据统计分析研究，总结出一套比较完善的盐膏层套管柱设计（三轴法）和固井新方法，较好地解决了中深井套损问题。我国适时引进了相关先进技术及设备，在一定程度上解决了套损问题。90年代，随着科学技术的全面进步和制造能力的迅速提高，开始采用系统工程和全面质量管理方法分析套损问题和设计安全作业程序。由于钻头及套管等工具可选择的余地大了，钻井液水泥浆添加剂等材料多了，因而处理复杂情况及井下事故的成功率高了，井眼寿命延长了。加上价值工程方法的运用，钻井液性能价格比有所上升。但是，深井作业程序没有从根本上减少，劳动强度偏大，成本仍然较高，套损不断发生。我国盐膏层钻探技术设计水平与国外先进国家基本同步，只不过“选择余地小，准备材料少”，加上管理水平低，往往达不到预期效果，实际水平与国外平均先进水平相差5～10年。按照研究领域划分，可将主要技术进展归结到六个方面：⑴岩盐的流变特征和流变模式研究。国外经过大量试验研究，提出了岩盐层的蠕变模式，并用三种方法测量或计算出岩盐层的蠕变速率（一般认为低于0.108mm/h较安全）。我国90年代在塔里木盆地深井盐膏层钻探中也开展了同样的试验研究（沙42实测值为2.117mm/h属不安全），并按Heard模式计算岩盐层稳态蠕变速率为：E＝42.03exp[-20.01×103/（1.98/T）]sinh（6.1б）式中，E、T、h、б分别为蠕变速率、温度、井深、压差。⑵井眼的扩缩问题及解决办法研究。对井眼冲蚀，国外提出用物理方法而不是化学方法解决，并进行了井下试验和预测研究；对付缩径主要有两条经验，一是适当提高泥浆密度（塔指根据英8井岩盐层HTHP三轴蠕变试验结果绘制出岩盐层钻井液密度图版指导现场施工），二是加强划眼和扩眼。井径收缩率与井眼截面收缩率关系式（略）。⑶钻井液体系选择和性能控制研究。目前主要研究和试验了七八类盐膏层钻井液体系，包括：油基体系、油包水乳化体系、欠饱和盐水体系、膨润土饱和盐水体系、聚合物钾盐饱和盐水体系、MMH聚合物饱和盐水体系、阳离子聚合物盐水体系。应用最广泛的还是饱和盐水体系（结合使用盐重结晶抑制剂和耐高温的钻具缓蚀剂）。⑷钻进工具的改进及优选研究。包括：随钻扩眼工具（如双心PDC钻头）；盐层防卡工具（如倒划眼器，液力变径牙轮钻头，钻头体带切削刃的防卡钻头，随钻安全接头）；高性能钻头（如金属/金属密封轴承牙轮钻头）；光钻铤；大尺寸钻杆（中上部井段用）和斜台肩钻杆（预防深部井段“应力集中”致钻杆断裂）；钻杆护箍；稳定器；钻头喷嘴组合；浅层大眼钻井工具；深层取心工具；深井打捞、侧钻及加深工具等。⑸盐膏层套管挤毁问题及解决途径研究。已经认识到非均匀载荷（点载荷）是套管损坏的重要原因，并提出采用上覆岩层压力作为套管外压的计算载荷以及采用高强渡、厚壁套管和多层（组合）套管或尾管等措施，防止或减少套损。国外研究表明，采用三轴应力法改善套管柱设计，比静力法设计有很多优点。而迭代法设计套管柱既费时又昂贵。我国江汉油田1980年后套管柱设计按上覆岩层压力梯度0.024Pa/m计算外压，并运用全面质量管理方法提高固井质量。中原油田则通过系统分析，自1996年以来总结出一套较好的复合盐岩层钻井技术和固井技术。沙42井封固盐层套管设计按上覆压力梯度0.0235MPa/m×1.125不均匀系数计算。(6)弹性水泥、零失水淡水水泥浆固井技术。2、工艺特点⑴井身结构设计特点确定钻井盐膏层的井身结构要特别注意两点：一是保证安全钻井，二是防止套管挤毁。现在国内外不大主张在盐膏层多的井段采用长裸眼钻进。下技术套管的时间、深度可根据井下情况确定：如果盐膏层埋深不深且较集中，可在钻穿盐膏层后下技术套管，为下一步安全钻井创造条件；如果钻大段盐膏层，尤其是新探区，技术套管下在盐膏层顶部，可使钻井液密度有更大的选择范围。和非盐膏层钻井相比，盐膏层钻井设计对井身结构有以下特殊要求：①尽量下技套，虽然增加了套管费用，但对继续钻进有利；②通过深部盐膏层时最好用双层套管或下尾管；③套管柱设计中用上覆岩层压力代替地层孔隙压力。钻进盐膏层的井身结构设计有六个要点：①盐膏层以上井身结构按常规设计进行；②技术套管一定要下到盐膏层顶部，为安全钻穿盐膏层创造条件；③采用适当高密度饱和盐水钻井液钻穿盐膏层或钻至可能的漏失顶部，为下套管做准备；④盐膏层套管柱设计主要考虑其抗挤特性，应按最大上覆岩层压力计算外挤力，按三轴应力法确定抗挤安全系数；⑤使用双心钻头钻蠕动盐膏层和用水力扩眼器扩眼，可以防止和保证环空有足够强度的水泥环；⑥使用厚壁套管、高抗挤强度套管和双层套（尾）管重叠技术提高抗外挤能力，防止盐膏层套损。美国亚拉巴马州HattegPond油田4-10号井钻盐膏层的井身结构：φ406m套管30m+φ262.5mm套管1650m＋φ219mm×φ222mm组合套管5430m+φ127mm尾管。我国中原油田在深井复合盐膏层钻井中采用过的井身结构：φ508mm套管300～400m＋φ340mm套管3300m左右＋φ245mm套管4500～5000m＋φ178mm或φ127mm尾管至完钻井深。从以上两种典型井身结构看出，目前深井对付盐膏层的井身结构层次较多，一般为4～6层（次），少数为3层。关于厚壁、高抗挤强度和多层（组合）套管的适用范围，可进行如下对比分析，以便选择和决策：①厚壁套管：在井深超过3000m、地层压梯大于21.3kPa/m情况下，能够承受各向相同的挤毁压力。抗点载荷能力与钢材强度和管壁厚度的平方成正比。为了提高抗点载荷能力，增加壁厚要比增加管体强度更有效。但其刚性大，是一般套管刚性的1.5～2.5倍，所以应严格控制井眼狗腿度，以防卡钻和方便下套管。厚壁套管重量大，可能超过目前使用钻机的提升能力，给设计和施工带来困难。另外，厚壁套管给射孔和侧钻也带来困难。②高抗挤强度套管：套管的抗挤强度与所用钢材的最小屈服强度成正比。一般用韧性高、强度大的钢材制造高抗挤强度套管。可用于井深3000m以深的高压深井。套管对点载荷的承受能力与钢的抗拉强度成正比。但承受冲击载荷和耐腐能力差，在现场焊接、维修和侧钻较困难。③多层套管：其内层套管通过固结的水泥给外层套管一个附加支撑力。其抗挤强度比前两种套管都高（理论上是两层套管各自抗挤强度之和，实际上提高60%以上）。多层套管能有效抵抗深部盐膏层非均匀载荷（其损坏是由内层损坏决定的）。同理，在部分套管挤毁的井中，再下一个同心套管（形成双层套管）以增加套管强度，也能达到修复的目的。虽然采用多层套管不改变井眼和套管环隙尺寸，不过，注水泥作业程序变了。使用多层套管时，外层宜用厚壁套管，即使局部挤毁，也可通过补注水泥方法提高抗挤强度。但是，这种套管使侧钻、测井和射孔困难，而且费用增高。综上所述，三种套管各有所长。如在均质载荷作用下，其抗挤强度都超过689MPa，其中厚壁管抗挤能力最大，多层管次之，高抗挤强度管再次之。如在中等程度的非均质载荷作用下，多层套管抗挤能力最大，其次是厚壁套管。在多层套管柱中，内部套管受到点载荷最小的主要原因是层间注入优质水泥和钻出规则井眼。另外，如果在点载荷严重的井眼中，可使用高抗挤强度或厚壁套管作为多层套管柱的内外层形成复合结构，从而大大提高套管柱抗挤强度，但要权衡成本及修井问题。深井尾管柱设计有四个要点：①原则上不考虑抗内压和抗拉；②最大临界外挤载荷按井段的上覆岩层压力计算；③因井身结构的限制，选用无箍套管，以保证套管固井时其与井眼之间环隙足够；④选用无箍高抗挤强度套管。⑵钻井液设计特点盐膏层钻井液设计主要解决两类问题：一是选择合理的体系抑制岩盐等的溶解、过饱和重结晶，使井眼规则和作业顺利；二是选择合理的密度，延缓岩盐蠕变，保证钻井安全，防止套管损坏。针对目前开发与试用的数类盐膏层钻井液体系，可以提出如下选择原则：从功能考虑，油基钻井液虽然成本高，但它钻遇碳酸盐钾矿层、水敏性泥页岩层、含H2S气层都不会发生问题，它还适用于钻高温深井，能保持性能稳定；从综合成本考虑，饱和盐水钻井液是最佳选择；从性能价格比看，饱和盐水乳化钻井液和聚合物饱和盐水钻井液应用最多。但是，在某些情况（如地区差异）下，欠饱和盐水体系（乡1井）和膨润土饱和盐水体系（文13-54井）也有成功应用，其性能价格比与最佳体系相当。其他钻井液体系虽有应用，但不甚理想。这说明盐膏层钻井液体系的适用性与不适性研究有待深入（关键问题是选择和研制性能好、成本低的系列钻井液添加剂和多功能钻井液体系）。国内盐膏层使用的几类钻井液基本配方如下：①混油加重饱和盐水体系（新疆沙24井）：12%原油＋3%磺化褐煤＋0.3%SMP-Ⅱ＋0.2%～0.5%CMC＋1%PAC143＋重晶石粉（至体系密度1.7kg/l）＋凹凸棒石粉＋0.1%TorqTrim-Ⅱ＋NaCl至体系饱和。②油包水乳化体系（新疆）：3%有机土＋2%环烷酸钙＋7%烷基苯磺酸钙＋2%SP80＋1%石灰＋0#柴油（油水比90:10,水相中Cl-含量2.1×105）。③欠饱和盐水体系（中原）：3%～5%磺化褐煤＋3%～5%SMP—Ⅱ＋1%～3%SAS＋NaCl及KCl适量。④膨润土饱和盐水体系（江汉）：抗盐膨润土浆＋2%～3%CMC＋0.5%SP80+0.25%AS＋NaCl至体系饱和（中原油田文13-54井配方见后文）。⑤聚合物钾盐饱和体系（胜利）：0.2～0.5PHP＋3%～8%（NH4）2SO4＋5%～6%KCl＋NaCl至体系饱和。⑥MMH聚合物饱和盐水体系（胜利）：0.25%MMH＋0.4%NPAN＋3%SMP-Ⅱ＋3%RTOOL＋0.3%XY27＋NaCl至体系饱和。⑦阳离子聚合物盐水体系（中原）：4%膨润土浆＋3%80A51＋1%HPAN＋2%SAS-1＋0.5%SP80＋1%CP（阳离子）＋2%KCl（较3%KCl＋7%NaCl效果更好）。盐膏层钻井液性能应满足下列六点要求：①具有合适的密度。这是盐膏层钻进的关键。若用低密度钻井液（密度1.078～1.314kg/l），应该是含盐量低（1.5×104～2.0×104）的水基钻井液；若用中等密度钻井液（密度1.437～2.036kg/l）应该是水相饱和的油基钻井液和含盐量高（2.0×105～2.5×105）的水基钻井液；若用高密度钻井液（密度2.036～2.276kg/l），应该是水相饱和的油基或水基钻井液，并用盐抑制剂来达到盐的饱和状态。②抑制无机离子的污染。钻盐膏层时，涌入钻井液中造成污染最严重的是Ca2＋，可加入Na2CO3和NaHCO3除去Ca2＋。③抑制活性粘土矿物。钻井液中必须保持一定的KCl含量。海水钻井液中KCl用量一般是淡水钻井液中KCl用量的2.5倍，而饱和盐水钻井液中KCl用量是淡水钻井液中KCl用量的3.5倍。④盐膏层钻井液要具有适当的流变性和润滑性。⑤盐膏层钻井液要具有合理的滤失造壁性。⑥盐膏层钻井液腐蚀性尽可能低且能抗高温。现场使用油基钻井液钻盐膏层，在国外多见，在我国主要是混油（油包水），有以下维护要点：①固相控制：配备高频振动筛，筛目达到80～100目；配备除砂器、除泥器，以清除油基钻井液的晶体盐粒和其它固相，从而提高机械钻速，减少循环系统的磨损。②水湿控制：在钻进中遇到含Na+、Ca2+、Mg2+、K+等盐类，它们都有水湿特性，水湿固体易沉淀，易粘附于钻柱内，严重时可堵塞钻柱，使钻井