大井眼盐膏层的定向施工难点与对策

刘长柱 殷召海 李武生 杨金生 宋武强

摘要：本文针对伊拉克哈法亚油田在开发Kirkuk油层时所遇到的工程技术问题，尤其是在对12-1/4″井眼的高压盐膏岩层易发生卡钻等恶性钻井事故的分析后，提出相应的对策，同时结合XX等井的现场施工，着重提出规避工程事故的具体措施，为该区块后续井位的安全开发提供一定的技术指导。

关键词：盐膏层 井眼清洁 轨道优化 钻具组合

1 哈法亚油田简介

哈法亚油田（Halfaya oilfield）是伊拉克南部最大的油田之一，根据伊拉克政府提供的数据，哈法亚油田可采储量约为41亿桶。该项目是迄今为止中国石油单体作业量最大的海外项目。去年8月，哈法亚二期年1000万吨产能提前建成投产，油田日产原油提升至20万桶，成为当地石油经济振兴的重要力量。

1.1 地质构造及地层特点

哈法亚油田处于伊拉克西南部，是一个NW-SE走向的长轴背斜，背斜两翼产状平缓，是完整的背斜储油构造。所钻遇地层自上而下分别为，第三系地层和上白垩系，中白垩系，下白垩系。主要岩性依次为沙泥岩，膏岩盐岩和灰岩白云岩地层。所钻遇地层中有多套地层见到油气显示。其中在Kirkuk、 Sadi、Mishrif、NahurUmr等层位中均见到良好的油气显示。但是在开发Kirkuk油层时，目标层埋藏浅，目标层垂深在2100m左右，同时由于地质构造及地层特性，经常需要在Jeribe地层定向钻进，但是该层段泥岩致密，膏岩与盐岩相互交错，地层可钻性极差，钻井事故频发，严重制约着该层位油气层的高效开发。

1.2 施工难点分析

（1）泥岩与盐膏盐相互交错，易缩径，蠕变，卡钻事故频发，施工风险高。如HF007-JK007井钻进至井深1926.87m，在上提划眼准备测斜接立柱时发生卡钻，XX井在三开中完井深2170m，进行短起时发生卡钻，最终都只能采取爆炸松口，侧钻作业。

（2）该井眼为12.25″大井眼，井眼环空大，环空钻井液流速低，井眼清洁困难。

（3）该井段高比重，泥浆密度在2.23～2.35g/cm3，固相含量在40%左右，高粘度，岩屑“垂沉”现象突出，循环压耗高，排量受限。流动阻力大，能量消耗多，功率低，钻速慢. 在XX井中，泥浆比重在2.23～2.36 g/cm3，FV在90～130s，排量最多提到2.51m3/min时，泵压达到3400～3500PSI。

（4）Jeribe和Kirkuk 地层中的盐膏岩可钻性差，机械钻速很低，尤其是滑动钻进，作业时间长，井壁稳定性受到极大的挑战。如在XX井中，滑动钻时仅为0.6-0.8m/h，复合钻时0.8～1.3m/h，后续下入常规钻具钻时在1.4～1.9m/h.

（5）某些司钻对该井眼风险认识不足，业务知识欠缺，人为事故存在。

2 盐膏层大井眼定向技术理论研究

2.1 井眼清洁技术[1][2]

（1）井眼清洁区域的划分：第一洗井区：井斜角0°～45°与普通定向井相同，不存在岩屑床，钻井液流变性的影响较大。在层流状态下，提高泥浆的动塑比，有利于携带岩屑。第二洗井区：井斜角45°～65°，这是最复杂的井段，不仅存在岩屑床，而且岩屑床还要下滑，在一定位置堆积起来，严重堵塞井眼。第三洗井区：井斜角65°～90°存在岩屑床，但不会出现岩屑下滑。在岩屑上返过程中，在重力作用下总要下沉，如果排量不足就会使岩屑床不断加厚。所以关键在于加大排量，保证紊流洗井，控制岩屑床的厚度，保证循环畅通。同时，一般将井眼直径的10%作为岩屑床的安全极限值。

（2）钻柱转速对携砂的影响

利用钻柱的的高速转动，才能连通岩屑床和流体运动的区域，从而通过机械力搅动使岩屑进入液流中，使岩屑床与流体间形成一个传送带，高转速正是操作这个传送带的关键，旋转的速度就是传送带的运动速度。井眼尺寸不同，对钻柱钻速要求不同。钻速过低不能发挥传输带的作用，同时转速过高会造成泥浆当量密度的增加，给井眼带来其他的风险。因此，应控制在一个合理的范围之内。

2.2 地应力及井壁稳定技术[5][6]

地应力：是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力或原岩应力，广义上也指地球体内的应力。它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。地层岩石所处的地应力一般有3个主应力：垂向应力（上覆岩层压力）、最大水平主应力、最小水平主应力。对于复杂地层的定向井，垂向应力不再与井轴重合，水平主应力也不再与井轴正交，井周围岩石处于三维应力状态，这对井壁稳定性的影响极大，如图2所示。

3 解决措施

3.1 优化轨道设计

改变设计思路，将该类井设计成最简单的单圆弧剖面，且将造斜段提前至地层可钻性较好，地层稳定的17.5″井眼中。12.25″井眼井段优选稳斜段或者微小增斜段。但无论选择哪种类型， 为了降低摩阻与扭矩和防止套管被严重磨损，井斜角应尽量避开45～65°范围，设计方位应避免最最大地应力方向重合，提高井眼的稳定性。在HF007-JK007井設计中，造斜段在三开12.25"盐膏层井段，且设计最大井斜62.5°，钻进至井深1926.87m，井斜61°多，上提倒划眼时卡死。相反，在HF109-JK109D1井的轨道设计中考虑以上因素。

由于采用以上措施，优化井眼轨道设计，施工顺利，未发生复杂事故，且整口井的机械钻速较快，钻井周期短，完全达到高效安全快速开发Kirkuk油层的目的。

3.2 井眼清洁措施

根据前文所述，在该井眼施工时要保证转速 排量，井眼清洁区域中最复杂的井段是第二洗井区，第三洗井区岩屑床受钻井液的冲刷厚度不再增加，也不产生滑移，聚集，此井段的岩屑往往被钻井液带到临界角附近聚集（60°～70°范围）。

为保证复杂井段的安全钻进，需要采取一定的技术手段，其中包括：

①在条件允许的情况下，尽可能提高循环排量，使其接近临界返速而消弱岩屑床，但要注意防止井径扩大。

②提高泥浆的屈服值，增强携岩能力，减缓岩屑的径向沉积，也是减少岩屑床厚度的有效办法。

③利用顶驱优势，边起钻边转动钻具的办法搅动岩屑床。同时循环泥浆，清除岩屑床。

④在斜井段钻进时，适当采取划眼，短起下措施。倒划眼对携岩有一定的效果，但倒划眼时也需要注意，首先转速要提高到合适的范围，如12.25″井眼在用常规钻具时，倒划眼钻速40～60，正划眼90～150，利用高转速来发挥“传送带”的井眼清洁作用。

3.3 精选钻具组合

精选钻具组合目的主要有两点：第一是降低钻具摩阻扭矩，进而降低粘卡的风险：第二点是通过优化钻具降低钻具循环压耗，进而提高泵排量，满足井眼清洁，同时防止钻头泥包。具体如下：

第一：谨慎使用满眼或者强刚性钻具组合，尤其是足尺寸的扶正器，尽量减少大钻铤下入，尤其是大尺寸钻铤（如8″或者9″钻铤），全井尽量使用柔性钻具组合，用非磁抗压缩钻杆替代非磁钻铤，用加重钻杆替代钻铤，用大尺寸斜坡钻杆替代普通钻杆，在大斜度井段采用了倒装钻具组合，使钻具与井壁的接触面积减少，避免了大斜度井段易出现的粘附及键槽卡钻的井下事故。同时，钻杆要采用刚级别139.7mm斜坡钻杆来代替普通钻杆，减小环空间隙，提高泵排量， 降低压力损耗， 增大环空返速， 从而提高携岩能力。

第二：螺杆选用高扭矩低转速中空防托压螺杆，HL-MWD仪器配比根据该井眼的实际情况有优先选择Poppet /Orifice Size：27.6mm/35.56mm，最大的降低循环压耗。

第三：选择合适的钻头水眼尺寸，提高钻头清洗能力。

该区块钻头泥包现象普遍，除了所钻遇地层特性外。经分析原因认为有以下几点可能：

①泥浆比重高且泥岩致密，井底岩屑不能及时返出地面；②钻进方式为顶驱立柱钻进，接立柱时井底上空较小，考虑到钻具伸长和井底沉沙，易造成堵水眼；③现场循环管汇限制钻头水眼偏大，钻头泥浆射速偏小。

第四：高风险井段，精简钻具组合，最大化的规避井下风险。

如在XX井三开的最后100m（即盐膏层井段）下入常规钻具，无任何扶正器，最大化的精简钻具，避免各种大尺寸的钻铤，扶正器导致的卡钻。

4 认识与建议

（1）优化井眼轨道设计，具体如下：

第一：井眼轨道设计采用最简单的单圆弧三段制设计，造斜段提至地层稳定可钻性较好的二开井段，且在三开井段（12.25"井眼）最好稳斜钻进，如需在三开井段滑动钻进，尽可能调整至四開井段滑动钻进。

第二：井斜角设计避开（45～65°），便于井眼清洁，方位设计要避免地层最大地应力方向，防止地层垮塌导致的卡钻。

（2）使用Agitator等降摩减扭工具，优化不同井段钻具组合，提高机械钻速，尤其是滑动钻进，最大化的减少井眼的裸泡时间来降低卡钻风险。

（3）最大化减少钻具静止时间。提高司钻技能，尤其是提高接立柱效率，缩短MWD测斜时钻具静止时间。

（4）采用中空低转速高扭矩螺杆，大尺寸高强度的钻杆来最大化的提高钻井排量，达到清洁井眼的目的。

（5）针对岩屑床及高比重泥浆导致的“垂沉”问题，工程上要定期做短期下作业，每个单根钻完要采用到划眼正划眼来确保井眼轨迹光滑，破坏岩屑床。

（6）采用优质的Nacl-poly钻井液体系。

参考文献

[1] 黄卫平.水平井对水力参数设计提出的特殊要求.钻采工艺，1991，14（4）：30～32.

[2] 郭晓乐，汪志明，陈亮.大位移井水力参数设计方法.石油钻采工艺，2008，30（5）：6～14.