南海鶯瓊盆地高溫高壓井堵漏技術

韓成 黃凱文 羅鳴 劉賢玉 鄧文彪

引用本文:

南海鶯瓊盆地高溫高壓井堵漏技術

    作者簡介: 韓成(1987—),男,廣東湛江人,2011年畢業于長江大學石油工程專業,2014年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業碩士學位,工程師,主要從事海洋高溫高壓井的鉆井完井工藝研究。E-mail:[email protected]
  • 基金項目:

    國家科技重大專項“鶯瓊盆地高溫高壓天然氣富集規律與勘探開發關鍵技術(三期)”(編號:2016ZX05024-005),中海石油科技重大項目“鶯瓊盆地高溫高壓鉆完井液、固井工藝研究與應用”(編號:CNOOC-KJ 135ZDXM 24 LTD ZJ 02)

  • 中圖分類號: TE28+3

Plugging Technology for HTHP Wells in the Yingqiong Basin of the South China Sea

  • CLC number: TE28+3

  • 摘要: 南海西部鶯瓊盆地地質條件復雜,井底溫度和壓力高,鉆進目的層過程中井漏頻發。為解決井漏問題,在分析發生井漏主要原因的基礎上,提出了將耐高溫剛性堵漏材料和耐高溫彈性堵漏材料相結合的思路。在鉆井液中添加耐高溫剛性堵漏材料DXD和耐高溫彈性石墨堵漏材料TXD配制成堵漏漿,DXD在誘導裂縫中架橋,TXD在壓差作用下充填于誘導裂縫剩余孔隙中,防止誘導縫進一步開啟擴大,封堵誘導裂縫,提高地層承壓能力。室內性能評價表明,堵漏漿密度最高可達2.40 kg/L,抗溫能力可達200 ℃。堵漏漿在鶯瓊盆地多口高溫高壓井進行了應用,堵漏效果較好,堵漏成功率由采用常規堵漏技術的30%左右提高到了80%以上。這表明,該堵漏漿可以封堵鶯瓊盆地目的層的誘導裂縫,提高地層的承壓能力和堵漏成功率,解決井漏頻發的問題。
  • 圖 1  堵漏材料高溫老化前后的粒度分布

    Figure 1.  Particle size distribution of plugging materials before and after high temperature aging

    圖 2  砂盤漏失試驗前后砂盤掃描電鏡觀測結果

    Figure 2.  Scanning electron microscope results before and after sand disc leakage plugging

    圖 3  井漿及堵漏漿承壓堵漏性能評價結果

    Figure 3.  Evaluation on the under-pressure plugging performances of original mud and plugging slurry

    圖 4  LD101–E井擠堵漏漿地面泵壓曲線

    Figure 4.  Curve of surface pumping pressure during plugging slurry squeezing in Well LD101–E

    圖 5  LD101–E井目的層井壁成像測井結果

    Figure 5.  Results of target layer borehole wall imaging logging in Well LD101–E

    表 1  鶯瓊盆地高溫高壓井目的層井段安全密度窗口統計結果

    Table 1.  Statistical result of safety density windows of HTHP wells in the Yingqiong Basin

    井名井眼直徑/mm地層溫度/℃漏失壓力當量密度/(kg·L–1地層壓力系數安全密度窗口/(kg·L–1
    LD161-A212.71852.302.270.03
    LD101-B212.71882.282.270.01
    LD102-A212.71882.372.260.11
    LD101-C212.71942.392.260.13
    LD103-A212.71882.402.280.12
    下載: 導出CSV

    表 2  堵漏漿基本性能評價結果

    Table 2.  Results of basic performance evaluation of plugging slurry

    試驗漿試驗條件漏斗黏度/s塑性黏度/(mPa·s)動切力/PaAPI濾失量/mL高溫高壓濾失量/mL
    井漿402294.26.8
    井漿+5.0%DXD + 3.0%TXD老化后442793.25.4
    下載: 導出CSV

    表 3  堵漏漿及井漿砂盤漏失試驗結果

    Table 3.  Results of plugging slurry and original mud sand disc leakage test

    試驗漿瞬時漏失量/mL不同時間累計漏失量/mL
    0.5 h1.0 h1.5 h2.0 h
    堵漏漿1824252525
    井漿3241495460
    下載: 導出CSV
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出版歷程
  • 收稿日期:  2018-10-16
  • 錄用日期:  2019-08-22
  • 網絡出版日期:  2019-10-18
  • 刊出日期:  2019-11-01

南海鶯瓊盆地高溫高壓井堵漏技術

    作者簡介: 韓成(1987—),男,廣東湛江人,2011年畢業于長江大學石油工程專業,2014年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業碩士學位,工程師,主要從事海洋高溫高壓井的鉆井完井工藝研究。E-mail:[email protected]
  • 中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057
基金項目:  國家科技重大專項“鶯瓊盆地高溫高壓天然氣富集規律與勘探開發關鍵技術(三期)”(編號:2016ZX05024-005),中海石油科技重大項目“鶯瓊盆地高溫高壓鉆完井液、固井工藝研究與應用”(編號:CNOOC-KJ 135ZDXM 24 LTD ZJ 02)

摘要: 南海西部鶯瓊盆地地質條件復雜,井底溫度和壓力高,鉆進目的層過程中井漏頻發。為解決井漏問題,在分析發生井漏主要原因的基礎上,提出了將耐高溫剛性堵漏材料和耐高溫彈性堵漏材料相結合的思路。在鉆井液中添加耐高溫剛性堵漏材料DXD和耐高溫彈性石墨堵漏材料TXD配制成堵漏漿,DXD在誘導裂縫中架橋,TXD在壓差作用下充填于誘導裂縫剩余孔隙中,防止誘導縫進一步開啟擴大,封堵誘導裂縫,提高地層承壓能力。室內性能評價表明,堵漏漿密度最高可達2.40 kg/L,抗溫能力可達200 ℃。堵漏漿在鶯瓊盆地多口高溫高壓井進行了應用,堵漏效果較好,堵漏成功率由采用常規堵漏技術的30%左右提高到了80%以上。這表明,該堵漏漿可以封堵鶯瓊盆地目的層的誘導裂縫,提高地層的承壓能力和堵漏成功率,解決井漏頻發的問題。

English Abstract

  • 南海鶯瓊盆地的主要目的層為黃流組二段,構造面積大、砂體厚度大,地層溫度高達200 ℃,地層壓力系數大于2.3,水深90.00 m。目前,該盆地高溫高壓井完鉆井深4 200.00~4 500.00 m,一般采用五開井身結構:一開,采用?914.4 mm鉆頭鉆進,下入?762.0 mm套管;二開,采用?660.4 mm鉆頭鉆進,下入?508.0 mm套管;三開,采用?444.5 mm鉆頭鉆進,下入?339.7 mm套管;四開,采用?311.1 mm鉆頭鉆進,下入?244.5 mm套管;五開,采用?212.7 mm鉆頭鉆進,裸眼完井。鉆進黃流組二段地層時井漏頻發,漏失量大,堵漏難度大,堵漏成功率低,嚴重影響了鶯瓊盆地的勘探開發進程[1-2]。國內外針對高溫高壓井的漏失機理尚未認識清楚,沒有有效的堵漏手段,堵漏效果差。多年鉆井實踐及研究表明,鶯瓊盆地地層的安全密度窗口極窄,鉆進過程中產生的激動壓力極易超過地層漏失壓力,且在高壓下易產生誘導裂縫[3-7]。常用堵漏材料抗高溫能力差,在高溫條件下易碳化,且很難準確掌握高壓誘導裂縫的尺寸,造成堵漏材料對誘導裂縫的適應性差,導致堵漏成功率低,復漏頻發。為此,筆者在分析鶯瓊盆地地層漏失原因的基礎上,優選抗高溫堵漏材料,針對誘導性裂縫的特點,將抗高溫剛性堵漏材料與彈性堵漏材料復配,形成了適用于高溫高壓井的堵漏漿。該堵漏漿在鶯瓊盆地10口高溫高壓井進行了應用,堵漏成功率得到顯著提高,堵漏效果較好。

    • 鶯瓊盆地從上至下依次鉆遇樂東組、鶯歌海組和黃流組地層,其中樂東組及鶯歌海組地層巖性以灰色厚層狀泥巖、粉砂質泥巖為主,厚度超過2 000.00 m,為天然良好蓋層。目的層黃流組地層巖性為淺灰色中砂巖、細砂巖、粉砂巖和灰色泥巖,且砂巖與泥巖呈不等厚互層。鶯瓊盆地底部發育大型泥–流體底辟構造,且成群成帶分布,在快速沉積、大型泥–流體底辟作用及熱流體活動共同作用下,底辟帶形成了高溫高壓環境,造成地層壓力抬升快、臺階多,鶯歌海組地層壓力系數自垂深2 000.00 m由1.0迅速升至2.0,黃流組局部地層壓力系數超過2.3,同時地層溫度高達200 ℃[8];同時,黃流組砂層薄弱,承壓能力低,導致目的層安全密度窗口極窄。鶯瓊盆地部分高溫高壓井目的層井段的安全密度窗口統計結果見表1

      井名井眼直徑/mm地層溫度/℃漏失壓力當量密度/(kg·L–1地層壓力系數安全密度窗口/(kg·L–1
      LD161-A212.71852.302.270.03
      LD101-B212.71882.282.270.01
      LD102-A212.71882.372.260.11
      LD101-C212.71942.392.260.13
      LD103-A212.71882.402.280.12

      表 1  鶯瓊盆地高溫高壓井目的層井段安全密度窗口統計結果

      Table 1.  Statistical result of safety density windows of HTHP wells in the Yingqiong Basin

      表1可以看出,目的層井段安全密度窗口在0.10 kg/L左右,部分井幾乎無安全密度窗口。鉆井過程中,起下鉆速度、排量、轉速等變化產生的激動壓力極易超過上層套管鞋及薄弱層的漏失壓力,造成井漏。

    • 鶯瓊盆地目的層滲透率為0.1~5.0 mD,泥質含量較高,部分井段地層泥質含量高達59%。井壁成像測井結果顯示,目的層井壁發育誘導裂縫,誘導裂縫寬且長。這是由于井下存在著各種應力,高溫高壓井眼內鉆井液液柱壓力大,將在井壁最大主應力方向上產生足以使井壁發生張性破裂的張應力,從而產生誘導裂縫,鉆井液在壓差作用下通過誘導裂縫進入地層,加上目的層井段地層泥質含量高,導致誘導裂縫進一步擴大、延伸,進而引發井漏[9-11]

    • 由于鶯瓊盆地高溫高壓井目的層井段安全密度窗口窄,同時井底溫度高,要求所使用的堵漏材料與其他鉆井液添加劑配伍性好,不能影響高密度鉆井液的性能,以避免因鉆井液性能變化引起激動壓力過大,導致井漏進一步惡化;同時,要求堵漏材料抗溫能力強,避免在高溫環境下失效。

      為有效封堵誘導裂縫,采用剛性堵漏材料及彈性堵漏材料相結合的方式:首先選用高強度剛性材料在誘導裂縫端部架橋,再選用具有高壓縮性、能夠自適應不同尺寸及不同形狀裂縫形態的彈性堵漏材料,在壓力作用下充填在誘導裂縫根部及端部空隙中,形成致密封堵層,以阻止誘導裂縫進一步延伸擴大,提高地層承壓能力。

    • 目前大部分堵漏材料在溫度超過180 ℃時容易碳化,造成其強度降低。經過大量試驗篩選出了剛性堵漏材料高硬度果殼粉DXD和抗高溫彈性堵漏材料彈性石墨TXD。果殼粉DXD和石墨TXD在200 ℃下老化前后的粒度分布如圖1所示。從圖1可以看出,經過200 ℃老化后,DXD和TXD的粒度分布與老化前相差不大。高溫老化前,DXD和TXD的抗壓強度分別為10和34 MPa;高溫老化后,DXD和TXD的抗壓強度分別為8和33 MPa。這說明DXD和TXD沒有出現高溫碳化現象,其抗溫能力超過200 ℃。

      圖  1  堵漏材料高溫老化前后的粒度分布

      Figure 1.  Particle size distribution of plugging materials before and after high temperature aging

    • 井壁成像測井解釋結果表明,鶯瓊盆地目的層誘導裂縫的寬度集中在120~200 μm,根據三分之一架橋理論,堵漏材料的粒徑在40~66 μm時架橋堵漏效果最好,5.0%DXD和3.0%TXD復配后的平均粒徑為50~60 μm,可取得較好的架橋堵漏效果。將5.0%DXD和3.0%TXD加入鶯瓊盆地某井使用的密度為2.30 kg/L的井漿(配方為0.8%膨潤土+0.6%燒堿+3.0%有機樹脂Resinex+0.3%高溫降濾失劑Calovis+3.5%褐煤樹脂XP–20K 2.0%磺化瀝青Soltex+3.0%碳酸鈣QWY)中,評價其在200 ℃下老化16 h后的流變性及濾失性能,結果見表2。從表2可以看出,加入堵漏材料后井漿的API濾失量和高溫高壓濾失量均有所降低,漏斗黏度和塑性黏度有所增大,但仍滿足現場泵入要求。因此,堵漏漿的配方可確定為:0.8%膨潤土+0.6%燒堿+3.0%有機樹脂Resinex+0.3%高溫降濾失劑Calovis+3.5%褐煤樹脂XP–20K+2.0%磺化瀝青Soltex+3.0%碳酸鈣QWY+5.0%剛性堵漏材料DXD+3.0%彈性堵漏材料TXD。

      試驗漿試驗條件漏斗黏度/s塑性黏度/(mPa·s)動切力/PaAPI濾失量/mL高溫高壓濾失量/mL
      井漿402294.26.8
      井漿+5.0%DXD + 3.0%TXD老化后442793.25.4

      表 2  堵漏漿基本性能評價結果

      Table 2.  Results of basic performance evaluation of plugging slurry

    • 選取了2個滲透率相當的陶瓷砂盤(砂盤滲透率分別為4.6和5.3 mD,孔喉直徑為80~200 μm,接近地層誘導裂縫大小),進行井漿和堵漏漿的砂盤漏失試驗,試驗溫度設置為200 ℃,試驗壓差設置為6.89 MPa,結果見表3。由表3可知,堵漏漿的瞬時濾失量為18 mL,低于井漿瞬時濾失量(32 mL),2 h后堵漏漿的濾失量僅為25 mL,而井漿的濾失量為60 mL,說明堵漏漿的降濾失性能較強。

      試驗漿瞬時漏失量/mL不同時間累計漏失量/mL
      0.5 h1.0 h1.5 h2.0 h
      堵漏漿1824252525
      井漿3241495460

      表 3  堵漏漿及井漿砂盤漏失試驗結果

      Table 3.  Results of plugging slurry and original mud sand disc leakage test

      用掃描電鏡觀測堵漏漿砂盤漏失試驗所用的砂盤,結果如圖2所示。由圖2可知,漏失試驗后砂盤的孔隙被堵漏材料封堵,形成了致密的封堵層。主要是剛性堵漏材料首先充填在砂盤孔隙中,可壓縮的彈性石墨材料在高壓作用下,進一步充填于剩余孔隙中,形成了致密的封堵層。

      圖  2  砂盤漏失試驗前后砂盤掃描電鏡觀測結果

      Figure 2.  Scanning electron microscope results before and after sand disc leakage plugging

    • 應用傳統裂縫堵漏儀評價堵漏漿封堵性能時,采用了平行縫方式,無法真實模擬地層裂縫形態,因此,利用CDL-Ⅱ型高溫高壓動態堵漏儀,用1.0 mm梯形縫(進口縫寬3.0 mm、出口縫寬1.0 mm)模擬井壁裂縫來評價堵漏漿的封堵性能,試驗溫度為200 ℃。密度2.30 kg/L井漿及堵漏漿對梯形縫的堵漏效果如圖3所示。由圖3可知,井漿承壓能力約為5 MPa,堵漏漿的承壓能力穩定在18 MPa,與井漿相比,堵漏漿的承壓堵漏能力更強。分析認為,剛性堵漏材料DXD在裂縫中先進行架橋,然后具有較高壓縮率的彈性堵漏材料TXD在壓差作用下繼續充填于裂縫剩余孔隙中,形成致密封堵層,從而提高了承壓能力[11-14]

      圖  3  井漿及堵漏漿承壓堵漏性能評價結果

      Figure 3.  Evaluation on the under-pressure plugging performances of original mud and plugging slurry

    • 鶯瓊盆地高溫高壓井堵漏技術在10口井進行了現場應用,堵漏漿密度最高達2.40 kg/L,井底溫度最高達212 ℃。總體應用效果良好,在堵漏的同時提高了地層承壓能力,復漏發生次數大大減少,堵漏成功率由采用常規堵漏技術的不到30%提高到了80%以上。下面以LD101–E井為例介紹具體應用情況。

      LD101–E井鉆至井深4 105.00 m(已進入目的層)時,錄井監測系統顯示,泵壓由10.34 MPa突然降至8.28 MPa,返出鉆井液量由24%降至1%,判斷發生了井漏。靜止觀察3 h,計量罐液量突然增加1 m3,判斷發生了溢流,現場關井進行節流排氣,開井后鉆井液出口密度降至2.22 kg/L。該井段上層套管鞋處漏失當量密度為2.40 kg/L,發生井漏時鉆井液密度為2.24 kg/L,隨鉆顯示井底當量循環密度為2.33 kg/L,可見井深4 105.00 m處的安全密度窗口小于0.10 kg/L。循環排氣結束后,通過控制排量維持井底當量循環密度在2.28~2.29 kg/L進行鉆進,期間逐步將鉆井液密度提高至2.23 kg/L。鉆至井深4 138.00 m時,返出鉆井液量增多,活動池液量增加3.5 m3,再次發生溢流,關井循環排氣,控制排量維持井底當量循環密度在2.32~2.33 kg/L,將鉆井液密度調整至2.29 kg/L,靜止觀察井筒穩定性。

      由于安全密度窗口窄,決定起鉆,下光鉆桿靜止擠入堵漏漿,提高地層承壓能力。按照配方在井漿中加入抗高溫堵漏材料DXD和TXD配制堵漏漿,并調整其性能滿足要求后,向井底泵入15 m3堵漏漿,關防噴器,從環空擠堵堵漏漿。LD101–E井擠堵漏漿時的地面泵壓曲線如圖4所示。由圖4可知,地面最高泵壓4.48 MPa,并穩定10 min,折算鉆井液當量密度為2.40 kg/L。

      圖  4  LD101–E井擠堵漏漿地面泵壓曲線

      Figure 4.  Curve of surface pumping pressure during plugging slurry squeezing in Well LD101–E

      擠堵漏漿結束后,起出光鉆桿,下鉆控制井底當量循環密度不超過2.40 kg/L繼續鉆進,鉆至完鉆井深4 352.00 m,鉆進期間未發生井漏及溢流。該井電測結果顯示井底溫度為198 ℃,井壁成像測井結果如圖5所示。由圖5可見,該井4 097.00~4 113.00 m井段發育縱向延伸的誘導裂縫,裂縫寬度為0.2 mm。LD101–E井堵漏成功,說明優化后的堵漏漿能封堵誘導裂縫,提高地層承壓能力。

      圖  5  LD101–E井目的層井壁成像測井結果

      Figure 5.  Results of target layer borehole wall imaging logging in Well LD101–E

    • 1)鶯瓊盆地高溫高壓井發生井漏的原因是鉆井液安全密度窗口窄和目的層誘導裂縫發育。

      2)針對鶯瓊盆地高溫高壓井井漏的原因,采用耐高溫剛性堵漏材料和耐高溫彈性堵漏材料相結合的方法,構建了密度達2.40 kg/L、抗溫能力200 ℃的堵漏漿,顯著提高了堵漏成功率,減少了復漏的發生。

      3)分析堵漏漿的堵漏原理得知,堵漏漿中的剛性堵漏材料在誘導縫中形成架橋,彈性堵漏材料充填于剩余孔隙中,封堵了誘導裂縫,較好地防止了誘導縫的進一步延伸擴大,提高了地層承壓能力。

      4)建議進一步開展用于深水高溫高壓井的堵漏漿研究,為南海深水高溫高壓油氣資源的高效勘探開發提供技術支持。

參考文獻 (14)

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