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1 应对盐下油气藏钻井的挑战 当今的钻井人员对盐下及水下数千英尺处油气藏的钻井能力 充满了信心 现在, 他们已经把作业目标转向到如何最大限度地利用现有技术 ( 而非新技术 ) 来经济有效地开采这些油气藏 Marco Aburto Perez Robert Clyde Piero D Ambrosio Riaz Israel Tony Leavitt Les Nutt 美国得克萨斯州休斯敦 Carl Johnson 苏格兰阿伯丁 Don Williamson 得克萨斯州 Sugar Land 在编写本文过程中得到以下人员的帮助, 谨表谢意 : 新奥尔良的 John Dribus; 休斯敦的 Jerry Kapoor; 美国马萨诸塞州坎布里奇的 Lisa Stewart; 休斯敦 M-I SWACO 公司的 Toby Pierce 和 Andrew Wilde, 以及休斯敦 Sterling 钻井公司的 Mike Truitt Bit On Seismic,PowerDrive,PowerPulse,Q-Marine, seismicvision 和 TerraTek 等是斯伦贝谢公司的商标 Fann 是 Fann 仪器公司的商标 RHELIANT 是 M-I SWACO 公司的商标 1. 有关深水油气藏开发所面临的挑战更多的信息, 请参见 :Amin A,Riding M,Shepler R, Smedstad E 和 Ratulowski J: 海上油田生产 - 从储层到处理设施, 油田新技术,17 卷, 第 1 期 (2005 年春季刊 ):

2 位于深水区域的盐层 该图显示了已知的潜在盐下勘探目标区域 白色 深水区钻井作业始于所谓的金三角区域 即墨西哥湾 巴西以及近期 才开始实施钻井作业的西非地区 这些区域仍将吸引大部分深水资本投资 今后 5 10 年投入到这些区域的资本将占全球总深水投资资本的 85% 左 右 而一些边远区域及新区的开发 多数此类区域至少是部分位于盐下 已经使深水勘探成为了一项全球性的作业 20世纪90年代 石油工业界在大陆 架外数千英尺的水下发现了大量的油气 藏 在钻探这些油气藏的过程中 钻井 承包商和工程师们遇到了完全不同于以 往的技术障碍 因为他们对这一作业环 境的陌生程度完全不亚于20世纪50年代 航空工程师们对外太空的陌生程度 而 且 更让人沮丧的是 作业人员发现这 些产层都被分布广泛的巨厚盐层所覆 盖 这对那些通常采用的钻井和完井技 术是一个巨大的挑战 例如 在水深超过7500英尺 2286 米 时 海水替代数千英尺上覆岩层的 结果将导致在钻井初期所显示的破裂 压力梯度和孔隙压力梯度之间出现极小 的差异 在这种情况下要想利用早期超 深水技术达到目标深度 就需要在使泥 浆静水压力始终低于地层破裂压力梯 度静水压力的同时 下入多层尺寸逐渐 变小的套管来控制孔隙压力 而这样的 井身结构中的生产管柱往往过于细小 难以达到理想的产量目标 换句话说 作业人员能够钻入这些储层 但实现的 产量与经济投入相比往往得不偿失 能够在如此深的水下环境中处理足 年秋季刊 够数量的油管 立管 钻井液和固井水 泥来完成钻井和完井作业的钻机少之又 少 钻井液和完井液以地面温度被泵 入 到达海底时温度接近其凝固点 而 到达海床深处时 其温度又将变为储层 温度 这就要求它们必须能够经受住这 些急剧的温度变化 油田化学被这一需 求推到了极限 同样 产出液也要从地 下储层中流往位于寒冷的海底水域的井 口装置 然后流经数英里长的海底出油 管线到达有时是几英里外的生产设施 中 从而经常导致无法预测的流动保障 问题[1] 一旦远离大陆架 甲板重量 后勤 供应链以及大量的其他海上作业程序都 需要视离海岸的距离及海水深度做出重 大调整 最终 大多数此类问题都通过 诸如固态可膨胀套管 保温出油管线 先进的化学液及建造超大型钻井船之类 的技术革新得到了解决 但对钻井工程 人员而言 深水钻井过程中最令人沮丧 的事情莫过于认识到许多有开采价值的 储层都处于巨厚的盐层之下 上图 在盐下钻井备受关注之前 钻井 工程人员普遍认为处理盐层的最佳方 法是避免钻入盐层 对这些层段开展 钻井作业被认为充满了风险 以至于总 承包合同 向承包商一次性付清钻至议 定深度所需费用的合同 通常会包含一 项条款 规定当钻遇盐层时要将此类 合同转变为标准的日费合同 在许多情 况下 用于确定处罚或奖励的 时间 计算也从钻入盐层那一刻停止 直到 钻头钻出盐底 并在整个地层下入套管 后才重新开始 盐层钻进过程中遇到的挑战与盐体 的独特性质有关 即使在被埋藏之后 盐层仍然还能保持相对较低的密度 由 于随着时间的推移 同一深度及更深处 的其他地层的密度会随着上覆地层的增 加而增大 因此 盐层密度常常低于周 围地层或盐下地层的密度 如果上覆沉 积物无法阻挡盐的运移 墨西哥湾经常 出现这样的情况 盐体就会上升 盐体的这种运移会在盐底和盐体侧 方形成一个难以模拟的压裂碎石带 下一 页图 由于孔隙压力 破裂梯度以及天然 裂缝的存在及规模都难以预测 因此要想 在钻出盐底的同时实现井控难度很大 请 参见 盐下油气藏勘探 第4页 33

3 上壳翼和漂流相中的 超压沉积物 盐缝上的圈闭的沉积物 地质构造不稳定区域 高度破碎上壳翼 相中的泥浆漏失 与盐缝和夹层 有关的高压 可能由高温盐 引起的套管负荷 含 杂质的盐 由钾石 盐 杂卤石或光卤石带 引起的潜在的小井眼 环境 脱水通道受限或构 造应力造成的压裂 碎石带 圈闭压力下的盐翼 有效应力下的 盐断层泥层 焦油带 盐底深度误差 速度不确定性 倾斜状或倾 覆地层 盐下主要 压力回归 盐体及盐体周围潜在的钻井隐患 在钻入 钻穿及钻出盐体时可能出现的问题有许多 主要是因盐 体易于发生移动造成的 业界对盐体的成像能力有限可能会导致对盐底深度的评估出现误差 并可能 在盐层或盐下意外钻遇高压或欠压地层 盐层钻井也给钻井人员提出了独特 的挑战 在持久的恒定应力下 盐体的 形态会随着时间 负荷条件及其物理特 性的变化而产生显著变化[2] 这种现象 被称为蠕动 能够使盐体侵入井筒 占 据被钻头钻出的那部分体积 尤其是在 高温条件下 盐体的这种侵入速度可能 快到足以引起卡钻的程度 从而可能最 终导致作业公司不得不放弃该井或对其 实施侧钻 工程师们关注的另一个问题是含盐 层段钻井可能会加剧井底钻井环境中固 有的冲击与振动现象 这种现象可能是 由工具选择不当和BHA设计不合理 钻 井液设计不合理 盐层蠕动以及诸如钻 压 WOB 或旋转速度之类的钻井输 入参数不佳等因素造成的[3] 而另一方面 虽然盐层的硬度要大 于大多数地层的硬度 因此更难以被钻 入 但同时其独特的岩石性质也给司钻人 员提供了某些特定的优点 例如 盐体通 2. Poiate E Costa AM 和 Falcao JL: Well Design for Drilling Through Thick Evaporite Layers in Santos Basin Brazil IADC/SPE 发表在 IADC/SPE 钻井大会上 美国佛罗里达州迈阿 密 2006 年 2月21-23日 3. Israel RR D Ambrosio P Leavitt AD Shaughnessey JM 和 Sanclemente J Challenges of Directional Drilling Through Salt in Deepwater Gulf of Mexico IADC/SPE 发 表 在 IADC/SPE 钻 井 大 会 34 常具有较高的裂缝梯度 有利于在套管 鞋深度点之间钻更长的井眼段 盐体较低 的渗透性质除了能够提供稳定的油气圈 闭机制之外 还可以有效消除高渗透率地 层钻井过程中常见的井控问题[4] 为了在尽量降低盐体固有缺陷影响 的同时最大限度地利用这些优势 钻井 工程人员将目光转向了现有工具的组 合 那些曾被组合后用于钻大位移井的 聚晶金刚石复合片 PDC 钻头 同心 扩孔器和旋转导向系统 RSS 现在都 已经过改造用于满足在大型盐下构造中 钻井和地质导向等方面的特定需求 本文对工程人员如何利用上述工具 及其他工具 以及如何实施地震处理和 钻井液管理 从而从原先不希望遭遇深 水远景区中的大面积盐层到可以轻松处 理这些盐层这一情况进行了讨论 另外 本文还将就工程人员如何在满足深水开 发的特殊经济和技术需求的同时实现上 述目标进行了探讨 尽管加拿大东部 巴 暨展览会上 佛罗里达州 Orlando 2008 年 3月 4-6日 BHA Design for Drilling Directional 4. Leavitt T: Holes in Salt in Deepwater Gulf of Mexico 发 表 在第 19 届国际海上深水技术会议暨展览会上 斯塔万格 2007 年10 月10-12日 5. 有关 Q-Marine 宽方位角和富方位角勘探的更 多 信 息 请 参 见 Camaro Alfaro J Corcoran C Davies K Gonzalez Pineda F Hampson G Hill 西 西非及其他一些地区的沿海都在进 行深水盐下构造开发 但本文重点关注 盐下作业较为成熟的墨西哥湾地区 在那 里作业公司已经完成了盐下远景区的勘 探工作 目前已进入开发和生产阶段 更清晰的图像 井筒钻出位置和角度是盐下储层钻 入过程中两个最为关键的因素 在墨西哥 湾盐下储层钻井过程中 工程人员更希望 在盐底和下伏沉积物之间界面的低倾角 处钻出盐层 因为该区域的压裂碎石带往 往比陡倾侧的碎石带更稳定 如果无法 达到这项要求 那么工程人员会努力使井 眼角度保持在低于盐底30º的水平 但是由于很难对盐底建模 因此要 想完成上述钻井目标通常难度较大 由 于盐体构造可能较为复杂 通过盐体的 地震波速度要高于通过周围地层的地震 波速度 因此地面地震勘探历来只能提 供模糊的盐下或盐层附近地震图像 从 而可能导致对盐下地层的孔隙压力及其 他特性的评估出现巨大误差 这就可能 造成一些严重的后果 如弃井 20世纪90年代 三维地震采集和处 理技术极大地提高了陆上和海上浅水区 域油气井勘探的成功率 但是 由于深 水区域地质情况复杂 该技术对深水区 域的发现率几乎未产生任何影响 早期 三维勘探数据已经被证实难以为深水盐 下远景区提供成像 而且 即使地震资 料处理能够为这些产层的钻探提供足 够的信息 通常也无法为有效开发提供 高质量的数据 针对常规地震勘探技术的上述及 其 他 一 些 局 限 性 斯 伦 贝 谢 推 出了 Q-Marine单传感器数据采集系统 该系 统的带宽比常规带宽大40% 因而能够 提高地震图像的分辨率 D Howard M Kapoor J Moldoveanu N 和 Kragh E: 降低勘探风险 油田新技术 19 卷 第 1 期 2007 年春季刊 有 关 井 眼 地 震 勘 探 更 多 的 信 息 请 参 见 Blackburn J Daniels J Dingwall S HampdenSmith G Leaney S Le Calvez J Nutt L Menkiti H Sanchez A 和 Schinelli M 井眼地震测量 超越垂直剖面 油田新 技术 19卷 第3期 2007年秋季刊 20-35

4 窄方位角图像 全面处理 富方位角图像 基本处理 盐底 盐底 盐下高清晰图像 窄方位角图像 左 显示了盐下存在倾斜层的迹象 但富方位角图像 右 中盐下层清晰可见 地震图像旁边显示的是每次 勘探作业的配置 井口而开展变偏移距VSP作业 检波器 被固定在待成像地层正上方的井筒内 在此处检波器位于盐底附近 以便 提供用于预测钻头前方状况的SWD数 据 从而更好地对盐底及盐底下伏地层 进行成像 利用变偏移距VSP振幅和角 度的反比关系 AVA 预测盐层/地层 界面正下方纵波 P 和横波 S 的 速度比值 vp /vs 这些速度可以用来 预测钻头前区域的孔隙压力[6] 随后对变偏移距VSP数据实施快速 处理 以生成高分辨率的盐底图像 同 时 处理后的数据还能提供可能存在于 盐体中的接缝或夹层的相关信息 最 后 利用VSP还可以获得高分辨率盐下 沉积物图像 将VSP数据与地面地震数 据结合后 就可以对重点开发区域的构 造和地层进行更全面的成像处理 得到 的图像资料可用于设计井眼轨迹 在随钻测井 LWD 仪器中引入 了业界所熟知的电缆测井技术 以便在 钻井过程中实时获得时-深信息和速度 信息 下图 测量 电缆井眼地震测量 震源 震源 遥测 其他旨在增加方位角覆盖范围的地 震勘探技术方面的改进也提高了业界对 盐下地层的可视化分析能力 上图 [5] 此外 一种新的被称为环形激发的地震 采集技术对盐下及其他反射层成像非 常有效 而且与宽方位角或富方位角技 术相比 利用该技术只需用到较少的船 只 请参见 环形激发地震勘探方法 第18页 由于能够观察钻头前方的状况 司 钻人员能够更加自信地钻出盐层 利用 被称为变偏移距垂直地震剖面 VSP 的井眼地震方法和随钻地震 SWD 技术可实现上述目的 地面作业人员通 过移动震源 使其逐步远离位于地面的 海底 电缆仪器 仪器 地震反射层 地震反射层 盐层 海底 盐层 察看钻头前方状况 位于底部钻具组合 BHA 的随钻测井 LWD 仪中的seimicVISION传感 器 右 是基于电缆仪器 左 改进而来的 传感器包含一个处理器和一个存储器 它能够接收 由钻机或震源船中的常规空气枪阵列发送的震源信号 对采集到的地震信号进行储存和处理 检 验炮数据和质量指标数据通过一个与PowerPulse MWD遥测系统相连的线路被实时传送到井口 35 年秋季刊

5 验炮 ( 时 - 深 ) 数据来确定钻头的位置, 从而来辅助定位 选择下套管深度, 并为处理断层 孔隙压力变化或地层变化做准备 ( 左图 ) [8] 修正后的深度预测 Bit On Seismic 软件能够提高可视化程度, 增进沟通和合作, 实时更新地震图 该图能够以井筒轨迹的形式来显示复杂的信息 利用实时地震速度数据更新孔隙压力预测结果, 并对钻井隐患进行预测 与地震标志层相关的 BHA 位置 ( 图中用蓝色表示 ) 的不确定性随着钻进作业的进行而不断降低 SWD 系统由随钻测井 LWD 仪 ( 地震传感器位于钻头附近 ) 一个地 面震源和一个用于实施实时遥测的随钻 测量 MWD 系统所组成 [7] 时 - 深数 据用来在地震图中确定井的位置, 可以 在井场或通过远程进行查看 实时波形 使工程人员能够对 VSP 实施快速处理, 从而赋予他们真正的随钻前瞻能力 全波形数据记录在仪器的存储器 中, 在起出井口后进行 VSP 处理 震源 激发和数据采集在钻井间歇期进行, 此 时的井底环境比较安静 钻井和起下钻 过程中钻杆连接之时是最为合适的数据 采集时间 借助一个由软件生成的图像, 工程 人员可根据地面地震数据, 利用实时检 实时数据尽管对盐下成像技术做了诸多改进, 但该技术仍然并不完善, 在钻入及钻出盐层时仍存在一定程度的风险 作业公司利用来自 BHA 的实时数据对关键的钻井参数进行监测, 将其作为预防钻井意外或决策失误的一种手段 随钻测量 MWD 传感器的作用是持续更新振动 卡钻 / 滑钻和 WOB 测量数据 利用随钻环空压力仪来记录当量循环密度 ECD 数据, 这些数据对保持钻井液动态静水压力, 防止压力超过油井破裂梯度具有至关重要的作用 尽管在含盐层段钻井过程中极少用到岩石物理测量数据, 但可以利用 LWD 数据改善钻井动态 例如, 利用近钻头处的自然伽马测量数据可以将钻井参数变化与钻入或钻出盐层或钻透夹层时的岩性变化建立起关联 可以通过增加在钻透夹层和钻入盐下层段时测得的孔隙压力利用纵波数据来优化模型 由于此处的电阻率测量仍然受盐层的影响, 因此测量数据可能并不准确 此外, 横波数据在盐体岩石力学建模过程中也具有十分重要的作用 可以利用这些模型确定盐体的应力系统, 并预测应力是否会随着深度的变化而发生变化 随后将该信息反馈到钻井程序中, 进而可以应用于下一口井的 [9] 钻井作业中 采取专业技术, 辅以基于及时 可靠的信息的快速决策能力, 仍然是解决盐体钻井问题最为有效的方法 为此, 作业公司要依靠实时钻井监测和快速的数据传输, 将专业技能与数据相结合, 来快速解决钻井过程中可能出现的各种隐患 上述措施可以部分弥补在复杂区域 ( 通常是偏远的深水区域和盐下环境 ) 开展钻井作业时专业人员不足及完成作业所需的软件和其他仪器短缺所带来的影响 36

6 旋转导向钻井系统 尽管专业人员之间利用实时数据开 展协作是一种非常有效的手段 但评价 一个项目成功与否实际上取决于该项目 所能达到的投资回报率水平 由于最具 价值的盐下开发项目位于超深水区域 因此控制开发成本 通常是一个节省时 间的问题 于达到经济目标之重要性是 与使用合适的技术于达到一项技术目标 之重要性是一样的 降低油田总开发成本的一个关键策 略是要尽可能地限制每个海上油气田的 钻井平台数量 以节省钻井时间和投资 成本 为此 就可能需要钻大位移开发 井 为了避免因大角度和狗腿的出现而 引起严重的后果和延误下套管作业和完 井作业 通常需要一个较浅的造斜点 井 开始偏离垂直方向的那一个点 但是要想获得较浅的造斜点 就需 要在直径相对较大的上部井段实施定 向钻井 该作业通常利用导向泥浆马达 来完成 但就这些上部井段而言 泥浆 马达所提供的机械钻速 ROP 通常不 够快 且所钻井眼轨迹不够直 为了解 决这一难题 钻井工程人员采用了一个 由一个 26 英寸的旋转导向系统 RSS 所钻的浅造斜点 结果表明 与利用泥 浆马达所钻的同一个层段的邻井相比 该系统可以节省 63%的钻井时间 这一成功归功于 RSS 仪器的多次 优化 RSS 仪器是业界在含盐层段钻井 过程中不断获得成功的关键 这是因为 在钻透盐体过程中 为了避免实时数据 所反映的隐患的出现 可能需要对井眼 轨迹的方向进行调整 RSS 仪器所具有 的精确性和实时导向能力使司钻人员能 够在地质导向过程中规避诸如夹层或焦 油沉积之类的问题 同时不以牺牲井眼 质量作为代价 与导向马达相比 RSS 仪器在钻进 含盐层段时也更受青睐 因为 RSS 仪器 在导向过程中一直处于转动状态 从而 能够提高机械钻速 ROP [10] 与钻井 马达相比 利用最新型的 RSS 仪器可以 获得更圆 更稳定 更不易受蠕动影响 的井筒 右上图 RSS 仪器包含两种类型 推送钻头 年秋季刊 动力驱动的旋转导向系统 钻杆连续旋转 井眼更清洁 定向控制能力得到改善 地质导向能力得到改善 能够降低井筒曲折度 完井成本下降 修井作业更加 便利 良好的地质导 向能力令水平 范围得到延长 摩阻降低使钻压 控制得到优化 卡钻风险降低 增加井的位移距离 但不会出 现过大摩阻 在地质导向过程中由于钻井 速度更快 所需起下作业的 次数更少 节省了时间成本 减少开发油田所需的井数和平台数目 降低了每英尺钻井的成本 降低每桶原油的成本 RSS 系统的优势 RSS 仪器在工程方面的优势能够快速转化为经济方面的优势 在高成本 高 风险的深水及超深水环境中应用 RSS 仪器可以进一步扩大 RSS 的这些优势 型和指引钻头型 前者将泥浆驱动的 滑板顶靠井壁 从而迫使 BHA 和井轨 迹往相反方向移动 指引钻头型系统 通过使钻头上的一个扰性轴发生弯曲 来改变钻头工具面的角度 从而改变 井轨迹的方向 在钻井过程中 RSS 仪器能够对地 面指令作出几乎是瞬时的方向调整反 应 司钻人员也利用这一控制能力来克 服一种自然的造斜偏移趋势 即当钻头 受到来自所钻地层的作用力的影响时所 产生的一种井筒倾度增加 造斜 或方 向发生变化 偏移 的现象 即使在同 一个地层内 含盐层段中的造斜和偏移 方向也会发生变化 因此 在钻垂直井 段时通常需要使用RSS 仪器来克服造斜 偏移趋势 而且 由于作业过程中RSS 仪器一直保持旋转状态 其所能达到的 总机械钻速优于泥浆马达 为了克服盐 体的造斜偏移趋势 泥浆马达必须转变 为工作效率稍差的非旋转滑动模式 [11] 在某些情况下建议将大扭矩低速 马达与 RSS 仪器结合应用 增加了马达 之后的 RSS 仪器被称为动力驱动 RSS 仪器 该系统可以增加钻井效率 因为 司钻人员可以在马达对钻头直接形成扭 矩的同时降低钻杆的旋转速度 最近在墨西哥湾 Walker Ridge 区 块深水区域开展的一项作业为斯伦贝谢钻 井工程人员对两种用于钻盐下侧钻井的 7. Underhill W Esmersoy C Hawthorn A Hashem M Hendrickson J 和 Scheibel J: Demonstrations of Real-Time Borehole Seismic from an LWD Tool SPE71365 发表在 SPE 技术年会暨展览 会上 新奥尔良 2001 年 9 月 30 日 -10 月 3 日 8. 炮检距用于检测地震波从地面到达井筒中某 目标深度所需的时间 将地震检波器下入各 目标层段 从地面发射震源并记录最终的地 震信号可以直接测得 P 波速度 随后可以通 过校正声波测井数据及生成合成震波图来确 定或校正地震解释数据 从而使 P 波速度数 据与地面地震数据建立起联系 炮检距与 VSP 的区别在于它们所记录的检波器深度的 数量和密度不同 地震检波器可广泛而不均 匀地分布在井筒内 相反 VSP 的地震检波 器通常紧密而均匀地分布在井筒内 有关 Bit On Seismic 软件的更多信息 请参见 Breton P Crepin S Perrin J-C Esmersoy C Hawthorn A Meehan R Underhill W Frignet B Haldorsen J Harrold T 和 Raikes S: 随钻地震测 量 油田新技术 14 卷 第 1 期 2002 年 春季刊 Israel 等人 参考文献 通过持续保持转动 RSS 仪器能够更好地提 供钻压 WOB 从而可以更有效地将钻杆 和 BHA 的重量传送到钻头上 其他诸如泥浆 马达之类的系统会使大部分钻杆处于拉伸状 态 从而降低了可利用的下行力 11. 有关 RSS 更多的信息 请参见 Copercini P Soliman F El Gamal M Longstreet W Rodd J Sarssam M McCourt I Persad B 和 Williams M: 增 加钻井动力提高钻井速度 油田新技术 16 卷 第 4 期 2004/2005 年冬季刊

7 钻井统计 使用PowerDrive系统 钻头选择 PDC钻头比铣齿钻头更适合于盐层 钻井 PDC钻头的剪切作用使其能够更有 使用双中心钻头 井名 钻机 井眼尺寸 钻头 钻入日期 2006年1月4日 2007年10月24日 钻出日期 2006年1月12日 2007年11月2日 总时间BRT ± 8天 ± 9天 钻入深度 钻出深度 进尺 钻井小时 ROP 钻入倾角 钻出倾角 平均DLS 最大DLS 性能比较 从 ROP 和平均狗腿度 DLS 之间的差异可以清楚地了解到 RSS 仪器相对于利用双中心钻头的泥浆马达所具有的优势 与利用弯外壳 造斜的泥浆马达不同 RSS 仪器无须被起出井底来进行定向 这一特点使 RSS 仪器的时间性能得到了部分优化 同时 配有 RSS 的 BHA 也不需要利 用双中心钻头确保井眼留有足够的下套管间隙 这就意味着 RSS 仪器只需 使用较少的能量就能完成同一层段的钻井作业 BHA的性能进行比较提供了机会 2号侧钻 井使用了推送钻头型RSS系统 而3号侧钻 井则使用了泥浆马达和双中心钻头系统 由于RSS-扩孔器联合装置无法沿 现有造斜器面转动 因此作业人员选择 了泥浆马达和双中心钻头这一方案 而 这一方案能使司钻人员在撤离造斜器 后不必为起出另一个BHA而实施一次单 独的起下作业 并仍然能在单次下入过 程中扩展井筒及实施钻井 2号侧钻井4687英尺 1429米 井段 钻井只用了74个小时 但钻3号侧钻井 1590英尺 485米 井段却用了77个小 时 ROP分别相当于63英尺/小时 19米/ 小时 和20英尺/小时 6米/小时 另 外 利用标准的RSS仪器还可以获得较 高的狗腿 因而可以更早地进行侧钻作 业 上表 出刃度 后倾角 PDC钻头 剪切 侧倾角 效地钻透盐层 且所需的WOB也更小 PDC钻头特别经久耐用 它的这一特性得 益于盐体的均质性 从而在下套管前通 过一次下入作业就可以钻很长的盐层 段 另外 还可以根据需要设计出具有不 同切削性能的PDC钻头 左下图 选择合适的PDC钻头十分重要 钻头 类型和相应的钻井参数通常是造成井底冲 击 振动和卡滑的主要因素 并且会在 ROP最大时严重影响BHA的方位趋势[12] 不合适的钻头可能会过早磨损 导致井眼 质量不合格 引起工具故障并降低ROP 尽管全球范围内有大量与钻头有关 的记录 大量的软件程序及得到优化的 PDC镶嵌块和钻头设计方面的文献 但钻 头选择通常还是建立在对具体油气田特 点的了解基础之上 为了解决这一潜在 问题 斯伦贝谢和雪佛龙公司的工程人员 针对美国墨西哥湾沿岸区域的钻井作业 通过收集整理来自利用推送钻头型RSS仪 器的钻井作业的信息合作开发了一个钻 头追踪系统 钻头性能的主要指标包括 总体稳定性 即所记录的井底冲击 振动 和卡滑 导向操控能力和总目标钻速 收集的信息包括使用的刮刀数量 钻头尺寸 牙轮尺寸 钻头特征 井身结 构和所用扩孔器等 其他数据包括施加 在BHA上的WOB和旋转速度 钻头行进 的测量深度 MD 所钻地层的类型 井眼轨迹以及与沉积环境相关的ROP等 工程人员对上述每个参数是否会对与井 底冲击和振动及定向可控性相关的井动 态造成重大影响进行了分析 并将钻井 问题分为 无法按目标方向对井实施导 向 和 存在ROP问题 这两种类型[13] 以下是本次研究的一些主要结果 盐层和砂岩层最易引起冲击和振动 砂岩岩性最易产生导向问题 直井最易引起冲击和振动 大量导向问题似乎与所钻岩层的岩性 无关 未发生冲击和振动现象并且未产生导 向问题的井在致密地层中的ROP最高 切削作用 PDC 钻头通过类似车床切割一样的剪切能够有效地钻透坚硬均质的盐层段 左 后倾角和切削齿出刃度 右上 及侧倾角 右下 决定了 PDC 钻头切削地层的程度 38

8 旋转导向系统有助于解决大多数定 向控制问题 合理选择 PDC 钻头的性能和特征 并正确应用作业参数 可以减少冲击 和振动问题 进而提高 ROP 无论地 理位置 深度和井眼轨迹如何 作业公司必须通过实验确定钻头设 计和BHA 组件的最佳组合形式 以 减少冲击和振动现象 使 BHA 能引 导井眼轨迹往目标方向行进 英寸钻杆至地面 16英寸套管下入深度 英寸厚壁钻杆 11节 震击器 英寸厚壁钻杆 8节 短节 8英寸钻铤 4 短节 更大 更好的井眼 高质量的井眼 准确的地层评价以 及快速 简单的钻井过程是每个钻井项 目的最终目标 在盐层中钻井时 评价 井眼是否为高质量井眼的标准还包括是 否能减少完井过程中的加载点 而加载 点的减少也可能是盐体的不均匀横向载 荷特征引起的 为了能够经济有效地达 到这一目标 作业公司在钻井过程中利 用钻井和扩孔同步技术来扩大井眼 而 不是分别实施这两项作业 该技术被称 为随钻扩孔 EWD 技术 在实施过程 中最常用的工具包括同心扩孔器 双中 心钻头和偏心扩孔器 增加井眼尺寸使其大于钻头直径 可以带来许多好处 其中包括能够使用 一个外径接近原有管柱内径的套管柱 从而在两个套管柱之间自然形成一个紧 密的间隙 使套管和井壁之间留有更大 的环形空间 这样 当所下套管与裸眼 井壁之间的敞开区域过小而导致喘震和 抽吸效应及胶结问题时 该额外的空间 就可以缓解这些问题 在墨西哥湾深水区某作业公司计 划利用EWD技术钻出一个16英寸的套管 鞋 并一直往下垂直钻向造斜点 在该 造斜点上 以1.5º/100英尺 1.5º/30米 的 速率对井眼造斜 直到井眼倾角达到30º 为止 该公司计划钻过盐底到达测量深 度为21911英尺 6678米 的一个13 5/8英 寸的套管鞋深度点 尽管在几口使用动力驱动的RSS的 邻井中钻同一个盐层时遭遇了严重的冲 击和振动问题 但工程人员还是希望以 一次下入的形式完成该层段的钻井作 年秋季刊 英寸钻铤 2 英寸双中心扶正器 造斜点 0º倾角 英寸非磁性钻铤 英寸扶正器 英寸非磁性钻铤 英寸 16英寸下扩孔器 英寸扶正器 井下过滤装置 仪器 英寸扶正器 盐底 仪器 井下过滤装置 英寸扶正器 英寸下套管深度 30.43º倾角 垂直剖面 英寸PDC钻头 特制的 BHA PowerDrive RSS 按计划在一次下入作业中 右图红线 钻了 143/4 英寸 16 英寸 的盐层段 蓝线 专门为该层段设计了 BHA 左图 以避免邻井中曾遭遇的剧烈冲击现象 业 他们再次采用了PowerDrive RSS和 一个16英寸的井下扩孔器 该扩孔器位 于一九刮刀 14 3/4英寸PDC钻头后面90英 尺 27米 处 借助这些工具 工程人员 得以通过一次下入作业完成该层段的钻 井作业 且速度更快 所经受的冲击和 振动的程度也要低于邻井 上图 下入作业初期RSS被设计成垂向钻 井 而事实上 在到达造斜点之前 其 最大倾角只有0.1º 在利用下行指令指 引RSS仪器之后 造斜度达到了30º 这 一倾度一直保持到井眼钻出盐底为止 12. Moore E Guerrero C 和 Akinniranye G Analysis of PDC Bit Selection with Rotary Steerable Assemblies in the Gulf of Mexico ADE-07-NTCE-08 发表在 2007AADE 美国技术大会暨展览会上 休斯敦 2007 年 4 月10-12日 13. Moore 等人 参考文献 12 39

9 随后对该井实施了流动检测 然后 继续开展钻井作业 直到测井记录证实 盐底位于21119英尺 6437米 处为止 对该井自下而上进行循环 并成功地钻 透压裂碎石带 随后按预定轨迹将该层 段钻至完钻井深 TD 最近 在巴西海上BC-400油田实施深 水钻井作业的工程人员对BHA和地质导 向系统的选择对随钻扩孔技术的影响进 潜在问题 径向应力释放 盐层 蠕动盐层冲击钻杆 行了定量分析 BHA包括了LWD仪器和电 缆井径仪 可以利用这些仪器检测钻井 结果 并对每个系统应用后获得的井眼 质量进行直接的比较 作业人员对盐层 实施了钻井作业以确保每个系统都能够 在同样的钻井环境下得到比较 而不会因 为地层类型的不同而产生差异[14] 作业人员利用中间套管柱对位于水 深1745米 5725英尺 处的测试井的盐层 实施了隔离 在3793米 12444英尺 处下 入中间套管后 利用三个EWD组合将121/4 英寸的井段扩展到143/4英寸 随后在盐层 段下入一个103/8英寸的次级中间套管柱 试验包括五次钻井起下作业 其中两次 作业未使用随钻扩孔组件 对以下几 种设备类型进行了比较 配有一个 1.15º 弯外壳及一个 PDC 钻 头但没有扩孔器的常规泥浆马达 配有一个固定刮刀扩孔器的常规BHA 配有双中心钻头的常规 BHA 配有121/4 英寸三牙轮钻头 1º 弯外壳 但没有扩孔器的泥浆马达 121/4 英寸 143/4 英寸的同心扩孔器和 RSS[15] MWD仪器记录了由水平冲击和卡 滑引起的井底振动现象 利用RSS获得 盐层中水 气体和 其他矿物的淋滤 使井壁削弱 盐溶解导致井眼扩大 岩屑堆积阻塞钻柱 冲蚀 钻井液选择不当可能引起的问题包括 由淋滤作用引起的井段扩大和井壁削弱问题 泥浆密度低可能会导致蠕动影响到钻柱 流变 性质不佳的钻井液可能使岩屑无法被带到地 面 导致钻头以上部分的钻柱被岩屑阻塞 的井眼是真正的无凹凸及无螺旋井眼 同时此BHA配置也创造了该层段最长的 一次钻进 以10米/小时 33英尺/小时 的平 均 ROP一次 性 钻 进 254米 833英 尺 测量结果表明该层段的卡滑 振 动和冲击程度较低 此外 整个钻进过 体系 常规 10分钟凝胶 胶凝强度 胶凝强度 屈服点 温度 温度 缓流变学特性 诸如 MI-SWACO 公司 RHELIANT 体系 右 的缓流变合成油基泥浆 SOBM 能够在 一定的温度和压力范围内保持稳定的胶凝和剪切强度 这就意味着流体保留着合成油基液 左 所具 有的优良的钻井特性 包括较高的 ROP 和较低的 ECD 而同时仍然具有有效清洗井眼所必需的粘度 一般报告的屈服点和 10 分钟凝胶的流体性质是以磅 /100 英尺 2 为单位计量的 而 6 rpm 和 3 rpm 是范 氏粘度计刻度盘中的实际厘泊粘度 s-1 40 程中井眼斜度从2º减小到了0.4º[16] 钻井液 正如钻盐层过程中需要利用专门的 BHA一样 钻入 钻透及钻出盐层过程中 对钻井液的选择也有特定的要求 由于盐 层的冲蚀或淋滤作用及盐体内蠕动现象 接缝或其他夹层以及与压裂碎石带相关 的未知因素的存在 在设计钻井液时必须 要考虑如何平衡ROP 井眼质量 井筒稳 定性和经济性等这些有时会发生冲突 需要做出一定取舍的因素 左图 例如 利用欠饱和盐水或海水钻盐 层可以显著地提高ROP 但同时由于盐的 淋滤作用也会明显地扩大井眼 另一方 面 利用海水除了可以节省大量成本 同 时因为无需留出在对上部盐层实施无隔 水管钻井时存储加重盐水所需的空间 这 一方法还能够节省宝贵的井场空间 位于美国犹他州盐湖城的斯伦贝谢 TerraTek岩石力学实验中心的专家对利 用海水对盐层顶部钻井的潜在优势及可 行性进行了研究 为此 他们采用了强 制对流条件下的盐淋滤物理实验室建模 技术[17] 该实验室测试研究利用雷诺数计算 数据来确定模拟现场环境下流动海水和 重质盐水中盐的溶解性质[18] 针对一个 钻杆为51/2英寸 流速为1000和750加仑/分 钟 227和170米3/小时 的24英寸井筒的现 场流动条件 研究人员对流速进行了调 整以匹配该井的雷诺数 解析模型建立在扩散原理和流体 力学基础之上 模型输入数据包括原始 井径 钻柱直径 BHA直径和长度 以 及钻井ROP 流速和盐层厚度等 其他 输入数据包括钻井液温度和原始矿化 度 以及扩散系数和盐密度 除特定条 件下出现少数异常现象之外 模拟结果 一般都符合实验室测试结果 误差通常 在平均直径的10%以内 该模型在墨西哥湾一口油井中得到 了应用 该地区目前的作业惯例为 采 用无隔水管钻井方式 利用海水和凝胶 清除剂在盐层的头500英尺 152米 层 段钻一个24英寸的井眼 为了确保固井 质量 最后200英尺 61米 的钻井作业

10 通常利用盐饱和泥浆来完成 但模拟结果却表明利用海水完成 最后200英尺的钻井作业具有多方面优 点 研究人员提出的优势包括 利用饱 和盐泥浆ROP能够从50英尺/小时提高到 120英尺/小时 15到37米/小时 且钻井 液成本低 根据淋滤作用预测结果 需 要多用8%体积的水泥 通常是为了确保 水泥返回海底而泵入 以2004年的钻 机日费计算 模拟结果表明优化ROP和 降低钻井液成本可使每口井节省25万美 元左右[19] 在钻入盐体之后以及在钻进过程 中可能出现的钻井隐患包括孔隙压力高 于或低于周围盐层的接缝和夹层 出现 接缝和夹层会导致这些层段更易于发 生井涌或井漏现象 此外 如果泥浆静 水压力低于盐体内部应力 那么就将导 致盐体蠕动侵入井眼 作业公司早期利 用常规盐饱和泥浆技术对这些地层实 施钻井作业时遇到的问题包括钻速慢 井眼完整性不佳 循环液滤失 钻头泥 包以及阻塞等问题 为了规避这些难题 司钻人员使用 了合成油基泥浆 SOBM 体系 由于 合成油基泥浆成本高于水基泥浆 因此 作业公司在可能会出现井漏问题的区域 通常不使用合成油基泥浆 此外 尽管 合成油基泥浆被证实确实可以提高钻速 并改善井筒稳定性 但其粘度却会随着 温度和压力的增加而增大 从而可能导 致当量循环密度增加 引起井漏 在孔 隙压力/破裂梯度压差可能过于狭窄的深 水区域作业时尤其需要注意这一问题 尽管如此 由于SOBM能为超深水 钻井作业节省时间 一方面是由于ROP 越大 节省下的时间越多 另一方面是 因为井眼稳定性的提升能够大大减少套 管和固井作业的次数 许多作业公司 14. Lenamond C 和 da Silva CA: Fully-Rotating Rotary Steerable and Concentric Reamers Technology Combination Eliminate Wellbore Threading in Deepwater SPE/IADC 发表在 SPE/IADC 钻井大会上 阿姆斯特丹 2005 年 2月23-25日 15. Lenamond 和 da Silva 参考文献 Lenamond 和 da Silva 参考文献 Willson SM Driscoll PM Judzis A Black AD Martin JW Ehgartner BL 和 Hinkebein TE: Drilling Salt Formations Offshore with Seawater 年秋季刊 动力段 动力段 外壳 转子 轴承和传动装置 用 于 定 制 BHA响 应的多个扶正点 集成过滤组件 定子 动力驱动的 RSS 动力驱动 RSS 组件 右 是在 RSS 仪器基础之上又增加了一个动力段 上 当钻井泥浆通过动力段的转子和定子 之间的区域时 与钻头相连的转子会旋转 这 样能够为 RSS 仪在钻头处提供额外的扭矩和旋 转速度 从而提高 ROP 在开展盐层及盐下钻井作业时都选择 它作为钻井液 例如 2000年 墨西哥 湾一家作业公司在利用盐饱和泥浆在第 一口井中钻进了8000英尺 2438米 的盐 层之后 在第二口井中应用了SOBM体 系 结果 钻入同一个层段的第二口井 比第一口井少用了78天的钻井时间 节 省了1200万美元左右的成本[20] 由于制造商开发出了一些能够克服 高温高压下粘度增加这一特性的缓流 变SOBM体系 SOBM体系的应用越来 越广泛 新的SOBM体系在温度和压力 变化时能够保持稳定的流变参数 前一 页 下图 缓流变性可以在不增加ECD 的前提下提高粘度 并保持岩屑携带能 力和重晶石悬浮性能[21] 盐层钻入技术 Can Significantly Reduce Well Costs IADC/SPE 发表在 IADC/SPE 钻井大会暨展览会上 达拉斯 2004 年 3月2-4日 18. 雷诺数 Re 可以表示为Re = 379 ρ Q/μ De 式中ρ= 流体密度 磅 / 加仑 Q = 流量 加仑 / 分钟 μ是流体粘度 厘泊 De 是井眼有效直 径 英寸 因此 淋滤作用后 随着井眼有效 直径的增加 雷诺数将变小 19. Willson 等人 参考文献 Meize RA Young M Hudspeth DH 和 Chesebro 控制单元 导向部分 动力驱动的RSS仪能为钻头提供扭矩 这项能力能够减少过去大型PDC钻头容 易出现的卡滑问题 这一特点使RSS尤 其适合井眼中需要作业人员插入导管的 无隔水管井段的作业 一旦井眼到达导 管下入点 司钻人员可以释放套管上的 RSS 并在将返出液带到海床的同时继 续向前钻进 最近 上述措施的效果在墨西哥湾 深水区的一口井中得到了验证 作业人 SB: Record Performance Achieved on Gulf of Mexico Subsalt Well Drilled with Synthetic Fluid IADC/SPE 发表在 IADC/SPE 钻井大会上 新奥尔良 2000 年 2月23-25日 21. van Ort E Lee J Friedheim J 和 Toups B: New Flat-Rheology Synthetic-Based Mud for Improved Deepwater Drilling SPE 发 表 在 SPE 技 术年会暨展览会上 休斯敦 2004 年 9 月26-29 日 41

11 轴向应变 入 产生井涌现象 尽管这些井涌的流 量可能相对较小 但如果作业公司在孔 隙压力和破裂梯度之间的窗口较窄的环 境中采取标准井控措施进行应对 那么 就可能引起若干问题 [24] 例如 利用增 时间 天 盐体蠕动程度 该图描述了三种不同围压 P 下的盐体蠕动特征 围压高于 5 MPa 的应 变 - 时间曲线与 5 MPa 围压下的应变 - 时间曲线相同 因此 预计在 5 MPa 或 5 MPa 以上围压 下获得的蠕动数据应该适合平均应力极高的墨西哥湾深水作业环境 根据 Fossum 和 Fredrich 的资料修改 参考文献 25 员在钻盐层段26英寸井眼时 作业结果 不尽如人意 因此该公司迫切地想通过 配有PDC钻头的动力驱动RSS仪来提高 ROP 前一页图 作业人员曾试图利用镶齿钻头对该 井段实施钻井 但结果要么只能达到 英尺 / 小时的 ROP 要么因所受到 的冲击和振动过大而不得不停止钻井作 业或引起 BHA 故障 而动力驱动的 RSS 仪提供了 英 尺 / 小 时 米 / 小 时 的 稳 定 钻 速 并在完钻时完成一口倾角为 0.17º 的 直井 参照其他类似的井进行估算 在 ROP 总体提高 48% 后 估计为作业公司 节省了125 万美元的成本 由于盐体的运移可能已经改变了盐 体正上方地层的应力 容易造成钻井事 故 因此许多情况下利用无隔水管钻井 技术根本无法触及盐体顶部 当盐层顶 部的位置相对较深时 裂缝性地层或断 层尤为常见 在此类环境中 更加古老 压力更高的沉积物会被盐体向上推 而 当压力得到释放时这些沉积物被压裂 从而形成一个潜在的漏失带 然而 如 果压力未得到释放 那么就可能导致另 一方面的隐患 即位于盐层顶部的地层 可能因为承受不住过大的压力而导致出 现井涌 司钻人员对于上述两种情况都必须 42 谨慎对待 为了能在钻头接近盐层时及 时解释数据并对风险做出反应 谨慎 的司钻人员在一发现接近盐体顶部的迹 象后 即扭矩增加 机械钻速下降 便 会降低 WOB 设置在距钻头 10 英尺 3 米 内的自然伽马测井仪所提供的数据 能够证实这些钻井参数的变化与盐层 顶部有关 [22] 盐层顶部得到确认之后 作业人员 在 BHA 完全进入盐层 通常为 英尺 米 之前一般会继续采取 谨慎的作业方法 钻过这一段以后 作 业人员便有理由认为此后钻进长段的盐 层都是安全的 不会出现重大问题 钻透盐层 与全球其他盐下远景区不同 墨西 哥湾作业项目的钻井目标并不是位于深 水原生盐沉积以下 而是处于刺穿盐 丘 盐层和残余接合盐体下 这些深水 盐体可能以多个盐层的形式出现 相互 之间通过垂直和倾斜的盐脉连通 尽管 业界对深水盐层并不十分了解 但经验 表明这些盐层系统非常复杂 其内部变 化形式多样 尤其是缝合带 盐层合并 区域 更是如此 这些区域包含来自围 岩地层的沉积物夹层 [23] 结果 盐层内裂缝性白云岩或页岩 夹层内的圈闭压力就可能导致流体流 加泥浆比重来压井的方法可能使静水压 力超过破裂梯度压力 钻盐层过程中的最大挑战恐怕还是 BHA 受到冲击和振动这一难题 振动可 引起工具变形或产生故障 从而不得不 实施费用高昂的打捞作业或其他维修作 业 而且还增加起下钻次数 同时 钻 头不稳定或具有过度的切削特性 钻头 - 扩孔器组合匹配不合理 或者盐体发 生坍塌或蠕动也会引起冲击和振动 此 外 在非均质性地层中钻井也容易引起 冲击和振动 当扩孔器和钻头被同时下 入时 通常相距 90 英尺 就可能发生 钻头钻入盐层的同时扩孔器钻入夹层 这种情况 从而导致一个组件比另一个 组件钻得快 引起重量转移不佳 由此 所 导 致 的 冲 击 和 振 动 程 度 足以 造 成 BHA 损坏 尽管在巨厚盐层段内或附近钻井时 可能遇到的隐患有许多 但对许多钻井 和完井工程师而言 最大的隐患莫过于 盐体在应力下容易发生蠕动这一问题 这一特性 实际上是上覆压力引起的假 塑性流动 而在井下温度和低渗透率的 环境下更明显 表明存在刺穿盐丘 可 能导致刚钻出的井筒出现闭合 盐蠕动经历两个或三个阶段 左上 图 在第一阶 段围压低于 5 MPa 725 psi 时 应变以极快的速度产生 随后 变化速度便下降到一个稳定的水平 第 二阶段的特征是 盐体以稳定的速度发 生变形 第三阶段中应变速率增加 直 到发生破裂为止 围压超过 5 MPa 时不 会发生明显的第三阶段的蠕动现象 [25] 一般认为盐层各个方向上的原地应 力是相同的 等于上覆地层的重量 井 筒因蠕动作用而闭合的速度会随着温度 及地层应力与泥浆重量静水压力之间压 差的增加而增强 同时计算结果也表明 闭合的速率与井筒半径成正比 [26]

12 其他影响蠕动特征的因素还包括盐 层厚度 矿物成分 含水量及杂质含量等 含水氯化物和硫酸盐流动性最大 而石 盐的流动速度则相对较慢 硬石膏及其 他碳酸盐蒸发岩基本上是不流动的 [27] 在墨西哥湾 岩盐占盐体组分比例高达 96% 与世界其他地区相比 蠕动现象不 会对钻井作业产生太大的问题 通常可 以通过调整泥浆比重加以控制 尽管如此 墨西哥湾许多井中出现 的套管挤毁问题也是由盐蠕动引起的 在 Green 峡谷的一口发现井中 在 英尺 4572 米 盐层段上下入的套管在 下入近三个月后被蠕动引起的巨大应 力挤毁 解决这一问题的推荐措施包 括滑动带下扩孔 选择合适的钻井液 及采用一些能够优化应力分布的固结 方法等 [28] 夹层 盐层 盐底 钻出盐层 在钻出盐层过程中司钻人员更希望从一个尽可能平的层段 中钻出 但这一方案并不是在所有情况下都可行 正如该井平面图所显 示的那样 司钻人员选择在盐层内造斜以尽可能在井筒和盐底面之间形 成 90º 角 钻出盐层 钻出盐底作业与钻入作业面临同样 的风险 引起风险的原因也一样 即盐 层 并实施流量检测 在循环 BHA 上部 体的移动会对围岩地层的应力系统造成 岩屑的同时 司钻人员将对泥浆池液面 干扰 盐层正下方可能存在会对压裂 进行检测 泥浆增加和减少分别代表压 压力和倾覆地层造成不确定影响的压裂 裂碎石带中出现了井涌和漏失现象 下 碎石带 [29] 一步的工作就是隔离钻杆 在钻柱中下 多数墨西哥湾深水作业公司都已经 入非标准长度的钻杆 以确保在开始连 开发出了本公司专用的盐层钻出程序 接作业前钻井作业能在盐层下持续进 钻井工程人员一般都会尽量在盐底处一 行 直至到达相当于一个标准钻杆全长 个较为平缓或低倾角区域钻出盐层 如 的深度 随后在对钻井环境进行持续监 果该方案不可行 那么工程人员会尽量 测的同时 以每 英尺为一个间隔 将盐底和井筒之间的钻出倾角降低到30º 单位恢复钻进 为了循环 BHA 上部的 以下 右上图 一旦确定了目标钻出点 岩屑及检测泥浆池液面 司钻人员必须 及井轨迹 司钻人员会在目标盐底以上 不断地将钻柱撤回盐层 大 约400英 尺 122米 处 将 ROP 降 至40 一旦确定无高压 循环液漏失或井 英尺 / 小时左右 同时 钻井人员还将对 眼完整性问题 就可以将井眼检测之间 钻井作业实施监测 并使扭矩 WOB 控制的钻井增量间隔增加到15-30 英尺 井底温度 ECD 振动及近钻头自然伽马 5-9 米 这种情况将一直持续到在盐 响应等钻井参数处于稳定状态 下完成两节钻杆长度或 300 英尺 91米 此时 司钻人员可以提高泥浆比 的钻进为止 [30] 重 并在系统中增加防漏材料 LCM 同时 谨慎的司钻人员通常还会准备 一个特殊的钻出盐层难题 LCM 段塞 以备在盐下孔隙压力低于盐 墨西哥湾一些深水区的钻出盐层作 层孔隙压力时使用 业曾报告过许多非常棘手的问题 可流 一旦根据钻井参数的变化判断盐 动焦油 或沥青 囊就是其中的一个难 底已经被钻透 司钻人员将钻头撤回盐 题 可流动焦油通常出现在盐下和断层 年秋季刊 或缝合线周围 这种粘性物质含有 85% 以上的沥青质 经验表明要钻透该物质 是一项巨大的挑战 深水盐下钻井过程中出现的沥青质 问题最早是由 BP 公司提出的 当时 BP 公 司正 在 Green 峡 谷 第 82 区 块的 Mad Dog 油田钻第二口评价井 22. Israel 等人 参考文献 Willson SM 和 Fredrich JT: Geomechanics Considerations for Through- and Near-Salt Well Design SPE 发表在 SPE 技术年会暨展 览会上 达拉斯 2005 年10 月9-12日 24. Willson 和 Fredrich 参考文献 Fossum AF 和 Fredrich JT: Salt Mechanics Primer for Near-Salt and Sub-Salt Deepwater Gulf of Mexico Field Developments SAND DOE 合同号 DE-AC04-94AL85000 Sandia 国家实 验室 2002 年 7月 26. Leavitt T: Steering for Success Beneath the Salt Offshore 68 卷 2008 年1月1日 Poiate 等人 参考文献 Zhang J Standifird W 和 Lenamond C: Casing Ultradeep Ultralong Salt Sections in Deep Water A Case Study for Failure Diagnosis and Risk Mitigation in Record-Depth Well SPE 发表在 SPE 技术年会暨展览会上 丹佛 2008 年 9 月21-24日 29. Israel 等人 参考文献 Israel 等人 参考文献 3 43

13 作业公司在报告中提到钻入了一 个高粘度富含沥青质的油气聚集带 这些沥青质的流动性较高 足以流入 井筒 下图 [31] 可流动的沥青是以 盐底 高活性焦油 活性焦油 非活性焦油 高活性焦油 高活性焦油 非活性焦油 焦油 气 油 水 活性焦油 公里 英里 可流动焦油沉积层 该剖面图显示了 BP 公司 Mad Dog 油田几口井中的焦油沉积层的位置 BP 公 司 在 该 油 田 中 部 钻 第 二 口 评 价 井 时 首 次 发 现 了 明 显 的 焦 油 流 动 现 象 在 英 尺 米 的中中新世层段发现了焦油 焦油从该处一个薄渗透性砂层流入井筒 经 Romo 等 人同意后整理 参考文献 Romo LA Prewett H Shaughnessy J Lisle E Banerjee S 和 Willson S: Challenges Associated with Subsalt Tar in the Mad Dog Field SPE 发 表 在 SPE 技 术 年 会 暨 展 览 会 上 美 国 加 利 福 尼 亚 州 Anaheim 2007 年 11 月 日 32. Weatherl MH Encountering an Unexpected Tar Formation in a Deepwater Gulf of Mexico Exploration Well SPE/IADC 发表在 SPE/IADC 钻井大会上 阿姆斯特丹 2007 年 2 月 日 Rohleder SA Sanders WW Williamson RN Faul GL 和 Dooley LB: Challenges of Drilling an Ultra-Deep Well in Deepwater-Spa Prospect SPE/IADC 发表在 SPE/IADC 钻井大会 上 阿姆斯特丹 2003 年 2 月 日 33. Willson 和 Fredrich 参考文献 Weatherl 参考文献 有关固井和层间封隔更多的信息 请参见 Bellabarba M Bulte-Loyer H Froelich B Le Roy-Delage S van Kuijk R Zeroug S Guillot D Moroni N Pastor S 和 Zanchi A: 确保实 现长期层间封隔 油田新技术 20 卷 第 1 期 2008 年春季刊 Abbas R Cunningham E Munk T Bjelland B Chukwueke V Ferri A Garrison G Hollies D Labat C 和 Moussa O: 长期层间封隔解决方 案 油田新技术 14 卷 第 3 期 2002 年秋季刊 Farmer P Miller D Pieprzak A Rutledge J 和 Woods R: Exploring the Subsalt Oilfield Review 8 卷 第 1 期 1996 年春季刊 Garzon R 和 Simmons B: Deepwater Wells Drive Salt Cementing Advances E&P 2008 年 5 月 大部分水泥浆是无法实现紊流的 除非泥 浆非常稀薄且环空间隙非常小 因此工程 人员通常选择利用层流以低于 8 桶 / 分钟 1.3 米3/ 分钟 的流速来充填水泥 38. Nelson EB Bruno D 和 Michaux M: Special Cement Systems Nelson EB 和 Guillot D 编辑 Well Cementing 第二版 得克萨斯州Sugar Land 斯 伦贝谢 2006 年 Close F McCavitt B 和 Smith B: Deepwater Gulf of Mexico Development Challenges Overview SPE 发表在 SPE 北非技术会议暨展 览会上 摩洛哥 Marrakech 2008 年 3 月 日 非连续沥青层的形式出现在盐下断层 周围的 厚度 英尺 3 30 米 不等 这些可流动的焦油沉积层在盐 底处的上新世和中新世地层中都存 在 它们的活性差异较大 有的没有 活性而有的则极具活性 同 样 作 业 公 司 还 报 告 在 Green 峡 谷 第 468 区 块 的 Hess Pony 油 田 的 盐下及断层处也发现了一个厚度达 100 英 尺 的 焦 油 层 另 外 还 在 雪 佛 龙公司的 Big Foot 油田及康菲公司的 Spa 油田发现了焦油层 这两个油田 都位于 Walker Ridge 地区 [32] 深水井中存在此类可流动焦油沉积 层是十分普遍的现象 而实践表明某些 层段是易于钻透的 但在 Green 峡谷和 Walker Ridge 地区 以及在 Atwater 峡谷 和密西西比峡谷地区 盐底下的一些 大沉积层一直难以被钻透 由沥青引 起的主要钻井问题是难以保持井眼敞 开 即使在钻井过程中使用了井下扩 孔器 但当需要在井筒中下入套管时 井筒通常已被焦油封堵 [33] 例 如 Big Foot 油 田 的 焦 油 带 曾 使雪佛龙公司没能实现其钻进目标 因而不得不解除钻机合同 尽管并不 是所有的损失都是由焦油直接引起 的 但其存在确实阻碍了钻井达到设 计的完钻井深 结果 由误工引起的 钻机使用计划的变动最终导致该公司 多支出了 5580 万美元的成本及 127 天 的计划外作业时间 [34] 与焦油沉积层相关的钻井问题包括 以下几种 BHA后面被阻塞 造成井漏 井眼抽汲 冲击和振动引起BHA损坏 测井仪被焦油粘附 井眼堵塞导致钻具被卡 诸如套管在高处被卡或套管通过焦 油带下入到目标深度所需时间过长 等套管下入问题 为清除套管及隔水管中的焦油而实 施多次起下作业 相关的地面处理问题 由于无法从地面地震数据中获得 有关焦油的信息 因此不可能对其存 在作出预测 截至目前 业界仍然无 法为钻井过程中遭遇焦油提供应对方 案 增加泥浆比重并不能阻止焦油流 入井筒 尽管水基钻井泥浆可能能够 避免焦油粘附钻柱 但却无法对焦油

14 进行控制 目前 常规的焦油处理方 法仍然还停留在当初业界对所有类型 盐体的处理原则基础之上 那就是尽 量避免钻入焦油带 固井问题 一旦完成盐层钻井后 必须立即 下入套管并将进行固井 与钻井作业 一样 在固井作业中盐蠕动问题也是 一个需要重点考虑的事项 因为盐蠕 动可引起套管载荷不均匀 从而最终 导 致 套 管 挤 毁 右 图 因 此 除 了 提供层间封隔和水泥环所需的基本结 构支撑以外 还必须对用于整个盐层 套管柱 井筒移动 盖层 剪切带 盐流 盐层 盐层 的水泥进行合理的设计 必须确保蠕 动所导致的载荷是均匀的 为此 水 潜在超压层 泥必须具有足够的扰性强度和抗拉强 未固结层 度 以承受油井整个寿命周期内将要 经受的套管压力和载荷 [35] 过去 固井专家通常会对长盐层 流动性盐层段的固井作业 要想克服盐蠕动所导致的非均质载荷效应必须使水泥返至盐层顶部 段应用盐饱和水泥浆进行固井 认为 在本实例中 左 作业人员在已固井的套管内下入了一个衬管以缓解套管径向变形问题 盐体运动 盐饱和水泥浆能更好地与地层胶结 右 将持续增加套管载荷 从而可能导致管柱随着时间的推移而被挤毁 这一情况可以通过合理布 预防化学反应的发生 减少水泥浆固 置水泥及采用超大尺寸的高强度套管加以缓解 化过程中的气窜 并降低溶解盐层的 可能性 但是 当水的重量百分浓度 下 专业人员推荐使用含有10-18% 英尺到 英尺 米 [39] 高于大约 18% 时 盐会延缓稠化时间 NaCl的水泥浆 而当温度超过200 F 这些巨厚盐层下可能蕴藏着大量 降低抗压强度 并加快流体漏失及自 时 采用含有18-36% NaCl的水泥浆 的油气 巴西 Tupi 油田的油气产量以 由水的形成 [36] 较为合适 及 以 Jack 油 田 和 其 他 油 田 的 成 功 开 鉴于此 固井专家转向使用盐含 水泥浆设计也只是盐层固井能否 发为代表的墨西哥湾下第三系走向带 量建立在现有盐层基础之上的水泥 获得成功的其中一项因素 钻井 套 的 开 发 潜 力 已 经 成 为 业 界 的 一 段 传 作业人员发现在盐蠕动环境下 低矿 管设计和泥浆清除等对最终的作业结 奇 化 度 水 泥 浆 按 水 的 重 量 计 算 含 有 果可能具有同样或更大的影响 盐体 尽管上述以及其他一些产层目标 10% 或更少氯化钠 NaCl 的水泥浆 本身也是另一个能够大大改变水泥浆 的存在大大推动了革新技术向前发 能 够 形 成 早 期 强 度 和 有 利 的 流 变 性 性 质 的 变 量 例 如 实 验 结 果 表 明 展 而且为了实现这些目标 业界开 质 含有 10% 杂质的淡水水泥浆体系会使 展了大量的工作 但就开采速度和经 在这种作业环境下必须在驱替过 稠化时间改变 30% 使水泥浆粘度增 济效益而言 高效开采这些产层仍然 程中将返回的水泥 最好是以紊流形 加 100% 并使漏失量增加近 500% [38] 还是一项艰巨的任务 盐下开发的首 式 泵到盐层上部 [37] 应该在套管受 要障碍在于业界准确获得盐底及盐下 压的条件下实施水泥胶结测井 以帮 迎接未来的挑战 地层图像的能力还十分有限 但是随 助作业人员识别蠕动引起的任何胶结 预计到 2015 年 来自深水开发项 着这方面需求的不断增加 地震勘探 异常 目的原油产量将占全球海上原油产量 界已经开发出了相应的先进仪器和解 在盐层水泥浆设计中 温度也是 的 25% 而 2008 年初只占 9% 在墨西 释程序 利用各种先进仪器和解释程 一个关键性的因素 高温能够大大加 哥 湾 多 数 深 水 开 发 项 目 位 于 水 深 序钻穿盐层进入盐下产层似乎只是一 快盐体的溶解速度 并使高含盐水泥 英尺 米 区域 个时间问题 到那时钻穿盐层对于钻 浆 的 滞 后 耐 压 强 度 形 成 时 间 大 大 放 储 层 被 英 尺 井人员来说如同钻透任何其他地层一 缓 在低于200 F 93 C 的温度条件 米 厚的盐层所覆盖 总深度从 样有把握 RvF 年秋季刊 45