冀中坳陷深井-超深井井控技术难点及应对措施.pdf

DepressionlJj.TisioninPetroleumlndustr39(11):60-64.CUIShuqing,LIU Jiuzhong,Xulanga.nalleenges and Countermeasures forwell control in deep.andwells inJizhong崔树清，刘九忠，徐光波，中坳陷深井-超深井井控技术难点及应对措施J.石油工业技术监督，2 0 2 3.3 9(1 1)：6 0-6 4TechnologySupeetroleumIndustry1Vol.39 No.11第3 9 卷第1 1 期Nov.20232023年1 1 月石油工业技术监督冀中坳陷深井-超深井井控技术难点及应对措施崔树清1,刘九忠,徐光波,王建云,刘冰洁1,马涛11.中国石油华北油田分公司培训中心（河北任丘0 6 2 5 5 2）2.中国石油华北油田分公司工程技术部（河北任丘0 6 2 5 5 0）摘要冀中坳陷地质构造复杂、钻遇岩性复杂、多套压力系统等特点，给深井-超深井钻井井控安全带来严峻挑战。论述了冀中坳陷复杂断块深井-超深井钻井中储层保护、井身结构优化与井控安全之间的矛盾，以及安全密度窗口窄、地层可钻性差、事故复杂频发等技术难点对井控风险的影响。结合该区实钻经验，提出技术应对措施：基于钻前预测与随钻监测相结合的地层压力预测方法；利用先导试验确定“必封点”位置；依托工程技术确保井控安全；强化一线员工井控技能提升。上述技术措施在冀中坳陷深井-超深井钻探过程中取得良好的应用效果，实现了井控“零”事故，对同类地区的井控技术应用与管理提供了参考。关键词深井-超深井；井控技术；地层压力预测；井身结构优化；冀中坳陷D01:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.11.013Challenges and Countermeasures for Well Control in Deep and Ultra-deepWellsinJizhongDepressionCUI Shuqing,LIU Jiuzhong,XU Guangbo,WANG Jianyun,LIU Bingjie,MA Tao1.Training Center,PetroChina Huabei Oilfield Company(Renqiu,Hebei 062552,China)2.Engineering Technology Department,PetroChina Huabei Oilfield Company(Renqiu,Hebei 062552,China)Abstract The complex geological structure,complicated lithology encountered during drilling,and multiple pressure systems bring se-vere challenges to the well control safety of deep and ultra-deep drilling in the Jizhong Depression.This paper discusses the contradic-tion between reservoir protection,wellbore structure optimization and well control safety in the complex faulted deep and ultra-deepwell drilling in Jizhong Depression.It also explores the impact of technical challenges to well control risk such as narrow safety densitywindows,poor formation drillability and frequent accidents.Based on practical drilling experience in this region,several technical mea-sures are proposed:a method for predicting formation pressure based on pre-drlling forecasts and real-time monitoring during drll-ing;determining the“necessary sealing point location through pilot trials;ensuring well control safety through engineering tech-nology support;strengthening the well control skills of frontline employees.These measures have effectively applied in the deep andultra-deep well drilling process in the Jizhong Depression,achieving zero well control accidents and providing references for the ap-plication and management of well control technology in similar regions,Key words deep and ultra-deep well;well control technology;formation pressure prediction;wellbore structure optimization;JizhongDepression渤海湾盆地冀中坳陷是中国潜山复式油气聚集理论的发源地，随着勘探的不断深人，中浅层发现规模储量的难度越来越大。近年来，随着深潜山油藏和潜山内幕油藏的持续发现2,深井、超深井钻探已成为常态。由于深井、超深井在钻进过程中要穿过多套地层和多个压力系统，钻井周期长、井身收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 0；修回日期：2 0 2 3-0 4-1 4作者简介：崔树清（1 9 6 7），男，高级工程师，工学博士，现主要从事井控技术管理与培训工作。E-mail:bh_61崔树清等：一超深井井控技术难点及应对措施结构复杂，井底压力和温度高，给井控工作带来一系列技术难题1冀中坳陷深井-超深井概况和井控技术难点冀中坳陷深潜山区块北部主要有苏桥潜山、文安潜山、杨税务潜山等，南部有深县潜山、束鹿潜山、肃宁潜山等，完钻井深多在45 0 0 6 2 0 0 m。以杨税务潜山带为例，该潜山带位于冀中坳陷廊固凹陷东北部，整体为北西向古鼻隆起，由多个局部高点组成(图1)。潜山顶面地层为峰峰组，上覆石炭-二叠系地层，纵向上发育三套层状储层段，勘探面积约2 0 0 km。目前杨税务潜山已完钻1 6 口井，平均储层埋深5 0 2 5 m，完井最深达到6 45 5 m（图2）。杨税务潜山三维立体图安探4务古1安探5安探1 X安探2图1 杨税务潜山三维立体图峰峰组上马家沟组下马家沟组亮甲山组治里组70006 000500040003 000200010000+安探3安探1 安探2 安探2 1安探4安探5 安探1 0 1 安探40 1 安探5 0 1图2 杨税务潜山部分已完钻井钻遇奥陶系各层位底部深度统计由于冀中坳陷构造特征复杂、钻遇地层岩性复杂、地层压力系统复杂，深井-超深井钻探面临着多压力系统、窄密度窗口、溢漏同存等诸多工程技术挑战3-4,增加了井控风险，主要表现在：1)构造特征复杂，压力精准预测难度大，储层保护与井控安全之间矛盾突出。目前，地层压力钻前预测技术对欠压实成因的异常高压具有较好的预测效果,对于构造挤压形成的异常高压预测能力较弱5-7 。冀中坳陷经历了多期构造运动和多次沉积间断，地层压力受岩性、沉积相、断层、裂缝等多种因素控制，特别是由于断块破碎、地层横向变化快，建立深层-超深层正常压实曲线难度大，增加了压力预测难度。为确保井控安全，施工队伍往往采用设计钻井液密度的上限。冀中坳陷深部潜山储层微裂缝较发育，具有强速敏性特征，较大的正压差易导致外来固相侵入损害，甚至产生水锁损害，泥浆密度的增加对深层-超深层储层伤害远大于中浅层。2)深井-超深井钻遇多套储层和多套压力系统，井身结构优化与井控安全矛盾突出。冀中坳陷深井-超深井自上而下钻遇第四系、新近-古近系、二叠-石炭系、奥陶系和寒武系等多套地层。新近-古近系为砂泥岩剖面，有多套油气储层，压力系数差异较大，W5井在Ed钻遇高压水层，压力系数达到1.60（预测压力系数1.1 0 1.2 0）；石炭-二叠系多为复杂岩性段，主要岩性为砂岩、碳质泥岩、油页岩、玄武岩、煤层；奥陶系、寒武系为潜山地层，主要岩性为灰岩、白云岩，特别是寒武系府君山组的潜山内幕油气藏分布于潜山腹内，断层和潜山内幕隔层发育8，一开次钻穿潜山内幕井控风险高。冀中坳陷多套储层和多套压力系统，增加了井身结构优化难度，也增加了井控风险，3)钻遇地层岩性复杂，深部地层可钻性差，地层温度高，地层漏失、垮塌严重。冀中坳陷古近系埋深达到45 0 0 5 5 0 0 m，地层可钻性差、耐研磨性强，可钻性级别6 7 级，平均机械钻速小于1.0 m/h，NG1井沙三以下地层平均机速只有0.7 5 m/h，平均单只钻头进尺仅为40 m，井眼长时间浸泡和频繁起下钻增加了事故复杂和井控风险。以ND1井为例，该井完钻井深6 0 2 7 m，四开井身结构，揭开潜山388m，三开钻进过程中，垮漏同层，钻井液密度1.70g/cm发生漏失，低于1.6 8 g/cm气侵并有掉块；四开井段42 9 0 5 6 41.5 0 m施工过程中，多次钻遇高气测异常层，钻遇高气测显示后后效显示活跃，全烃大多为9 9.9 9%，此段测后效3 8 次，处理气侵周期1 9.8 d；潜山段钻遇破碎带，处理复杂情况周期长，易发生井控风险。此外，井底高温（1 7 0 2 0 5）、长裸眼段大温差小间隙固井也给井控技术带来挑战。2冀中坳陷深井一超深井井控应对措施2.1基于钻前预测与随钻监测相结合的地层压力预测方法精准掌控地层压力是做好井控工作的关键，对保护油气储层（特别是天然气）具有特别重要的意义1 9-1 0 。尽管国内外石油工作者不断研究探索新的62石油工业技术监督方法I-121,但由于不同地区异常地层压力产生的复杂性，到目前为止地层压力精准预测的问题还没有得到彻底解决。目前，国内外针对砂泥岩等沉积型地层的压力预测取得了一系列成果,对Eaton法、等效深度法、经验公式法、压实趋势线法、有效应力法等传统方法进行了修正和完善，这些方法都是基于压实效应和欠压实成因形成的异常压力预测，不适用构造挤压、液态烃热裂解、水热增压等产生的超高压预测，更不适用裂缝发育、成因复杂、规律不清的碳酸盐岩油气藏。冀中坳陷新近系-古近系地层虽然以砂泥岩剖面为主，但由于经历了多期构造运动和多次沉积间断，异常高压成因复杂，地层压力预测结果往往与实钻差距较大，造成钻井液设计密度低于地层压力（图3），从而产生油气侵。2.01.81.6(/同)/器然#转1.41.21.00.80.60.4实钻密度一设计密度0.20.0010002.000300040005.00060007000井深/m图3 SY1设计钻井液密度与实钻钻井液密度对比为提高地层压力预测精度，在分析常规预测方法局限性的基础上，充分考虑异常地层压力形成的多样性和冀中坳陷构造特征的复杂性，对地层压力预测分析软件中各项指数进行优化。在已钻井区块，地质研究人员通过比对已钻井与待钻井的沉积、构造演化特征，优选具有可比性的已钻井地震、测井资料和实测孔隙压力，利用已钻井段数据资料修正模型系数，用于预测待钻井相同地层段的孔隙压力。对没有已钻井的地层段，在利用上述方法建立正常地层压力趋势线的同时，利用上一开次的裸眼电测资料，结合沉积、构造变化情况预测下一开次地层压力系数。区域探井ST1井邻井在ES1段曾钻遇高压水层，通过区域地质资料以及已钻井测井资料(无邻井实测孔隙压力数据)综合分析，利用DrillWorks压力预测软件建立了该区块正常压力趋势线，通过邻井实测孔隙压力综合分析，将Eaton指数优化为0.46,从而较为准确地预测了ST1井ES1高压水层出现位置及地层压力系数，在进入高压水层之前，将钻井液密度由1.6 0 g/cm提高至1.7 6 g/cm，起下钻期间井筒压力稳定，确保了井控安全。在四开开钻前，由于没有邻井实钻资料，利用该井三开裸眼电测资料更新预测了四开井段地层压力，将四开钻井液密度确定为1.8 0 g/cm。四开开始密度1.7 2 g/cm，至井深5 0 9 6.5 5 m，全烃升至47.7 43 1%，逐步提高密度至1.8 1 g/cm，起下钻无明显气水侵，起钻及电测液面正常，实钻与预测压力系数相吻合。目前技术条件下，地层压力钻前预测技术尚不成熟，随钻压力监测在一定程度上可以弥补压力预测技术的不足。对同一钻井液密度来说，气侵对井底液柱压力减小的影响浅井大于深井，由气侵到溢流的时间深井-超深井要长于中浅井。因此，深井-超深井随钻压力监测对于及时有效发现异常高压层尤为重要。目前，常用的钻进中监测地层压力方法有机械钻速法、页岩密度法、dc指数法。在ST1等深井-超深井钻探中，对施工队伍相关人员进行随钻压力监测技术专题培训，配合钻前压力预测结果，实现了ESi高压水层、ES4高压油气层的及时发现，确保了井控安全2.2禾利用先导试验确定“必封点”位置井身结构是确保优快钻井的重要影响因素，也是降低钻井成本的突破点，更是确保井控安全的关键因素。以冀中坳陷杨税务深潜山传统的四开井身结构为例，尽管钻井综合提速技术取得了较好的提速效果1 3 1,平均机械钻速提高了2 7.4%，钻井周期由最初的2 1 7 d缩短到1 7 4d。但是现有井身结构条件下再进一步缩短钻井周期难度较大，优化井身结构成为该区块降低钻井成本的重要突破口。该区古近系地层砂层发育、断层复杂，易发生漏失；石炭-二叠系为复杂地层，含碳质泥岩和煤层，井壁稳定性差，且潜山面以上有多套油气显示。四开变三开的难点是如何实现一开次钻穿古近系和石炭-二叠系，实现二开揭开潜山面。如兼顾上部地层采用较低的泥浆密度，则会导致下部地层垮塌；如兼顾下部地层采用较高的泥浆密度，则会导致上部地层漏失（图4)。针对上述技术难点，利用该区AT2X1侧钻井开展先导试验，通过井眼轨迹优化、钻井液配方优选、潜山碳酸盐岩防漏等一系列措施，利用较低钻井液密度一开次顺利钻穿C-P复杂地层和奥陶系碳酸盐岩潜山储层1 4（图5），验证了石炭-二叠系地层可以与沙河街地层用较低泥浆密度一开次完成，从而将二开“必封点”下移至潜山面以下，实现了三开完井。63崔树清等：冀一超深井井控技术难点及应对措施地层最小水平应力井深孔隙压力最天水平签力瑜压力/m上覆垂直成力满失压力一Calcm30.8（g lc m2.31300150017001900明化镇组21002.300馆陶2.500组2.70029003100东营3300组3500370039004100沙河街组43004.500石炭-47 0 0二叠14900图4AT2x井地层三压力剖面补心垂深地层Op359m339.7mmx400mNm444.5mm401m1274mNg1654mEd+Es177.8mm悬挂位置2 8 4m4022m完钻后已回接至井口244.5mm3000m311.2mm3002m安探2 1：4295m127mm悬挂位置42 0 6 mC-P安探2 x1：侧钻点：440 6 m4779m1.201.70Of1.40177.8 mm4 873mOsm215.9mm4874mOxm015659元安探2：127mm4615-5896m安探2 1:127mm4206-6040mp152.4mm5899m152.4mm6045.21m地层压力线钻井液密度破裂压力线图5 AT2X1井身结构示意图在AT2X1侧钻先导试验成功的基础上，AT1-1x井完钻井深5 8 40 m，三开完井（表1），未发生溢流等井控险情，平均机械钻速较之前提高了1 8.7%，平均钻井周期由之前的1 7 4d降至1 2 4d，降低了2 8.6%，实现了杨税务深潜山钻井提速提效新突破，AT1-2x、C 8、S 6 0-1 x 等后续多口井均在确保井控安全的前提下实现三开完井。表1.AT1-1x井三开井身结构数据表开钻钻头尺寸/套管尺寸/套管下深/下深原则次数mmmmm导管660.4508.051建立井口循环，封隔地表流沙一开374.6273.11 300防止上部地层因浸泡时间过长而塌，提高井控应急能力封隔沙河街组的岩性复杂地层，D177.8mm套管坐进潜山地层二开241.3177.8513523m，为低密度揭开潜山打下基础三开152.4127.05 840潜山地层单打2.3依托工程技术确保井控安全1)精准卡山技术。冀中坳陷深潜山钻探过程中，为避免进山后地层漏失导致漏转喷的井控风险，在细化地震资料对比、地层追踪对比确定进山深度的同时，工程地质密切配合，进山前1 0 0 m加强循环，发现钻具放空、憨跳、漏失等情况及时停钻进行薄片分析；在临近潜山界面时，要求司钻均匀加压、送钻，严格控制机械钻速，必要时换牙轮钻头揭开潜山，确保井筒内岩屑数量在3 m之内。系列措施的综合应用，实现了精准卡山，YSW区块潜山顶面平均垂深达48 7 2 m，三开（或二开）平均揭开潜山深度2.6 m。精准卡山，避免了揭开潜山发生漏失等事故复杂，确保了井控安全。2)超深井小间隙尾管固井技术。冀中坳陷地温梯度高，YSW潜山带深层碳酸盐岩储层地温梯度高达3.5/1 0 0 ml5,深井-超深井钻探中小间隙长裸眼段大温差固井存在较大井控风险。通过工艺技术攻关形成超深井小间隙尾管固井技术1 6,确保了固井质量，实现了水泥环完整性和井控安全。3)简易控压钻井技术。由于精细控压工艺技术复杂，费用高，冀中坳陷深井-超深井采用简易控压钻井技术取得了良好效果。简易控压技术简化了精细控压装备，通过旋转控制头配合常规钻井设备实现控压钻井。当采用较低泥浆密度正常钻进发生井侵时，利用简易控压装备给井口施加回压，以增加井底当量钻井液密度；当发生井漏时，通过减小井口控压值，降低井底当量钻井液密度，从而减轻或消除漏失。简易控压钻井技术应用1 2 口深井-超深井,与常规钻井相比,钻井液密度平均降低近0.1 g/cm，平均机械钻速提高了1 6%，避免了井漏本文编辑：崔杰64石油工业技术监督和溢流，达到了控压降密、安全提速的目的。2.4强化一线员工井控技能提升近2 0 年来国内井喷事故原因分析，由于起钻未按规定灌浆、起下钻速度过快造成抽、发生溢流未及时发现等管理原因导致的井喷事故占5 0%，见表2。关井失败、关井后装备刺漏等技术和设备原因导致的井喷事故也多是由于溢流发现不及时导致高套压等复杂险情，从而错失关井黄金时间。因此，强化现场管控和一线员工井控技能，对于确保井控技术的实现至关重要表2 近2 0 年来国内井喷事故原因统计表管理原因技术、设备原因事故主要原因未灌浆抽汲未安装防喷器未及时发现溢流关井失败关井后装备刺漏处置方法不当发生井次656112044冀中坳陷深井-超深井钻探过程中，按照不同区块、不同储层、不同井别，从地质、工程、人员能力、设备、关键工序等方面分区、分级进行井控风险评估，针对性提出风险预警，科学制定风险管控措施。井控取证培训突出关键岗位溢流发现、井控设备正确安装与使用、抢接内防喷工具等关键技能的提升。同时，研发地质工程一体化远程作业支持系统，基于大数据技术，实现了工程异常实时报警和24h实时监测，一旦发现溢流、井漏等钻完井异常，系统将自动报警，确保了工程异常早发现、早预警、早处置。3结论1)华北油田在冀中坳陷深井-超深井勘探过程中，不断完善地层压力预测技术，科学优化井身结构，重视推广应用超深井小间隙尾管固井、简易控压等钻井新技术新工艺，逐步实现科技井控，实现了连续1 7 年井控安全无事故。2)鉴于目前地层压力钻前预测技术的局限性，强化随钻压力监测在一定程度上可以弥补压力预测技术的不足。特别是深井-超深井随钻压力监测技术，对于及时有效发现异常高压层尤为重要3)提升一线员工井控技能对于确保井控技术的实现至关重要。参考文献：1】沈华,范炳达,王权,等.冀中坳陷油气勘探历程与启示J新疆石油地质，2 0 2 1,42(3)3 1 9-3 2 7.2张以明,田建章,杨德相,等.冀中坳陷潜山内幕寒武系府君山组成藏条件与勘探方向J.中国石油勘探,2 0 1 9,2 4(3):97-312.3张以明,李拥军,崔树清,等.杨税务潜山高温油气藏勘探突破的关键井筒技术J.石油钻采工艺,2 0 1 8,40(1)2 0-2 6.4张以明,李晶莹,罗玉财,等.饶阳凹陷中央深潜山带钻井提速配套技术与应用J.中国石油勘探,2 0 2 0,2 5(6):8 7-9 3.5张祯祥,杨进,孙挺,等.卸载型异常高压地层地层压力预测方法J.石油钻采工艺,2 0 2 0,42(5):5 5 3-5 5 7.6伍贤柱,胡旭光,韩烈祥,等.井控技术研究进展与展望天然气工业,2 0 2 2,42(2):1 3 3-1 42.7牛新明,张进双,周号博“三超 油气井井控技术难点及对策J.石油钻探技术,2 0 1 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