渤中13-2区块复杂薄弱层...强度承压堵漏技术研究及应用_陈卓.pdf

第 卷 第期 年月常州大学学报（自然科学版）（）：渤中 区块复杂薄弱层高强度承压堵漏技术研究及应用陈卓，耿立军，岳明，江智强，李建宇（中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津 ；中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 ）摘要：渤中 区块位于渤中 构造脊上，受北东向、南北向断层控制。由于地质构造复杂、漏失机理复杂、压力体系复杂及工程因素复杂，该区块的薄弱层存在难“避”、难“识”、难“堵”、难“控”、难“封”等特点。针对这一难题与挑战，从薄弱层钻前预测、薄弱层钻时控制及薄弱层钻后强化方面入手，首先利用易漏薄弱层“三三辨识”法在钻前精确识别薄弱层的位置，然后利用易漏薄弱层风险分级管控技术，精细控制薄弱层钻进时的井底压差，最后利用高强度复合承压技术，提高薄弱层钻开后的地层承压能力，最终确保了复杂薄弱层井段作业的安全顺利完成。渤中 区块在口井应用该技术后，在钻进过程中未发生井塌、井涌、井漏等复杂事故，节约工期 以上，节约费用约 万元，为渤中 区块整体开发提供了技术支撑。关键词：薄弱层；精细识别；复杂压力；复合承压中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，“”，“”，“”，“”“”，“”，收稿日期：。作者简介：陈卓（），男，湖北仙桃人，博士，工程师。：引用本文：陈卓，耿立军，岳明，等渤中 区块复杂薄弱层高强度承压堵漏技术研究及应用常州大学学报（自然科学版），（）：常州大学学报（自然科学版）第 卷 ，：；随着勘探开发和调整的重点由大中型油气构造转为中小型油气构造，由浅层油气藏转为潜山油气藏，渤中 区块发现多套复杂薄弱性地层，钻进时容易发生溢漏等井下复杂事故，且堵漏成功率低。非生产时间和钻井工期增加，严重制约相关油田高效安全开发。为此，文章在分析渤中 区块复杂薄弱层的漏失特点及难点的基础上，从薄弱层钻前精确识别，薄弱层钻时风险管控、薄弱层钻后地层强化方面入手，建立了易漏薄弱层“三三辨识”法、易漏薄弱层风险分级管控技术、高强度复合承压技术等一系列复杂薄弱层高强度承压堵漏技术体系。相比采用常规钻井技术的渤中 区块 井，应用该技术后，渤中 区块在口井的钻进过程中未发生井塌、井涌、井漏等复杂事故，节约工期 以上，节约费用约 万元。图渤中 油气构造 图渤中 井薄弱层纵向分布 复杂薄弱层漏失特点及难点 地质构造复杂，薄弱层难“避”随着渤海油田勘探开发的深入，中小型油气构造及深部灰岩油气藏成为渤海勘探开发的重点目标。受断裂带活动影响，渤海钻遇断层和薄弱层的概率显著增加。据统计，近，渤海共有 口井漏失，共进行 次堵漏，处理时间 。渤中 区块位于渤中 构造脊上，夹持在渤中凹陷主洼和西南洼之间，受北东向、南北向断层控制，发育一系列断块型油气构造（图）。图为渤中 区块 井的地震纵向剖面图，可以发现，薄弱层之间的纵向展布小于，若强制避开所有薄弱层反而会导致井眼轨迹过于复杂，诱发井眼清洁难、摩阻扭矩大、套管下不到位等问题。井在实钻过程中，发生了恶性漏失现象，钻井液累计漏失近 ，严重影响了该井的钻井作业效率。漏失机理复杂，薄弱层难“识”、难“堵”渤中 区块漏失机理主要分为：断层破碎带及恶性裂缝漏失、断层弱面漏失和渗透性漏失。单纯依靠常规地震偏移剖面可有效识别断层，但难以第期陈卓，等：渤中 区块复杂薄弱层高强度承压堵漏技术研究及应用有效识别薄弱层。由图可以看出，薄弱层在常规地震层速度剖面上没有明显的异常显示。表堵漏效果统计表 井深堵漏措施堵漏效果 颗粒桥塞堵漏 水泥堵漏堵漏后地层无法承压 凝胶堵漏同时，由于地层条件恶劣，漏失机理复杂，漏失通道大，大部分堵漏技术，如随钻堵漏、颗粒桥塞堵漏、凝胶堵漏、水泥堵漏等（表），堵漏后地层无法承压，效果较差，不能满足现场作业需求。压力体系复杂，薄弱层难“控”表测压数据 井名层段垂深测压系数东二下段 东三段 一方面，渤中 区块主要目的层埋藏较深。自上而下发育多套压力系统，该区块自东二组下段有异常高压，具有起压快，压力台阶多，过渡带不明显等特点。测压数据（表）显示，该区域地层压力系数在 。该区块高压地层的成压机制复杂，兼具欠压实与生烃作用，高压值难以准确预测。另一方面，通过对渤中 区块东营组的泥岩进行组构、理化与力学实验，发现渤中区块东营组泥岩地层具有中膨胀、中分散、层理及微裂缝发育的特征（图图），属于过渡带泥岩地层，其失稳机理同时受水化膨胀与弱结构面发育的共同影响。复杂的地层压力及岩石变形破坏规律限制了薄弱层钻井液密度的选择，难以简单通过降低钻井液密度的手段来降低薄弱层处的漏失风险。图渤中 过渡带泥岩裂缝分布 图渤中 过渡带泥岩水化强度 工程因素复杂，薄弱层难“封”受隔水管尺寸、地层地质特性、油藏生产要求等因素的影响，渤中 区块可采用的井身结构存在以下限制：隔水管一开井眼尺寸固定为 ；二开井眼在馆陶组完钻，底砾岩钻头磨损严重，憋压憋扭矩频繁，马达断裂事故频发；目的层井眼尺寸为 ，太古界单独开发；中生界单独用一开井身结构封固，中生界压力系数低，裂缝发育，易漏失。在上述条件的约束下，只留有一开次井身结构封固，自馆陶组到中生界的高压地层与薄弱层，薄弱层与高压层处于同一裸眼井段内。常州大学学报（自然科学版）第 卷高强度承压堵漏技术体系受限于地质构造、漏失机理、压力体系、复杂岩性及工程因素，渤中 区块薄弱层具有难“避”、难“识”、难“堵”、难“控”、难“封”等特点。针对这一问题，从薄弱层钻前精确识别，薄弱层钻时风险管控、薄弱层钻后地层强化方面入手，建立了渤中 区块复杂薄弱层高强度承压堵漏技术体系。常规承压堵漏技术对于裂缝性地层，常见堵漏技术大致可分为类：利用井壁滤饼封堵裂缝端面入口。该类堵漏技术多为随钻堵漏技术，利用智能形状记忆聚合物、智能凝胶、智能分子膜、竹纤维、植物胶、小粒径颗粒等堵漏材料在裂缝性地层表面形成一层保护膜，阻止钻井液侵入裂缝 。利用堵漏材料封堵裂缝通道 。大部分堵漏技术如凝胶堵漏、水泥堵漏、桥塞堵漏、化学堵漏等均属于该类堵漏技术。利用失水滤饼封堵裂缝表面及裂缝尖端。该类堵漏技术多为失水型堵漏技术，堵漏浆在失水作用下在裂缝面和裂缝尖端形成滤饼，从而封隔裂缝内流体进入地层的通道。为了提高一次堵漏的成功率，目前堵漏技术的发展趋势主要偏向于漏失机理研究、漏失通道与堵漏材料自适应匹配性研究、三维空间堵漏、抗高温及智能化决策等方面的研究 ，忽视了与其他钻井工艺之间的协同作用，难以形成完整的裂缝性地层堵漏技术体系，堵漏效果无法得到充分保障。文章利用地质工程一体化的优势，结合易漏薄弱层“三三辨识”法、易漏薄弱层风险分级管控技术、高强度复合承压技术，建立了一套综合薄弱层钻前预测、薄弱层钻时控制及薄弱层钻后强化的高强度承压堵漏技术体系。高强度承压堵漏技术体系 易漏薄弱层“三三辨识”法针对常规地震偏移剖面无法有效识别渤中 区块薄弱层的问题，提出从多角度多属性识别薄弱层，即应用“三三”判识法则。该法则的第一个“三”指的是对常规地震剖面米字型切片，从三角度识别疑似薄弱层，第二个“三”指的是从常规、波形和方差三个地震属性综合判识薄弱层 。薄弱层“三三辨识”法主要是利用相邻道地震信号之间的相似性来描述地层、岩性的横向非均质性。图和图分别为渤中 区块的地震偏移剖面与地震方差剖面。通过两图的对比分析可以发现，在地震方差剖面的 ，等处黑色团状物明显偏多（正常地层为白色），存在多条断层薄弱层，符合实际情况（钻进发生漏失），而常规地震偏移剖面仅对一个较大的断层有反应。利用薄弱层“三三辨识”法可以很好地对薄弱层进行提前识别。图地震偏移剖面 图地震方差剖面 第期陈卓，等：渤中 区块复杂薄弱层高强度承压堵漏技术研究及应用 易漏薄弱层风险分级管控技术针对渤中 区块薄弱层压力体系复杂和地层变形破坏规律复杂的问题，建立了权重法复杂压力分析模型及封堵性过渡带泥岩井壁失稳模型。通过分析不同井段的钻进风险，精细化管控钻井液密度，在确保井壁安全的前提下，控制薄弱层的钻进漏失风险。）权重法复杂压力分析模型该模型利用不同井深条件下的声波密度趋势线与其对应井深条件下的声波密度趋势点相连，得到改进的声波密度交会图。由于渤中 区块高压地层的成压机制复杂，兼具欠压实与生烃作用，单独采用 法或 法均无法准确计算地层压力的大小。故利用权重法计算地层压力 （）式中：为地层压力，；为利用 法计算的地层压力，；为利用 法计算的地层压力，；为欠压实产生的异常压力权重；为生烃作用产生的异常压力权重。图地层压力贡献值分析 与由声波密度交会图确定（图）。首先将实际声波密度数据点相对于对应井深处的声波密度趋势点的位移沿着两成压机制方向进行正交分解，其中实际位移长度为，正交分解得到的欠压实作用部分位移长度为，其他部分为，则可得到（）欠压实产生的异常压力权重为（）生烃作用产生的异常压力权重为（）封堵性过渡带泥岩井壁失稳模型针对过渡带泥岩兼具水化膨胀与弱结构面发育特征的问题，提出钻井液的“时间封堵效应”，利用高温高压动态失水仪，模拟地层温压条件，测试不同封堵剂和不同的压力下钻井液的动态失水。图和图为模拟地层温压条件下，采用不同封堵剂时钻井液的滤失量。在此基础上，通过建立裂缝封堵条件下井壁力学稳定模型，分析固体颗粒堵塞裂缝后，地层的强度及初始损伤变化规律，从而建立考虑钻井液封堵、应力、渗流、水化膨胀和弱结构面强度时变特征的井周地层变化破坏时空演化计算方法。图无封堵剂的滤失量 图有封堵剂的滤失量 应力平衡方程为常州大学学报（自然科学版）第 卷 （）（）式中：和分别为井周地层的虚应变和虚位移；为塑性弹性模量；为地层单元平均应力；为地层单元体积；为地层单元表面积；为井眼钻开时间；为地层的体力；为地层的面力；为地层骨架颗粒的压缩模量；为矩阵，。钻井液在地层中渗流遵循达西定律，渗流方程为（）（）（）（）（）式中：为梯度算子；为流体压力；为井眼钻开前地层原始渗透系数张量与地层中流体密度的乘积；为比例渗透系数；为地层应力、应变和损伤等因素的函数；为地层流体的体积模量；为重力加速度；为含水饱和度；为地层流体密度；为应力系数。弹性本构矩阵可表示为（）（）式中：为无损伤状态下弹性本构矩阵；为地层加载时的应力损伤因子。损伤地层的塑性本构矩阵为（）式中：为屈服函数，采用摩尔库伦准则确定；为塑性势函数；为应力；为地层硬化参数。考虑封堵作用时损伤地层强度随浸泡时间变化规律为：，（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为封堵系数，由钻井液滤失实验确定；为地层强度；为损伤变量；为初始地层强度；为经验参数，取 。图 和图 为封堵剂对地层强度和坍塌压力的影响。计算结果显示，固体颗粒堵塞裂缝后，地层的强度显著上升，钻井液侵入量下降。随着泥浆对裂缝封堵能力的增强，井壁坍塌压力逐渐降低，图 封堵剂对地层强度的影响 图 封堵剂对坍塌压力的影响 第期陈卓，等：渤中 区块复杂薄弱层高强度承压堵漏技术研究及应用井壁稳定周期也逐渐增加。在确保钻井液封堵性的前提下，钻井液密度可由地层压力分析结果和薄弱层漏失风险决定，钻井特征见表。表钻井特征 井深钻井风险地层压力薄弱层漏失钻井液密度 漏失起压风险高匹配地层压力梯度 井涌高压风险低高 高强度复合承压技术渤中 区块薄弱层漏失机理复杂，单纯依靠一种防漏堵漏技术效果有限。且海洋钻井平台常备的堵漏材料存在数量少、品种不齐全等问题。针对这一问题，以高适配性为原则，研发了基于混合复配型防漏堵漏材料的高强度复合承压技术。其中，混合复配型防漏堵漏材料具有高适配性，可与其他堵漏材料混合使用的特点，包括有 凝胶、合成树脂类片状材料、高失水固化材料 等。表 技术指标 项目指标粒径大于 的颗粒含量 水分 溶解时间 质量浓度为 时的黏度（）老化前 静切力 老化后 静切力 表合成树脂类片状材料性能 项目指标物理特性坚硬、薄片状、抗压能力强密度（）化学性质惰性高温稳定性 溶解性不溶于水基、油基与盐水泥浆，最大酸溶度 承压能力 ）凝胶 凝胶分子具有分子质量适度、高效增黏性的特点。单个分子尺寸较小，易于满足在管线以及近井地带地层流动，不易堵塞管线。在较低的剪切速率下，形成的凝胶体黏度高。在较高剪切速率下，黏度降低