高壓膏鹽層定向井鉆井關鍵技術研究

吳臣

中海油能源發展股份有限公司工程技術公司中海油監督中心 天津 300450

高壓膏鹽層是指鹽巖地質中存在的一種特殊層位，其特征是含有具有較高黏度的鹽層間隙填充物或溶液，高壓膏鹽層的形成通常是由于鹽層中的鹽溶液或鹽巖礦物在地質歷史中發生了一系列的沉積、溶解和再結晶過程，這些過程導致了鹽層中的空隙被填充或浸潤了具有較高黏度的鹽層間隙填充物，形成了高壓膏鹽層。高壓膏鹽層對鉆井和采油等工程活動具有一定的挑戰性，由于高壓膏鹽層具有較高的黏度和封閉性，可能導致鉆井過程中的困難，如鉆頭堵塞、井眼塌陷等，因此，在鉆井和采油過程中需要針對高壓膏鹽層的特點采取相應的工程措施和技術手段，以確保操作的順利進行[1]。本次研究主要是根據高壓膏鹽層定向井鉆井的難點，對高壓膏鹽層定向井鉆井關鍵技術進行研究，以此推動高壓膏鹽層定向井鉆井領域的進一步發展。

1 高壓膏鹽層定向井鉆井難度分析

1.1 井眼控制

高壓膏鹽層的壓力對井壁穩定性提出了更高的要求，高壓力環境下，井壁容易發生塌陷、溶解或斷裂，特別是在膏鹽層中，由于鹽巖的可塑性和可溶性，井壁的穩定性更為復雜和敏感，需要采取適當的井眼支撐技術，如鉆井液和套管設計、固井操作等，以保持井壁的穩定。高壓膏鹽層中存在氣體和井噴風險，膏鹽層中的高壓氣體或溶解的氣體可能會在鉆井過程中突然釋放，導致井噴事故發生，這對井眼控制和工作人員安全提出了嚴峻的挑戰，需要采取嚴格的安全措施，包括實施有效的氣體探測、井噴防控和應急預案。在高壓膏鹽層中，井眼垮塌和高壓膏鹽層的塑性變形是常見的問題，高壓力會增加鹽層的變形和流動風險，可能導致井眼的不穩定性和不規則的井眼形狀，需要采取適當的井眼支撐和固井技術，以防止井眼的垮塌和高壓膏鹽層的過度變形[2]。膏鹽層地質通常非常復雜，存在多個層位和結構變化，在高壓膏鹽層中進行定向鉆井時，需要面對不均勻的地層厚度、不連續的鹽層、溶洞、斷層等地質復雜性，這對井眼軌跡設計、鉆井方向的選擇和導航等提出了更高的要求，需要進行詳細的地質勘探和評估。

1.2 鉆井液設計

高壓膏鹽層意味著鉆井液需要具備足夠的密度和壓力控制能力，鉆井液必須能夠抵抗高壓力并保持井眼的穩定性，以防止井眼垮塌或井壁失穩，選擇適當的鉆井液配方和密度是確保鉆井作業成功的關鍵。膏鹽層具有一定的溶解性和可塑性，選擇與鹽層相兼容的鉆井液成為挑戰，鉆井液的成分和pH值需要經過精心設計，以避免與鹽層發生不良反應，如溶解、滲透或塌陷，同時鉆井液還應具備足夠的抑制鹽層溶解的能力，膏鹽層的高壓力和特殊的地質性質可能會對切削效果和排渣能力造成影響，鉆井液需要具備良好的切削性能，以確保鉆頭在高壓鹽層中的鉆進效率，同時鉆井液的排渣能力也需要優化，以防止井眼堵塞和鉆頭卡鉆。高壓膏鹽層通常伴隨著高溫環境，鉆井液需要具備良好的溫度穩定性，高溫會對鉆井液的性能和穩定性產生影響，可能導致液相分離、降低黏度、降解添加劑等問題，因此選擇和調整鉆井液的配方和添加劑，以適應高溫條件，是鉆井液設計的一個重要考慮因素[3]。

1.3 鉆具選擇

高壓膏鹽層中的鉆具需要具備足夠的強度和耐腐蝕性，以應對高壓力和腐蝕性環境，高壓力會對鉆具施加較大的力量和壓力，因此需要選擇具備高強度和耐磨損能力的鉆具，膏鹽層中可能存在腐蝕性物質，鉆具需要具備良好的耐腐蝕性，以延長使用壽命[4]。膏鹽層通常具有較高的硬度和黏性，對鉆具的切削效果提出了更高要求，選擇適當的鉆頭和鉆具設計，以確保在高壓膏鹽層中獲得良好的切削效果，提高鉆進速度和效率，高壓膏鹽層中的井壁穩定性對鉆具穩定性提出了挑戰，高壓環境下，井壁容易發生塌陷和變形，對鉆具的支撐和穩定性要求更高，選擇具備足夠剛性和穩定性的鉆具設計，并采取適當的井眼支撐技術，如套管、固井等，以確保鉆具的穩定。膏鹽層的高硬度和黏性可能會對鉆具的耐磨性造成影響，在高壓膏鹽層中進行鉆井作業時，鉆具需要具備良好的耐磨性，以減少磨損和鉆具壽命的降低，膏鹽層中可能存在溶解物和切削渣等難以清除的物質，因此，鉆具設計應考慮到清潔和沖洗的便利性，以確保鉆具在鉆井過程中的順暢運行。

1.4 井下測量

在高壓膏鹽層中進行定向井鉆井作業時，準確地測量井斜角度和井眼方位非常關鍵，但是高壓環境可能導致傳感器受到壓力和溫度的影響，影響測量的準確性，因此，選擇具有高溫和高壓性能的測量工具是必要的，并需要進行校準和校驗，以確保測量的準確性和可靠性。在膏鹽層進行定向井鉆井時，了解鉆具的偏心位置對于井眼軌跡的控制和調整至關重要，高壓環境下，鉆具的偏心位置測量可能受到壓力和擠壓的影響，因此，需要選擇適用于高壓環境的偏心位置測量工具，并進行相應的補償和校準。高壓膏鹽層中的井深測量也面臨一些挑戰，由于膏鹽層的地質特性，井深測量工具可能受到鹽層溶解和變形的影響，導致測量的不準確，因此，需要選擇適用于膏鹽層環境的井深測量工具，并考慮地質變化對測量結果的影響，在高壓膏鹽層中進行定向井鉆井時，及時和準確地傳輸和記錄測量數據是至關重要的，高壓環境可能對數據傳輸和記錄設備造成挑戰，例如傳感器故障、數據干擾等，因此，需要選擇可靠的數據傳輸和記錄系統，并采取必要的保護措施，以確保數據的完整性和可靠性[5]。

2 高壓膏鹽層定向井鉆井軌跡優化設計

2.1 合理選擇井眼軌跡

了解膏鹽層的地質特征、壓力分布和穩定性，同時考慮工程要求，如產能目標、采收率、井下設備布置等，綜合這些因素，設計井眼軌跡以最大化油氣儲層的接觸面積和產能，在高壓膏鹽層中，選擇適當的井斜角度和方位對于井眼軌跡的控制和穩定至關重要，合理的井斜角度可以在保持井眼穩定的同時最大化儲層接觸，方位的選擇應考慮膏鹽層的地質構造和油氣儲層的分布，選擇合適的彎曲半徑有助于控制井眼軌跡的曲率，較大的彎曲半徑可以減小鉆具在膏鹽層中受到的剪切力和壓力，減少井壁穩定的問題。膏鹽層的特點之一是容易發生變形和溶解，在軌跡設計中，要考慮鹽層的變形特性，并避免井眼穿越容易溶解的鹽層區域，通過合理選擇井眼位置和方位，盡量避開鹽層的脆弱區域。

2.2 開展套管設計

首先，進行充分的壓力評估，了解膏鹽層的高壓情況，根據評估結果，選擇具有足夠抗壓能力的套管材料和尺寸，以確保套管能夠承受膏鹽層的高壓力，使用高強度的套管材料，并確保套管的壁厚能夠滿足高壓環境的要求。在設計套管位置和固定方式時，特別關注套管的支撐和固定，考慮使用附加的支撐工具，如夾具、支架和夾環等，以增強套管的支撐能力，這些支撐工具可以提供額外的支撐力和穩定性，確保套管能夠抵御高壓膏鹽層的擠壓和變形。根據膏鹽層的壓力和井壁穩定性要求，進行套管尺寸的優化設計，確保套管的內徑足夠大，以滿足產能目標，并提供足夠的空間用于油氣生產和井下設備的布置，同時，考慮到井眼穩定性，確保套管的外徑不超過井眼的承載能力。選擇適當的套管連接和固定方式，以確保套管的連接強度和穩定性，采用高強度的套管連接方式，如螺紋連接和焊接連接，以確保套管能夠抵御高壓環境下的力學要求，同時，選擇適當的套管固定方式，如水泥固井和附加固定裝置，以增強套管的穩定性。

2.3 選擇合理的鉆井工具

選擇適應高壓膏鹽層的鉆頭?？紤]使用具有高強度和耐磨性的鉆頭材料，以應對高壓下的鉆井要求，對于膏鹽層這種具有特殊地質特征的層段，可能需要選擇特殊的鉆頭類型，如鉆探鹽層的特殊鉆頭。選擇適應高壓環境的鉆具連接方式，螺紋連接是常見的連接方式，但在高壓條件下可能存在連接強度不足的風險，考慮使用更牢固的連接方式，如焊接連接或壓力密封連接，以確保連接的可靠性和密封性。在選擇鉆具時，確保其具有足夠的強度和耐壓能力，能夠承受膏鹽層的高壓力，選擇高強度的鋼材制造的鉆具，并根據實際情況進行鉆具尺寸和壁厚設計，以滿足高壓環境下的力學要求。在定向井鉆井作業中，使用適當的導向系統和測量工具是關鍵，選擇精確的測斜儀、方位工具和導向系統，以實時監測井眼位置和方向，確保井眼軌跡的精確控制。

3 高壓膏鹽層定向井鉆井液優化研究

3.1 密度控制

根據預測的高壓膏鹽層壓力范圍，通過調整鉆井液配方來控制密度，增加或減少重質物料的添加量，可以改變鉆井液的密度，利用高密度物料調整鉆井液的密度，以滿足膏鹽層的高壓力要求，在調整鉆井液密度的過程中，選擇合適的添加劑來提供所需的密度。常用的添加劑包括重晶石、鉀鹽、鋇鹽等，它們具有較高的密度，并且能夠在鉆井液中穩定懸浮，選擇合適的添加劑，使其與其他組分相容，并能夠在高壓環境下保持穩定性。密度控制劑是一種常用的鉆井液添加劑，可以在一定程度上調整鉆井液的密度，通過調整密度控制劑的添加量，可以精確控制鉆井液的密度，在膏鹽層鉆井中，使用密度控制劑可以實現精準的密度控制，以適應高壓力環境的需求。在鉆井過程中，實時監測鉆井液的密度，并及時進行調整，通過密度測量設備和實時數據傳輸系統，監測井下鉆井液的密度變化，如果密度偏離目標范圍，及時調整鉆井液配方或添加劑的使用量，以保持所需的密度控制。

3.2 抑制溶解和侵蝕

膏鹽層中溶解和侵蝕的程度通常與鉆井液的酸堿性有關，通過控制鉆井液的pH值，可以減少膏鹽層中的溶解和侵蝕，通常選擇堿性或中性的鉆井液來降低酸性對膏鹽層的腐蝕作用。針對膏鹽層的特殊性，可以選擇特殊的鉆井液體系來抑制溶解和侵蝕，例如針對含有鹽層的高壓環境，可以使用高密度的鉆井液來減少鹽層的溶解速率，并提供更好的井壁支撐。添加適當的清潔劑和保護劑可以幫助清除鉆井液中的鹽沉積物，并保護井壁免受溶解和侵蝕，這些化學品可以降低鹽層與鉆井液之間的反應，減少溶解和侵蝕的風險。

3.3 防止井眼坍塌

添加防塌劑來保護井壁，防止井眼坍塌，防塌劑可以增加鉆井液和井壁之間的粘附力，提供額外的井壁支撐。常用的防塌劑包括聚合物、碳酸鈣、硅酸鹽等，保持鉆井液的循環速度和壓力，確保井壁周圍的鉆井液形成穩定的泥層，提供井壁支撐力，良好的循環可以清除井眼底部的碎屑和雜質，減少井眼坍塌的可能性。

4 結論

綜上所述，我國部分地區的地層屬于高壓膏鹽層地層，在該種地層開展定向井鉆井作業的過程中，受到地質條件的影響，導致鉆井過程中的難點問題相對較多，需要從鉆井軌跡優化設計和鉆井液優化兩個角度出發，分別采取多項措施，以此保障高壓膏鹽層定向井鉆井作業安全高效進行。