【正文】 復雜鉆井工藝技術(shù)第一章 復雜鉆井技術(shù)石油鉆井工作者的目標在地下，工作對象是地層巖石、流體和構(gòu)造。它們在形成、發(fā)育過程中，由于受多種因素和條件的影響，使得地下的地質(zhì)情況發(fā)生不同的變異，出現(xiàn)不同的復雜的地質(zhì)情況。比如出現(xiàn)可鉆性極差的研磨性地層，能產(chǎn)生塑性移動的石膏鹽巖地層，異常低壓的漏失層，異常高壓的高壓、高產(chǎn)、含硫油氣藏，破碎的垮塌地層，地層傾角很大的高陡構(gòu)造等等，這些都給鉆井工作帶來極大的麻煩。石油鉆井工程即使在一般地區(qū)，它也是一個高風險、高投入、技術(shù)密集、資金密集的系統(tǒng)工程。在復雜地質(zhì)情況下的鉆井工程更是一個具有更大風險的隱蔽工程。為了提高在復雜地質(zhì)條件下鉆井的鉆井速度，避免和減少可能發(fā)生的鉆井復雜情況和事故，提高鉆井技術(shù)和經(jīng)濟指標，完成鉆探目的，有必要特別對復雜鉆井施工工藝技術(shù)進行討論和研究。第一節(jié) 高壓油氣藏鉆井技術(shù)地層壓力是指地層巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱地層孔隙壓力。沒有孔隙或沒有流體也就不會有地層壓力。在鉆井中，常常會遇到實際的地層壓力大于或小于正常地層壓力的現(xiàn)象。這里談的主要是異常高壓這種情況，并著重研究我們感興趣的高壓油氣藏和高壓油氣藏的鉆井技術(shù)。一、高壓油氣藏的地質(zhì)特點高壓油氣藏的定義1）地層壓力系數(shù)原始地層壓力系數(shù)定義為：實際測量獲得的原始地層壓力值與同深度靜水壓力值的比值。地層壓力系數(shù)是無量值單位。 g/cm3的淡水來計算靜水壓力。2）異常高壓當?shù)貙訅毫Φ陀诨虺^靜水壓力則可稱為異常地層壓力。高于靜水壓力即為異常高壓。異常高壓與石油鉆井行業(yè)一般意義上高壓有完全不同的含義。3）地層壓力等級的習慣劃分目前對地層壓力等級的劃分尚未有統(tǒng)一的明確的標準。應(yīng)用我國石油工業(yè)的習慣用語，一般將地層壓力分為四個級別。（1）正常地層壓力，稱為正常地層壓力。（2）中等地層壓力，稱為中等地層壓力。（3）高壓地層壓力，稱為高壓地層壓力。（4）超高壓地層壓力，稱為超高壓地層壓力。4）高壓油氣藏的定義（1）習慣上的稱謂習慣上，一般將最高原始地層壓力系數(shù)將近、。將最高原始地層壓力壓力系數(shù)將近、。（2）按油氣層地層的絕對值劃分有一些油田和地區(qū)根據(jù)油氣井最高地層壓力的絕對值來劃分油氣井的壓力等級。一般將設(shè)計的或?qū)嶋H的井口最高關(guān)井壓力達到、超過或接近35MPa壓力的油氣井稱為高壓油氣井。將設(shè)計的或?qū)嶋H的井口最高關(guān)井壓力達到、超過或接近70MPa壓力的油氣井稱為超高壓油氣井。而將有這類井的油氣藏稱為高壓油氣藏或超高壓油氣藏。5）高壓油氣藏的典型例子（1）準噶爾盆地新疆準噶爾盆地腹部井深5000m左右的井。在盆地南緣山前帶的獨1井完鉆井深3135m。（2）四川盆地四川盆地西北部三疊系須家河組的井，井深為4000m左右。完鉆井口關(guān)井壓力許多井都超過70MPa，文4井關(guān)井井口壓力達76MPa。1985年完鉆的龍4井井深6026m，完井試油測試完關(guān)井，壓力還在繼續(xù)上升，被迫放噴。1976年完鉆的關(guān)基井井深7175m，完井試油測試完后不敢關(guān)井，立即進行壓井，關(guān)井至今。（3）塔里木盆地塔里木盆地北緣山前帶下部為多套高壓含氣鹽水層及高壓氣層，氣層壓力最高達132MPa。高壓油氣藏的成因 異常高壓的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果，這些因素與地質(zhì)作用構(gòu)造作用和沉積速度等有關(guān)。一般可分為沉積型異常高壓和構(gòu)造型異常高壓。1）沉積型異常高壓（1）正常地層壓力的形成在正常的沉積環(huán)境下，隨著地層上的沉積物的不斷增加，下邊的巖層逐漸被壓實，巖石孔隙度減少，孔隙中過剩的流體被擠出。如果是開放的地質(zhì)環(huán)境，通道比較暢通，地層就保持正常的靜水柱壓力，地層壓力表現(xiàn)為正常的地層壓力。（2）異常高壓地層壓力的形成如果出現(xiàn)快速沉降，上邊沉積負荷增加太快，下邊巖層孔隙內(nèi)流體排流不暢，同時，巖層沒有得到很好的壓實，承受上覆巖層的能力有限。這樣，孔隙中的流體將代替巖石骨架，部分地支撐本來應(yīng)由巖石顆粒所支撐的那部分上覆壓力，從而導致孔隙間流體壓力增加，并產(chǎn)生異常高的流體壓力。（3）不同形式的沉積型異常高壓按照異常高壓形成的地質(zhì)環(huán)境，以及高壓層系的巖性特征，沉積型異常高壓又可分為以下兩種沉積型高壓異常：① 快速沉積、并以砂泥巖為主的異常高壓。② 快速成巖、并以碳酸鹽層系為主的異常高壓。（4）異常高壓帶當異常高壓不是作為一種偶然現(xiàn)象，而是在沉積盆地深部呈現(xiàn)為區(qū)城性的分布，橫向上可以連綿數(shù)十到幾百Km，縱向上貫穿幾百到幾Km深地層，在平面上和空間上都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，這就稱為異常高壓帶。我國沿海第三系盆地各主要三角洲系統(tǒng)沉積層、準噶爾盆地腹地的高壓地層、四川盆地腹部侏羅系地層，都屬于砂泥巖沉積型異常高壓地層。四川盆地部分地區(qū)三疊系、二疊系的高壓層則屬于快速成巖的碳酸鹽巖沉積型異常高壓地層。（5）巨厚砂巖沉積的異常高壓顯示在同一個連通好的砂巖層段，其地層壓力應(yīng)是基本一致的。由于液柱和被壓縮了的氣柱的存在，油氣顯示段頂部的壓力和底部的壓力是不一樣的，其差值即為在壓縮狀態(tài)下的油氣顯示段段長液柱壓力和氣柱壓力。因此，我們常說的油氣層壓力都是特指油氣層中部的地層壓力。在薄的砂巖顯示段，這個差值可以忽略不計。但在巨厚砂巖顯示層，頂部的壓力值和底部的壓力值差異是很大的。在巨厚砂巖層頂部往往就出現(xiàn)異常高壓。在山東東營凹陷漸新統(tǒng)沙河街組砂巖體生油層可達1900m，其連續(xù)厚度可達5001000m以上。其油層頂部的地層壓力和油層底部的地層壓力相差是很大的。油層頂部的地層壓力顯示的就是異常高壓。2）構(gòu)造型異常高壓（1）構(gòu)造運動使應(yīng)力積累由于地殼運動引起的斷層、褶皺、斜向滑動與斷塊下落等構(gòu)造運動的作用，儲集空間被擠壓，應(yīng)力被積累，從而在深層形成異常高壓。（2）油氣帶壓上移應(yīng)力通過深斷裂從受力較大的盆地邊緣向盆地內(nèi)傳遞，從深層向淺層發(fā)展，從面在盆地內(nèi)部和淺層形成異常高壓。四川盆地東部和東北部（以下簡稱川東地區(qū)）以北東向斷褶構(gòu)造為主，并有北西向和南北向隱伏的基底斷裂穿插其間，隱伏斷層在平面上互相交切，形成互相分隔的獨立的應(yīng)力積累區(qū)和應(yīng)力釋放區(qū)。出現(xiàn)常壓區(qū)、中壓區(qū)、高壓區(qū)及超高壓區(qū)。在縱向上不同含氣層系地層壓力出現(xiàn)異常壓力錯綜復雜的局面。從侏羅系重慶統(tǒng)到石炭系可以分出4個壓力差異很大的壓力帶，即從重慶統(tǒng)到須家河的淺層近靜水柱的漏失帶；；在中下部三、二疊系氣藏均屬異常（）到超高壓（壓力系數(shù)）；而底部下覆的中石炭系氣藏的壓力系數(shù)則接近正常到中等壓力（）。3）碳酸鹽巖型異常高壓有學者以四川盆地為例，在一般的異常高壓分類 “沉積型”異常高壓和“構(gòu)造型”異常高壓之外，提出一個“碳酸鹽巖型”異常高壓。認為，四川盆地在侏羅系沉積末期，二疊系陽新統(tǒng)生物灰?guī)r中所富含的有機質(zhì)已從成油進而裂解為天然氣，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積發(fā)生巨大變化。由于當時儲集空間有很，而形成的氣量又極為巨大，故生成的氣體處于較高的壓力狀態(tài)。造山運動使地層強列褶皺，在受力較強的部位產(chǎn)生裂縫，高壓天然氣不斷向“縫洞體”運移富集。由于受力差異，裂縫發(fā)育程度不同，就出現(xiàn)兩種不同的產(chǎn)出狀況。（1）構(gòu)造受力強，裂縫發(fā)育，壓力不很高的大產(chǎn)量、大儲量的高產(chǎn)區(qū)。（2）構(gòu)造受力較弱，裂縫不太發(fā)育，但地層壓力較高的過渡帶環(huán)境。碳酸鹽巖型異常高壓受裂縫影響很大，規(guī)律性較差。四川盆地常出現(xiàn)在大氣井附近出現(xiàn)干井，在小氣井旁邊出大氣的情況。川南鹿角場構(gòu)造高部位鉆探的鹿1井為干井，但相距僅9000m的鹿3井（在斷層附近）初噴氣量競達915104m3/d。104m3/d，該井因油套管問題暫閉后，距其900m另打的一口接替井新853井竟未獲氣。高壓油氣藏的特點1）沉積型高壓油氣藏異常高壓分布有一定規(guī)律性快速沉積型異常高壓帶常呈現(xiàn)為區(qū)域性展布。橫向上可連綿數(shù)十到幾百Km，縱向上貫穿幾百到幾Km地層，在平面上和縱向上都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。毗鄰大陸（古地理）邊緣的中新生代快速細粒碎屑沉積盆地內(nèi)，異常高壓帶的起始深度一般為4000m，也有淺到3000m左右。2）構(gòu)造型高壓油氣藏異常高壓分布規(guī)律性差（1）橫向上同一層段地層壓力差異大在不同的構(gòu)造區(qū)、不同的局部構(gòu)造的儲層內(nèi)流體原始地層壓力差異極大。壓力系數(shù)變化最高可達1倍以上。以四川盆地二疊系陽新統(tǒng)氣藏為例。據(jù)四川盆地陽新統(tǒng)測試所獲290井的原始地層壓力統(tǒng)計，%，%，%。川南地區(qū)東部的合江構(gòu)造。值得注意的是，即使在同一地區(qū)乃至同一局部構(gòu)造，原始地層壓力也可以有很大差異。，兩井深度僅差450m。四川盆地三疊系各氣藏原始地層壓力同樣出現(xiàn)復雜的變化。川南黃瓜山構(gòu)造嘉陵江一段氣藏5口井各具不同的壓力系數(shù)。（2）縱向上地層壓力變化劇烈構(gòu)造型異常高壓油氣藏，由于它的形成機理決定了它縱向上原始地層壓力系統(tǒng)不會是隨深度而增加，很難用一個固定的地層壓力縱向分布模式，去描述它們在不同區(qū)域、不同層系、不同局部構(gòu)造、不同構(gòu)造部位的變化規(guī)律。已知區(qū)域的規(guī)律很難確定用于未知區(qū)；一個氣藏的壓力系統(tǒng)分布特點，不一定適用于其它氣藏。這口井壓力系數(shù)的縱向分布很可能在附近井就是另一種模樣。四川盆地含油氣層的重要特征就是縱向上多產(chǎn)層、多壓力系統(tǒng)，產(chǎn)出狀況差異很大。此種現(xiàn)象在川東高陡構(gòu)造上表現(xiàn)尤為突出。二、高壓油氣藏鉆井技術(shù)高壓油氣藏的形成決定了高壓油氣藏的地質(zhì)特點。了解了高壓油氣藏的地質(zhì)特點，自然也就會聯(lián)想到高壓油氣藏鉆井的難點。只有知道了高壓油氣藏鉆井的難點，我們便可想法采取一些特殊的鉆井技術(shù)措施，以使我們在高壓油氣藏的鉆井工作更主動一些。高壓油氣藏鉆井的主要難點1）鉆井工藝較復雜，施工難度大（1）井身結(jié)構(gòu)復雜，開鉆次數(shù)多由于高壓油氣藏多具產(chǎn)層多、壓力高、多壓力系統(tǒng)、地層壓力規(guī)律性差等特點，故在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮的套管層次就比較多。套管層次多，開鉆次數(shù)也就必然多，開鉆次數(shù)一多，又引起固井、電測次數(shù)的增多，以及井口裝置、鉆頭、鉆具、鉆井液體系的頻繁倒換。使得正常的鉆井工作無法正常持久的進行，一些鉆井新工藝、新技術(shù)無法正常地開展。一些井在鉆進中，在同一個裸眼井段中，常常會遇到預料之外的壓力梯度很大的多個顯示層，在采用常規(guī)的處理方法無效時，又不得不提前下入套管進行封隔，這又給下步鉆井帶來麻煩。（2）鉆井液配制維護處理難高壓油氣藏鉆井與高密度鉆井液是緊密相關(guān)的，為了平衡地層壓力常常不得不使用密度非常高的鉆井液。由于使用了高密度鉆井液，由此又引發(fā)了對鉆井液的粘度、失水、泥餅、PH值、含砂、摩阻系數(shù)、靜切力、固體含量、膨潤土含量等性能的嚴格要求。為了保證在高密度鉆井液條件下的安全鉆進，就必須要始終保持鉆井液的優(yōu)良性能，而要做到這一點難度是相當大的。同低密度鉆井液不同的是，高密度鉆井液性能的相互依存性和相互干擾性比較大，某一個性能的改變，都會引起其它性能的改變。因此，高密度鉆井液的處理事先要經(jīng)過處理方案的研究、篩選，選定后要做室內(nèi)試驗，成功后，選擇合理的處理時間（比如新鉆頭入井開始正常鉆進后），用較長的循環(huán)周進行處理，處理后還要進行性能監(jiān)測和處理效果觀察等。這一切都是很費心費時費力的。有人說，處理低密度鉆井液再復雜、工作量再大都大不到那里去；處理高密度鉆井液再簡單都不簡單，都是個大事，就是這個道理。（3）井控標準高危險大① 井控裝置標準高要求嚴鉆高壓油氣井對井控裝置的壓力等級要求高，配置齊全，對以防噴器為主的井口防噴裝置、以鉆桿回壓閥和旋塞閥為主的內(nèi)防噴器裝置、以節(jié)流管匯為主的防噴放噴裝置、以液面報警器為主的油氣監(jiān)測裝置等都有嚴格的要求和標準。川西北龍16井、龍17井安裝使用TF508—105MPa套管頭，F(xiàn)S28—105四通，2FZ28—105雙閘板防噴器，ZC28—105剪切閘板，F(xiàn)Z28—105單閘板防噴器，F(xiàn)H28—35/70環(huán)行防噴器，JG—Y1—S1—105節(jié)流管匯和YG—105壓井管匯等。完井安裝型號為KQ65—104MPa的采油樹。② 平衡壓力鉆井難以開展井控技術(shù)實際上就是平衡壓力鉆井技術(shù)。高壓油氣藏的井一般都比較深，使用高密度鉆井液鉆進的井段都比較長，高低壓力系數(shù)常常同時存在。有的區(qū)塊產(chǎn)層橫向和縱向壓力梯度差異都很大。川東臥88井和臥111井是同一井場同一產(chǎn)層所鉆的兩口井。而兩井底位移僅相差10m。平衡壓力鉆井是井控工作的基礎(chǔ)。當一個裸眼井段內(nèi)出現(xiàn)壓力梯度相差甚大的顯示段時，平衡壓力鉆井就很難進行。川東黃龍4井在鉆開嘉二段發(fā)生井涌，因此時裸眼段有4個不同壓力系統(tǒng)（相鄰兩層最高壓差達27MPa）的層位同存，反復堵漏中幾次卡鉆。川西北中深1井（）、龍4井（6026m）都使用高密度鉆井液()在氣層中鉆進，都因井下有數(shù)個壓力梯度各不相同的顯示層，在鉆進中就出現(xiàn)這樣的情況：正常鉆進循環(huán)后準備起鉆，停泵后即外溢，只好將密度提高后才起鉆。下鉆完開泵循環(huán)即井漏，只好又將密度調(diào)下來再鉆進。分析原因為：起鉆時停止循環(huán)后，施加于地層的壓力減少了一個循環(huán)壓力（），地層稍高一些的顯示層失去平衡，故發(fā)生溢流，加重后彌補了壓力損失，剛好能平衡該地層壓力。而下鉆完完循環(huán)，在新建立的平衡關(guān)系上又增加了循環(huán)壓力，而導致地層壓力梯度稍低一些顯示層發(fā)生漏失，只好降低密度重新找回平衡。由于這樣來回折騰，使得鉆井工作顯得十分被動。③ 發(fā)生溢流或井噴后處理的難度大在高壓油氣層中鉆進，溢流顯示來得快、烈度大。據(jù)四川一百多井次資料統(tǒng)計，從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴的間隔時間，小于三十分鐘的占三分之二，其中一半在十分鐘以內(nèi)，且來勢兇猛，容易失控。許多井發(fā)現(xiàn)溢流后關(guān)井，壓力升得很快，關(guān)井壓力很高，給壓井工作帶來很大困難，很難重建井內(nèi)壓力平衡。有的井關(guān)井壓力達到或超過最高允許關(guān)井套壓值，只好卸壓，卸壓又帶來更高的套壓，最后只好放噴。龍4井于1983年6月27日鉆至井深6006m進入目的層茅口組17m，見氣侵，準備起鉆電測。，起鉆時發(fā)現(xiàn)鉆井液外溢，起至井深4804m發(fā)生強烈井噴。關(guān)井套壓上升至36MPa，立壓30MPa，立即開二條管線放噴。6月29日井口鉆桿氫脆斷成3截掉井。壓井、倒扣、側(cè)銑處理至1984年4月15日無進展。后從井深4433m側(cè)鉆。先后歷時一年另八個月。（4）鉆井速度慢在低密度的情況下，機械鉆速會隨鉆井液密度（主要是固相含量的影響）的升高而急劇降低。在高