作者简介:刘恒宇 工程师,1996年生,2024年毕业于西南石油大学地质资源与地质工程专业,硕士学位,现主要从事油气地质综合评价研究及管理工作。通信地址:610041 四川省成都市高新区天府大道12号。E-mail:liuhy_2024@petrochina.com.cn
为解决四川盆地蓬莱气田PX 101井深层超高压复杂井碳酸盐岩地层盲侧侧钻中难以定量控制井眼轨迹的难题,基于高精度元素分析技术,剖析岩屑与水泥塞体元素组成及判识元素,建立多元线性回归判识模型,实现了深层超高压复杂井盲侧侧钻的轨迹控制。研究表明:①地层岩屑与水泥塞体的特征判识元素为Mg、Si、Al、Ca、Fe;②基于特征判识元素,建立了多元线性回归模型计算侧钻系数,依据随钻侧钻系数,可实现多因素综合定量控制井眼轨迹变化。运用元素录井技术建立的多元线性回归模型,能定量评价盲侧侧钻过程中的岩屑占比、井眼轨迹变化及井眼稳定性,在PX 101深层超高压复杂井盲侧侧钻中取得了较好的应用效果。
In order to solve the problem that it is difficult to quantitatively control the wellbore trajectory in blind side-tracking of PX 101 deep ultra-high pressure complex well in carbonate formation in Penglai Gas Field,Sichuan Basin,this paper analyzes the element composition and identification elements of rock cuttings and cement plugs based on high-precision element analysis technology,establishes a multi-linear regression identification model,and realizes the trajectory control of blind side-tracking of deep ultra-high pressure complex well. The results show that:(1)The characteristic identification elements of formation cuttings and cement plugs are Mg,Si,Al,Ca,Fe;(2)Based on the characteristic identification elements,multi-linear regression is established to calculate the side-tracking coefficient. According to the side-tracking coefficient while drilling,multi-factor comprehensive quantitative control of the wellbore trajectory change can be realized. The multiple linear regression model established by element logging technique can quantitatively evaluate the proportion of cuttings,wellbore trajectory change and wellbore stability of blind side-tracking. This study has achieved good application effect in blind side-tracking of PX 101 deep ultra-high pressure complex well.
全球已发现的深层油气储量占世界总储量的40%[1], 我国深地领域探明总资源量达671× 108 t, 占近10年来新增探明储量的50%以上[2], 深层-超深层油气资源是未来油气增储上产的重要接替领域, 也是保障我国能源安全的必然选择[3, 4]。我国深层-超深层油气主要分布在四川盆地、塔里木盆地、渤海湾盆地等地区, 这些油气资源多具有埋藏深、层位多、高含硫、密度窗口窄、压力系统复杂等严苛的地质条件, 是地质与工程勘探开发技术面临挑战最大、井下事故复杂最多、难题最集中的区域[5, 6]。因此, 在深层-超深层钻进过程中, 事故与复杂情况频发, 常需对原井眼注入水泥塞开展侧钻施工。
元素录井以岩石地球化学为理论基础[7, 8], 通过X射线荧光光谱分析岩心或岩屑的元素组成, 从岩心或岩屑的元素含量、组合及变化特征[7, 8, 9, 10]出发, 开展岩性识别、地层划分、沉积环境分析、储层评价、井轨迹控制及地质导向[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]等方面的研究。
四川盆地蓬莱气田PX 101井上二叠统长兴组为深层超高压碳酸盐岩地层, 由于侧钻施工作业中在满足定向工具信号激活排量下泵压异常, 致使定向工具无法正常使用, 而依靠肉眼定性判断岩屑占比的方法误差较大, 难以精准确定地层岩屑占比、评价井眼稳定性及控制侧钻轨迹。鉴于侧钻施工钻遇的水泥塞体与地层岩屑的元素组成具有明显差异, 笔者利用元素录井分析技术, 剖析地层岩屑与水泥塞体的元素组成, 筛选特征判识元素, 建立多元线性回归模型计算侧钻系数, 从而定量指导PX 101井的盲侧侧钻施工。
四川盆地为上扬子克拉通基础上发展起来的叠合盆地, 盆地内部以断裂为界限分为川东高陡构造带、川南低陡构造带、川北低陡构造带、川中平缓构造带、川西南低陡构造带及川西低陡构造带6个一级构造带[18, 19]。晚二叠世-早三叠世早期, 受峨眉地裂运动影响, 盆地形成“ 三隆三凹” 的古地理格局, 自北向南依次发育城口-鄂西海槽、开江-梁平海槽及蓬溪-武胜台凹[20]。上二叠统长兴组在盆地内广泛发育, 厚度一般为50~150 m, 最厚达350 m, 岩性以生屑-砂屑灰岩、鲕粒灰岩、礁灰岩及泥晶灰岩等为主[4](图1)。
| 图1 四川盆地构造分区及长兴组地层综合柱状图(据文献[4]修改) |
PX 101井位于PS 10井区西南部, 构造上隶属于川中平缓构造带, 位于蓬溪-武胜台凹长兴组生物礁发育区(图1)。近年来, PS 10、PS 2等多口探井在长兴组测试获高产工业气流, 深层礁滩相天然气勘探开发效果显著, 展现出广阔的油气资源潜力和勘探开发前景, 成为目前四川盆地深层海相碳酸盐岩天然气高效立体勘探开发的重点层系和焦点领域。
采用CIT-3000 SY元素录井仪对PX 101井的钻屑样品进行测量, 可分析Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe等14种主量元素和Ni、Sr、Zr等20种微量元素。仪器原理:X射线作用于样品中元素的原子, 逐出原子内层电子, 当外层电子补充内层电子时, 会放出固有能量的特征X射线, 各种元素的原子受激发后, 在退激过程中放出不同能量强度的特征X射线, 而能量强度与元素含量成正比, 据此可对样品元素组成及含量进行定量分析[7, 8](图3a)。仪器检测流程:在真空环境下高压电源驱动X光管产生X射线照射至岩屑试样, 由检测器采集不同能量特征的X射线信号, 经放大器及多道脉冲分析器分析荧光光谱特征, 最后由计算机依据特征X射线的强度与不同元素含量(品位)成正比的关系, 定量输出钻屑样品中各元素含量(图3b)。
| 图3 元素录井原理及分析检测流程图(据文献[21]修改) |
本次研究样品均来自PX 101井钻井工程现场获取的新鲜钻屑, 钻屑捞获执行Q/SY 01128-2020《录井资料采集处理解释规范》标准, 元素录井仪的安装、校验以及样品制作和分析执行Q/SY 1862-2016《元素录井技术规范》标准。采样间距为1点/m与5点/m, 单个样品质量≥ 10 g。将样品置于研钵中研磨, 以150目样品筛筛选出直径≤ 0.1 mm的岩屑, 再用YP-15型压片机在20~30 MPa下保持30 s, 制成直径28 mm、厚2~3 mm的饼状压片样品, 每个样品分析时间为180 s。
PX 101井注塞水泥浆配方为:G级水泥+1.5%降失水剂+0.3%分散剂+0.5%稳定剂+44%水。
G级高抗硫酸盐油井水泥(HSR型)是一种API标准特种水泥, 各项成分含量均在GB/T 10238-2015《油井水泥》现行标准规定范围之内(表1)。对本井的水泥取样进行元素分析, 水泥元素组成以Fe、Ca、Si、Al、S为主(表2)。
| 表1 G级高抗硫酸盐油井水泥的化学成分含量 |
| 表2 PX 101井钻屑元素分析数据 |
基于PX 101井原井眼长兴组录井资料, 综合进行地层岩屑的碳酸盐岩成分含量分析、碳酸盐岩元素分析及镜下岩屑薄片特征观察, 明确原井眼长兴组井段5 624~5 692 m岩性为含白云质石灰岩、白云质石灰岩及白云岩, 矿物组成以方解石(CaCO3)与白云石(CaMg(CO3)2)为主, 地层岩屑元素组成以Ca、Mg为主(表2、图4)。
PX 101井长兴组地层岩屑与水泥塞样元素分析结果表明, 二者的Mg、Si、Al、Ca、Fe元素含量分布具有明显区分度, 地层岩屑的Mg、Ca元素含量较高, 水泥塞样的Fe、Si、Al元素含量较高, 而S元素含量区分度较差(图5), 推测受钻井液加重材料重晶石粉(BaSO4)的影响。因此, PX 101井的地层岩屑与水泥塞样的判识元素为Mg、Si、Al、Ca、Fe。
为了定量界定PX 101井盲侧侧钻过程中地层岩屑和水泥含量占比变化, 对PX 101井原井眼地层岩屑和水泥塞样元素含量特征进行数值分析。基于Mg、Si、Al、Ca、Fe多元特征元素, 定义侧钻系数为侧钻返出钻屑中地层岩屑的占比, 其值为0~1(岩屑占比100%的侧钻系数值为1, 水泥占比100%的侧钻系数值为0)。侧钻系数在0~0.5之间表明主要在水泥塞中钻进, 在0.5~1之间则表明主要在地层中钻进。侧钻系数增大表明具有向地层钻进的趋势, 侧钻系数降低表明具有向水泥塞体中钻进的趋势, 进一步引入多元线性回归方程定量计算侧钻系数。多元线性回归分析是一种基于自变量与因变量相关关系的数学分析方法, 在油气勘探开发领域应用广泛[22, 23]。
本次研究以钻屑Mg、Si、Al、Ca、Fe特征元素含量为自变量, 以侧钻系数为因变量, 建立PX 101井多元线性回归钻屑特征元素定量判识模型, 并对模型进行回归分析。模型如下:
C=0.447+0.057WMg-0.076WAl-0.061WSi+0.008WCa-0.011WFe 式中:C为侧钻系数; WMg、WAl、WSi、WCa、WFe依次为岩屑Mg、Al、Si、Ca、Fe元素含量, %。
依据模型拟合分析结果, 揭示因变量实际值与拟合值之间的拟合度, 本次研究的标准误差为0.050 371, 说明拟合程度良好; 复相关系数R值为0.995 211, 说明侧钻系数与各特征元素参数间呈显著正相关关系; 复测定系数R2值为0.990 446, 表明自变量可解释因变量变化的99.04%(表3)。得到回归方程后, 进一步对回归方程和回归系数开展显著性检验, F显著性统计量(Significance F)值为2.89× 10-94, 远小于显著性水平0.05(表4); 此外, 方程的回归系数均不为0, t统计值的P值(P-value)均小于显著性水平0.05, 表明特征元素参数与侧钻系数之间具有较好的线性相关性(表5), 回归方程效果显著。
| 表3 多元线性回归模型回归统计 |
| 表4 多元线性回归模型方差分析 |
| 表5 多元线性回归模型显著性检验评价 |
2025年1月, PX 101井钻至长兴组上部遭遇卡钻, 经处理后落鱼未能捞尽, 随即注水泥塞于裸眼中侧钻绕障落鱼。由于定向仪器无法使用, 盲侧侧钻难以控制井眼轨迹, 因此, 在侧钻施工中采用了高精度元素录井技术, 对随钻钻屑进行了高密度取样分析, 结合地层岩屑特征判识元素, 运用多元线性回归模型定量判断地层岩屑占比, 通过侧钻系数评价井眼稳定性及控制井身轨迹变化。
第一次侧钻(5 634~5 645 m):5 634~5 638 m井段侧钻系数介于0.03~0.11之间, 主要钻遇水泥塞; 5 639~5 641 m井段侧钻系数由0.03升至0.74, 由水泥塞体向地层钻进; 5 642~5 645 m井段侧钻系数由0.52降至0.03, 由地层向原井眼水泥塞钻进。整体上, 第一次侧钻钻遇一段水泥塞后, 逐渐向地层钻进, 但后续转向水泥塞钻进, 未能形成稳定新井眼(图6)。
第二次侧钻(5 640~5 652 m):下钻至5 640 m实施第二次侧钻(依据第一次侧钻侧钻系数高值段)。5 640~5 644 m井段侧钻系数由0.95升至1, 之后小幅降至0.88, 该段先逐渐向地层钻进, 后续已有向水泥塞钻进的趋势; 5 645~5 652 m井段侧钻系数由0.88降至0.25, 后升至0.35, 最后降至0, 由地层转向水泥塞方向钻进。整体上, 第二次侧钻初期主要向地层钻进, 但后续转向水泥塞钻进, 未能形成稳定的新井眼(图6)。
第三次侧钻(5 651~5 669 m):下钻至5 651 m实施第三次侧钻。5 651~5 667.80 m井段侧钻系数由0.03升至1, 由水泥塞向地层钻进, 并形成了一段稳定新井眼; 5 668~5 669 m井段侧钻系数由1陡降至0.01, 扭矩异常波动, 顶驱蹩跳严重, 同时Fe元素含量达到35.41%, 远超水泥塞Fe元素含量(表2), 结合打捞所确定的鱼顶位置为5 668.16 m, 表明该段钻遇原井眼落鱼。整体上, 第三次侧钻初期不断由水泥塞向地层钻进, 在地层中形成了稳定新井眼, 但因钻遇原井眼落鱼, 需对落鱼进行处置(图6)。
第四次侧钻(5 663~5 692 m):侧钻前在5 663~5 669 m井段采用3° 弯接头+直螺杆+巴拉斯钻头实施锥铣, 后采用1.5° 弯接头和PDC钻头下至5 669 m继续侧钻。侧钻系数由0.77升至1并保持稳定, 完全在地层中钻进, 各项参数正常, 成功绕过落鱼障碍。整体上, 第四次侧钻成功绕过落鱼, 在地层中形成了长段稳定的新井眼(图6)。
PX 101井侧钻测井解释结果表明, 侧钻井眼网格方位基本稳定(落鱼位置因受铁质磁性干扰出现异常波动), 轨迹变化主要为井斜变化。四臂井径测井可获取C13与C24两个方向的井径数据, 用以判断井眼尺寸变化:5 634~5 644 m为先微降斜后稳斜段, C13井径先微扩径后降至稳径, 该段由水泥塞体向地层方向钻进, 与侧钻系数先稳定低值后逐渐升至1的趋势一致; 5 644~5 655 m为扩径微增斜段, C13与C24均发生扩径, C24方向扩径明显, 井斜持续微增, 主要沿C24方向向水泥塞钻进, 与侧钻系数降至0.03的趋势一致; 5 655~5 667 m为先降斜后稳斜段, 由水泥塞向地层钻进, 与侧钻系数升至0.9的趋势一致; 5 667~5 670 m为扩径降斜段, C13方向大幅扩径并降斜明显, 与此处锥铣鱼头作业一致; 5 670~5 676 m为稳径降斜段, 主要在地层中钻进, 形成了稳定新井眼, 与侧钻系数稳定为1一致; 5 676~5 692 m为稳径稳斜段, 完全在地层中钻进, 形成了长段稳定新井眼, 与侧钻系数稳定为1一致(图7)。
(1)PX 101井地层岩屑与水泥样品的特征判识元素为Mg、Si、Al、Ca、Fe。
(2)基于特征判识元素, 建立了PX 101井多元线性回归模型, 可实现多因素综合定量控制井眼轨迹变化。
(3)利用侧钻系数定量获取岩屑占比、准确判断侧钻轨迹, 为侧钻施工决策提供依据。
(4)多元线性回归法在PX 101深层超高压复杂井侧钻恢复轨迹与测井解释具有较好吻合性, 也为类似具有导眼井地层岩性参考条件下的复杂井轨迹控制提供了一定的思路和经验。
编辑 陈娟
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