南海西部油田北部灣難鉆地層鉆井提速技術

黃凱文 徐一龍 李 磊 張 超 鹿傳世

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

南海西部油田北部灣難鉆地層鉆井提速技術

黃凱文 徐一龍 李 磊 張 超 鹿傳世

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

根據(jù)北部灣盆地地質特征和以往現(xiàn)場鉆井作業(yè)情況，分析了地層難鉆的原因，總結了南海西部油田在提高機械鉆速方面所做的探索和實踐，結合北部灣盆地近期多口鉆井的現(xiàn)場情況，提出了適用于北部灣盆地難鉆地層的提速對策，并開發(fā)了一種應對該難鉆地層的新型鉆頭，形成了一套北部灣難鉆地層鉆井提速技術?，F(xiàn)場實踐證明，應用該技術后，難鉆地層機械鉆速有較大幅度提高。該套鉆井提速技術對南海西部油田鉆井成本的控制具有十分重要的意義，也可為在類似地層進行鉆井作業(yè)的現(xiàn)場施工人員提供技術參考。

南海西部； 北部灣；難鉆地層； 強塑性地層； 強非均質性地層； 鉆井提速

南海西部油田的北部灣盆地位于海南島西北部，其下部的流沙港組二段、三段地層可鉆性差，機械鉆速慢，鉆頭磨損嚴重，進尺少，對鉆井時效影響很大。由于海洋鉆井費用異常昂貴（目前國內淺水半潛式鉆井平臺綜合費用約200萬元/d，自升式約150萬元/d［1］），需要進行嚴格的生產成本控制，由此推動了北部灣盆地難鉆地層鉆井提速技術的持續(xù)研究。

為提高北部灣盆地的機械鉆速，南海西部油田的現(xiàn)場作業(yè)人員先后嘗試了很多手段，但都沒起到很好的效果。近期，技術人員研發(fā)了一系列的鉆井提速技術，為南海西部油田北部灣盆地難鉆地層的鉆井提速指明了方向。

1 北部灣地層難鉆的原因分析

北部灣盆地地層自上而下分別為望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組、潿洲組、流沙港組、長流組。從隨機抽取的20口井的統(tǒng)計結果來看，潿洲組及其以上地層平均機械鉆速大于10 m/h，長流組平均機械鉆速5.5 m/h，只有流沙港組平均機械鉆速僅4.3 m/h。由于流沙港組機械鉆速低，導致單只鉆頭平均進尺不到120 m，這必然導致鉆井成本的增加［2］。

1.1 地層巖性

北部灣盆地的流沙港組二段、三段垂深2 700～3 400 m［3］，巖性情況為：流二段地層巖性以褐灰色泥頁巖為主，夾砂巖、細砂巖，含礫。其中泥巖含量大約占76.2%，砂巖含量大約占23.8%。在砂巖中鉆速較快，但是當鉆遇泥頁巖地層時，鉆速明顯變慢。由于流二段大部分地層是泥巖，總體來說，機械鉆速很慢。

流三段以含礫細砂巖、含礫中砂巖、砂礫巖、粉砂巖、細砂巖、與灰色泥巖呈不等厚互層，地層以泥巖為主，約占55%，砂巖約占29%，砂礫巖約占14%。根據(jù)微鉆頭模擬實驗，發(fā)現(xiàn)流三段的泥巖和砂礫巖很難鉆，鉆速很慢。

1.2 常規(guī)巖石力學分析

為了分析流沙港組地層巖石的特征，取10顆巖心進行巖石強度實驗和單軸強度模擬（限于篇幅，這里僅列出有代表性的1#巖心的曲線圖），并結合測井資料分析，認為北部灣盆地流沙港組泥巖具有以下巖石力學性質：

（1）抗壓強度。泥巖抗壓強度50～80 MPa，砂巖、砂礫巖抗壓強度80～120 MPa，總體上來說，屬于中等偏高［2-3］。

（2）可鉆性。流二段可鉆性級值高達7.3，流三段可鉆性級值5～6，總體來說可鉆性很差。

（3）塑性程度。流二段塑性系數(shù)達5，屬于高塑性地層，流三段塑性系數(shù)僅1～2，屬脆性地層。

（4）其他。流沙港組地層的研磨性僅1～2，屬于低研磨性地層，總體硬度為300～1 900 MPa，屬于中等硬度地層［4］。流三段地層非均質性極強，不同區(qū)域或者不同深度下的巖石力學差異很大。

從以上常規(guī)巖石力學分析結果來看，流二段塑性強，流三段非均質性強是機械鉆速慢的主要原因。

1.3 高圍壓下的巖石力學分析

利用MTS三軸巖石力學實驗儀器，對流沙港組的巖心進行不同圍壓的巖石力學分析，發(fā)現(xiàn)當圍壓增加時，其破壞強度、屈服應力及塑性都有較大幅度的增強。

圖1和圖2顯示了其中一塊巖心在15 MPa和30 MPa下的應力—應變曲線。從圖中可以看出，15 MPa圍壓下，巖心的屈服應力僅96 MPa，但當增加圍壓至30 MPa時，屈服應力增加至11 6MPa，且破壞曲線平緩很大，表明塑性程度也增強。

圖1 15 MPa圍壓下應力-應變曲線

圖2 35 MPa圍壓條件下應力應變曲線

高圍壓下巖石的相關力學性質變差是機械鉆速低的重要原因。

1.4 井底“壓持效應”分析

井底的巖石主要受靜液柱壓力和孔隙壓力的雙重作用，當靜液柱壓力大于孔隙壓力時，巖屑往往被較大的壓差壓在井底，這種現(xiàn)象被稱為“壓持效應”［5］。鉆井液密度越大 ，“壓持效應”越明顯?！皦撼中睍е戮椎膸r屑重復破碎和切削，嚴重影響井底清潔，導致機械鉆速降低［6］。

根據(jù)地層的井壁穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)流沙港組坍塌壓力為1.4 ～1.55 g/cm3，局部地層還有較高的孔隙壓力，這就在現(xiàn)場作業(yè)時，需要維持較高的鉆井液密度。

由于流沙港組的低滲透性特征，鉆井液不能及時進入地層裂紋，這種情況下的液柱壓力近似為井底壓力，“壓持效應”更加明顯，這也是塑性泥巖地層難鉆的原因。

在高密度鉆井液條件下，井底巖石處于很大的圍壓條件下。隨著鉆井液密度的增加，地層呈現(xiàn)較強的塑性，地層強度增加的幅度越大，這是北部灣難鉆地層機械鉆速低的一個重要原因［6］。

1.5 地層礦物組分分析

地層巖石的物理力學性質和礦物成分性質是實現(xiàn)科學快速鉆井的基礎數(shù)據(jù)，直接反映了巖石在外力作用下，從變形到破壞過程中表現(xiàn)出來的特性。

XRD是鑒定分析巖石（巖屑）晶體礦物應用最廣泛而有效的一種技術，特別是細分散的泥土礦物及其內部結構的分析，具有獨到之處。XRD不僅可以確定混層礦物的類型，還可以確定各混層礦物的比例，所定量測定的巖屑分散礦物是油氣鉆井設計與施工中不可缺少的礦物學基礎數(shù)據(jù)。鑒定分析是采用錄井巖屑作為樣品，鑒定分析巖屑的礦物成分和含量。表1為北部灣盆地所取部分井巖屑礦物組分分析結果。

表1 北部灣盆地部分井礦物X-射線衍射主要分析結果

①流一段局部地層菱鐵礦含量較高；②流二段泥巖中黏土礦物和非晶質礦物含量高；③流三段砂巖以石英和黏土礦物為主。

由于這些礦物成分的存在，會進一步導致機械鉆速的降低。

1.6 鉆頭因素

（1）破巖機理。PDC鉆頭在一些均質性較強的地層往往以剪切破壞為主，但在非均質性，夾層頻繁和砂礫含量較多的地層往往以沖擊破巖為主。

PDC鉆頭在流沙港組的破巖機理來看，流二段92.5%的地層屬于剪切破巖，僅7.5%屬于沖擊破巖，因此地層對鉆頭的沖擊性很?。涣魅蝺H75%的地層屬于剪切破巖，沖擊破巖占25%，因此地層對鉆頭的沖擊很大。

（2）地層特征對鉆頭的破壞。從軟地層進入硬地層時，冠頂上切削齒鉆壓、扭矩不斷增加，容易發(fā)生壓碎、崩斷等損壞，引起鉆頭先期損壞。重新鉆入軟地層時，冠頂切削齒鉆壓、扭矩減少，其他部位切削齒鉆壓、扭矩有所增加，造成部分齒發(fā)生壓碎、崩斷等損壞。同時硬地層中的高鉆壓在軟地層中沒有及時降下來，切削齒在軟地層中易過大切入，使切削齒扭矩過大，導致切削齒掰斷。同時鉆頭整體受力嚴重不均，可能會造成鉆頭的偏移。

因地層中分布有不同粒度、形狀的礫石，使鉆頭的受力更加復雜，最容易受到損壞的部位是鉆頭冠部和側翼，容易發(fā)生齒的崩損甚至刀翼折斷，層間的巖性變化越大對鉆頭損壞也越大。

2 鉆井提速實踐

2.1 增加鉆壓

通過對 WZ11-2-2、WZ11-7-1、WZ12-2-3 井的鉆壓—鉆速情況進行分析，發(fā)現(xiàn)其變化特征如圖3所示。在砂巖段提高鉆壓，機械鉆速較明顯；在泥巖段提高鉆壓，機械鉆速的提高并不顯著；在泥質粉砂巖內提高鉆壓，效果最差。由于流沙港組的砂巖含量很低，總體上來說，提高鉆壓并未起到良好的效果。

圖3 鉆壓與機械鉆速的關系

2.2 增加頂驅轉速

通過對 WZ11-2-2、WZ11-7-1、WZ12-2-3 井的頂驅轉速—鉆速情況進行分析，發(fā)現(xiàn)頂驅轉速的提高確實可以在一定程度上提高機械鉆速，但是提高的幅度非常小，沒有較好的效果，見圖4。

圖4 頂驅轉速與機械鉆速的關系

2.3 適當降低鉆井液密度

根據(jù)巖石破碎機理分析，鉆井液密度的降低有利于提高機械鉆速，但從流沙港組的井壁穩(wěn)定分析結果來看，地層的坍塌壓力普遍偏高，坍塌壓力比地層壓力高大約0.2 g/cm3。這說明，利用降低鉆井液密度來提高機械鉆速的方法是行不通的。

除了以上方法外，施工人員還嘗試過提高排量、降低鉆井液的固相含量等方法、更換較高攻擊性或者較高沖擊性的鉆頭，但是都沒有起到較好的效果。

3 提速對策

（1）對于泥巖地層，提高鉆頭的攻擊性，可顯著提高鉆速，但是需要兼顧地層的抗沖擊性，適當提高鉆頭的壽命。

（2）對于脆性的砂巖，提高鉆壓，機械鉆速增加明顯，但鉆頭磨損較嚴重；對于呈塑性的泥巖地層，增加鉆壓，牙齒在泥巖內發(fā)生滑動，不易吃入，效果不明顯。

（3）小幅度地提高轉速，PDC鉆頭破巖效率增大，但并不能起到良好效果，可以考慮在均質性稍好的流二段使用大幅度增加轉速的工具。在非均質性強、軟硬及砂礫巖夾層較多的流三段，不宜采用較高鉆壓和轉速。

（4）從現(xiàn)場施工情況來看，鉆遇流沙港組的鉆頭經常有泥包現(xiàn)場發(fā)生，這表明，在優(yōu)化鉆頭切削結構的同時，還應該進行水力優(yōu)化。

4 新型鉆頭的設計

總結北部灣盆地已鉆井的鉆頭使用情況，并結合流二、流三地層的提速對策，認為應該從增加復合片強度、增加鉆頭穩(wěn)定性、優(yōu)化冠部形狀和水力結構方面來改進鉆頭結構才能有效提速。

根據(jù)前面的分析認為優(yōu)化的鉆頭應該在保證較高攻擊性的同時，鉆頭應具有足夠的抗沖擊、抗研磨的能力，同時需要鉆頭具備防泥包，適合塑性泥巖地層的冠部結構與布齒設計。綜合前面分析結果，設計了適用于流沙港段地層的新型鉆頭：?215.9mm-ST935RS。

該新型鉆頭的外部特征為：五刀翼，3個長刀翼和2個短刀翼，環(huán)繞鉆頭體中心分布，分布角度為0°、79°、155°、229°、295°；28 個主切削齒，直徑為19mm，在刀翼上的分布數(shù)目依次為7、4、6、6、5，按與鉆頭體中心的距離由近到遠排列，齒的后傾角從15°開始以0.3°階梯遞增至23.1°；508 mm標準保徑，在刀翼前端各分布1個噴嘴。

圖5 舊?215.9 mm-ST935RS與新型?215.9 mm-ST935RS

舊?215.9 mm-ST935RS鉆頭與新型?215.9 mm-ST935RS鉆頭對比見圖5，新型鉆頭具有以下優(yōu)勢：

（1）該鉆頭主要是針對流沙港組地層設計的，采用了強攻擊性設計，采用了楔形刀翼，相對常規(guī)鉆頭降低了切削齒后傾角，增大了鉆頭攻擊性，確保鉆頭能夠很好地吃入泥巖地層。

（2）取消了齒托及減振節(jié)設計，進一步增強鉆頭攻擊性。

（3）進行了井底流場模擬和水力參數(shù)優(yōu)化設計，保證鉆頭具有良好的排屑和防泥包性能，提高機械鉆速。

（4）采用進口的新型焊材QAg-N和專用焊劑，改進釬焊工藝，釬焊強度得到了19%的提升，剪切力從170 MPa提升到200 MPa，增強固齒能力。

（5）改變浸漬合金成分，用某元素替代010合金中的Sn元素，再加入稀土合金，材料的屈服強度提高了23%，沖擊功提高了52.3%。鉆頭的刀翼強度得到了有效的保障。

5 現(xiàn)場應用

將新設計的鉆頭在北部灣盆地進行現(xiàn)場應用，取得了良好的效果。WZ11-1-A8井?215.9 mm井段共使用4只PDC鉆頭，平均單只鉆頭進尺154.5 m，平均機械鉆速為7.10 m/h，A8S1井新型?215.9 mm-ST935RS（系列號：212160）一只鉆頭鉆完?215.9 mm井段，單只鉆頭平均機械鉆速提高了35%，進尺比同區(qū)塊同井段提高了68%，且鉆頭無碎齒、斷齒及泥包現(xiàn)象，鉆頭外排齒有一定的磨損，無碎齒、斷齒及泥包現(xiàn)象。

6 結論與建議

（1）流沙港組地層鉆井液密度高，井底壓持力大，地層巖石塑性增強，巖石強度大幅度增加是機械鉆速低的根本原因。

（2）新型?215.9 mm-ST935RS鉆頭在鉆頭冠部設計、布齒密度、水力設計等多方面進行優(yōu)化，可以較大幅度地提高鉆頭的攻擊性和使用壽命，如果在流二段配合動力鉆具大幅度提高轉速，能大幅度提高機械鉆速。

（3）該新型鉆頭還能克服潿洲組地層的抗鉆特征，建議進行進一步的優(yōu)化，爭取達到“一只鉆頭打到底”的效果。

［1］ 邵詩軍，牟小軍， 婁來柱，等. 半潛式鉆井平臺在惡劣海況下的一開技術［J］. 石油鉆采工藝，2010， 32（3）：1-5.

［2］ 謝玉洪， 黃凱文， 余洪驥.北部灣盆地易塌地層鉆井技術［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：115-119.

［3］ 劉向君，羅平亞. 巖石力學與石油工程［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2006：48-50，118-121.

［4］ YAMAMOTO K, SHIOYA Y, URYU N.Discrete element approach for the wellbore instability of laminated and fissured rocks［R］. SPE/ISRM 78181, 2002

［5］ 楊永印， 沈忠厚， 王瑞和.低壓脈沖射流井底欠平衡鉆井提高鉆速機理分析［J］.石油鉆探技術，2002， 30（5）：15-16.

［6］ 孫金聲，楊宇平，安樹明，等.提高機械鉆速的鉆井液理論與技術研究［J］. 鉆井液與完井液.2009， 26（2）：1-5.

（修改稿收到日期 2013-06-07）

ROP acceleration technology for poor drillability formation at Beibuwan Basin in the west of South China Sea Oilfield

HUANG Kaiwen, XU Yilong, LI Lei, ZHANG Chao, LU Chuanshi
（Zhanjiang Branch of CNOOC Limited,Zhanjiang524057,China）

According to the analysis on the geology characteristics and drilling history of Beibuwan Basin in the west of South China Sea, the paper analyzed the reasons for poor dillability, and summarized the exploration and practice in ROP acceleration technology in the west of South China Sea. Combined with the experiences acquired from several newly drilled wells in Beibuwan Basin,a ROP acceleration strategy which is suitable for the poor drillability formation in this basin was introduced, meanwhile a new type of bit was developed to deal with these formations, therefore a set of ROP acceleration technology for Beibuwan poor drllability formation was formed. Field experience witnessed the significant improvement of ROP in poor drillability formation in Beibuwan Basin. This new technology has played a striking role in drilling cost control in the west of South China Sea, and can be a good reference for field drilling job on similar type of formations.

west of South China Sea; Beibuwan Basin; poor drillability formation; high plastic formation; high heterogeneity formation; ROP acceleration

黃凱文，徐一龍，李磊，等. 南海西部油田北部灣難鉆地層鉆井提速技術［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：20-23，28.

TE22

：A

1000–7393（2013） 05–0020–04

黃凱文，1964年生。1988畢業(yè)于中國石油大學（華東）鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋鉆完井工藝的研究工作，首席工程師。電話：0759-3909716。E-mail：huangkw@cnooc.com.cn。

〔編輯 薛改珍〕