東海深井高溫高壓低孔滲儲(chǔ)層鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用

張海山

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200030）

東海深井高溫高壓低孔滲儲(chǔ)層鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用

張海山

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200030）

隨著近年?yáng)|?？碧焦ぷ髁康难杆僭黾?，鉆井深度越來(lái)越深，面臨著深層高溫高壓低孔滲地層鉆井的一些重大技術(shù)難題。針對(duì)遇到的難題，分析研究了鉆井技術(shù)和工藝，主要包括深部復(fù)雜壓力體系井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、構(gòu)建儲(chǔ)層保護(hù)和井壁穩(wěn)定性能良好的低自由水鉆井液體系、高壓低孔滲儲(chǔ)層防氣竄固井工藝技術(shù)、分井段鉆井提速配套技術(shù)。研究成果應(yīng)用表明，該套技術(shù)較好地解決了鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，保護(hù)了儲(chǔ)層，提高了時(shí)效，滿(mǎn)足了產(chǎn)能測(cè)試的要求。

深井；高溫高壓；低孔低滲；鉆井

近年來(lái)東?？碧阶鳂I(yè)量迅速增加，鉆井深度越來(lái)越深，面臨著高溫高壓低孔滲儲(chǔ)層鉆井作業(yè)的一系列重大技術(shù)難題。東海低孔滲儲(chǔ)層埋藏深、溫度高、可鉆性差、壓力體系復(fù)雜。2012年鉆井的平均井深已達(dá)到4 849 m，井底溫度達(dá)到160℃以上。地層常出現(xiàn)井壁垮塌、井徑擴(kuò)大、起下鉆困難、電測(cè)遇阻等復(fù)雜情況，影響取全取準(zhǔn)地質(zhì)資料。為了安全、優(yōu)質(zhì)、快速地鉆井作業(yè)，根據(jù)東海地層特點(diǎn)，深入分析影響鉆井作業(yè)的主要因素，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型鉆井液體系、固井技術(shù)工藝優(yōu)化、

在鉆井提速配套技術(shù)等關(guān)鍵方面，形成了一套東海深井高溫高壓低孔滲儲(chǔ)層鉆井技術(shù)，解決了鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

1 主要難點(diǎn)

1.1 儲(chǔ)集層巖性復(fù)雜，井壁易失穩(wěn)

東海平湖組儲(chǔ)集層為砂巖，以中砂巖為主，細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖次之，砂泥巖互層夾雜煤層。煤層存在多、薄、散、廣的分布特征，鉆井過(guò)程中井壁易分散垮塌，致使起鉆時(shí)倒劃眼頻繁，下套管作業(yè)時(shí)遇阻卡，電測(cè)作業(yè)常因煤層垮塌沉砂過(guò)多而下不到底，嚴(yán)重影響了安全鉆井、作業(yè)時(shí)效和資料錄取。

1.2 井身結(jié)構(gòu)難以有效封隔特殊地層

隨著井深的不斷加深，以往的井身結(jié)構(gòu)難以有效封隔常規(guī)孔滲層與低滲層、常規(guī)壓力層與高壓層[1]。東海地區(qū)一般在垂深3 800 m左右進(jìn)入高壓井段后，壓力、溫度變化間距小，200 ～ 400 m之間發(fā)生臺(tái)階性變化，以前的井身結(jié)構(gòu)，無(wú)法有效封隔特殊地層。

1.3 鉆井液穩(wěn)定井壁能力不足

東海探井鉆井作業(yè)復(fù)雜情況主要體現(xiàn)在12-1/4″井眼井徑不規(guī)則，易垮塌，起下鉆困難，頻繁遇阻、憋壓憋扭矩；8-1/2″井眼電測(cè)遇阻遇卡。泥巖地層和煤夾層出現(xiàn)井眼擴(kuò)徑現(xiàn)象，由泥巖水化和煤夾層掉塊引起；也存在井眼縮徑現(xiàn)象，主要原因是：（1）砂巖地層和砂泥巖互層中的泥巖水化膨脹；（2）鉆井液密度未能平衡地層壓力；（3）高溫泥餅虛厚造成深部井眼縮徑。

1.4 深部高壓低滲儲(chǔ)層段固井質(zhì)量不穩(wěn)定

裸眼段長(zhǎng)，高低壓系統(tǒng)并存，頂?shù)诇夭畲笄覛鈱佣?、測(cè)試層位分布跨度大，導(dǎo)致在確保下部層位封固時(shí)，上部層位出現(xiàn)水泥漿超緩凝或水泥石固結(jié)強(qiáng)度速度緩慢等，無(wú)法對(duì)不同層位同時(shí)進(jìn)行有效封固。對(duì)高壓低滲層的地層壓力把握不清楚，在難以壓穩(wěn)地層的情況下候凝時(shí)氣竄，影響固井質(zhì)量。

1.5 深井鉆井提速難度大

為封固下部復(fù)雜地層，深井結(jié)構(gòu)優(yōu)化后上部17-1/2″井段加深至2 400 m，井眼尺寸大，鉆頭類(lèi)型少，鉆井提速困難。

深部地層硬度大、強(qiáng)度高、可鉆性差，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，巖性不均勻、多含礫、多夾層等引起鉆頭卡滑現(xiàn)象，破巖效率低，鉆頭壽命短。

2 關(guān)鍵技術(shù)和工藝措施

2.1 深部復(fù)雜壓力體系井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了滿(mǎn)足深部低孔滲儲(chǔ)層的勘探需要，封隔特殊地層，減少?gòu)?fù)雜情況，取全取準(zhǔn)地質(zhì)資料，深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化如下：

（1）增加17-1/2″井段下深至2 400 m，降低12-1/4″井段的難度，減少8-1/2″井眼長(zhǎng)度和降低7″尾管固井難度。

（2）備用小井眼井段，實(shí)現(xiàn)常規(guī)孔滲層與低滲層、常規(guī)壓力層與高壓層的封隔。

（3）如壓力體系更復(fù)雜，可應(yīng)用非常規(guī)套管層次來(lái)滿(mǎn)足封隔特殊地層的要求，或使用膨脹管，支撐井壁不穩(wěn)地層，封堵壓力過(guò)渡帶。

2.2 構(gòu)建低自由水鉆井液體系

針對(duì)深層高溫高壓儲(chǔ)層和低孔滲儲(chǔ)層對(duì)鉆井液的性能要求，在鉆井作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)復(fù)雜情況的問(wèn)題，對(duì)砂泥巖互層、煤層、泥頁(yè)巖的井壁穩(wěn)定進(jìn)行了大量的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)建了低自由水鉆井液體系[2]。

體系配方：3%海水土漿+ 0.15%Na2CO3+ 0.3%NaOH + 0.4%PF-PLUS + 0.3%PF-PAC-LV + 1.0% HXY-3 + 2.0%PF-FLOCAT + 2%PF-LSF + 2%HCM + 3%HGW + 2%HSM + 5%KCl + 2%PF -LUBE + 1%HPI。

該體系主要特點(diǎn)如下：

（1）采用自由水絡(luò)合劑HXY-3，降低體系的自由水含量，保護(hù)低孔滲儲(chǔ)層。

（2）應(yīng)用PF-PLUS包被劑，提高體系的包被抑制能力。

（3）針對(duì)砂泥巖互層且疏松較多，使用溫壓成膜劑HCM，并與PF-LSF復(fù)配使用，強(qiáng)化鉆井液封堵，加固穩(wěn)定井壁。

（4）針對(duì)煤層有垮塌趨勢(shì)，采用深部抑制劑HPI加強(qiáng)對(duì)煤層深部的抑制效果，防止井壁失穩(wěn)。

2.3 高壓低孔滲儲(chǔ)層防氣竄固井技術(shù)

結(jié)合高壓低孔滲儲(chǔ)層的特點(diǎn)，優(yōu)選水泥漿體系，優(yōu)化固井工藝，解決環(huán)空氣竄、高壓低孔滲儲(chǔ)層固井質(zhì)量差及上部水泥漿超緩凝等問(wèn)題，具體技術(shù)工藝如下：

（1）根據(jù)實(shí)鉆獲得的地層壓力和地層承壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定水泥漿密度，保證壓穩(wěn)且不壓漏地層。

（2）優(yōu)選防竄能力強(qiáng)的膠乳聚合物水泥漿體系，采用針對(duì)高壓層的雙凝漿柱結(jié)構(gòu)。

膠乳具有防竄能力強(qiáng)、漿體穩(wěn)定、水泥石韌性好、抗腐蝕等特點(diǎn)。聚合物水泥漿加入膠乳后水泥石膠結(jié)更加致密，防氣竄能力比聚合物水泥漿體系更強(qiáng)。

采用針對(duì)高壓層的雙凝漿柱結(jié)構(gòu)，速凝水泥漿封固異常壓力層，保證在其凝固失重的過(guò)程中，緩凝水泥漿能起到平衡地層壓力的作用，防止氣侵。

（3）水泥漿頂替結(jié)束后，在尾管掛以上替入重鉆井液候凝，補(bǔ)償尾漿凝固失重時(shí)的靜液柱壓力損失，防止氣竄。

（4）優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，減少8-1/2″裸眼長(zhǎng)度，降低7″尾管固井難度。

2.4 分井段鉆井提速配套技術(shù)

優(yōu)化的深井井身結(jié)構(gòu)，上部17-1/2″井眼加深至2 400 m左右，12-1/4″井段鉆至4 000 m左右，8-1/2″井段鉆至完鉆井深。針對(duì)不同井段提出了相應(yīng)的鉆井提速技術(shù)。

2.4.1 上部井段快速鉆進(jìn)技術(shù)

針對(duì)上部地層特性，主要提速措施如下：

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)攻擊性強(qiáng)的PDC鉆頭代替牙輪鉆頭，提高鉆井速度。

（2）選用小彎角高扭低速井下馬達(dá)，增加鉆頭轉(zhuǎn)速和鉆頭扭矩輸出，提高鉆頭破巖能力。

（3）井段上部采用海水膨潤(rùn)土漿鉆進(jìn)，以節(jié)省鉆井液費(fèi)用，根據(jù)鉆遇層位巖性、水化分散情況，合理選取轉(zhuǎn)換成海水聚合物體系的深度，避免倒劃眼、井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況發(fā)生。

2.4.2 深部井段提速配套技術(shù)

通過(guò)研究地層巖石力學(xué)特性、破巖方式和鉆頭使用效果，優(yōu)選了深部井段的提速配套工具：扭沖工具、納米涂層鉆頭、geoNEXT智能錄井系統(tǒng)等。

（1）扭沖工具

扭沖工具是將部分鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，即扭轉(zhuǎn)沖擊能量，使工具持續(xù)高速反轉(zhuǎn)，形成高頻沖擊。扭沖工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PDC鉆頭配合扭沖工具使用時(shí)，鉆頭受到兩方面作用：①?zèng)_擊器提供的周期性、持續(xù)性、具有一定強(qiáng)度的扭矩；②鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過(guò)鉆桿提供的扭矩[3]。兩種能量相互配合，使巖石在沖擊破碎和旋轉(zhuǎn)剪切的共同作用下，迅速達(dá)到載荷極限發(fā)生破壞，提高了巖石破碎的連續(xù)性[4]。連續(xù)高頻的沖擊扭矩有效地克服PDC鉆頭卡滑現(xiàn)象，平衡鉆柱扭轉(zhuǎn)震蕩，扭矩平穩(wěn)，提高鉆頭壽命。

圖1 扭沖工具結(jié)構(gòu)圖

（2）納米涂層鉆頭

PDC鉆頭納米金屬涂層技術(shù)是使鉆頭表面產(chǎn)生一種超硬、光滑、低粘附性的涂層，如圖2 所示。

圖2 納米涂層鉆頭

納米涂層有效降低鉆頭泥包趨勢(shì)，提高鉆頭工作效率。具體優(yōu)點(diǎn)如下：

①低摩擦系數(shù)，減小泥巖吸附的幾率。

②高光滑性表面，提高排屑效率。

③高硬度金屬涂層比合金粘合劑更加抗沖蝕和腐蝕。

④物理氣相沉積工藝使涂層和鉆頭本體完美結(jié)合，增加涂層壽命。

（3）geoNEXT智能錄井系統(tǒng)

geoNEXT智能錄井系統(tǒng)是最新一代智能化綜合錄井系統(tǒng)，依據(jù)其提供的鉆井效率監(jiān)測(cè)、井眼清潔情況監(jiān)測(cè)、鉆具振動(dòng)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化鉆井參數(shù)，改善鉆頭工作環(huán)境，提高鉆頭壽命和機(jī)械鉆速。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果

深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在B2-1井和B4-1井應(yīng)用，有效封隔了常規(guī)孔滲層與低滲層、常規(guī)壓力層與高壓層。上部利用20″套管封隔易漏層后，17-1/2″井段鉆至2 400 m，使得12-1/4″井段長(zhǎng)度縮短至1 700 m左右，8-1/2″井段的長(zhǎng)度降至800 m以?xún)?nèi)，降低了鉆井和固井難度。B2-1井復(fù)雜情況平均所占時(shí)間比2012年減少48.94 h，且無(wú)事故發(fā)生。

3.2 低自由水鉆井液體系應(yīng)用效果

東海B1-3H、T2-1 、B2-1等6口探井中應(yīng)用了低自由水鉆井液體系，提高了井壁穩(wěn)定性，有效減少了復(fù)雜情況。

B1-3H、T2-1井和B2-1井在12-1/4″井段劃眼時(shí)間明顯減少，與2012年已鉆井相比，平均每口井減少1 d。

B1-3H水平井井深5 145 m，三開(kāi)避臺(tái)13 d和四開(kāi)避臺(tái)7 d后，井壁穩(wěn)定，鉆進(jìn)和起下鉆無(wú)掉塊，井斜大，無(wú)巖屑床、無(wú)粘卡現(xiàn)象，下套管順利到位。

T2-1井12-1/4″井段井深3 470 m（裸眼段1 827 m）電測(cè)時(shí)間8.8 d，共順利下入了6趟電測(cè)儀器，8-1/2″井段井深4 133 m（裸眼段663 m）電測(cè)時(shí)間10.43 d，共順利下入9趟電測(cè)儀器。B2-1井12-1/4″井段井深4 128 m（裸眼段1 728 m）測(cè)井時(shí)間5.5 d，共順利下入8趟電測(cè)儀器。T2-1井和B2-1井測(cè)井時(shí)間長(zhǎng)，但并未增加通井次數(shù)。

3.3 防氣竄固井技術(shù)應(yīng)用效果

T2-1井7″尾管固井采用膠乳聚合物水泥漿體系和優(yōu)化的固井工藝，固井質(zhì)量總體評(píng)價(jià)優(yōu)良，滿(mǎn)足測(cè)試產(chǎn)能的要求。4 057.3 ～ 4 063.0 m測(cè)試段固井質(zhì)量評(píng)價(jià)優(yōu)，見(jiàn)圖3。

圖3 T2-1井測(cè)試段4 057.3 ～ 4 063.0 m固井質(zhì)量?jī)?yōu)良

3.4 鉆井提速配套技術(shù)應(yīng)用效果

B4-1井、B2-1井等使用了鉆井提速配套技術(shù)，使用效果顯著。

3.4.1 上部井段快速鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)施效果

B4-1井17-1/2″作業(yè)井段600 ～ 2 298 m，采用六刀翼、單排齒的PDC鉆頭，配合9-5/8"馬達(dá)（0.39°彎角）復(fù)合鉆進(jìn)，與鄰井機(jī)械鉆速比較，如表1所示。該井在17-1/2″井段深、鉆頭進(jìn)尺多的情況下，仍保持近80 m/h的機(jī)械鉆速，比鄰井淺層平均機(jī)械鉆速提高14%以上。

3.4.2 深部井段提速扭沖工具實(shí)施效果

扭沖工具在東海探井鉆井作業(yè)中使用情況良好，工作性能穩(wěn)定，具有明顯的提速效果。B2-1井8-1/2″井段使用扭沖工具后，相對(duì)鄰井B4-2井提高機(jī)械鉆速20%以上，見(jiàn)表2。

B2-1井3 847 ～ 4 128 m井段未使用扭沖鉆具，平均卡滑指數(shù)為59.7 r/min；4 128 ～ 4 391 m井段使用扭沖工具后，平均卡滑指數(shù)為13.9 r/min，同比下降76.7%，見(jiàn)圖 4。應(yīng)用扭沖工具有效克服了PDC鉆頭卡滑現(xiàn)象，鉆進(jìn)扭矩平穩(wěn)，減少鉆頭的無(wú)序振動(dòng)，從而保護(hù)鉆頭，延長(zhǎng)了鉆頭壽命。

表1 B4-1井與鄰井同井段機(jī)械鉆速比較

表2 B2-1井與鄰井B4-2井使用效果比較

圖4 隨鉆測(cè)井工具提供的卡滑指數(shù)

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）考慮地層壓力、地質(zhì)目的和安全作業(yè)，優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足深井地層的封隔要求。

（2）構(gòu)建的低自由水鉆井液體系能夠有效保護(hù)低孔滲儲(chǔ)層，提高井壁穩(wěn)定性，減少鉆井復(fù)雜情況。

（3）優(yōu)選防氣竄能力強(qiáng)的膠乳聚合物水泥漿體系，采用雙凝漿柱結(jié)構(gòu)，并替入重鉆井液候凝，確保了高壓低滲層的固井質(zhì)量。

（4）優(yōu)選扭沖工具，克服了鉆頭卡滑現(xiàn)象，延長(zhǎng)鉆頭壽命，同時(shí)配合納米涂層鉆頭、geoNEXT智能錄井系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)深井鉆井提速。

[1] 關(guān)德，羅勇，張海山. 西湖凹陷低孔低滲深探井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與應(yīng)用[J]. 中國(guó)海上油氣，2013，25（2）：61-63.

[2] 張海山. 東海地區(qū)低孔低滲儲(chǔ)層低自由水鉆井液體系研究與應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2013，25（2）：71-73.

[3] 孫起昱，張雨生，李少海，等.鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器在元壩10井的試驗(yàn)[J]. 石油鉆探技術(shù)，2010，38（6）：84-87.

[4] 祝效華，湯歷平，童華. 高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)的減振與提速機(jī)理研究[J]. 振動(dòng)與沖擊，2012，31（20）：75-78.

Study and Application of Drilling Technology to HPHT Deep Low Porosity and Permeability Reservoir in East China Sea

ZHANG Haishan
（Shanghai Branch of CNOOC Ltd., Shanghai 200030, China）

With rapid increasing in exploration workload and increasing in drilling depth, a series of major technical problems occurred when drilling deep, HPHT, low porosity and low permeability reservoirs. In view of these problems, the drilling technology and process are analyzed in this paper, including casing program optimization of complicated pressure system, establishing low free water drilling fluid system with excellent protection ability and borehole stability, cementing techniques for gas-channeling prevention in high pressure, low porosity and low permeability reservoirs, drilling technology for increasing ROP in different sections. The application results indicate that these techniques are very useful to solve the drilling problems, protect reservoirs. By using these techniques, the operating efficiency has been improved greatly, and the requirements for deliverability test can be reached.

deep well; HPHT; low porosity and low permeability; drilling

TE242

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.02.088

1008-2336（2014）02-0088-05

2013-08-26；改回日期：2013-11-26

張海山，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于石油大學(xué)（北京），油氣鉆井工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，從事海上油氣勘探開(kāi)發(fā)的鉆完井工程技術(shù)工作。E-mail：zhanghsh@cnooc.com.cn。