彰武工區(qū)快速鉆井工藝技術(shù)

俞憲生

(中石化東北油氣分公司，吉林 長春 130062)

松遼盆地南部的彰武斷陷資源潛力巨大，隨彰武2、3井的油氣突破，已成為中石化東北油氣分公司主力上產(chǎn)區(qū)塊。鉆井統(tǒng)計資料表明，受井斜、井漏、上部地層掉塊、含礫巖段PDC鉆頭選型困難等諸多地質(zhì)因素的影響，導(dǎo)致區(qū)域鉆井平均機械鉆速低，周期長，鉆井提速困難。彰武區(qū)塊要快速上產(chǎn)鉆井提速勢在必行，為解決這些影響鉆井提速的問題，首先從認(rèn)識地層入手，建立可鉆性及三壓力剖面，然后依據(jù)地層特性優(yōu)選鉆頭、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆井液性能，配套相關(guān)工藝技術(shù)，最后推廣應(yīng)用優(yōu)選和試驗成果，以實現(xiàn)區(qū)域鉆井整體提速。

1 彰武斷陷地層特性

1.1 可鉆性剖面的建立

結(jié)合前期地質(zhì)工作，按行業(yè)規(guī)范，采用微鉆法對收集的巖心進(jìn)行巖石可鉆性測定與分級(見表1、表2)。對比測定結(jié)果與實鉆資料符合性，除義縣組因所選巖心局限性導(dǎo)致測定結(jié)果偏差外，其它層段測定巖石可鉆性與現(xiàn)場實鉆資料符合率均在90%以上，建立的可鉆性剖面具有工程使用性，符合使用標(biāo)準(zhǔn)，也為后續(xù)的鉆頭選型及鉆井參數(shù)、鉆井液優(yōu)選提供了科學(xué)依據(jù)。

表1 彰武斷陷巖石可鉆性等級測定結(jié)果

表2 彰武斷陷巖石可鉆性等級測定結(jié)果

1.2 三壓力剖面的建立

彰武工區(qū)為低壓低滲易漏儲層，且上部地層膠結(jié)性較差，為確定合理的鉆井液密度、控制合適的漏失壓差，利用已有聲波測井資料求取漏失層的地層壓力系數(shù)，實測沙海組、九佛堂組、義縣組的地層壓力系數(shù)分別為0.89、0.94、0.85。結(jié)合地質(zhì)分層，采用伊頓法求取孔隙壓力建立地層孔隙壓力剖面;鑒于區(qū)域地層傾角較大，在考慮弱面的滑動摩擦系數(shù)的基礎(chǔ)上，采用摩爾庫侖準(zhǔn)則求取地層坍塌壓力(當(dāng)量鉆井液密度)建立地層坍塌壓力剖面;結(jié)合區(qū)域巖石抗張強度很低，利用已有鉆井、測試資料及實測破裂壓力數(shù)據(jù)建立地層破裂壓力剖面。

三壓力剖面的建立(圖1)，為確定鉆井液漏失安全窗口，解決壓差性漏失問題奠定了基礎(chǔ)。

圖1 彰武地區(qū)三壓力剖面

2 影響快速鉆井的因素分析

2.1 井漏

彰武斷陷裂隙發(fā)育、地層承壓能力低，井漏一般發(fā)生在沙海組與九佛堂組，地層垂直裂縫較發(fā)育，裂縫面粗糙、張開、無充填，存在多段漏失。

截止2012年底，有12口井在鉆井或固井過程中發(fā)生了不同程度的漏失。其中，4口井鉆進(jìn)漏失，8口井固井漏失(見表3)。漏失多發(fā)生在1000～1900 m段的白堊系沙海組、九佛堂組和義縣組，漏失形式主要為裂縫性漏失，實物巖心顯示裂縫面粗糙、張開、無充填(見圖2)。彰武3井井壁取心顯示平行裂縫比較發(fā)育(見表4)，成像測井資料解釋九佛堂組高導(dǎo)縫、高阻縫發(fā)育(見表5)，全井段高導(dǎo)縫傾向以北傾為主，走向東西向，傾角在65°以上，為高角度至垂直裂縫。

表3 彰武斷陷2012年井漏情況統(tǒng)計

圖2 巖心實物裂縫照片

2.2 井斜

彰武斷陷地層呈東南高西北低向，電測資料顯示地層走向基本保持在330°左右，且地層傾角較大(見表6)。針對易井斜段輕壓吊打、機械鉆速低、鉆井周期長等問題，從導(dǎo)致井斜原因分析入手，提出了防斜糾斜試驗方案，并取得了較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

表4 彰武3井井壁取心巖心段裂縫統(tǒng)計

表5 彰武3井成像高導(dǎo)縫統(tǒng)計

表6 彰武斷陷地層傾角統(tǒng)計

2.3 地層的不均質(zhì)性

阜新組、沙海組及九佛堂組普遍含礫，含礫層累計厚度660～680 m，巖性以灰色、雜色含礫泥巖及砂泥巖、砂礫巖為主。鉆進(jìn)時無論PDC鉆頭或牙輪鉆頭，如鉆井參數(shù)選擇不當(dāng)極易造成崩齒、斷齒等導(dǎo)致先期損壞，鉆頭的優(yōu)選和優(yōu)化難度大，高效鉆頭難以發(fā)揮作用。

3 針對性措施的研究

為解決彰武地區(qū)制約鉆井提速問題，從優(yōu)化鉆井液性能入手，開展防漏堵漏、防斜打直、優(yōu)選鉆頭等工藝技術(shù)研究和現(xiàn)場試驗，經(jīng)過數(shù)口井驗證，取得了較好的試驗效果。

3.1 堵漏工藝研究

3.1.1 漏失原因分析

造成彰武地區(qū)井漏主要原因，一是地層壓力低，地層壓力系數(shù)多在0.95～1.0之間，實鉆鉆井液密度多高于1.0 g/cm3，因地層承壓能力低極易誘發(fā)漏失;二是天然裂縫發(fā)育，巖性和成像測井資料顯示地層存在大量的天然裂縫，選擇堵漏材料顆粒復(fù)配級差的難度大。

3.1.2 防漏堵漏試驗

從降低漏失壓差和堵漏材料級差復(fù)配入手進(jìn)行防漏堵漏試驗。2012年，在易發(fā)漏失的3井區(qū)試驗了中空微珠低密度鉆井液，控制鉆井液密度＜1.05 g/cm3時基本不發(fā)生漏失。針對微裂縫性漏失或漏速＜5 m3/h時靜止堵漏效果尚可;針對大于2 mm裂縫性漏失靜止堵漏則完全失效;針對漏速＜5 m3/h的井使用5% ～6%隨鉆堵漏劑+2% ～3%復(fù)合堵漏劑的橋堵漿堵漏效果不太理想。采用段塞堵漏工藝技術(shù)試驗的剛性堵漏材料(見表7)，彰武7井復(fù)配的剛性材料堵漏漿(顆粒級配C∶D=1∶1)，彰武3－3井復(fù)配的剛性材料堵漏漿(A、B、C、D四種剛性堵漏材料0.5 t，C、D二種剛性堵漏材料0.4 t)都一次堵漏成功。

表7 剛性堵漏材料顆粒等級與尺寸對比

據(jù)統(tǒng)計，采用剛性堵漏材料前，平均一次堵漏費時17.2 h，消耗堵漏泥漿45 m3;采用剛性堵漏材料后，平均一次堵漏費時0.21 h，消耗堵漏泥漿8.5 m3。

3.2 防斜工藝研究

3.2.1 井斜原因分析

地層傾角較大，地層均質(zhì)性及常規(guī)鉆具組合、鉆進(jìn)技術(shù)措施、操作技術(shù)等因素影響，是井斜的主要原因。

3.2.2 防斜糾斜試驗

在大傾角地層，鐘擺鉆具、塔式鉆具防斜試驗效果不理想，只延緩了增斜速度，不能徹底防斜、糾斜;滿眼鉆具因上部地層坍塌掉塊，易發(fā)生掉塊卡鉆，從作業(yè)安全考慮未進(jìn)行試驗。鐘擺鉆具雖然吊打有一定效果，但嚴(yán)重影響機械鉆速，延長鉆井施工周期。

典型的常規(guī)鉆具防斜糾斜不理想，從提高防斜糾斜效果、提高機械鉆速出發(fā)，試驗應(yīng)用了“螺桿+PDC”復(fù)合鉆具。利用復(fù)合鉆具轉(zhuǎn)動時，下部軸偏移產(chǎn)生的離心力，改變鉆頭受力狀況，以增加鉆頭降斜側(cè)向力、鐘擺力與離心力周期性的分離重合，產(chǎn)生周變性糾斜力來控制和糾正井斜?？刂凭毙Ч如姅[鉆具穩(wěn)定，防斜效果更明顯，同時還可以獲得更高的機械鉆速，有效地解決了傳統(tǒng)鐘擺鉆具小鉆壓、鉆速偏低等問題。

“螺桿+PDC”復(fù)合鉆具適用低鉆壓、高轉(zhuǎn)速，相同進(jìn)尺情況下，PDC鉆頭切削下井壁次數(shù)是常規(guī)鉆具的2～4倍，實際上也就增加了復(fù)合鉆具的防斜和糾斜能力。采用有限元法分析優(yōu)化下部鉆具組合，短鉆鋌由3 m調(diào)整為6 m后，鉆頭的側(cè)向力更大防斜效果更明顯。

3.3 鉆頭的優(yōu)選

鉆頭優(yōu)選的實質(zhì)是比較鉆頭使用效果的優(yōu)劣，一般把機械鉆速、鉆頭進(jìn)尺、鉆頭工作時間、鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓、泵排量及井深等作為評價參數(shù)，把進(jìn)尺、機械鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、比能等作為評價指標(biāo)。采用上述方法將已完井鉆頭資料，按井眼尺寸及所鉆地層等進(jìn)行鉆頭評價(見表8)。為使各項指標(biāo)在綜合指數(shù)中產(chǎn)生正效應(yīng)，將鉆壓、鉆速、比能等參數(shù)采用倒數(shù)的形式。

表8 彰武斷陷鉆頭、鉆具優(yōu)選序列

(1)第四系、孫家灣組巖性主要是風(fēng)成沙、亞沙土、亞粘土，平均機械鉆速高，可鉆性好。統(tǒng)計分析綜合指標(biāo)最高的是HJT127G的滑動軸承金屬密封特別保徑牙輪鉆頭，綜合指數(shù)為2.42，平均比能0.56 MJ/m3，平均進(jìn)尺 179.2 m，平均機械鉆速39.82 m/h。彰武3－1HF井GX52型PDC鉆頭，平均機械鉆速25.13 m/h，僅次于HJT127G的機械鉆速，鉆井平均進(jìn)尺201 m，鉆進(jìn)效果良好。

(2)阜新組巖性以雜色含礫泥巖、砂泥巖、砂礫巖為主，平均機械鉆速較高，可鉆性比較好。統(tǒng)計分析綜合指標(biāo)最高的是W644型PDC鉆頭，綜合指數(shù)為3.51，平均比能1.87 MJ/m3，平均進(jìn)尺803.4 m，平均機械鉆速15.16 m/h。

(3)沙海組巖性以灰色、雜色礫巖和粗砂巖為主，夾薄層灰色細(xì)砂巖、粉砂巖以及泥巖為主，平均機械鉆速波動較大，可鉆性不穩(wěn)定。統(tǒng)計分析綜合指標(biāo)最高的是 W644型 PDC鉆頭，綜合指數(shù)為2.20，平均進(jìn)尺最高536 m;其次是S5445型彰武鉆頭，綜合指數(shù)1.97，平均進(jìn)尺269 m。

(4)九佛堂組巖性以深灰色泥巖為主，夾薄層灰色粉砂巖和砂礫巖，平均機械鉆速低，可鉆性差，使用鉆頭較多。統(tǒng)計分析綜合指標(biāo)最高的是S5445型PDC鉆頭，綜合指數(shù)為2.55，平均進(jìn)尺145.38 m。

(5)義縣組巖性以灰綠色安山巖、褐色安山巖、綠黑色安山－玄武巖為主，平均機械鉆速低，可鉆性差。統(tǒng)計分析綜合指標(biāo)最高的是HJ517G型牙輪鉆頭，綜合指數(shù)1.29，平均進(jìn)尺90.31 m，最高進(jìn)尺122.61 m。

4 應(yīng)用效果

通過優(yōu)選鉆頭、“螺桿+PDC”復(fù)合鉆具試驗及改進(jìn)鉆井液體系、優(yōu)化泥漿性能、優(yōu)選新型堵漏材料，2013年平均機械鉆速較上年有了顯著提高，鉆井周期有明顯縮短(見表9)。基本實現(xiàn)二開2只鉆頭完鉆的提速目標(biāo)，有4口井創(chuàng)造了1只鉆頭一趟鉆完鉆的紀(jì)錄。

5 結(jié)語

(1)單彎螺桿加PDC復(fù)合鉆具在彰武工區(qū)能有效防斜，并能加快鉆井速度。

(2)盡量低的鉆井液密度及加入隨鉆堵漏劑能有效地防止?jié)B透性漏失。鉆遇大的裂縫性漏失地層時，復(fù)配的剛性堵漏材料比較有效果。

(3)通過優(yōu)選大復(fù)合片PDC鉆頭加螺桿鉆具能有效地提高彰武工區(qū)的機械鉆速。

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