深潛山陽探1井鉆井提速技術(shù)

羅玉財， 李晶瑩， 李振昊， 王東明， 程曉東

(1.中國石油華北油田分公司勘探部，河北任丘 062552；2.中國石油華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552；3.中國石油渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘062552)

深潛山陽探1井鉆井提速技術(shù)

羅玉財1， 李晶瑩2， 李振昊3， 王東明1， 程曉東1

(1.中國石油華北油田分公司勘探部，河北任丘 062552；2.中國石油華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552；3.中國石油渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘062552)

為解決深潛山陽探1井鉆井中存在的深部地層可鉆性差、存在異常高壓地層、井壁易失穩(wěn)、易井斜等技術(shù)難點，提高鉆井速度，加快勘探進(jìn)程，開展了鉆井提速技術(shù)研究。針對地層特征和鉆井技術(shù)難點，進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、井位預(yù)移+方向造斜技術(shù)、古近系深層個性化PDC鉆頭設(shè)計與優(yōu)選、簡易控壓鉆井技術(shù)和聚胺KCl鉆井液技術(shù)的研究，形成了鉆井提速綜合配套技術(shù)。陽探1井順利達(dá)到鉆探目的層，三開段平均井徑擴(kuò)大率僅為1.8%，與鄰井相比，復(fù)雜時效由5.4%降為0，平均機械鉆速提高了39.86%，鉆井周期縮短了40.20%，建井周期縮短了44.19%，提速效果突出。研究結(jié)果表明，深潛山陽探1井鉆井提速技術(shù)是實現(xiàn)饒陽凹陷深潛山井優(yōu)快鉆井的有效技術(shù)手段,可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

深井 鉆井提速 井身結(jié)構(gòu) PDC鉆頭 陽探1井 饒陽凹陷

冀中坳陷饒陽凹陷潛山儲層存在埋藏深、地溫梯度高、異常高壓、地層可鉆性差等技術(shù)難點[1-2]，導(dǎo)致機械鉆速低、鉆井周期長，嚴(yán)重制約了饒陽深潛山儲層的勘探進(jìn)程。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)外鉆井提速措施主要是優(yōu)選高效PDC鉆頭、使用渦輪鉆具、高壓噴射鉆井和氣體鉆井等技術(shù)[3-7]。應(yīng)用這些技術(shù)雖取得了較好的提速效果，但氣體鉆井技術(shù)、渦輪鉆具等的應(yīng)用有一定的局限性，且成本較高。為此，筆者在深入分析研究鄰井鉆井技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)其他油田鉆井提速技術(shù)[7-12]，根據(jù)該區(qū)塊鉆井地質(zhì)特點，進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、個性化PDC鉆頭設(shè)計與優(yōu)選等單項鉆井提速技術(shù)攻關(guān)，并最終形成了適合深潛山探井的鉆井提速綜合配套技術(shù)，并在陽探1井進(jìn)行了成功應(yīng)用，且效果顯著，提高了鉆井速度，避免了井下故障的發(fā)生，降低了鉆井成本。

1 鉆井難點分析

1) 井身結(jié)構(gòu)確定困難。陽探1井設(shè)計井深5 700.00 m，潛山界面深達(dá)5 500.00 m，地層復(fù)雜;鄰井鉆探時存在井漏、高壓氣侵和井壁垮塌等井下復(fù)雜情況。

2) 自然增斜嚴(yán)重。新生界地層傾角大，Ng組地層傾角為17°～20°，Es組地層傾角高達(dá)18°～30°，鉆井過程中易自然增斜。已完鉆的4口井均發(fā)生相同方位的井斜：閉合方位角240°～314°，最大井斜角9°～13°，井底水平位移178.00～290.00 m。

3) 古近系地層機械鉆速低。古近系地層埋藏深，地層壓實程度高，研磨性強，且深部地層含有鐵質(zhì)泥巖，地層可鉆性級值高達(dá)6～7，可鉆性差，機械鉆速低。鄰井寧古10井Es3段以上地層抗壓強度低，地層巖性變化頻繁，可鉆性較好，但是機械鉆速偏慢，平均僅為1.93 m/h；Es3-Es4段地層可鉆性差，平均單只鉆頭進(jìn)尺40 m，平均機械鉆速僅為0.81 m/h。

4) 存在異常高壓地層。Es2段存在異常高壓地層，孔隙壓力當(dāng)量密度高達(dá)1.28～1.42 kg/L，鉆井過程中易發(fā)生氣侵、井涌、井噴等井控險情。鄰井寧古1井鉆進(jìn)至井深4416.70 m發(fā)生井噴；寧古10井為了應(yīng)對氣侵，鉆井液密度提高至1.85 kg/L，大大增加了井底的壓持效應(yīng)，降低了機械鉆速。

5) 地層垮塌嚴(yán)重。古近系地層存在大段泥巖，伊利石和蒙脫石含量高達(dá)64%，容易發(fā)生泥巖硬脆性垮塌，導(dǎo)致出現(xiàn)“大肚子”，起下鉆困難。鄰井寧古10井三開井段采用聚硅氟鉆井液，平均井徑擴(kuò)大率18.30%，最大井徑擴(kuò)大率46.93%；4 300.00～4 500.00 m井段為大段泥巖，由于井壁垮塌多次進(jìn)行劃眼，平均井徑擴(kuò)大率37.84%。寧古8X井三開井段平均井徑擴(kuò)大率23.51%，最大井徑擴(kuò)大率100.98%，多次劃眼，井身質(zhì)量難以保障。

6) 漏失嚴(yán)重。古近系地層斷層發(fā)育，陽探1井預(yù)計鉆遇斷層7條。當(dāng)鉆遇斷層、潛山交接面的風(fēng)化殼、潛山低壓溶洞和裂縫時易發(fā)生漏失。鄰井寧古10井在5 483.00～5 484.00 m井段(斷層、近風(fēng)化殼)發(fā)生井漏，共漏失鉆井液679.34 m3；寧古8X井鉆進(jìn)至井深4 135.00 m(斷層)發(fā)生漏失，共計漏失鉆井液737.31 m3。

7) 井溫高。地溫梯度達(dá)3.08～3.16 ℃/100m，預(yù)計進(jìn)入潛山前地層最高溫度達(dá)181.75 ℃、井底最高溫度達(dá)187.85 ℃，要求鉆井液有較強的抗高溫性能。

2 鉆井提速綜合配套技術(shù)

2.1井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2 井位預(yù)移+反向造斜技術(shù)

根據(jù)區(qū)域地層自然造斜規(guī)律，陽探1設(shè)計井口向自然增斜反方向(方位角164°)移動180.00 m，但受地面村莊的限制，實際只移動了78.00 m。井深3 800.00 m以淺地層可鉆性稍好，采用單彎螺桿+MWD鉆進(jìn)；易斜段上部的3 800.00～4 000.00 m井段向自然增斜反方位造斜2.75°，為深部地層解放鉆井參數(shù)創(chuàng)造條件；可鉆性差的深部地層定向鉆進(jìn)困難，采用鐘擺鉆具組合鉆進(jìn)，在保證勘探目標(biāo)的同時釋放鉆井參數(shù)。

2.3 古近系深層個性化PDC鉆頭設(shè)計與優(yōu)選

基于巖石力學(xué)試驗結(jié)果，細(xì)化陽探1井地層可鉆性剖面，調(diào)研鄰井鉆頭資料，綜合考慮地層夾層等因素，優(yōu)選適合不同層位的個性化PDC鉆頭，并針對地層特點進(jìn)行個性化設(shè)計[13-14]。

Es1、Es2段地層垂深3 800.00～4 630.00 m，地層抗壓強度平均為69 MPa，內(nèi)摩擦角約為38°，研磨性較強，針對性設(shè)計了T1655AUG型鉆頭。該鉆頭選用高性能進(jìn)口PDC復(fù)合片；優(yōu)化切削齒后角，增強了應(yīng)對高抗壓強度地層的能力；優(yōu)化切削齒抗研磨組合，在鼻部和肩部增加了部分高抗研磨切削齒，提升了切削齒總體抗研磨性；同時優(yōu)化了鉆頭保徑、后排齒、防碰節(jié)、復(fù)合片等部位。

Es3段地層垂深4 630.00～5 500.00 m，含黃鐵礦及含鐵泥巖，地層抗壓強度平均為117 MPa，內(nèi)摩擦角約為42°，優(yōu)化設(shè)計了T1665B型和Q506FHX型鉆頭。根據(jù)Es3段中上部地層特性，T1665B型鉆頭相對T1655AUG型鉆頭增加了一個刀翼，增大了切削齒后角。根據(jù)Es3段下部地層特性，Q506FHX型鉆頭優(yōu)選了具有強抗研磨性的Quantec Force系列切削齒，增強了切削齒的壽命；保徑塊采用了TSP耐高溫聚晶化合物材料，防止鉆進(jìn)高研磨性地層時發(fā)生鉆頭縮徑；同時優(yōu)化了切削深度、側(cè)向移動力平衡等性能。

2.4 簡易控壓鉆井技術(shù)

鄰井實鉆及試油資料證實，Es2-Es3上段地層的異常高壓是由大段泥巖沉積過程中殘留的高壓天然氣引起的。鉆探過程中泥巖裂縫氣瞬間釋放并侵入井眼，雖然壓力很高，但是產(chǎn)量極低。針對泥巖裂縫氣造成的異常高壓，采用簡易控壓鉆井技術(shù)，氣侵時及時利用旋轉(zhuǎn)控制頭和節(jié)流管匯控壓循環(huán)、排氣點火，保障井口安全，消除井控隱患。配合使用強抑制性聚胺KCl鉆井液，在保證井口安全的同時降低鉆井液密度至合理附加值的下限，降低井底壓持效應(yīng)，避免發(fā)生井下故障，提高鉆井速度[15-17]。

2.5 聚胺KCl鉆井液技術(shù)

針對Es組大段泥頁巖井段井壁易垮塌的問題，優(yōu)化形成具有強抑制性能的聚胺KCl鉆井液技術(shù)。聚胺KCl鉆井液的核心處理劑是抗高溫聚胺鹽抑制劑，其主要成分是相對分子質(zhì)量200～500的醚胺類分子，能夠嵌入黏土層間，通過醚鍵與黏土氫鍵吸附和胺基的獨特束縛作用，抑制黏土滲透水化，抑制井壁鉆井液的侵入，減少大段泥頁巖導(dǎo)致的井下復(fù)雜情況[18-19]。要求聚胺KCl鉆井液的膨潤土污染容量大于30%，防膨率大于75%，抗溫能力大于180 ℃。

根據(jù)以上要求，優(yōu)選得到鉆井液配方：3.0%～4.0%膨潤土+0.2%～0.3%Na2CO3+0.1%～0.2%NaOH+4.0%～8.0%KCl+1.0%～2.0%聚胺抑制劑+2.0%～4.0%DSP-2+2.5%～5.0%無熒光防塌劑+2.0%～4.0%成膜降濾失劑+1.5%～3.0%乳化瀝青+0.5%～1.0%增黏劑+0.5%～1.0%RH8501，并進(jìn)行了基本性能評價。

2.5.1 防塌性能

選取寧古15井Es組泥頁巖巖樣，分別進(jìn)行不同鉆井液的滾動回收試驗，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，聚胺KCl鉆井液能夠有效抑制該區(qū)塊泥頁巖的水化分散，降低井壁垮塌風(fēng)險。

2.5.2 抗高溫性能

對聚胺KCl鉆井液進(jìn)行常溫和190 ℃下的性能測試，結(jié)果見表2。由表2可以看出，聚胺KCl鉆井液高溫下的性能穩(wěn)定。

表2 聚胺KCl鉆井液高溫性能測試結(jié)果

Table 2 Experimental results of high-temperature performance with polyamine potassium chloride drilling fluid

2.5.3 防漏處理措施

1)配合旋轉(zhuǎn)防噴器盡量采用低密度鉆井液鉆進(jìn)(三開將鉆井液密度控制在1.65 kg/L以內(nèi))，降低井漏風(fēng)險；2)加入隨鉆堵漏材料和封堵護(hù)壁材料，提高地層承壓能力；3)控制起下鉆速度，防止壓力激動或開泵過猛憋漏地層；4)井場儲備堵漏所需復(fù)合堵漏材料。

2.5.4 維護(hù)處理

1)根據(jù)鉆井速度和鉆井液性能,按配漿比例補充增黏劑、降濾失劑和防塌劑；2)及時補充KCl和聚胺抑制劑，保持抑制性能，也可按配方配制聚胺KCl鉆井液直接補充；3)根據(jù)地質(zhì)預(yù)報及地層實鉆情況，合理調(diào)整鉆井液密度，防止地層縮徑、垮塌等現(xiàn)象的發(fā)生；4)根據(jù)需要加入潤滑劑，降低摩阻，預(yù)防卡鉆；5)加強四級固控設(shè)備的使用，合理控制鉆井液中的固相含量。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

陽探1井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，鉆探過程順利，避免了鉆探過程中可能發(fā)生的風(fēng)險，未發(fā)生井下故障。二開采用φ298.5mm PDC鉆頭+螺桿鉆具的復(fù)合鉆井技術(shù)，與采用傳統(tǒng)φ311.1 mm井眼的鄰井相比，機械鉆速提高了44.66%，提速效果明顯。

陽探1井應(yīng)用井位預(yù)移+方向造斜技術(shù)，鉆至井深5 466.00 m中靶，靶點水平位移103.55 m，閉合方位角298.45°；靶心距(設(shè)計靶點與實際靶點)74.12 m，與靶點水平位移相比縮短了28.42%(若無地面條件限制效果將更優(yōu))；同時減少了鉆井過程中井斜角調(diào)整次數(shù)和糾斜工作量。在地質(zhì)傾角基本一致的情況下，陽探1井最大井斜角5.17°，井底水

平位移104.35 m，與鄰井相比，井斜角變化明顯減小，井底位移也相應(yīng)縮短，有效地釋放了鉆井參數(shù)，保證了鉆井提速。

與鄰井同井段相比，陽探1井古近系深層應(yīng)用個性化PDC鉆頭后機械鉆速提高了53.40%，平均單只鉆頭進(jìn)尺提高了405.19%，鉆頭使用數(shù)量減少了12只(見表3)。在提高機械鉆速的同時，增加了單只鉆頭的進(jìn)尺，減少了鉆頭的使用量，減少了深井起下鉆次數(shù)，提速明顯。

表3 古近系深層個性化PDC鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用情況

Table 3 Field application of PDC bit specially designed for deep Paleogene

陽探1井鉆井過程中氣侵嚴(yán)重，采用控壓鉆井技術(shù)循環(huán)、排氣、點火17次，保證了井控安全。同時,最高鉆井液密度由鄰井的1.85 kg/L降至1.53 kg/L，減小了井底壓持效應(yīng)，提高了鉆速，減少了井下故障。

三開井段使用聚胺KCl鉆井液，密度控制在1.51～1.53 kg/L，順利鉆穿了易垮塌的大段泥頁巖地層。使用PDC鉆頭鉆進(jìn)泥巖層段時，井口返出的鉆屑呈一面光滑、一面褶皺的片狀，有清晰的PDC復(fù)合片的切削痕跡；三開平均井徑擴(kuò)大率1.86%，最大井徑擴(kuò)大率14.82%；起下鉆順利，無掛卡，未發(fā)生井下故障，表明聚胺KCl鉆井液具有良好的抑制黏土水化分散的能力。陽探1井與鄰井三開井徑情況如表4所示。

陽探1井通過應(yīng)用提速綜合配套技術(shù)，全井平均機械鉆速3.93 m/h，鉆井周期146.5 d，建井周期164.1 d。與鄰井寧古10相比，復(fù)雜時效由5.4%降至0，平均機械鉆速提高了39.86%，鉆井周期縮短了40.20%，建井周期縮短了44.19%，提速效果突出。

4 結(jié)論與建議

1) 陽探1井應(yīng)用深井鉆井提速綜合配套技術(shù)后，大幅度提高了鉆井速度，縮短了鉆井周期，降低了復(fù)雜時率和鉆井成本。

2) 科學(xué)減小上部井段井眼直徑、并配備相應(yīng)尺寸的鉆頭和工具，是提高上部大井眼機械鉆速的一種有效手段。

3) 簡易控壓鉆井技術(shù)+聚胺KCl鉆井液技術(shù)是解決含裂縫氣的異常高壓泥頁巖地層氣侵嚴(yán)重、井壁垮塌等井下故障的一種有效手段，并能有效降低鉆井液密度，提高機械鉆速。

4) 個性化PDC鉆頭設(shè)計與優(yōu)選是解決冀中坳陷深井、超深井古近系深層可鉆性差、機速低的有效途徑，建議進(jìn)一步開展?jié)撋桨自茙r地層與高效PDC鉆頭的適應(yīng)性和匹配性研究，提高潛山高研磨性地層的機械鉆速。

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[編輯 滕春鳴]

ROP Improvement Techniques Applied in Well Yangtan 1 when Drilling into a Deep Buried Hill

Luo Yucai1, Li Jingying2, Li Zhenhao3, Wang Dongming1, Cheng Xiaodong1

(1.ExplorationDepartment，PetroChinaHuabeiOilfieldCompany,Renqiu,Hebei, 062552,China; 2.PetroleumProductionEngineeringResearchInstitute，PetroChinaHuabeiOilfieldCompany,Renqiu,Hebei, 062552,China; 3.PetroleumMachineryPlant，CNPCBohaiPetroleumEquipmentManufactureCo.,Ltd.,Renqiu,Hebei, 062552,China)

During the drilling of Well Yangtan 1 in a deep buried hill, some technical difficulties were encountered, such as poor drillability, abnormal-pressure, sidewall instability and well deviation. In order to solve these problems, studies were conducted on ROP improvement to increase drilling speed and accelerate exploration process. Based on the stratigraphic characteristics and technical difficulties, a series of ROP improvement techniques were comprehensively developed, including casing program optimization, well location shift and directional whipstocking, PDC bit design and selection specially for deep Paleogene, easy pressure control drilling, and polyamine potassium chloride drilling fluid. After this system was applied in the field, the drilling target was reached smoothly, with average hole diameter enlargement rate 1.8% in the third section of drilling. And compared with the adjacent wells, there was noticeable improvement in drilling speed, with efficiency reduction from 5.4% to 0, average ROP increase by 39.86%, drilling cycle reduction by 40.20%, and hole construction cycle reduction by 44.19%. It indicated that ROP improvement techniques used in Well Yangtan 1 in deep buried hill were effective to achieve optimal and fast drilling in deep buried hills in the Raoyang Sag and worthy of wide applications.

deep well; ROP improvement; casing program; PDC bit; Well Yangtan 1; Raoyang Sag

2015-05-13；改回日期：2015-10-27。

羅玉財(1987—)，男，黑龍江寶清人，2012年獲東北石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事鉆井工程管理工作。

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“華北油田上產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)800萬噸關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用” (編號：2014E-35)資助。

?現(xiàn)場交流?

10.11911/syztjs.201506024

TE249

A

1001-0890(2015)06-0130-05

聯(lián)系方式：(0317)2713205，ktb_lyc18@petrochina.com.cn。