楊武寨牙刷狀油藏優(yōu)快鉆井技術(shù)

許利輝 胡書寶 蔡軍 王秀影 張彬 吳澤舟 王金帥

1.中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油工程有限公司 ；2.華北油田公司工程技術(shù)研究院；3.華北油田公司勘探事業(yè)部；4.渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

楊武寨構(gòu)造帶中深層主力儲(chǔ)層沙河街油藏是華北油田重點(diǎn)產(chǎn)能建設(shè)地區(qū)，油藏埋藏深度2 000～3 700 m，受多期斷層控制，油層呈“牙刷狀”分布特征。油藏單層含油厚度薄、油層多、層位跨度大、油藏沿?cái)鄬訑嗬庠诟卟课痪奂?，因此直井鉆探儲(chǔ)層鉆遇率低，早期少數(shù)探井在斷棱附近鉆遇油層，多數(shù)井見不同程度油氣顯示，但未能成藏。油藏含油條帶窄，寬度僅100～200 m，水平井鉆井也不利于該類牙刷富集油藏的勘探和開發(fā)。為提高儲(chǔ)層鉆遇率，采用多靶點(diǎn)沿?cái)鄬觾A向大斜度定向井鉆探［1］。前期鉆井過程中出現(xiàn)了卡鉆、機(jī)械速度慢、鉆井周期長(zhǎng)等問題，嚴(yán)重制約了該地區(qū)勘探開發(fā)進(jìn)程，通過分析鉆井技術(shù)難點(diǎn)，開展了牙刷狀油藏鉆井技術(shù)研究，形成了適合該地區(qū)的長(zhǎng)位移大斜度井鉆井配套技術(shù)。

1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征

3次資評(píng)結(jié)果，楊武寨地區(qū)剩余資源量約1.1×108t，仍具有較大的資源潛力。油氣沿?cái)鄬釉跀鄩K上傾端富集，在剖面上沿?cái)鄬映省把浪ⅰ睜罘植迹矫嫔涎財(cái)嗬獬书L(zhǎng)條狀分布（見圖1）。

圖1 楊武寨構(gòu)造帶油藏剖面圖Fig.1 Section of oil reservoir in Yangwuzhai structural zone

油藏縱向上存在多套含油層系，Es1～Es3為主要目的層。其中Es2下段儲(chǔ)層巖性為紫紅色、灰色泥巖與淺灰色細(xì)砂巖不等厚互層，Es3為灰褐色泥巖、灰色泥巖與淺灰色細(xì)砂巖不等厚互層夾黑色碳質(zhì)泥巖、煤層。Es2孔隙度平均14.6%，滲透率平均6.7 mD；Es3上孔隙度平均9.6%，滲透率平均5.1 mD，為低孔低滲透儲(chǔ)層。

2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

（1）大斜度定向井段長(zhǎng)。楊武寨構(gòu)造帶定向井最大井斜介于50～60°，水平位移1 500～2 000 m，位移大造成摩阻扭矩大，普遍存在托壓嚴(yán)重［2］、工具面難以控制、定向困難等問題。

（2）機(jī)械鉆速慢。東營(yíng)組以下地層為紫紅色泥巖與淺灰色細(xì)砂巖呈不等厚互層，研磨性相對(duì)較強(qiáng)，地層可鉆性級(jí)值4～6，單只鉆頭進(jìn)尺少，機(jī)械鉆速慢，已鉆定向井平均井深3 634 m，平均機(jī)械鉆速僅10.91 m/h，鉆井周期27.25 d。

（3）對(duì)鉆井液防塌性能要求高。地區(qū)鉆井均為二開井，二開裸眼段長(zhǎng)（3 500～4 000 m），鉆井液浸泡時(shí)間長(zhǎng)，第三系地層黏土含量高（平均16.9%，最高46.1%），易水化膨脹，縮徑嚴(yán)重［3］，實(shí)鉆過程中井下頻發(fā)阻卡等復(fù)雜情況。

（4）儲(chǔ)層易受傷害。油藏儲(chǔ)層屬低滲透砂巖儲(chǔ)層，具有孔喉半徑小、泥質(zhì)含量高［4］等特點(diǎn)，鉆井過程中極易受到傷害，應(yīng)采取保護(hù)措施以減輕鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

3 優(yōu)快鉆井技術(shù)

結(jié)合地層特點(diǎn)，在滿足工具造斜能力的條件下，從利于降低摩阻扭矩出發(fā)，優(yōu)選軌道剖面；優(yōu)選高效PDC鉆頭和水力振蕩器提高機(jī)械鉆速；優(yōu)化鉆井液性能，提高體系的抑制性，防磨減扭，強(qiáng)化膠結(jié)固壁能力，強(qiáng)化成膜效應(yīng)，保護(hù)儲(chǔ)層。

3.1 優(yōu)選軌道剖面

由于油層主要受斷層控制，在斷層與上傾砂巖組成的墻角分布，形成油水界面各異的沿?cái)嗬獬收瓧l牙刷狀分布的層狀油藏，且含油層系多、層段跨度大，一般近1 000 m，為確保儲(chǔ)層鉆遇率，需要順斷層鉆進(jìn)［5］。通過模擬，在靶前距相同的情況下，雙增剖面起鉆摩阻較單增剖面大（見圖2），因此，從控制摩阻扭矩和確保儲(chǔ)層鉆遇率等方面綜合考慮，優(yōu)選單增剖面，油層段穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

圖2 雙增剖面與單增剖面起鉆摩阻對(duì)比Fig.2 Comparison of tripping out friction between double-build section and single-build section

3.2 優(yōu)選提速工具

3.2.1 優(yōu)選高效PDC鉆頭 楊武寨構(gòu)造帶鉆遇地層自上而下依次為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組、沙河街組。采用測(cè)井參數(shù)反演獲得沙河街組巖石力學(xué)參數(shù)，地層為中軟～中等硬度，抗剪切強(qiáng)度6～8 MPa，抗壓強(qiáng)度60～190 MPa，內(nèi)摩擦角32～44°，可鉆性級(jí)值6±0.5，適合用五刀翼胎體、短圓形冠部、中密度布齒、短保徑長(zhǎng)度可進(jìn)行井下馬達(dá)定向鉆進(jìn)的鉆頭［6］，根據(jù)地層特點(diǎn)及以往的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，優(yōu)選了TH1954D鉆頭。

3.2.2 選用水力振蕩器 前期楊武寨牙刷狀油藏定向鉆進(jìn)時(shí)均采用PDC鉆頭加彎螺桿的井底鉆具組合，由于井斜角大、裸眼段長(zhǎng)，鉆柱與井壁間摩阻大，滑動(dòng)鉆進(jìn)過程托壓嚴(yán)重，托壓值達(dá)到200～350 kN，且工具面不穩(wěn)定，定向期間需要頻繁活動(dòng)鉆具，嚴(yán)重影響機(jī)械鉆速，前期平均滑動(dòng)機(jī)械鉆速僅0.8 m/h。

為解決定向鉆進(jìn)困難，提高鉆井效率，通過對(duì)不同提速工具緩解托壓性能對(duì)比，對(duì)部分 ?215.9 mm井眼造斜井段使用水力振蕩器，水力振蕩器通過自身產(chǎn)生的縱向振動(dòng)來提高鉆井過程中鉆壓傳遞的有效性和減少底部鉆具與井眼之間的摩阻，緩解滑動(dòng)鉆進(jìn)中托壓，提高機(jī)械鉆速［7］。水力振蕩器安放位置與工具本身的性能參數(shù)、井眼軌跡、鉆具組合、鉆井參數(shù)、鉆井液性能等參數(shù)密切相關(guān)［8-9］，一般應(yīng)使工具距鉆頭的距離盡量不大于工具產(chǎn)生的軸向激勵(lì)振動(dòng)在管柱中的傳播距離的一半［10］。

3.3 鉆井液性能優(yōu)化

（1）提高體系的抑制性。針對(duì)第三系地層泥巖黏土礦物含量高、極易水化膨脹、造成井眼縮徑等復(fù)雜情況，選擇包被劑陰離子聚丙烯酰胺CFB抑制地層造漿［11］；加入抗高溫降濾失劑合成脂LK-2、水解聚丙烯腈復(fù)合銨鹽NH4-NPAN-2降濾失［12］，使鉆井液體系具有強(qiáng)抑制性、低濾失量，同時(shí)將密度控制在1.15～1.26 kg/L，隨著井深的增加逐漸提高。

（2）復(fù)合潤(rùn)滑。強(qiáng)化液體潤(rùn)滑劑與固體潤(rùn)滑劑的共同作用，分別為液體潤(rùn)滑劑乳化石蠟0.4%～1.0%、防卡潤(rùn)滑劑改性油0.4%～1.0%、乳化渣油2%～3%，以及固體潤(rùn)滑劑石墨類0.4%～1.0%、塑料小球0.1%～0.3%，保證濾餅?zāi)Σ烈驍?shù)小于0.08［13］，以達(dá)到防磨減扭的效果，確保鉆井施工安全。

（3）完善濾餅改善劑。濾餅改善劑以改性油溶性樹脂YDJ為主要材料，與封堵劑PD1、成膜劑YD1搭配使用，改善鉆井液流型，降低濾失（見表1），同時(shí)能增強(qiáng)表面吸附，強(qiáng)化成膜效應(yīng)［14］，強(qiáng)化鉆井液膠結(jié)固壁能力［15］，確保井壁穩(wěn)定（見表2）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加濾餅改善劑后，鉆井液API失水降低，循環(huán)后形成致密的濾餅；動(dòng)態(tài)損害后，巖心滲透率返排恢復(fù)率為88.26%～95.48%，平均91.70%，說明鉆井液具有較好的降低失水及穩(wěn)定井壁作用，同時(shí)還可保護(hù)油層。

表1 添加濾餅改善劑YDJ前后鉆井液流變性能對(duì)比Table 1 Comparison of rheological property of drilling fluid before and after the adding of mud cake improver

表2 添加泥餅改善劑YDJ后鉆井液動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental result of dynamic damage evaluation on drilling fluid after the adding of mud cake improver

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2017—2018年一季度楊武寨構(gòu)造帶q162x西圈閉共鉆探定向井4口，平均井深4 007.5 m，通過實(shí)施優(yōu)快鉆井技術(shù)，鉆井過程中實(shí)現(xiàn)了無托壓、定向連續(xù)、無卡鉆等復(fù)雜事故，平均鉆井周期由前期27 d縮短至17.94 d，機(jī)械鉆速平均提高50.5%。

以q163x井為例，該井采用二開井身結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)井深4 348.8 m，最大井斜角50.49°，最大水平位移2 046 m，最大托壓350 kN 。采用單增剖面設(shè)計(jì)，造斜率3（°）/30 m，造斜點(diǎn)為1 461.23 m，造斜終點(diǎn)為1966.13 m，穩(wěn)斜至4 348.8 m（見表3）。

東營(yíng)組—沙河街組選用廊坊鼎鑫TH1954DPDC鉆頭，應(yīng)用水力振蕩器安放位置計(jì)算程序［8］，水力振蕩器安放在距鉆頭323.74 m處，鉆具組合為：?215.9 mm TH1954D+?172 mm DN×1.25°+浮閥+?165 mm NDC+MWD+?165 mm NDC+轉(zhuǎn)換接頭+?127 mm WDP+?127 mm DP+?172 mm 水力振蕩器+ ?127 mm DP，應(yīng)用井段3 044～4 348.8 m。應(yīng)用水力振蕩器之前，2 940～3 040 m滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓值為 250～350 kN，鉆具托壓頻繁釋放，導(dǎo)致工具面不穩(wěn)定，由大鉤載荷變化（圖3）可以看出，3 031～3 035 m段定向中，活動(dòng)鉆具高達(dá)16次；應(yīng)用水力振蕩器之后，未出現(xiàn)托壓及工具面不穩(wěn)定現(xiàn)象，由大鉤載荷變化（圖4）可以看出，3 440～3 444 m段定向4 m，僅活動(dòng)鉆具2次，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)定向。

表3 q163x定向井剖面設(shè)計(jì)表Table 3 Section design parameters of directional well q163x

圖3 使用水力振蕩器之前定向段鉤載變化（3 031～3 035 m井段）Fig.3 Change of hook load in the directional hole section before the application of hydro-oscillator(3 031-3 035 m)

圖4 使用水力振蕩器之后定向段鉤載變化（3 440～3 444 m井段）Fig.4 Change of hook load in the directional hole section after the application of hydro-oscillator (3 440-3 444 m)

通過組合使用高效PDC鉆頭+水力振蕩器提速，滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速由未使用水力振蕩器前的1.2 m/h提高到 1.68 m/h，造斜段平均機(jī)械鉆速較鄰井提高32.5%，定向效率提高2.43倍。

二開鉆進(jìn)時(shí)配伍使用水解聚丙烯腈復(fù)合銨鹽NH4-NPAN-2與包被劑陰離子聚丙烯酰胺CFB，根據(jù)地層不同，配制不同配比的溶液進(jìn)行維護(hù)：上部地層質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%銨鹽溶液與CFB配比為（1～3）∶1，中深地層質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%銨鹽溶液與CFB配比為（3～5）∶1，深井段地層質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%銨鹽溶液與CFB配比（5～8）∶1。加入濾餅改善劑、降濾失劑、液體潤(rùn)滑劑乳化石蠟、固體潤(rùn)滑劑石墨類，改善濾餅質(zhì)量，降低失水，防磨減扭，穩(wěn)定井壁。

通過綜合應(yīng)用以上技術(shù)，q163x實(shí)鉆井深4 360 m，鉆井周期僅19.07 d，整個(gè)鉆井過程順利，未出現(xiàn)卡鉆等復(fù)雜情況，而且表皮因數(shù)測(cè)試結(jié)果為-2.89，表明儲(chǔ)層保護(hù)效果較好。

5 結(jié)論與建議

（1）通過優(yōu)選軌道剖面、優(yōu)選高效PDC鉆頭、使用水力振蕩器，形成了軌道優(yōu)化與提速工具相結(jié)合的中深層大位移井集成提速技術(shù)，解決了楊武寨“牙刷狀”油藏機(jī)械鉆速低的難題。

（2）通過提高鉆井液體系的抑制性、應(yīng)用復(fù)合潤(rùn)滑技術(shù)、完善濾餅改善劑，有效實(shí)現(xiàn)了第三系長(zhǎng)裸眼地層的安全鉆井，避免了低滲儲(chǔ)層傷害。

（3）低滲透“牙刷狀”油藏優(yōu)快鉆井技術(shù)研究成果，對(duì)于加快楊武寨構(gòu)造帶以及類似油氣田的勘探開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。