川東北分水嶺構(gòu)造須家河組鉆井提速技術(shù)研究與應(yīng)用

甘 心， 侯樹剛， 趙俊峰， 侯立云， 張琳琳

(1. 中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001； 2.中石化中原石油工程有限公司地球物理測井公司，河南 濮陽 457001； 3.中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川 南充 637001)

普光氣田作為目前我國發(fā)現(xiàn)的最大規(guī)模的海相整裝高含硫氣田[1-2]，自2009年投產(chǎn)以來已經(jīng)持續(xù)安全高效穩(wěn)產(chǎn)8年多，累計產(chǎn)氣量達(dá)667.56億m3，為川氣東送做出了巨大貢獻(xiàn)[3-5]。面對如今國內(nèi)天然氣市場供不應(yīng)求以及時常出現(xiàn)“氣荒”的大背景，中石化普光氣田提出再持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)8年的目標(biāo)，這就要求在保持現(xiàn)有普光主體工區(qū)產(chǎn)量基礎(chǔ)上，加大勘探力度開發(fā)普光外圍區(qū)域。

川東北分水嶺構(gòu)造作為普光氣田二次開發(fā)的重點區(qū)域之一，位于普光主體區(qū)塊西北部，其主力產(chǎn)層為下部二疊系長興組。分水嶺構(gòu)造上部以陸相地層為主，且依然存在著“噴、漏、塌、卡、斜、硬”等鉆井難題[6-7]，其中須家河地層埋深為2800～3800 m、厚度為550～680 m。從前期該區(qū)塊已完鉆的分1井和分2井資料來看，整個須家河組層段平均機(jī)械鉆速0.59～0.75 m/h，嚴(yán)重制約了勘探開發(fā)進(jìn)程。

因此，針對川東北分水嶺構(gòu)造須家河組地層，開展工程地質(zhì)特征分析及提速技術(shù)研究與現(xiàn)場應(yīng)用，對提高該區(qū)塊鉆井效率、縮短鉆井周期、降低鉆井成本具有重要的意義。

1 分水嶺構(gòu)造須家河組工程地質(zhì)特征

測井資料具有分辨率高、連續(xù)性好、經(jīng)濟(jì)可靠的優(yōu)點，直接從測井資料中提取地層工程地質(zhì)特征已經(jīng)得到了人們高度重視和廣泛應(yīng)用[8-11]。目前，基于測井資料反演地層礦物組分和巖石力學(xué)參數(shù)的方法和技術(shù)已經(jīng)較為成熟[12-13]。

1.1 礦物組分含量分析

基于測井曲線特征和巖礦薄片資料，對分水嶺構(gòu)造須家河組礦物組分含量進(jìn)行分析(圖1)，可知：須家河組地層主要含有15種不同礦物，其中中砂巖、細(xì)砂巖為主要成分，占層組厚度的34.59%和21.37%，其次為炭質(zhì)泥巖和泥巖，各占層組厚度的10.83%和8.58%，而砂礫巖、粗砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和煤也占一定比例。

圖1 須家河組地層礦物組分分析

進(jìn)一步針對須家河組地層砂巖碎屑薄片進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示，須家河組砂巖呈細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，顆粒支撐，成分、結(jié)構(gòu)成熟度較高，碎屑成分中石英含量最高，在50%～70%之間，長石5%～10%，巖屑15%左右，分選好，次棱角狀為主，部分次圓狀，再生孔隙式膠結(jié)。填隙物成分以泥質(zhì)為主(5%～10%)，次為硅質(zhì)(3%～5%)、灰質(zhì)(3%左右)。

1.2 巖石力學(xué)特征分析

在巖石力學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合密度、聲波時差等測井原始數(shù)據(jù)，運用非線性最小二乘法進(jìn)行擬合，建立并修正了分水嶺構(gòu)造須家河組巖石力學(xué)分析模型。

圖2 須家河組地層砂巖碎屑組分分析

圖3為通過巖石力學(xué)參數(shù)分析模型獲取的分水嶺構(gòu)造須家河組地層巖石力學(xué)參數(shù)曲線，表1為須家河組地層巖石力學(xué)參數(shù)反演值?？偟膩砜?，分水嶺構(gòu)造須家河組地層巖石力學(xué)參數(shù)曲線變化幅度較為明顯，其中，砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)砂巖等巖性地層巖石力學(xué)參數(shù)值普遍較高，而泥巖、煤、灰質(zhì)泥巖等夾層巖石力學(xué)參數(shù)值較低。而從巖石可鉆性級值這一指標(biāo)來看，須家河組地層可鉆性普遍在7～10級，其中在須家河組五段和二段的中砂巖層段可鉆性達(dá)到11級以上，在少數(shù)煤線和泥巖夾層可鉆性降至5級以下。

表1 須家河組巖石力學(xué)參數(shù)計算值

2 鉆井提速技術(shù)思路

針對川東北分水嶺構(gòu)造須家河組地層這種巖石硬度大(均值3121.6 MPa)、可鉆性差(均值8.0)、石英含量高(50%～70%)的典型難鉆地層，本文擬采用降低井底壓差和優(yōu)選高效破巖鉆頭兩種方式來實現(xiàn)提高機(jī)械鉆速和行程進(jìn)尺的目的。

2.1 降低井底壓差

井底壓差指的是鉆井循環(huán)流體介質(zhì)密度與地層壓力當(dāng)量密度之間的差值，以ρm-ρd表示。降低井底壓差就是通過降低鉆井循環(huán)流體介質(zhì)密度并使其盡可能小于或等于地層壓力當(dāng)量密度，可以進(jìn)一步緩解井底壓持效應(yīng)，改善鉆頭破巖環(huán)境。

圖3須家河組巖石力學(xué)參數(shù)曲線

Fig.3CurveofrockmechanicsparametersinXujiaheformation

Vm=KV(Wp/60)(0.5+0.2Kd)(R/70)(0.9-0.03Kd)

(1)

其中:

Wp=W/Dh

(2)

Np=10.95×10-2gρmQm3/(de4Dh2)

(3)

式中：Vm——機(jī)械鉆速，m/h；KV——與巖石可鉆性級值Kd有關(guān)的鉆速系數(shù)(Kd≤3.5時，KV取130～135；3.56.0時，KV取100～105)；W——鉆壓，kN；Wp——比鉆壓，kN/cm；R——轉(zhuǎn)速，r/min；NP——比水功率，kW/cm2；ρm——循環(huán)流體介質(zhì)密度，g/cm3；ρd——地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Dh——井眼尺寸，cm；Qm——鉆井液排量，L/s；de——鉆頭水眼直徑，cm。

2.2 優(yōu)選高效破巖鉆頭

混合鉆頭作為一種新型個性化鉆頭，它將牙輪鉆頭和PDC鉆頭結(jié)構(gòu)特點融合在一起，在近幾年國內(nèi)外油氣勘探領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[15]。為了進(jìn)一步分析混合鉆頭對須家河組這類可鉆性差的石英砂巖地層的適應(yīng)性，本文將混合鉆頭和常規(guī)PDC鉆頭進(jìn)行了對比分析。

通過如圖4～圖6混合鉆頭與PDC鉆頭在須家河組砂巖地層破巖參數(shù)曲線變化，可知：

圖4 混合鉆頭與PDC鉆頭破巖反扭矩分析

(1)從反扭矩變化曲線來看，混合鉆頭反扭矩波動幅度約為PDC鉆頭的50%，表明混合鉆頭比PDC鉆頭更有利于減輕整合鉆柱的粘滑振動現(xiàn)象；

(2)從角速度變化曲線來看，混合鉆頭角速度波動幅度比PDC鉆頭更為平穩(wěn)，且平均值大于PDC鉆頭，表明混合鉆頭比PDC鉆頭破巖連續(xù)性更好；

(3)從軸向位移變化曲線來看，混合鉆頭在相同鉆井參數(shù)條件下取得的軸向位移要優(yōu)于PDC鉆頭，表明混合鉆頭進(jìn)尺效率優(yōu)于PDC鉆頭。

圖5 混合鉆頭與PDC鉆頭破巖角速度分析

圖6 混合鉆頭與PDC鉆頭破巖軸向位移分析

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2017年，中石化在川東北分水嶺構(gòu)造上部署的一口重點預(yù)探井——分3井，該井設(shè)計鉆遇的須家河組地層埋深2900 m，厚度約610 m，預(yù)測地層壓力系數(shù)1.05～1.10。

3.1 現(xiàn)場采用的鉆井方式

3.1.1 氣體鉆井

應(yīng)用井段：3011～3243 m；鉆遇地層：須家河組六段、五段和四段。

鉆具組合：?311.2 mm牙輪鉆頭+?228.6 mm鉆鋌+?229 mm減震器+?304 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌+?203.2 mm鉆鋌+?203.2 mm隨鉆震擊器+?139.7 mm鉆桿。

3.1.2 常規(guī)泥漿鉆井

應(yīng)用井段：3243～3265 m；鉆遇地層：須家河組四段。

鉆具組合：?311.2 mm牙輪鉆頭+?228.6 mm鉆鋌+?203.2mm鉆鋌+?139.7 mm鉆桿。

3.1.3 扭沖工具+混合鉆頭鉆井

應(yīng)用井段：3265～3414 m；鉆遇地層：須家河組四段、三段。

鉆具組合：?311.2 mm混合鉆頭+?203 mm扭沖工具+?228.6 mm鉆鋌+?229 mm減震器+?304 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌+?203.2 mm鉆鋌+?203 mm隨鉆震擊器+?139.7 mm鉆桿。

其中，扭沖工具總長464 mm，壓降1.8～2.1 MPa，沖擊頻率700～1600次/min，扭轉(zhuǎn)沖擊710～830 N·m。

3.1.4 螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井技術(shù)

應(yīng)用井段：3414～3682 m；鉆遇地層：須家河組三段、二段。

鉆具組合：?311.2 mm混合鉆頭+?244.5 mm直螺桿+?228.6 mm鉆鋌+?229 mm減震器+?304 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌+?203.2 mm鉆鋌+?203 mm隨鉆震擊器+?139.7 mm鉆桿。

其中，螺桿鉆具馬達(dá)頭數(shù)5∶6，轉(zhuǎn)速72～144 r/min，工作扭矩15742 N·m，壓降5.25 MPa。

3.2 提速效果分析

分3井須家河組地層的鉆井參數(shù)與鉆時變化曲線如圖7所示，從中可以看出：

(1)氣體鉆井在施工時，雖然所施加鉆壓(30～60 kN)遠(yuǎn)小于以泥漿為循環(huán)介質(zhì)的其它3種鉆井方式所施加的鉆壓，但是依靠其自身可以將井底負(fù)壓差最大化的特點，從而實現(xiàn)最佳的提速效果，并且鉆時(鉆進(jìn)每米所用時間)與其它3種鉆井方式相比波動更為平穩(wěn)，并保持在5～30 min/m。

(2)螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井雖然施加的鉆壓與常規(guī)泥漿鉆井和扭沖工具+混合鉆頭鉆井相比有所減小，但是依靠螺桿鉆具輸出高轉(zhuǎn)速(72～144 r/min)和大扭矩(15742 N·m)，并且充分發(fā)揮混合鉆頭壓碎+剪切耦合破巖的優(yōu)勢，鉆時基本保持在25～50 min/m。

(3)扭沖工具+混合鉆頭鉆井所獲取的鉆時波動幅度明顯大于氣體鉆井和螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井，通過將轉(zhuǎn)速由55 r/min增大至85 r/min，鉆時波動幅度仍無明顯改善。

圖7不同鉆井方式在須家河組地層的鉆井參數(shù)與鉆時變化曲線

Fig.7CurveofdrillingparametersanddrillingtimefordifferentdrillingmethodsinXujiaheformation

圖8為配合扭沖工具使用的混合鉆頭入井前和出井后的實物照片對比，可以看出該鉆頭在進(jìn)尺149 m后出井新度依然保持在80%左右，僅刀翼肩部PDC切削齒出現(xiàn)輕微磨損，牙輪外排齒出現(xiàn)個別崩斷。從而也表明：扭沖工具配合混合鉆頭使用，雖然提速效果不突出，但通過扭沖工具可以改善混合鉆頭破巖環(huán)境，避免鉆頭過早磨損的效果。

圖8 混合鉆頭入井和出井照片對比

將分3井須家河組地層所使用的提速手段所取得的總進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速進(jìn)行對比分析(圖9所示)，可以看出：氣體鉆井技術(shù)、螺桿鉆具+混合鉆頭以及扭沖工具+混合鉆頭鉆井技術(shù)均取得不同程度的提速效果，其中，氣體鉆井技術(shù)平均機(jī)械鉆速最高，達(dá)到4.78 m/h，與同井常規(guī)泥漿鉆井相比提高4.49倍，螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井技術(shù)平均機(jī)械鉆速為1.77 m/h，與同井常規(guī)泥漿鉆井相比提高103%，扭沖工具+混合鉆頭鉆井技術(shù)平均機(jī)械鉆速為1.04 m/h，與同井常規(guī)泥漿鉆井相比提高20%。

圖9 不同鉆井方式總進(jìn)尺及平均機(jī)械鉆速統(tǒng)計

將分3井與同構(gòu)造帶上的鄰井分1井、分2井進(jìn)行對比分析(圖10)，可以看出，分3井在采用了氣體鉆井和混合鉆頭高效破巖提速技術(shù)之后，平均機(jī)械鉆速達(dá)到1.95 m/h，較鄰井分別提高230%和160%，并且鉆頭使用量為6只，較鄰井分別節(jié)約14只和3只。

圖10 分水嶺構(gòu)造帶上3口井在鉆頭使用量和機(jī)械鉆速方面對比

4 結(jié)論

(1)通過對分水嶺構(gòu)造須家河組地層進(jìn)行工程地質(zhì)特征分析，獲取了須家河組地層礦物組分是以中砂巖、細(xì)砂巖為主，分別占層組厚度的34.59%和21.37%，并且石英含量高，占砂巖碎屑成分的50%～70%。同時，還進(jìn)一步獲取了須家河組地層巖石力學(xué)參數(shù)值和變化曲線。

(2)基于礦物組分和巖石力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果，并結(jié)合鉆速方程提出了通過降低井底壓差的思路進(jìn)行提速并有針對性地選取了氣體鉆井技術(shù)。從分3井現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，氣體鉆井技術(shù)機(jī)械鉆速達(dá)到4.78 m/h，與同井常規(guī)泥漿鉆井相比提高4.49倍。

(3)針對分水嶺構(gòu)造須家河組可鉆性較差的石英砂巖地層，開展了混合鉆頭和PDC鉆頭的破巖對比分析，并得出混合鉆頭在緩解粘滑振動、提高破巖連續(xù)性和進(jìn)尺效率方面優(yōu)于PDC鉆頭。從分3井現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井機(jī)械鉆速為1.77 m/h，與同井常規(guī)泥漿鉆井相比提高103%，扭沖工具+混合鉆頭鉆井可以有效改善鉆頭破巖環(huán)境、保護(hù)鉆頭。