東海深井超深井定向鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

王濤 和鵬飛 宮吉澤 葛俊瑞

1. 中海石油(中國)有限公司上海分公司；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

東海盆地位于中國東部海域，屬大陸邊緣斷陷-坳陷盆地，其深部地層蘊藏著豐富的油氣資源，目前正在逐步有效地開展勘探開發(fā)工作［1］。據(jù)統(tǒng)計，自1982年以來，在東海地區(qū)所鉆的87口深井和超深井中，有38口為直井，49口為定向井，定向井中有20口為水平井，10口最大井斜超過了50°，最大完井深度達到7 296 m，2016年平均完鉆深度為4 979 m，到了2019年平均完鉆深度達到了5 713 m。在鉆井過程中，主要面臨摩阻扭矩高、地層可鉆性差、定向井軌跡難以控制、長裸眼段封固難和封固評價難等問題。為此，在國內(nèi)深井、超深井鉆井技術(shù)調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合東海定向井特點，開展了高效減阻劑研究、鉆頭定制設(shè)計、動力導(dǎo)向鉆具配套應(yīng)用研究、長裸眼段固井措施保障及評價技術(shù)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了適用于東海深井定向井和超深井定向井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

1 鉆井主要難點

1.1 東海地質(zhì)特征

東海盆地地層自上而下依次為：第四系東海群，新近系上新統(tǒng)三潭組、中新統(tǒng)柳浪組、玉泉組、龍井組，古近系漸新統(tǒng)花港組、始新統(tǒng)平湖組地層和八角亭組，古新統(tǒng)、始新統(tǒng)與漸新統(tǒng)、中新統(tǒng)與上新統(tǒng)之間分別有較明顯的不整合［2］。各層均為砂泥巖地層：(1)三潭組、柳浪組以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，三潭組中下部、柳浪組含礫；(2)玉泉組上部砂巖粒徑小，下部砂巖粒徑大、含灰；(3)龍井組上部泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖為主，中下部砂巖粒徑大，含礫含灰；(4)花港組地層交錯頻繁，上部砂巖粒徑小，含灰；中下部砂巖粒徑大，含礫含灰；(5)平湖組地層泥巖、砂巖交錯頻繁(灰質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖夾中、細、粉砂巖)。

1.2 鉆井主要技術(shù)難點

目前東海深井定向井和超深井定向井主要采用4層套管井身結(jié)構(gòu)［3］：?508 mm套管(500 m左右，封固東海群松軟地層)+?339.7 mm套管(下至玉泉組底部)+?244.5 mm套管(下至平湖組頂部)+?177.8 mm尾管(至完鉆深度)。

(1)深井定向井和超深定向井鉆進過程面臨的主要問題是摩阻扭矩過高，孔雀亭A2H、孔雀亭A5以及平湖ZG1等3口超深水平井、定向井施工過程中的最大鉆進扭矩都超過了60 kN · m。高摩阻扭矩會導(dǎo)致以下問題：首先是加劇了鉆機負荷；其次是容易使鉆具產(chǎn)生應(yīng)力疲勞而引起鉆具損傷；最后是高摩阻扭矩和較長作業(yè)周期中容易導(dǎo)致套管磨損，影響井筒安全。

(2)地層可鉆性差，定向困難。東海深部花崗組和平湖組地層普遍具有巖性致密、抗壓強度高、可鉆性差等特點。以A2H井(水平井，完鉆深度6 370 m)為例，垂深4 050 m抗壓強度平均137.89 MPa，最高193.05 MPa，平均內(nèi)摩擦角 41°，最大 56°；A4H 井(水平井，完鉆深度6 283 m)在花崗組地層抗壓強度為 99.97 MPa，最高 158.58 MPa；平均內(nèi)摩擦角38.5°，由此可見地層非常致密堅硬，可鉆性極差，加之巖性不均勻，鉆頭卡滑現(xiàn)象嚴重，隨鉆測量及定向工具頻繁失效，使得超深定向井機械鉆速緩慢，鉆井效率低下，導(dǎo)致鉆井周期長，鉆井成本高。

(3)長裸眼段封固、大斜度及水平井的固井質(zhì)量檢測難度大。東海部分區(qū)塊深部地層破裂壓力小，井身結(jié)構(gòu)為滿足開發(fā)要求，?311.15 mm井段設(shè)計裸眼長度一般為2 000～2 500 m。若采用常規(guī)的單級全封固井方式，則井底當(dāng)量密度較大，易發(fā)生漏失；若采用單級雙封固井方式，因環(huán)空附加量無法精準確定，導(dǎo)致水泥返高存在不夠風(fēng)險，加之裸眼段過長，首漿在固井施工上返過程中混漿嚴重，達不到封固要求，極有可能導(dǎo)致后期生產(chǎn)時環(huán)空帶壓。東海以氣井為主，且水層多，大多需下套管進行射孔完井，因此，深井、超深井深部的大斜度或水平產(chǎn)層段必須測量固井質(zhì)量，常規(guī)電纜測井方法無法實現(xiàn)。

1.3 國內(nèi)深井、超深井定向鉆井現(xiàn)狀

行業(yè)內(nèi)調(diào)研可知，深井超深井鉆井是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程［4］。徐新紐等［5］為解決準噶爾盆地超深井鉆井問題，開展了壓力預(yù)測、井身結(jié)構(gòu)等方面的研究，胡大梁等［6］針對川西超深井開展了鉆頭、鉆井液等方面的研究和應(yīng)用，戴輝等［7］對深井壓耗計算進行了研究探討，袁燦明等［8］對深井管柱作了應(yīng)用分析，高翔等［9］對酸化技術(shù)進行了研究，郭寶林等［10］對鉆頭及提速方面作了使用分析。各大油田主要根據(jù)自身區(qū)塊情況開展了具體研究，共性的問題主要有：超深井普遍具有鉆井深度大、井溫和壓力梯度高、安全窗口窄、深部地層可鉆性差、井眼清潔困難、摩阻扭矩大、起下鉆易阻卡、長裸眼固井工藝及評價難度大、儲層致密等特點。對于東海深井定向井和超深井定向井，隨鉆水力分析、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面已經(jīng)比較成熟，如前文所述的主要難點油田適用性研究較少，因此東海地區(qū)為解決這些問題，進行了重點攻關(guān)研究。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

2.1 高效抗磨減阻劑技術(shù)

2.1.1 基本原理及主要特性

高效抗磨減阻劑［11］是以醇、脂與其他抗磨材料在高溫條件下通過合成基縮合反應(yīng)得到的產(chǎn)物，主要原理是通過有機負離子吸附在套管及鉆桿表面，形成保護膜，添加抗磨惰性離子、產(chǎn)生有機金屬離子將靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?，通過加入有機抗溫油性物進一步加強潤滑性，耐溫性可達200 ℃以上，在無固相鉆井液中使用量0.3%，高密度鉆井液中使用量為1%，并可以替代普通潤滑劑使用。與國內(nèi)外常用的抗磨減阻劑相比，潤滑性能優(yōu)于海洋鉆井廣泛使用的液體抗磨減阻劑LUBE167和LUBE776。

2.1.2 效果分析

高效抗磨減阻劑在寶云亭、黃巖氣田進行了應(yīng)用。加入該材料后，鉆井液性能在流變性等方面變化微小。以A6H井(水平井，5 660 m)為例，在水平段EZFLOW體系(水基無固相體系)加入此材料，在鉆具組合及其他參數(shù)相同條件下，比加入前鉆進扭矩峰值降低約10%，劃眼扭矩降低約20%，起下鉆裸眼內(nèi)摩阻減小約34%，套管內(nèi)摩阻減小約37%。從同一區(qū)塊(鉆井工具、工藝、地質(zhì)條件一致，只是前后鉆井時間有差異)相鄰兩口井對比來看，使用此材料的鉆井扭矩較未使用此材料時整體降低10%～15%左右。

2.2 高效破巖鉆頭優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 基本原理及主要特性

東海地區(qū)通常使用的鉆頭類型主要有：普通PDC鉆頭、中心錐形齒PDC鉆頭、牙輪+PDC復(fù)合鉆頭(俗稱獅虎獸)［12］。但上述鉆頭在工程應(yīng)用中抗磨損性能較差，尤其在花港組以下地層磨損嚴重，仍有提速空間，為此開展了錐形齒鉆頭設(shè)計(常規(guī)中心錐形齒鉆頭只是在中部設(shè)置一顆錐形齒)。其主要特征為：后排齒采用錐形齒設(shè)計，鉆進時可以使地層先產(chǎn)生劃痕，有助于主切削齒的破巖；采用螺旋保徑設(shè)計，有利于減小扭矩和保持鉆夾層時鉆頭的穩(wěn)定；較深的排屑槽設(shè)計，提高巖屑上返效率；針對性的冠部曲線設(shè)計，保徑內(nèi)鑲TSP聚晶塊，設(shè)置保徑齒和倒劃眼齒，強化了保徑并有利于修整井壁(圖1)。通過高強度材料的使用，該種鉆頭抗沖擊能力較常規(guī)普通PDC鉆頭提高了25%，抗研磨能力提高30%，有利于鉆夾層和礫石。錐形切削齒抗沖擊、抗研磨綜合性能好，并容易在巖石表面形成較大的應(yīng)力，吃入地層效果好，破巖效率高。

圖1 錐形齒PDC鉆頭示意圖Fig. 1 Sketch of conical-tooth PDC bit

2.2.2 效果分析

NB-2d井是一口常規(guī)定向井，完鉆深度4 918 m，?212.73 mm井段 (4 620～4 918 m)鉆遇平湖組，該地層巖石抗壓強度34.47～103.42 MPa，軟硬交錯頻繁，主要為泥質(zhì)膠結(jié)細砂巖、泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖、泥巖。在該段地層應(yīng)用錐形齒鉆頭，單趟鉆鉆完298 m井段(內(nèi)外排齒出井評價磨損級值3～5)。而鄰井S-1(直井，完鉆深度4 787 m)完成平湖組258 m井段，使用1只常規(guī)PDC鉆頭(內(nèi)外排齒出井評價磨損級值4～6)+1只中心錐形齒PDC鉆頭(內(nèi)外排齒出井評價磨損級值3～5)。NB-2d井比鄰井節(jié)約1趟鉆，等效節(jié)約時間約55 h。

2.3 動力導(dǎo)向鉆具的優(yōu)選應(yīng)用

2.3.1 基本原理及主要特性

為解決深井超深井定向鉆進的問題，使用井下動力導(dǎo)向鉆井技術(shù)，由大扭矩井下動力總成、Filter+Flex總成、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等組成。其中，動力總成是一種功率大、可靠性高的直螺桿鉆具，其動力由泵排量提供，可在井下產(chǎn)生額外動力帶動驅(qū)動頭高速轉(zhuǎn)動并輸出能量。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具主要負責(zé)鉆具的全程旋轉(zhuǎn)和接收并執(zhí)行井眼軌跡調(diào)整指令。導(dǎo)向鉆井井下動力提速技術(shù)特點：動力充足，增大輸出扭矩；鉆頭轉(zhuǎn)速300 r/min以上，提高PDC鉆頭切削速度；全時旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進，井眼軌跡控制良好；減少鉆進扭矩、摩阻和托壓情況，降低鉆具及鉆機負荷，減少套管磨損減輕振動，減少儀器故障率；耐溫150 ℃。

2.3.2 效果分析

一般在國內(nèi)海洋鉆井過程中，采用定向井測量工具中的Stick-Slip監(jiān)測鉆具的黏滑、蹩扭等問題。以A8H井(水平井，完鉆深度4 360 m)鉆進過程為例，通過動力導(dǎo)向鉆具+錐形齒PDC鉆頭的配合使用，?311.15 mm井段整體鉆進過程Stick-Slip值(無量綱)均在100以內(nèi)，僅個別點較高(但未超過300)，工具運行平穩(wěn)。從HY整體8口開發(fā)深井定向井來看，定向井軌跡控制完全在設(shè)計要求范圍內(nèi)，但總體機械鉆速比探井提高50%。

2.4 井口回注固井技術(shù)

2.4.1 基本原理及主要特性

東海淺部地層易漏失，在無竄漏至泥面及無擠毀套管風(fēng)險的前提下，通過關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計確?；刈⒓夹g(shù)可以實施?；刈⑹褂镁酆衔锓罋飧Z水泥漿體系，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計主要包括壓穩(wěn)設(shè)計和動態(tài)井底ECD模擬計算，確保單級固井有效壓穩(wěn)、無氣竄風(fēng)險；綜合?339.72 mm套管抗內(nèi)壓及?244.47 mm套管抗外擠強度，按照安全系數(shù)控制0.70，且擠注結(jié)束時套管內(nèi)外壓差在套管抗外擠范圍內(nèi)，以及地漏實驗數(shù)據(jù)等，確定合理的環(huán)空擠注壓力；通過合適排量保持塞流(0.40～0.50 m3/min)、套管頭雙翼閥同時擠注、合理加放套管扶正器確保居中、憋壓候凝24 h防止上竄等措施防止環(huán)空擠注水泥單邊固井。

2.4.2 效果分析

該技術(shù)在平黃一期進行大規(guī)模應(yīng)用，施工過程順利。以A1H井(水平井，完鉆深度5 143 m)為例，對?244.47 mm套管單級固井封固段和環(huán)空擠注水泥段進行CBL固井質(zhì)量測井，結(jié)果顯示單級固井段固井質(zhì)量優(yōu)，環(huán)空擠注水泥漿段，CBL顯示第一界面與水泥膠結(jié)良好；套管環(huán)空試壓10.34 MPa條件下穩(wěn)定壓力15 min不降，表明環(huán)空擠注水泥成功，水泥封固良好，滿足固井質(zhì)量要求。

2.5 隨鉆聲波工具固井質(zhì)量評價技術(shù)

2.5.1 基本原理及主要特性

傳統(tǒng)的聲幅法(CBL)通過套管聲幅值確定水泥固井質(zhì)量，水泥固結(jié)較好的位置套管聲幅較低，固結(jié)較差的位置聲幅值較高。固井膠結(jié)質(zhì)量與套管聲幅值呈線性關(guān)系。目前行業(yè)內(nèi)通用技術(shù)主要有：常規(guī)電纜測CBL、爬行器測CBL和鉆桿傳輸測CBL。由于深井定向井和超深井定向井井斜大及井筒內(nèi)鉆井液密度大等問題，常規(guī)電纜測井無法實現(xiàn)下放到位；而爬行器方式對井壁要求高，在井底作業(yè)時，有爬行器遇卡和電纜張力過大拉斷電纜等風(fēng)險；鉆桿傳輸測CBL方式，存在作業(yè)環(huán)節(jié)多，風(fēng)險高(磨斷電纜、對接失敗、儀器損傷)，需要鉆井和測井隊伍高度配合作業(yè)，作業(yè)時間長，綜合成本高，出現(xiàn)故障時相對返工時間長等問題。因此研究采用隨鉆聲波工具固井質(zhì)量評價技術(shù)，該技術(shù)通過結(jié)合聲幅和聲幅衰減兩種方法計算膠結(jié)指數(shù)，定量評價固井質(zhì)量。相比于其他方式，具有如下優(yōu)勢：聲幅和衰減綜合方法得到的膠結(jié)指數(shù)符合國際規(guī)范，與電纜聲幅膠結(jié)指數(shù)吻合；測井速度快，最高測速可達548 m/h，作業(yè)時間短，節(jié)省作業(yè)費用；可以與刮管器一起入井作業(yè)，在一趟鉆中完成刮管和固井質(zhì)量評價，節(jié)省作業(yè)時間；相比較其他幾種測井方式，作業(yè)風(fēng)險低，復(fù)雜情況處理手段多(可開泵、可旋轉(zhuǎn))；在固井質(zhì)量好的情況下，可以從全波列數(shù)據(jù)中提取地層縱橫波。

2.5.2 效果分析

該技術(shù)在ZG1大位移井(井斜最大77°，完鉆深度6 868 m)進行了應(yīng)用。從混合方法計算的膠結(jié)指數(shù)看，頂部層段(5 950 m以上)固井質(zhì)量較差，膠結(jié)指數(shù)0～0.5，這與該層段套管壓力測試失效相吻合；底部層段(5 950 m以下)固井質(zhì)量較好，膠結(jié)指數(shù)0.5～1.0。依據(jù)定量評價結(jié)果，在頂部層段?244.47 mm套管和?177.8 mm尾管之間重新擠入水泥固井，之后的套管壓力測試順利通過。基于固井質(zhì)量評價結(jié)果，該井順利實施4個氣層的射孔作業(yè)。

3 綜合應(yīng)用效果分析

東海油田2012—2014年鉆井平均井深4 928 m，機械鉆速13.69 m/h，隨著深井、超深井定向井關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，2019年平均井深增加至5 713 m，增加15.9%，機械鉆速增至19.12 m/h，提高39%；從5 000 m當(dāng)量井深平均鉆井周期對比來看，2019年為41.76 d，比2012年的71.27 d縮短周期42%。

4 結(jié)論

(1)通過深井、超深井定向鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究，摸索出一套適用用東海目標區(qū)域的鉆井工程方案，提高了作業(yè)速度，顯著降低了作業(yè)時間和鉆井成本。

(2)從近幾年的發(fā)展趨勢可以看出，東海深井、超深定向鉆井深度逐年增加，目前的井身結(jié)構(gòu)尚且滿足工程需要，但進一步優(yōu)化和調(diào)整的空間極其有限，因此在后續(xù)深度加深后，如何進一步完善井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是下一步研究工作的重點。

(3)在鉆具組合方面，東海深井、超深定向井主要采用動力導(dǎo)向鉆具，在直井中主要采用扭力沖擊等輔助破巖工具，均取得了較好的效果，如何將二者優(yōu)勢整合，研究出更加高效、更加有利于定向的鉆具組合需要進一步研究。