楊稅務(wù)潛山油氣藏大位移井鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)

陳新勇，徐明磊，馬 櫻，徐雅萍，趙 博，韓 煦

（1.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，河北任丘062550；2.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘062552；3.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；4.中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東青島266580）

華北油田楊稅務(wù)區(qū)塊位于冀中坳陷南部河西務(wù)構(gòu)造帶上，隨著地質(zhì)認(rèn)識的不斷深入和鉆井完井技術(shù)的不斷進(jìn)步，楊稅務(wù)潛山油氣藏的勘探獲得了重大突破，成為華北油田重要的接替資源[1]。該區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，沙河街組以下發(fā)育有礫巖層和多個(gè)薄弱易漏層，油氣藏埋深超過5 200.00m，儲層溫度160～215℃，因地表有村莊房屋，需采用大位移井開發(fā)。但該區(qū)塊大位移井鉆井存在摩阻扭矩大的問題，而且楊稅務(wù)區(qū)塊沙河街組沙四段以下地層可鉆性差，存在易漏層，地層溫度高，對鉆井工具、鉆井液和水泥漿的性能要求高。面對類似的技術(shù)難點(diǎn)，國內(nèi)主要從提速工具、降摩減扭、鉆井液性能優(yōu)化、防漏堵漏、井眼清潔等方面進(jìn)行解決[2–7]。筆者根據(jù)楊稅務(wù)區(qū)塊的地質(zhì)特征，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌道設(shè)計(jì)、井眼軌跡控制、鉆井液配方優(yōu)選與性能優(yōu)化、提速提效和大溫差小井眼固井等方面進(jìn)行了研究，形成了華北油田楊稅務(wù)潛山油氣藏大位移井鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)，并在T5X井和T101X井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)可提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，為楊稅務(wù)潛山油氣藏的高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。

1 鉆井完井技術(shù)難點(diǎn)

華北油田楊稅務(wù)區(qū)塊自上而下鉆遇第四系、新近-古近系、二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系：第四系主要巖性為黏土；新近-古近系主要巖性為泥巖、砂巖、粉砂巖、砂礫巖和礫巖；二疊系和石炭系主要巖性為砂巖、碳質(zhì)泥巖、玄武巖并夾含煤層；奧陶系和寒武系為該區(qū)塊的目的層，主要巖性為灰?guī)r、白云巖。綜合分析認(rèn)為，該區(qū)塊主要存在以下鉆井完井技術(shù)難點(diǎn)：

1）新近-古近系沙河街組沙四段以下地層可鉆性差，機(jī)械鉆速低。沙河街組沙4段、孔店組，二疊系和石炭系以硬質(zhì)泥巖、砂巖為主，硬度極高，研磨性極強(qiáng)，且夾含礫巖層、玄武巖層，對鉆頭沖擊破壞嚴(yán)重，給鉆井提速帶來了困難。

2）二疊系以下地層復(fù)雜，易漏失。二疊系和石炭系存在煤層，鉆井過程中易發(fā)生垮塌和井漏，對鉆井液的抑制性和封堵性要求高；潛山井段主要巖性為灰?guī)r、白云巖，裂隙發(fā)育，易漏失。

3）水平位移大，施工困難。水平位移2 000.00m以上，鉆井過程中摩阻大，鉆壓施加困難；裸眼段長且要鉆穿多套復(fù)雜巖性地層，造斜點(diǎn)位置和井斜角直接影響施工的難度和安全性。

4）井下溫度高，對鉆井工具、材料要求高。潛山頂部地層溫度超過160 ℃，井底溫度最高達(dá)到215℃，對井下工具、鉆井液和水泥漿的抗溫性能提出了較高要求。

5）潛山內(nèi)固井難度大。潛山地層壓力系數(shù)低，尾管段長度超過1 200.00m，環(huán)空間隙小，井底溫度高，且溫差在40℃以上，且后期需要采用體積壓裂技術(shù)改造儲層，對水泥環(huán)的完整性要求高，給固井施工帶來了困難。

2 鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)

為了加快華北油田楊稅務(wù)區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)度，開展了楊稅務(wù)潛山油氣藏大位移鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)研究，從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)、提速工具優(yōu)選、鉆井液優(yōu)化和防漏堵漏等方面入手進(jìn)行研究，形成了一系列鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

楊稅務(wù)潛山油氣藏原井身結(jié)構(gòu)：1）一開?339.7 mm套管下至明化鎮(zhèn)組穩(wěn)定地層，封固地表平原組松軟層；2）二開?244.5mm套管下至沙河街組下部；3）三開?177.8mm套管下至奧陶系頂部，封固奧陶系以上易垮塌易漏地層；4）四開潛山目的層專打，懸掛下入?127.0mm套管固井。

為確保井控安全，降低井壁垮塌風(fēng)險(xiǎn)，并考慮后期儲層改造需求[2–3]，在分析薄弱地層三壓力剖面的基礎(chǔ)上，對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。通過分析鄰井鉆井資料，預(yù)測沙河街組下部發(fā)育有壓力系數(shù)1.35的高壓層，將原井身結(jié)構(gòu)中二開套管下深調(diào)整至沙河街組中部；為了提高套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，確保后期儲層改造的需求，將四開?127.0mm套管回接至井口。

2.2 井眼軌道設(shè)計(jì)與軌跡控制技術(shù)

2.2.1 井眼軌道設(shè)計(jì)

1）優(yōu)選造斜點(diǎn)位置。沙四段和孔店組地層中含有膏巖、膏泥巖和礫巖，其中膏巖、膏泥巖地層穩(wěn)定性不好，礫石層可鉆性差，造斜能力低；二疊系和石炭系含有玄武巖和煤層，地層巖性復(fù)雜，容易發(fā)生掉塊等復(fù)雜情況，將造斜點(diǎn)選擇在沙河街組的中上部。通過模擬分析不同井斜角下的摩阻扭矩，發(fā)現(xiàn)將井斜角控制在40°以下有利于降低摩阻扭矩，提高攜巖效率，因此選擇在沙一段井深1 700.00～1 800.00m處造斜。

2）優(yōu)化造斜率。為了保證井眼軌跡平滑，降低施工難度，將井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)為“直—增—穩(wěn)”三段制，將造斜率控制在（2.0°～2.4°）/30m。

2.2.2 井眼軌跡控制技術(shù)

控制復(fù)雜結(jié)構(gòu)井井眼軌跡時(shí)，既要考慮提高上部大直徑井眼的造斜率，又要考慮下部高溫穩(wěn)斜段如何控制井斜角。

為了保障下部井段能夠順利施工，需確保二開在?311.1 mm井眼成功定向。二開采用PDC鉆頭+1.25°大尺寸螺桿的鉆具組合，螺桿上部不加穩(wěn)定器，以提高造斜能力。二開鉆具組合為?311.1mm鉆頭＋?244.5 mm×1.25°螺桿＋?203.2 mm無磁鉆鋌×2根＋?203.2mm螺旋鉆鋌×1根＋?165.1mm螺旋鉆鋌×6根＋?127.0mm加重鉆桿×18根＋隨鉆震擊器＋?127.0mm加重鉆桿×6根。鉆進(jìn)中盡量保證連續(xù)定向，不定點(diǎn)循環(huán)，少活動鉆具，提高造斜率。

三開和四開為長穩(wěn)斜段，采用動力鉆具組合實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的控制，選用1.0°彎角的螺桿，降低復(fù)合鉆進(jìn)破巖體積，在需要時(shí)可以微調(diào)井眼軌跡。三開鉆具組合為?215.9mm鉆頭＋?172.0mm×1.0°螺桿＋?203.2 mm穩(wěn)定器＋?165.1 mm無磁鉆鋌×2根+?165.1mm螺旋鉆鋌×10根＋?127.0mm加重鉆桿×18根＋隨鉆震擊器＋?127.0mm加重鉆桿×6根；四開鉆具組合為?152.4 mm鉆頭＋?120.6 mm×1.0°螺桿＋?120.7mm無磁鉆鋌×2根＋?120.7mm螺旋鉆鋌×14根＋?101.6mm加重鉆桿×18根＋隨鉆震擊器＋?101.6 mm加重鉆桿×6根。井深超過4 300.00m時(shí)井下溫度超過150℃，應(yīng)將螺桿和隨鉆測量儀器更換為抗高溫的螺桿和隨鉆測量儀器。三開和四開鉆進(jìn)時(shí)以復(fù)合鉆進(jìn)為主；若井眼偏離設(shè)計(jì)軌道，要勤調(diào)微調(diào)，以保持井眼光滑。

2.3 降摩減扭技術(shù)措施

楊稅務(wù)潛山油氣藏大位移井井深超過6000.00 m，井斜角大、裸眼段長且下部地層可鉆性差，導(dǎo)致鉆井過程中摩阻扭矩大，鉆機(jī)負(fù)荷大，給鉆進(jìn)安全帶來很大隱患。為降低摩擦系數(shù)，確保鉆井安全，主要采取應(yīng)用水力振蕩器和提高鉆井液潤滑性等技術(shù)措施。

2.3.1 應(yīng)用水力振蕩器

水力振蕩器主要包括振動端和動力端（見圖1）。鉆井液流過該鉆井工具時(shí)，能夠產(chǎn)生軸向振動，帶動附近鉆具振動，降低鉆具與井壁之間的摩擦阻力，增強(qiáng)鉆壓傳遞的有效性，解決滑動鉆進(jìn)過程中的托壓問題，提高定向效率[4–5]。由于隨著井斜角增大，水力振蕩器的安放位置距離鉆頭越近，效果越好[6–7]，因此，綜合考慮井斜角、裸眼段長、鉆具組合及水力振蕩器自身的特點(diǎn)，將其安放在距離鉆頭180.00～240.00m的位置。

圖1 水力振蕩器Fig.1 Hydraulic oscillator

2.3.2 提高鉆井液潤滑性

鉆進(jìn)增斜段、穩(wěn)斜段和調(diào)整段時(shí)，鉆井液中加入潤滑劑和塑料小球等，通過物理方式降低鉆井液摩阻系數(shù)；加強(qiáng)四級固控設(shè)備的使用，特別是充分利用離心機(jī)降低鉆井液中的固相含量，以降低固相對鉆井液潤滑性的影響；加入SN樹脂、聚陰離子纖維素等有機(jī)大分子處理劑，在井壁上形成吸附膜，改善濾餅的質(zhì)量。多種方式結(jié)合使用，將鉆井液摩阻系數(shù)控制在0.1以下，鉆具與井壁的接觸摩擦系數(shù)控制在0.3左右，綜合降低摩阻扭矩。

2.4 提速提效技術(shù)

2.4.1 鉆井參數(shù)優(yōu)化

為了提高?311.1mm井眼鉆進(jìn)東營組—沙河街組時(shí)的機(jī)械鉆速和攜砂能力，以盡可能提高鉆頭壓降、比水功率和避開應(yīng)力集中為原則，并將疲勞系數(shù)控制在0.7以下，通過利用Landmark軟件進(jìn)行模擬分析，推薦排量50～70 L/s，鉆壓100～200 kN，轉(zhuǎn)速100～120 r/m in。

為了提高?215.9mm井眼鉆進(jìn)沙河街組和二疊系—石炭系時(shí)的機(jī)械鉆速和攜砂能力，通過利用Landmark軟件進(jìn)行模擬分析，推薦排量48～66 L/s，鉆壓80～150 kN，轉(zhuǎn)速80～135 r/m in。

2.4.2 PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

沙河街組沙四段下部、孔店組及二疊系和石炭系地層埋深4 200.00～5 000.00m，巖性主要為礫巖、黑色玄武巖、深灰色泥巖等，可鉆性極差，對鉆頭沖擊破壞較為嚴(yán)重。因此，需對鉆頭進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)六刀翼PDC鉆頭，采用?16.0mm高抗研磨復(fù)合片、盔甲硬面材料，并利用等離子噴焊技術(shù)，將碳化鎢密度提高40%，使復(fù)合片更耐沖蝕；鉆頭肩部至鼻部加裝后排齒，以提高鉆頭抗沖擊能力；將切削齒后角調(diào)高至15°～25°，以提高切削齒的抗沖擊能力；采用3個(gè)?13.0 mm和3個(gè)?15.0mm的噴嘴，以提高鉆頭的冷卻效果、井底清洗效果和射流沖擊力。利用計(jì)算機(jī)流體動力學(xué)（CFD）軟件模擬了鉆頭流場的分布情況，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，井底最高流體速度達(dá)到25.0 m/s。

圖2 鉆頭流場模擬分析結(jié)果Fig.2 Simulation and analysis results of the bit flow field

2.4.3 扭力沖擊提速技術(shù)

經(jīng)過綜合評估，鉆進(jìn)沙河街組沙四段、孔店組、二疊系和石炭系時(shí)應(yīng)用扭力沖擊器。扭力沖擊器屬于高頻振動沖擊輔助破巖工具，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)鉆井液流過該鉆井工具時(shí)，其內(nèi)部獨(dú)特渦輪系統(tǒng)及動力啟動器將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成高頻、周期性的機(jī)械沖擊力，并向下傳遞給鉆頭，使鉆頭以每分鐘上千次的頻率沖擊、剪切破巖。扭力沖擊器能夠消除PDC鉆頭在鉆進(jìn)深井、超深井難鉆地層時(shí)的粘滑問題，提高鉆頭破巖能量傳遞效率，延長鉆頭的使用壽命[8–9]。

圖3 扭力沖擊器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural diagram of torsion impactor

2.5 鉆井液優(yōu)選和性能維護(hù)處理

四開潛山底最高溫度在215℃以上，巖性以灰?guī)r、白云巖為主，地層壓力較低，設(shè)計(jì)鉆井液密度1.05～1.16 kg/L。選用抗溫220℃的BH-HFL增黏降濾失劑、HB-2提切劑和抗高溫封堵劑，通過大量試驗(yàn)，優(yōu)化出低固相鉆井液配方：1.0%～3.0%膨潤土+0.1%～0.3%燒堿+1.0%～2.0%抗高溫增黏降濾失劑+2.0%～3.0%抗高溫提切劑+0.6%～2.0%抗高溫封堵劑+2.0%～3.0%儲層保護(hù)劑[10–12]。鉆井過程中，采取以下措施維護(hù)鉆井液的性能：

1）加入1.5%增黏降濾失劑BH-HFL、1.0%抗高溫封堵劑和2.0%抗高溫提切劑HB-2，將API濾失量控制在8m L以下；采用碳酸鈣將鉆井液密度調(diào)整至1.03～1.10 kg/L。

2）通過調(diào)整抗高溫增黏劑和抗高溫提切劑的加量調(diào)節(jié)鉆井液的流變性，將其動切力控制在11～15 Pa，塑性黏度控制在20～23 mPa·s，以提高鉆井液的攜巖能力。

3）鉆井過程中充分利用振動篩、除砂器和離心機(jī)等固控設(shè)備，控制鉆井液中的固相含量，將含砂量控制在0.2%以下，摩阻系數(shù)控制在0.1以下。

2.6 小間隙大溫差長封固段固井技術(shù)

2.6.1 井眼準(zhǔn)備

下套管前，采用雙穩(wěn)定器和三穩(wěn)定器通井鉆具組合通井2次。通井過程中，若遇阻30 kN以上，立即接頂驅(qū)對遇阻段進(jìn)行劃眼，直到順暢為止。為確保井眼清潔，通井鉆具組合到底后啟動所有固控設(shè)備進(jìn)行循環(huán)，在環(huán)空返速不低于1.2m/s的情況下至少循環(huán)2周。井眼清潔后，泵入潤滑封閉液。封閉液配方為：井漿+1%～2%石墨粉+增稠劑。

2.6.2 尾管扶正器優(yōu)化設(shè)計(jì)

?152.4mm井眼中下入?127.0mm套管的環(huán)空間隙小，固井質(zhì)量難以保證。為提高套管的居中度和固井頂替效率，分別模擬分析了旋流短節(jié)套管扶正器和剛、彈性套管扶正器相間安放對套管居中度和固井頂替效率的影響，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，與采用旋流短節(jié)套管扶正器相比，剛、彈性套管扶正器相間安放時(shí)的套管平均居中度由7%提高至55%，固井頂替效率可以達(dá)到90%以上[13]。

2.6.3 前置液設(shè)計(jì)

為了提高井眼清潔效果，在常規(guī)含有氧化劑的沖洗液基礎(chǔ)上，優(yōu)選沖洗加重隔離液，其主要成分為水、高溫懸浮劑、沖洗劑、菱角形加重材料和抗污染劑，同時(shí)將沖洗加重隔離液的用量由常規(guī)的2～3m3提高至10～15m3，這樣既能清除低固相鉆井液形成的濾餅，又能提高水泥漿的頂替效率和界面膠結(jié)質(zhì)量。

2.6.4 韌性水泥漿設(shè)計(jì)

圖4 井深5 425.00m處頂替效率模擬曲線Fig.4 Simulation curve of disp lacement efficiency at a depth of 5 425.00m

由于后期需要大型體積壓裂改造儲層，因此要求水泥環(huán)具有一定的塑性變形能力，以防止壓裂時(shí)水泥環(huán)發(fā)生脆性破碎。為此，結(jié)合固井防竄要求，在配制水泥漿時(shí)加入增韌和防竄材料，形成了韌性水泥漿，其配方為：G級水泥+40.0%高溫增強(qiáng)材料DRB-2S+5.0%增韌材料DRE-300S+0.8%分散劑DRS-1S+0.5%懸浮劑DRY-S2+0.8%穩(wěn)定劑DRK-3S+8.0%膠乳防竄劑DRT-100L+1.2%防竄調(diào)節(jié)劑DRT-100LT+2.5%降濾失劑DRF-120L+0.5%消泡劑DRX-1L+0.5%抑泡劑DRX-2L+1.3%～2.2%緩凝劑DRH-200L+48.0%水。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

楊稅務(wù)區(qū)塊的T5X井和T101X井應(yīng)用了潛山油氣藏大位移井鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)，鉆井過程中未發(fā)生井下故障，整體效果較好（見表1）。2口井平均完鉆井深6 083.50m，平均機(jī)械鉆速7.3m/h，平均鉆井周期149.69 d，與未應(yīng)用該技術(shù)的鄰井T2X井相比，機(jī)械鉆速提高了27.4%，鉆井周期縮短了19.7%。其中，T101X井創(chuàng)造了華北油田完鉆井深5 500.00m以深、水平位移超過1 500.00m的鉆井周期最短，機(jī)械鉆速最高和月進(jìn)尺最多等3項(xiàng)紀(jì)錄。

表1 試驗(yàn)井和鄰井鉆井技術(shù)指標(biāo)對比Tab le 1 Comparison of d rilling technical indexes between test wellsand ad jacent wells

T101X井采用四開井身結(jié)構(gòu)，鉆井過程中未出現(xiàn)井漏、溢流和井眼失穩(wěn)等問題。采用螺桿鉆具組合，井眼軌跡控制較好，井眼光滑。固井前采用雙穩(wěn)定器和三穩(wěn)定器鉆具組合通井，套管下入順利。

?311.1mm井段鉆井參數(shù)為：排量55 L/s，鉆壓130 kN，轉(zhuǎn)速100 r/m in。為降低造斜段的摩擦阻力，應(yīng)用了水力振蕩器，?311.1 mm井段平均機(jī)械鉆速16.6m/h，與未應(yīng)用水力振蕩器的鄰井相比，機(jī)械鉆速提高了25.3%。

鉆進(jìn)沙河街組沙三段以下地層時(shí)，充分利用固控設(shè)備降低固相含量，加入SN樹脂改善濾餅質(zhì)量，降低鉆具與井壁的摩擦阻力。沙四段和孔店組以砂巖、泥巖為主，夾含厚度173.00m的礫巖泥巖互層段，采用個(gè)性化設(shè)計(jì)的PDC鉆頭與扭力沖擊器配合鉆進(jìn)該層段，平均機(jī)械鉆速達(dá)4.63m/h，較鄰井同層段提高了54.5%。

四開潛山內(nèi)使用抗高溫低固相鉆井液鉆進(jìn)，為了提高鉆井液的攜巖能力，加入抗高溫鉆井液添加劑，動切力控制在12 Pa左右，塑性黏度控制在22mPa·s左右。鉆進(jìn)中，充分利用振動篩、除砂器和離心機(jī)等固控設(shè)備，將含砂量控制在0.16%左右。固井前，分別下入了雙穩(wěn)定器和三穩(wěn)定器鉆具組合通井，通井結(jié)束后循環(huán)3周，然后下入套管，每2根套管安放一個(gè)套管扶正器，剛、彈性套管扶正器相間安放。固井作業(yè)時(shí)，加入12m3前置加重隔離液，應(yīng)用低密度韌性水泥漿進(jìn)行固井，候凝后測井評價(jià)固井質(zhì)量，結(jié)果為良好。

4 結(jié)論與建議

1）華北油田楊稅務(wù)潛山油氣藏埋藏較深，沙四段下部、孔店組、二疊系和石炭系巖性復(fù)雜，可鉆性差，機(jī)械鉆速低，鉆頭選型困難；部署超深大位移井裸眼段長，摩阻扭矩大，鉆井難度大；潛山地層溫度高，對鉆井工具、鉆井液和水泥漿性能要求高。

2）從井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道、抗高溫鉆井液、小間隙大溫差長封固段固井和鉆井提速提效等方面進(jìn)行研究，形成了華北油田楊稅務(wù)潛山油氣藏大位移井鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)。

3）現(xiàn)場試驗(yàn)表明，潛山油氣藏大位移井鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)可以解決楊稅務(wù)潛山油氣藏大位移井鉆井過程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)楊稅務(wù)潛山油氣藏的高效開發(fā)。

4）為了兼顧超深大位移井的鉆井難度和鉆井成本，建議選擇經(jīng)濟(jì)高效的井眼軌跡控制技術(shù)。螺桿鉆具+MWD與水力振蕩器配合鉆進(jìn)造斜段和長穩(wěn)斜段，可以提高鉆進(jìn)效率；但井深超過4 600.00m時(shí)應(yīng)選用抗高溫螺桿鉆具和MWD，以延長鉆具組合的使用壽命。