渤中凹陷西南環(huán)深層探井鉆井難點與技術(shù)對策

許杰 竇蓬 林海 祝國偉

1.中海石油(中國)有限公司天津分公司；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室

近年來，中深層油氣資源勘探成為重點方向，全球新發(fā)現(xiàn)油氣田不斷向深層、深水發(fā)展，近10年來，深層油氣資源在新增探明儲量中占主體地位，小于4 000 m、4 000～6 000 m和大于6 000 m的層系石油和天然氣探明儲量分別占新增探明儲量的33%、54%、13%和39%、40%、21%［1-2］。渤海油田渤中凹陷西南環(huán)勘探潛力巨大［3］，該區(qū)域中深層探井主要目的層位為潛山裂縫性氣藏，其地質(zhì)條件復雜，部分井段同一井眼需鉆穿2套及以上壓力系統(tǒng)，下部地層壓力窗口窄，漏、噴、塌、卡等復雜情況時有發(fā)生；中深部地層富含砂礫，東營組鉆遇火成巖，潛山地層發(fā)育花崗巖，巖石硬度大，可鉆性差，研磨性強，鉆頭壽命短，機械鉆速緩慢；裂縫性儲層高溫高壓條件對鉆井液耐溫性和儲層保護性能都提出了嚴格的要求；探井建井周期長，成本壓力巨大。以上因素限制了渤中區(qū)域中深層的高效勘探開發(fā)，為此筆者對渤中區(qū)域中深層探井的作業(yè)難點進行了分析，并提出了相應的應對策略，在后續(xù)探井作業(yè)中進行了成功應用。

1 鉆井難點

1.1 地層復雜多變

受渤海灣地質(zhì)構(gòu)造運動影響地層破碎，渤中凹陷由新近系明化鎮(zhèn)組到古近系孔店組均有斷層發(fā)育［4］，對鉆井作業(yè)安全構(gòu)成了嚴重威脅。渤中19-6已鉆探井平均單井鉆遇3個斷層，渤中19-6-X1井鉆探過程中發(fā)生失返性漏失，堵漏作業(yè)延誤鉆井工期；渤中19-6-X2井發(fā)生井漏后多次封堵無效，最終選擇側(cè)鉆；渤中22-2-X井鉆遇館陶組斷層，發(fā)生失返性漏失，降低密度后又出現(xiàn)井眼坍塌，反復處理無效后放棄主井眼。

受生烴作用及黏土礦物成巖影響［5］，渤中區(qū)域中深部地層發(fā)育異常高壓，高壓分布廣泛，起壓快，壓力臺階多，過渡帶不明顯。渤中凹陷區(qū)域內(nèi)沙河街組實測孔隙壓力當量密度最高達1.70 g/cm3以上；BZ22-1-X井異常高低壓層在同一井眼內(nèi)，導致漏噴同現(xiàn)，處理難度大；CFD23-2-X井預測地層壓力當量密度最高1.54 g/cm3，實鉆達到1.71 g/cm3，導致井身結(jié)構(gòu)設計不合理，存在井控風險；潛山壓力成壓機理復雜且為非常壓地層，常規(guī)壓力預測理論計算精度差，實鉆過程中多次發(fā)生溢流進行壓井。

以上作業(yè)難點帶來以下問題：(1)井身結(jié)構(gòu)設計難度高，考慮封隔必封點后沒有備用井身結(jié)構(gòu)應對復雜情況；(2)斷層封閉性及壓力系統(tǒng)的不確定性導致中完深度難以確定；(3)鉆井液密度安全窗口窄，難以兼顧平衡地層壓力和儲層保護；(4)鉆遇斷層漏失風險高，發(fā)生漏失后堵漏難度大；(5)地層壓力識別困難，地層含氣量大，井控風險高，壓井難度大。

1.2 深部地層可鉆性差

渤中凹陷巖性復雜多變，常鉆遇特殊巖性地層導致機械鉆速緩慢，在明下段鉆遇的塑性泥巖平均機械鉆速不足2 m/h；館陶組中下部鉆遇厚層砂礫巖，鉆頭磨損嚴重；東營組鉆遇火成巖，易垮塌、易漏失；孔店組鉆遇大套砂礫巖，抗壓實強度高達227.7 MPa，太古界潛山為致密花崗片麻巖，抗壓實強度高達276 MPa，可鉆性極差［6］。傳統(tǒng)的提速思路與相應地層的匹配性不佳，導致各井段機械鉆速無法得到充分釋放(見圖1)，嚴重影響了本區(qū)域的鉆井效率。

圖1 渤中19區(qū)域機械鉆速統(tǒng)計Fig.1 Statistical ROP in Bozhong 19 area

1.3 軌跡控制與鉆井提速難度大

隨著井深增加，地質(zhì)構(gòu)造由簡單到復雜，鉆井難度不斷增加，特別是在大傾角、陡構(gòu)造、斷層發(fā)育、地應力異常地層鉆直井成為了技術(shù)難題，常規(guī)探井為了控制井眼軌跡，常使用塔式鉆具組合、滿眼鉆具組合、鐘擺鉆具組合和高陡防斜鉆具組合(常規(guī)馬達+PDC鉆頭)進行作業(yè)，在防斜糾斜作業(yè)時，通常使用輕壓吊打來保證打直，嚴重制約了破巖速度。

長期以來，渤海油田探井的主要鉆完目的層為淺層，缺少機會梳理出一套針對于中深層探井的鉆井提速提效技術(shù)體系，導致初期部分中深層探井作業(yè)時效偏低。2010年之后所鉆的10口中深層探井，平均完鉆井深4 094 m，平均鉆井工期64.5 d，平均生產(chǎn)時效僅為71%，渤中13-1-A3井生產(chǎn)時效僅為46%。因此，發(fā)展適合渤海中深層探井的防斜打快技術(shù)體系迫在眉睫。

1.4 井壁失穩(wěn)嚴重

渤中區(qū)域井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)，主要表現(xiàn)為井壁坍塌，頻繁憋壓、阻卡、井漏［7］。上部井段坍塌主要由于軟泥巖較為發(fā)育，井徑擴大現(xiàn)象較明顯。中深層巖性復雜，廣泛存在硬脆性泥頁巖，部分發(fā)育火成巖，此類地層存在裂縫、微裂縫，可鉆性差，鉆井液侵蝕后出現(xiàn)井壁坍塌，存在卡埋鉆具隱患。深部地層因高壓造成泥頁巖、火成巖和砂礫巖層段坍塌壓力高。大尺寸長裸眼段井壁失穩(wěn)導致鉆井起下鉆阻卡、倒劃眼困難等問題，鉆井過程中憋壓憋扭嚴重，也給電纜測井和下套管帶來了一定的風險。

1.5 鉆井液性能要求高

渤中區(qū)域探井井底溫度最高可達200 ℃以上，常規(guī)鉆井液體系隨溫度升高流變性能惡化，黏度、觸變性能減弱，濾失量大幅度提高，將直接影響巖屑的懸浮與攜帶以及井壁穩(wěn)定。在鉆遇復雜地層時，如異常壓力地層、破碎地層、鹽膏巖等污染地層，要求鉆井液具有適當?shù)拿芏瓤烧{(diào)整空間，有較好的抑制性和抗濾失性［8］。同時，潛山儲層的巖性、物性及孔喉結(jié)構(gòu)等基本特征與沉積層砂巖儲層特征有顯著區(qū)別，是典型的裂縫-孔隙型儲層，該類儲層傷害因素主要是固液侵入、應力敏感性和水鎖傷害，除酸敏較為嚴重外，堿敏、鹽敏、水敏和速敏較弱［9］。因此要求鉆井液在具有抗高溫性能的同時也要兼顧儲層保護性能。

2 主要技術(shù)對策

2.1 非標井身結(jié)構(gòu)方案

現(xiàn)階段，渤海油田的中深層探井一般采用直徑?508 mm+?339.7 mm+?224.48 mm+?177.8 mm的4層套管井身結(jié)構(gòu)［10-11］，采用?152.4 mm鉆頭鉆探潛山儲層后進行裸眼測試。但是這種井身結(jié)構(gòu)沒有多余的套管層級，抵抗風險能力較差，一旦出現(xiàn)復雜情況無法決定是否提前中完下入套管，往往導致情況進一步復雜。隨著中深層勘探進一步加深，高低壓層、斷層、分層測試，主動的、被動的必封層逐漸增多，這套井身結(jié)構(gòu)顯得捉襟見肘。因此，在渤海油田作業(yè)實際的基礎(chǔ)上，進一步探索了非標井身結(jié)構(gòu)。其思路為：在確保滿足地層評價要求的基礎(chǔ)上，采用“非標井眼+隨鉆擴眼+非標套管”的方法增加1層套管層級。

非標井身結(jié)構(gòu)采用的鉆頭-套管程序如下：一開?762 mm井眼下?609.6 mm套管，二開?457.2 mm井眼下?406.4 mm套管，三開?371.48 mm井眼下?323.85 mm套管，四開?285.75 mm井眼下?224.48 mm套管，五開?215.9 mm井眼下?177.8 mm尾管，六開使用?152.4 mm井眼鉆探潛山。相較于常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，?371.48 mm井眼較?406.4 mm大尺寸井眼中完井深進一步加深，降低了下部作業(yè)壓力；同時?406.4 mm和?285.75 mm井眼相較?406.4 mm和?311.15 mm井眼破巖的最小機械比能更小，機械鉆速更快。在滿足全井段多必封點需求的前提下，盡量縮短了建井周期。

2.2 高效破巖鉆頭及全井段提速技術(shù)

結(jié)合渤海油田渤中區(qū)域的工程地質(zhì)特點，認為上部地層性質(zhì)相對單一，井段長，可鉆性較好，具備提速的基礎(chǔ)條件；而下部地層及目的層可鉆性較差，深井頻繁起下鉆嚴重耽誤工期。所以提速的主要思路為：上部井段選用攻擊性強的鉆頭，同時盡量釋放鉆具參數(shù)，提高機械鉆速；下部井段提高單趟鉆井進尺，減少起下鉆次數(shù)，確保整個鉆井作業(yè)的整體效率。

在該思路的指導下，改進了鉆井工藝技術(shù)，形成了一套渤海中深層探井全井段提速技術(shù)體系。簡述如下：?406.4 mm井段將常規(guī)的?244.48 mm馬達變?yōu)?285.75 mm大尺寸等壁厚馬達，本體剛性大幅提升，最大允許排量由4 000 L/min提升至5 000 L/min，保障了攜巖效果，馬達頭數(shù)由3∶4變?yōu)?∶8再變?yōu)?∶6，在轉(zhuǎn)速和輸出扭矩上取得良好平衡，輸出扭矩由10 kN · m提升至18 kN · m［12］，區(qū)域內(nèi)最高機械鉆速可達100 m/h以上；?311.15 mm井段使用PowerV+Vortex的垂直導向鉆井技術(shù)，由傳統(tǒng)的控制參數(shù)輕壓吊打轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艆?shù)快速鉆進，可用鉆壓極限從60 kN提升至80～120 kN，破巖效率顯著增長［13］，該井段最高平均機械鉆速可達40 m/h以上，?215.9 mm井段采用復合沖擊器與專用PDC鉆頭一體化設計的新型提速工具［14］，將鉆井液水力能量轉(zhuǎn)化為高頻的周向沖擊和軸向沖擊，破巖效率得到提升，機械鉆速提升至20 m/h以上，單趟進尺最多可達1 200 m以上；?152.4 mm井段選用扭轉(zhuǎn)沖擊工具［15-17］，給鉆頭增加周向上的高頻沖擊力，使鉆頭和井底能始終保持連續(xù)的高頻切削，大幅度提高剪切效率，消除黏滑現(xiàn)象，延長了鉆頭壽命，提升了潛山硬地層的機械鉆速。

針對館陶組底砂礫巖易崩齒，東營組、沙河街組地層灰?guī)r含量高導致的鉆頭破巖效率低、鉆頭壽命短的缺陷，根據(jù)地層巖石力學參數(shù)和鉆井參數(shù)、鉆頭磨損、地層巖性等因素相配合［18-19］，選用新型3D鉆頭齒，金剛石片厚度提高30%以上，熱穩(wěn)定性和抗研磨性能顯著提高，特殊的金剛石層結(jié)構(gòu)增強了鉆頭齒抗沖擊性能，減少了崩齒情況發(fā)生；針對潛山花崗巖地層選用攻擊性較強的忍者齒，通過“楔入”地層使巖石產(chǎn)生體積破碎，提高破巖效率，鉆頭齒采用4象限受力模式，抗沖擊性較常規(guī)復合片提高80%，通過優(yōu)化內(nèi)排齒間距及水力結(jié)構(gòu)，降低了鉆頭掏心的發(fā)生概率(見圖2)。進一步根據(jù)大數(shù)據(jù)思維建立中深層機械鉆速預測模型對鉆頭破巖效果開展評價［20］，持續(xù)優(yōu)選破巖鉆具，兼顧破巖效率和鉆頭壽命，達到全井建井效率最大化的目的。

圖2 潛山段鉆頭持續(xù)改進優(yōu)化Fig.2 Continuous improvement and optimization of the bit for drilling buried hills

2.3 抗高溫無固相鉆井液體系

針對潛山地層儲層保護難度大、鉆井液抗高溫性能要求高的特點，研發(fā)出一套抗溫無固相甲酸鹽鉆井液體系［21］，并且通過對配方的持續(xù)改進，將體系的抗溫極限提升至200 ℃以上。該體系主要是由高分子聚合物、甲酸鹽及其他化學處理劑構(gòu)成。采用甲酸鉀鹽水作為基液，最高加重極限可達1.54 g/cm3，滿足潛山鉆進及井控密度要求。通過鉀離子交換和鑲嵌，削弱了黏土水化膨脹能力，進一步提高了井壁穩(wěn)定性。

面對渤中19-6區(qū)域井底高溫對鉆井液性能挑戰(zhàn)，研發(fā)了抗高溫增黏提切劑HT-A，與現(xiàn)有的PFPAC和PF-XC-H相比，HT-A抗溫性能可達200 ℃以上，可以滿足高溫條件下黏土顆粒在膠體體系中的穩(wěn)定性。同時，為使無固相甲酸鹽鉆井液體系在高溫條件下具有良好的流變性能，通過長鏈磺酸、疏水單體、纖維和交聯(lián)劑共聚反應研制成抗高溫流型調(diào)節(jié)劑HT-B，與現(xiàn)有的PF-VIS或者PF-VIF常規(guī)提黏劑相比，抗高溫性能可以達到200 ℃以上，滿足高溫條件下鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性和攜巖能力?；A(chǔ)配方為：海水+0.2%燒堿+0.3%純堿+1.5%HTA+1.5%HT-B+1%UHIB聚胺+HCOOK(加重)

開展室內(nèi)評價性實驗，測定180、190、200 ℃下體系基礎(chǔ)性能如表1所示，可看出與老化前鉆井液各項基礎(chǔ)指標對比，體系在測定溫度下高溫老化16 h后，YP值穩(wěn)定在10～11 Pa，F(xiàn)LAPI穩(wěn)定在4.2～4.4 mL，性能變化較小，實驗結(jié)果表明該體系封堵性能好。

180 ℃下熱滾24、48和72 h后流變性能見表2，可以看出，48 h能夠基本保持較穩(wěn)定狀態(tài)，超過72 h后，出現(xiàn)部分破膠，黏度略有降低。一方面，鉆井過程中可通過補充抗溫材料以保持體系的穩(wěn)定性；另一方面，當作業(yè)結(jié)束后，鉆井液在井底靜止時會隨時間延長而逐漸自動破膠，裸眼完井可不進行人為破膠，儲層保護效果更好。

采用巖屑熱滾回收率和頁巖膨脹率作為性能指標評價其抑制性能，從表3實驗結(jié)果可知，巖屑滾動回收率為92.5%，頁巖膨脹率僅為7.3 %，說明鉆井液能夠較好抑制潛山巖屑和井壁水化分散、膨脹，有利于穩(wěn)定井壁和保護儲層。

表1 鉆井液體系在不同溫度下老化性能對比Table 1 Aging performance comparison of drilling fluid system under different temperatures

表2 鉆井液體系高溫老化實驗結(jié)果Table 2 High-temperature aging experimental results of drilling fluid system

動態(tài)污染實驗評價了抗高溫無固相鉆井液滲透率恢復值，由表4可以看出，巖心污染后滲透率恢復值高達88.33%，切片后滲透率恢復值達93.33%，體系對低孔低滲儲層具有很好的油氣層保護效果。添加聚胺UHIB后界面張力由26.84 mN/m降低至2.61 mN/m (降低90%以上)，水鎖傷害低。

表3 鉆井液體系抑制性評價Table 3 Inhibition evaluation of drilling fluid system

表4 巖心滲透率恢復值實驗結(jié)果Table 4 Experimental results of core permeability recovery

結(jié)合實際應用情況，不斷地對配方持續(xù)改進，優(yōu)化添加劑的性能，現(xiàn)有配方已經(jīng)能滿足200 ℃以上溫度條件下的7 d以上的穩(wěn)定時間。改進后的配方為：0.3%NaOH+0.3%Na2CO3+0.5%DFL200 (提黏劑)+1%DFL180 (降濾失劑)+1%PF-SATRO-1 (防水鎖劑)+HCOOK。

2.4 精細壓力控制鉆井技術(shù)

由于潛山地層壓力的不確定性，鉆井液密度難以選擇：若選擇高密度鉆井液，可以保障地層流體不侵入井筒內(nèi)，但不利于發(fā)現(xiàn)油氣層甚至存在傷害儲層的風險；若使用低密度鉆井液，一旦鉆遇高壓氣層，井底壓力無法維持平衡，面臨小井眼處理井控難題［22］?？貕恒@井通過維持井底壓力相對恒定，減少井底壓力波動，使鉆井作業(yè)安全地通過窄密度窗口地層，可通過調(diào)節(jié)井口回壓維持井底壓力等于或略大于地層壓力，保證鉆井作業(yè)安全、高效［23］。

潛山鉆井期間壓力控制鉆井的思路為：采用低密度儲層鉆開液，實時監(jiān)控井口回壓，持續(xù)采集數(shù)據(jù)對全井段環(huán)空ECD進行實時模擬，通過井口回壓微調(diào)，補償環(huán)空循環(huán)壓耗的變化，始終保持在較小的工作窗口范圍內(nèi)。鉆進期間實時監(jiān)測進出口流量差，純液態(tài)流體精度在0.1 L/s之內(nèi)，滿足實時對井底壓力的控制。應用壓力控制鉆井技術(shù)，可有效減少儲層傷害，提高勘探評價精度，提高機械鉆速，有效降低了潛山井漏、壓差卡鉆等風險。

3 應用效果

通過以上技術(shù)在BZ19某區(qū)域評價井的應用，形成了一套與地層特性相匹配的鉆井提速工藝技術(shù)體系，鉆井提速獲重大突破(見圖3)。2019年與2017年相比，?406.4 mm井眼平均機械鉆速從27.88 m/h提高至84.89 m/h，提高了204%；?311.15 mm井眼平均機械鉆速從15.95 m/h提高至28.26 m/h，提高了77.18%；?215.9 mm井眼平均機械鉆速從7.08 m/h提高至11.99 m/h，提高了69.35%；?152.4 mm井眼潛山地層機械鉆速提高80.7%。作業(yè)效率大幅提升，作業(yè)周期大幅縮短，有效地降低了渤海油田深層勘探開發(fā)成本。

圖3 渤中區(qū)域各井段機械鉆速對比Fig.3 ROP comparison between different hole sections in Bozhong area

在儲層評價方面，測試結(jié)果顯示儲層表皮因數(shù)小于0，表明自主研發(fā)的鉆井液體系具有良好的作業(yè)性能，儲層保護效果良好，最終順利求取地層真實產(chǎn)能，成功評價了BZ19構(gòu)造。文中提出的應對策略為該類型油氣田快速評價及經(jīng)濟高效開發(fā)提供了重要參考。

4 結(jié)論與建議

(1)渤中凹陷西南環(huán)區(qū)域復雜的工程地質(zhì)條件是造成鉆井困難的主要原因，歸納該區(qū)域地層主要特點為：深層高溫，地層壓力復雜，巖石可鉆性差，井壁失穩(wěn)，裂縫性儲層。常規(guī)技術(shù)手段不再適用，必須開展創(chuàng)新技術(shù)攻關(guān)突破鉆井技術(shù)瓶頸。

(2)渤中區(qū)域探井作業(yè)取得以下認識：地層三壓力的準確預測是整個鉆井作業(yè)重要基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上嘗試開展的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化可有效縮短鉆井工期；根據(jù)不同井段的地層特點，以“以我為主，一段一策，個性定制，全井提速”為指導思想的鉆井工具工藝改進是提高機械鉆速的重要方法；采用的“改進配方，嚴格儲保，低密壓控，高效評價”策略是有效保障井控安全和油氣發(fā)現(xiàn)的有效手段。

(3)建議進一步開展井筒“瘦身”研究，儲備非標準尺寸井身結(jié)構(gòu)技術(shù)。同時對鉆頭、提速工具、鉆井參數(shù)之間的配合關(guān)系進行研究。