渤海油田火成巖發(fā)育區(qū)鉆井技術(shù)研究

霍宏博，張曉誠，李 進，李金澤，陳 卓

(1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

目前，火成巖油氣田的勘探開發(fā)受到各大石油公司的重視[1-4]，但由于火成巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橫向變化劇烈，火成巖發(fā)育區(qū)受巖性影響鉆井期間坍塌掉塊、漏失、鉆具及測井儀器阻卡、鉆頭嚴重磨損等復(fù)雜現(xiàn)象時有發(fā)生[5-6]。

渤海油田的墾利區(qū)域、秦皇島區(qū)域、南堡區(qū)域、渤中區(qū)域、錦州區(qū)域等都存在不同程度的火成巖發(fā)育[7-9]。渤海A油田是我國開發(fā)的首個海上火成巖發(fā)育區(qū)油氣藏，已證實渤海A油田儲量豐富，但該區(qū)域發(fā)育火成巖，目前對火成巖發(fā)育區(qū)的海上油氣田開發(fā)毫無經(jīng)驗，尚未形成對海上火成巖發(fā)育區(qū)鉆井技術(shù)的系統(tǒng)研究。

渤海A油田前3口探井鉆井期間，東營組和沙河街組火成巖地層易漏失，且機械鉆速低，通井、劃眼過程中發(fā)生大量火成巖掉塊，多種復(fù)雜情況影響了該區(qū)塊的勘探開發(fā)[10-11]，鉆頭磨損嚴重。

該研究通過對該區(qū)域火成巖巖樣的研究，明確復(fù)雜情況發(fā)生的機理，在此基礎(chǔ)上有針對性地解決鉆井難題，為后期該區(qū)域鉆井提供了有利的技術(shù)保證，降低了火成巖發(fā)育區(qū)鉆井復(fù)雜發(fā)生的概率，極大地提高了機械鉆速，也為今后海洋火成巖發(fā)育區(qū)油田的勘探開發(fā)積累了技術(shù)經(jīng)驗。

1 火成巖區(qū)域鉆進復(fù)雜機理分析

火成巖發(fā)育是造成渤海A油田鉆井復(fù)雜頻發(fā)的主要原因，在前3口探井鉆井中，坍塌嚴重，火成巖掉塊最大尺寸達到60 mm×30 mm×10 mm，火成巖井段平均機械鉆速僅2.3 m/h。從火成巖形成、力學(xué)特性、礦物組分入手，通過實驗室研究分析復(fù)雜成因，用于指導(dǎo)火成巖鉆井技術(shù)優(yōu)化。

1.1 火山噴發(fā)影響

渤海A油田區(qū)帶中部東營組火山活動強烈，廣泛發(fā)育火成巖；南部緩坡帶，溢流相火成巖連片分布，主要為中心式噴發(fā)[12]。該區(qū)域存在多期次火山活動，具有多層系發(fā)育，累計厚度大等特點，沙一、二段火山作用較弱，東營組火山作用較強。

受火山巖影響的巖性多樣，巖性的不同主要受火山噴發(fā)相態(tài)的影響，以中心式噴發(fā)火山為例，大致可分為通道相、溢流相、侵入相、噴出相等[13-14]。其中溢流相主要巖性為玄武巖，以層狀發(fā)育，溢流相巖漿結(jié)晶速度慢，巖性致密，可鉆性差；溢流相上部覆蓋有由火山灰沉積形成的凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r，以及凝灰質(zhì)砂、泥巖。受單一火山噴發(fā)影響的區(qū)域，在地層中呈一定序列，中心式噴發(fā)示意圖如圖1所示。

圖1 中心式火山噴發(fā)示意圖

1.2 火成巖巖石力學(xué)特性

對渤海A油田29塊巖心進行了強度測試，其中單軸試驗18塊，三軸試驗11塊，得到地層單軸抗壓強度剖面，如圖2所示。

圖2 渤海A油田單軸抗壓強度

井壁取芯的實驗單軸抗壓強度及井壁掉塊的點載荷與計算單軸抗壓強度對比，吻合度較好?；鸪蓭r掉塊中凝灰?guī)r巖、沉凝灰?guī)r單軸抗壓強度低，玄武巖單軸抗壓強度高。

火成巖發(fā)育的東營組和沙河街組地層單軸抗壓強度波動劇烈，單軸抗壓強度為6～77 MPa，局部層位單軸抗壓強度較高。由測井資料計算巖石的可鉆性級值并根據(jù)尹洪錦教授提出的通用鉆速方程回歸巖石可鉆性級值，根據(jù)鉆井現(xiàn)場資料綜合分析火成巖發(fā)育地層巖石可鉆性波動大，尤其是玄武巖地層巖石可鉆性差。

由庫侖-摩爾強度準(zhǔn)則計算火成巖地層的坍塌壓力[15]，計算出保持井壁穩(wěn)定所需的鉆井液密度，并求得非均勻地應(yīng)力作用下井壁產(chǎn)生拉伸破裂時的井內(nèi)泥漿柱壓力[16]，即破裂壓力，得到渤海A油田三壓力剖面。該區(qū)域火成巖地層坍塌壓力偏高，破裂壓力低，鉆井液密度窗口較窄，尤其是凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r發(fā)育的地層，發(fā)生井壁失穩(wěn)的風(fēng)險增加。

1.3 火成巖水理特性

水化性能對井壁穩(wěn)定影響較大[17]，對掉塊進行巖屑滾動回收實驗評價火成巖的水化特性，滾動回收率見表1。

表1 火成巖滾動回收率

沉凝灰?guī)r巖屑滾動回收率最低為6.20%，低于實驗中泥巖的回收率，易于水化，實鉆時存在較大井壁失穩(wěn)風(fēng)險；凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖巖屑回收率平均值為11.62%，低于實驗中泥巖的回收率，易于水化；玄武巖巖屑回收率為31.18%，高于泥巖、凝灰?guī)r的回收率平均值，不容易水化。

火成巖的全巖礦物分析結(jié)果見表2。

表2 全巖含量

火成巖的黏土礦物分析結(jié)果見表3。

表3 黏土礦物含量

據(jù)此分析渤海A油田某井火成巖特性如下:①凝灰?guī)r中的黏土含量較大，易發(fā)生水化作用；②凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r更容易引起井壁失穩(wěn)問題，玄武巖失穩(wěn)風(fēng)險不大。凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、玄武巖的特性差異是引起機械鉆速低、易漏失、易垮塌的原因。

2 火成巖區(qū)域鉆井技術(shù)研究

通過對渤海A油田前期3口探井的復(fù)雜原因分析，對后續(xù)幾口探井施工過程做出優(yōu)化。

2.1 提速工具優(yōu)化

渤海A油田勘探開發(fā)初期對地層不熟悉，第一口探井使用PDC鉆頭(G605K)，火成巖地層機械鉆速極低，鉆遇玄武巖或輝綠巖的機械鉆速僅1.2～2.4 m/h，鉆頭磨損嚴重。起鉆換新鉆頭機械鉆速仍未改善，后改用牙輪鉆頭鉆進，機械鉆速無改善，且切削齒磨損嚴重，如圖3所示。其原因主要在于火成巖地層單軸抗壓強度高，可鉆性差，PDC鉆頭切削齒難以吃入地層。

圖3 A1井出井牙輪、PDC鉆頭

通過技術(shù)調(diào)研，引入一體化復(fù)合沖擊器，該提速工具可將鉆井液流體動能轉(zhuǎn)化為鉆頭的脈沖沖擊，為鉆頭提供低幅高頻機械沖擊，通過改變破巖機理提高機械鉆速； 所選擇的鉆頭為6刀翼13 mm齒徑專用鉆頭，該鉆頭在后排設(shè)計錐形切削齒，可使載荷集中以增加鉆頭穩(wěn)定性，減少鉆頭的有害振動，增加鉆頭壽命。在A4井的應(yīng)用中，機械鉆速由1.4 m/h提高到2.7 m/h，效果明顯。提速工具配合專用PDC鉆頭解決了火成巖地層鉆頭早期破壞，出井鉆頭僅輕微磨損，如圖4所示。在實際應(yīng)用中，同井段扭沖工具的機械鉆速較普通鉆頭提高78.9%～258%，單只鉆頭進尺達到724 m。

圖4 提速工具外形及鉆頭出井照片

2.2 鉆井液體系改進

該油田鉆探初期沿用渤海中深層常規(guī)的PEM鉆井液體系，但是探井鉆井過程中曾發(fā)生大量井壁垮塌掉塊現(xiàn)象， 如圖5所示。 振動篩返出的掉塊直徑最大達到13 cm，嚴重影響鉆井安全。原鉆井液體系的配方為[10]:3%海水搬土漿+0.2%氫氧化鈉+0.3%碳酸鈉+0.3%PAC-LV+0.5%包被劑PLH+2.0%降濾失劑RS+2.0%降濾失劑TEMP+2.0%封堵劑DYFT-Ⅱ+2.0%封堵劑LPF(W)+1.0%封堵劑EPF+3.0%聚合醇+5.0%氯化鉀+1.0%增黏劑XC+重晶石。原鉆井液體系主要缺點是對凝灰?guī)r的水化膨脹作用的抑制性不夠，凝灰?guī)r遇水強度降低，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

圖5 火成巖地層井壁坍塌掉塊

PEM鉆井液體系的實驗室研究優(yōu)化思路為提高抑制性和防塌性，通過實驗室研究，對降濾失劑、封堵劑的單劑及復(fù)配后效果，并調(diào)整單劑加量研究防塌性和抑制性效果。

對SMPC，TEMP以及RS三種降濾失劑單劑的對比顯示，RS最有利于降低高溫高壓濾矢量，將該材料作為主要降濾失材料。3種降濾失材料復(fù)配結(jié)果顯示，2.0 %的RS復(fù)配2.0 %的TEMP后，濾失量由6.2 mL降至3.0 mL

包被抑制劑選擇了常用的KPAM,EPF,PAC-LV進行對比，實驗結(jié)果顯示加入單劑1.0% EPF抑制性最好，動切力由7.2 Pa提高至13.1 Pa，巖心膨脹率由16.2%降低至5.3%，最終選擇1.0% EPF作為抑制劑。

通過實驗室對PEM鉆井液體系的性能優(yōu)化，最終形成了一套針對渤?；鸪蓭r地層的鉆井液體系，配方如下:3.0%海水搬土漿+0.2%氫氧化鈉+0.3%碳酸鈉+0.3%PAC-LV+1.0%包被劑EPF+2.0%降濾失劑RS+2.0%降濾失劑TEMP+2.0%封堵劑DYFT-Ⅱ+2.0%封堵劑LPF(W)+1.0%封堵劑EPF+3.0%聚合醇+5.0%氯化鉀+1.0%增黏劑XC+重晶石。

鉆井液體系優(yōu)化有效緩解了地層孔隙壓力與漏失壓力當(dāng)量密度窗口窄的難題，鉆進中鉆井液沿三壓力剖面下限鉆進，在保證安全的前提下做好儲層保護，有效提高了鉆速。

2.3 鉆井工序優(yōu)化

鉆遇火成巖后顯著的另一個復(fù)雜情況為鉆具、測井工具電纜阻卡。渤海A油田前期探井開發(fā)時前三口探井鉆井中，發(fā)生了3次鉆具阻卡，2次電纜阻卡，其中一口井對測井儀器進行了穿心打撈，導(dǎo)致工時損失124 h，反映出井眼極不規(guī)則。前三口井中，鉆進過程中每800 m短起下一次，起鉆遇阻則倒劃眼起出。

受火山噴發(fā)及沉積影響，渤海A油田火成巖在地層剖面上存在多種巖性[18]，由于強度和易水化程度差異，含黏土礦物成分高的凝灰?guī)r容易水化而造成擴徑，玄武巖地層由于其強度較高，井徑不會縮小，交錯分布的地層會導(dǎo)致井眼內(nèi)形成臺階，引起起下鉆阻卡以及測井阻卡。短起下的頻率越低，則井壁受沖擊時間越長。倒劃眼過程中鉆具剮蹭臺階會加劇井壁失穩(wěn)，導(dǎo)致井眼內(nèi)臺階形成，因此必須提高短起下頻率，控制起鉆速度，降低倒劃眼的轉(zhuǎn)速。

在A4井鉆井中增加短程起下鉆，每500 m進行一次短起下鉆，及時破壞井壁鍵槽和臺階；短起下鉆井變徑部位通過火成巖井段時控制起鉆速度小于0.5 m/s，如需轉(zhuǎn)動鉆具控制低轉(zhuǎn)速，不超過25 r/min，防止由于鉆具磕碰引起井壁剝落垮塌；另外，杜絕長時間定點循環(huán)。鉆井參數(shù)優(yōu)化使該井鉆井過程中未發(fā)生卡鉆具、卡電纜等事故，也減少了坍塌掉塊的發(fā)生。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計，引入旋沖馬達后，平均機械鉆速較鄰井同層位大幅提高，在火成巖井段平均機械鉆速達到13.6 m/h，相比傳統(tǒng)的 “PDC+馬達”鉆具組合優(yōu)勢明顯。

渤海A油田各井機械鉆速統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4。

表4 渤海A油田215.9 mm(8 in)井眼鉆速統(tǒng)計

Table 4 ROP of Bohai A Oilfield 215.9 mm(8 in)interveral

表4 渤海A油田215.9 mm(8 in)井眼鉆速統(tǒng)計

井名鉆頭個數(shù)井段長度/m純鉆時間/h平均機械鉆速/(m·h-1)1井3920.0120.87.62井4577.6152.03.83井2758.655.813.6

在該區(qū)域鉆井過程中優(yōu)化鉆井參數(shù)，有效減少了起下鉆阻卡和電測阻卡的發(fā)生。對火成巖發(fā)育區(qū)鉆井技術(shù)進行改進提高了鉆井速度，鉆井液體系優(yōu)化降低了鉆井過程中漏、塌等技術(shù)難題。該技術(shù)應(yīng)用后鉆井周期大大縮短，由26.8 d縮短到20.6 d，縮短了23.01%。

4 結(jié)論

火成巖受火山噴出和沉積作用影響成分復(fù)雜，巖性多樣，因此顯示出不同的鉆井復(fù)雜成因。通過火成巖發(fā)育區(qū)鉆井技術(shù)研究，使鉆井機械鉆速提高78.9%～258%，縮短鉆井工期23.01%，效果顯著。后續(xù)作業(yè)中有以下建議。

1)火成巖地層鉆進應(yīng)區(qū)分巖性[19-20]，快速通過火成巖發(fā)育地層，減少浸泡時間，降低井下復(fù)雜情況發(fā)生的概率。

2)通過對包被劑和降失水劑的調(diào)整，優(yōu)化了PEM鉆井液體系在火成巖地層的適應(yīng)性。1.0%包被劑EPF可有效控制巖心膨脹；PEM鉆井液體系復(fù)配2.0%的RS復(fù)配2.0%的TEMP后抗溫降失水材料可降低體系失水，減少復(fù)雜情況發(fā)生。

3)玄武巖地層研磨性強，鉆頭不易吃入地層，需從考慮改變破巖機理入手提高機械鉆速。