廊固凹陷安探地區(qū)復(fù)雜深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)*

陳新勇 付瀟 李亮亮 王穎瑞 李毅 吳紅玲 張明

(1.中石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院 2.華北油田公司合作開發(fā)項目部 3.華北油田公司采油一廠)

0 引 言

廊固凹陷安探地區(qū)位于河西務(wù)構(gòu)造帶上，隨著對地質(zhì)構(gòu)造認識和勘探技術(shù)的不斷提升，該區(qū)塊潛山油氣藏的勘探開發(fā)取得了突破，石油地質(zhì)儲量為602.75萬t、天然氣地質(zhì)儲量為242.27億m3。該區(qū)塊油氣藏埋藏深度5 800～6 500 m，其古近系下部以下地層可鉆性較差，井底溫度最高達到215 ℃，同時存在多套易垮、易漏等復(fù)雜地層，造成鉆井機械鉆速低、周期長，2010—2014年完鉆的W4井等2口井平均機械鉆速3.54 m/h、平均鉆井周期長達226 d，嚴重制約了勘探開發(fā)的步伐[1]。為此，筆者從井身結(jié)構(gòu)、個性化鉆頭設(shè)計、提速工具優(yōu)選、鉆井液優(yōu)化及防漏堵漏技術(shù)等方面進行了研究，形成了廊固凹陷安探地區(qū)鉆井提速提效關(guān)鍵技術(shù)，大幅度提高了鉆井效率，縮短了鉆完井周期，為實現(xiàn)廊固凹陷安探地區(qū)潛山油氣藏的高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。

1 鉆井技術(shù)難點

1.1 深部地層可鉆性極差

古近系沙河街組沙四段-孔店組存在厚套礫石層，石炭-二疊系發(fā)育玄武巖、含礫砂巖層，單只鉆頭行程進尺只有65 m，機械鉆速1.51 m/h；潛山內(nèi)寒武-奧陶系地層巖性以灰?guī)r和白云巖為主，硬度高，研磨性強，單只鉆頭行程進尺只有82 m，機械鉆速1.78 m/h，嚴重影響鉆井效率。

1.2 區(qū)域性易漏易垮問題突出

古近系沙河街組發(fā)育膏巖、膏泥巖等易水敏的地層，石炭-二疊系地層存在的煤層易垮易漏，已鉆井在該地層位置發(fā)生了6次井漏，因阻卡造成劃眼15次，所以對鉆井液防垮、防漏和護壁性有較高的要求。

1.3 井下溫度較高

潛山頂部地層溫度超過160 ℃，井底溫度最高達到215 ℃，對井下鉆井工具和鉆井液等的抗溫性提出了較高要求。

2 提速提效關(guān)鍵技術(shù)

為了加快華北油田廊固凹陷安探地區(qū)的勘探開發(fā)進度，開展了提速提效關(guān)鍵技術(shù)研究，主要從井身結(jié)構(gòu)、個性化鉆頭設(shè)計、提速工具優(yōu)選、鉆井液優(yōu)化及防漏堵漏技術(shù)等方面進行了研究，形成系列提速提效關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)安探地區(qū)地層特點、三壓力分布及易漏層位等，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)：①一開?444.5 mm井眼，下入?339.7 mm套管封固平原組松軟地層，為下部安全鉆進創(chuàng)造條件；②二開?311.2 mm 井眼，?244.5 mm套管坐進沙河街組中部，封固易漏垮塌地層段；③三開?215.9 mm井眼，?177.8 mm套管坐入奧陶系頂部，封固奧陶系以上地層；④四開?152.4 mm鉆頭潛山目的層專打，懸掛下入?127.0 mm套管。

2.2 個性化鉆頭設(shè)計

井段深度為3 000～4 200 m，位于沙河街組沙二-沙四段中上部，地層巖性為灰色泥巖和碳質(zhì)泥巖，屬細礫巖，可鉆性差。結(jié)合地層特點設(shè)計5刀翼鉆頭，優(yōu)選16 mm復(fù)合片，雙排齒延長壽命；聚晶金剛石保徑加強耐磨性，設(shè)計強攻擊性輪廓線，雙圓弧設(shè)計增加鉆頭攻擊性；優(yōu)化水力設(shè)計，提高鉆頭排屑效率。

井段深度為4 200～5 000 m，沙河街組沙四下部-孔店組發(fā)育礫巖層，石炭-二疊系發(fā)育黑色玄武巖、含礫砂巖、深灰色泥巖，巖石內(nèi)聚力10～17 MPa，內(nèi)摩擦角30°～39°，抗壓強度80～120 MPa，可鉆性極差。結(jié)合地層特點設(shè)計6刀翼鉆頭，優(yōu)選16 mm高抗研磨復(fù)合片，肩部至鼻部加裝后排齒，適當調(diào)大切削齒后角，提高切削齒抗沖擊能力；加長保徑長度，優(yōu)化水力設(shè)計，提高鉆頭排屑效率；采用盔甲硬面材料和等離子噴焊技術(shù)，提高40% WC密度使復(fù)合片更耐沖蝕。

井深5 000 m以上，奧陶-寒武系巖性以灰?guī)r和白云巖為主，內(nèi)聚力10～15 MPa，內(nèi)摩擦角35°～37°，抗壓強度70～110 MPa，地層可鉆性較差。結(jié)合地層特點設(shè)計6刀翼鉆頭，優(yōu)選16 mm高抗沖擊性復(fù)合片，適當增大切削齒后角，提高抗沖擊性；加裝防碰節(jié)，提高鉆頭防崩效果；采用特深水道和寬角度保徑設(shè)計，既確保了排屑槽面積，又提高了鉆頭的穩(wěn)定性[2]。

2.3 鉆井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

大排量高轉(zhuǎn)速主要用來提高井眼清潔能力，大鉆壓主要用來提高機械鉆速[3-5]。利用軟件對鉆井排量、鉆壓及轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行模擬優(yōu)化分析。

為提高?311.2 mm 井眼機械鉆速和攜砂能力，以盡可能提高鉆頭壓降和比水功率為原則，計算得到最優(yōu)排量為50～70 L/s，鉆頭比水功率為0.24～0.53 kW/cm2，鉆頭壓降為6.2～8.8 MPa。結(jié)合模擬分析，得到最優(yōu)鉆壓為100～200 kN，最優(yōu)轉(zhuǎn)速為85～110 r/min，如圖1所示。為提高?215.9 mm井眼機械鉆速和攜砂能力，以盡可能提高鉆頭壓降和比水功率為原則，計算得到最優(yōu)排量為36～42 L/s，鉆頭比水功率為0.34～0.50 kW/cm2，鉆頭壓降為5.8～9.0 MPa。結(jié)合模擬分析，得到最優(yōu)鉆壓為80～150 kN，最優(yōu)轉(zhuǎn)速為80～135 r/min，如圖2所示。

圖1 二開鉆具臨界鉆速分析

圖2 三開鉆具臨界鉆速分析

2.4 高效提速工具技術(shù)

2.4.1 旋沖螺桿提速技術(shù)

沙河街組沙二段-沙四段中上部，巖性為泥巖和砂巖，壓實程度極高，地層可鉆性差。考慮在該井段需要滑動定向，優(yōu)選既能定向又可軸向沖擊提速的旋沖螺桿鉆具。該工具主要結(jié)構(gòu)部件有動力總成、彎殼體總成、傳動軸總成及振動沖擊總成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—動力總成；2—彎殼體總成；3—傳動軸總成；4—振動沖擊總成。

旋沖螺桿在螺桿的下部增加了振動沖擊結(jié)構(gòu)，當鉆井液進入工具時帶動馬達轉(zhuǎn)動，并通過傳動軸實現(xiàn)傳遞，同時流體帶動振動沖擊總成內(nèi)部的沖擊錘往復(fù)運動，增加鉆頭破巖效率，提高機械鉆速[6-7]。該工具集合了沖擊鉆井和螺桿鉆井的優(yōu)勢，能夠適用于直井、定向井以及水平井鉆井，可以有效解決硬地層提速及定向鉆進托壓等問題。

2.4.2 扭力沖擊提速技術(shù)

沙河街組沙四段下部含大套礫巖層，石炭-二疊系地層含大套玄武巖層，研磨性強，鄰井所使用PDC鉆頭磨損極其嚴重。經(jīng)過綜合評估，在該層位優(yōu)選扭力沖擊提速工具。扭力沖擊器屬于一種高頻振動沖擊鉆井工具，核心部件有動力錘、啟動器及渦輪系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。鉆井液流過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，可以將流體能量轉(zhuǎn)換成高頻、周期性的周向往復(fù)機械沖擊力，消除PDC鉆頭在深井、超深井難鉆地層黏滑問題，延長鉆頭的使用壽命[8-9]。

1—中間軸；2—動力錘；3—啟動器；4—渦輪系統(tǒng)；5—過濾系統(tǒng)；6—上軸承；7—下軸承。

2.4.3 多維沖擊提速技術(shù)

安探地區(qū)潛山內(nèi)寒武-奧陶系地層的巖性以灰?guī)r和白云巖為主，可鉆性差，埋深超過5 000 m，井底溫度最高達到215 ℃。在該井段優(yōu)選可耐高溫220 ℃、耐高壓140 MPa的多維復(fù)合沖擊器，該工具核心部件有換向機構(gòu)、懸掛機構(gòu)及擺錘等，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—殼體組件；2—連接短節(jié)；3—換向機構(gòu)；4—軸向沖錘；5—擺錘；6—沖擊筒；7—噴嘴；8—懸掛機構(gòu)；9—鉆頭座。

其核心部件換向機構(gòu)上有4個通道，當鉆井液流過時，會改變各個通道與對應(yīng)腔體的開啟和關(guān)閉狀態(tài)，改變高低壓流體流動方向，從而形成軸向和周向沖擊。多維復(fù)合沖擊器能夠解決硬-極硬地層的提速和減振難題，軸向和周向兩向沖擊優(yōu)化了單齒受載，可強化鉆具鉆壓和扭矩的傳遞，與傳統(tǒng)單向沖擊鉆井技術(shù)相比，既能減小黏滑振動，又能提高破巖效率，是一種高效減振提速新技術(shù)[10-11]。

2.5 鉆井液技術(shù)

針對沙河街組中下部-二疊系的膏巖和膏泥巖，以及易垮易漏煤層和玄武巖地層，通過復(fù)合鹽鉆井液技術(shù)，保持鉆井液的抑制性，控制濾失量，保持良好的潤滑性，改善泥餅質(zhì)量。進入沙河街組膏巖和膏泥巖地層之前，加入3%～5%KCl+5%～8%Weigh2增強對地層的抑制性和抗污染能力；進入沙四段-孔店組易垮塌水敏性地層前，加入納米防塌劑和乳化瀝青增強鉆井液封堵護壁性能，且防塌處理劑累計加量不低于6%。在鉆遇煤層和玄武巖地層時，保證鉆井液中封堵劑加量不低于3%，避免玄武巖垮塌造成的井下復(fù)雜情況出現(xiàn)。

針對潛山地層超高溫的特點，引入還原性基團及表面活性劑，與聚合物的相互作用提升處理劑的抗溫能力，解決了處理劑高溫降解的問題，有效地保護了各種處理劑能夠在高溫下穩(wěn)定發(fā)揮作用，提升了體系的抗高溫性能，并針對性研究形成了鉆井液體系配方：3.0%～4.0%土漿+0.2%NaOH+2.0% 石油樹脂類降濾失劑+2.0% 高溫保護劑+2.0% 增黏降濾失劑BHHFL+2.0% 納米潤滑防塌劑BH-RDJ[12-13]。在90、120、150、180、200、230及240 ℃條件下通過高溫高壓流變儀對體系配方進行了評價(見圖6)。試驗結(jié)果表明，該體系在240 ℃高溫下仍具有足夠的切力及良好的流變性能，能夠滿足施工要求。

圖6 不同溫度下的鉆井液性能

2.6 防漏、堵漏技術(shù)

沙四-孔店組、石炭-二疊系井段易漏層位，隨鉆提前加入3%BZ-ACT +4%超細碳酸鈣，可在井壁上形成致密的封堵層，對于孔隙型漏失或微裂縫均有較好的預(yù)防作用，同時使用強抑制性的復(fù)合鹽鉆井液體系。在能夠有效抑制井壁垮塌，確保井壁穩(wěn)定前提下，鉆井液密度盡量控制在1.46 g/cm3以內(nèi)；在滿足攜巖前提下，盡可能控制黏度在65 s以內(nèi)，同時避免激動壓力過大誘發(fā)井漏，降低井漏風險。一旦漏失，則應(yīng)立刻停鉆，采用“一袋化”系列堵漏劑進行堵漏[3]，使用方法如表1所示。

表1 “一袋化”系列堵漏劑使用方法

潛山內(nèi)寒武-奧陶系巖性以灰?guī)r和白云巖為主，溶蝕空隙-微裂隙發(fā)育，地層壓力低，漏失風險大。揭開潛山地層前，鉆井液中隨鉆加入超低滲封堵劑DLS-06、單項壓力封堵劑DCL-1和超細碳酸鈣QS-2。每次下鉆到底要緩慢開泵，防止壓力激動憋漏地層。若鉆遇漏失，使用酸溶型堵漏劑BZ-SRCⅠ和BZ-SRCⅡ配制堵漏鉆井液，進行靜止堵漏，累計加量20%～30%。如鉆遇大裂縫甚至溶洞，發(fā)生失返型惡性漏失時，可使用BZ-CFS靜凝膠進行堵漏。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2017—2020年，鉆井提速提效關(guān)鍵技術(shù)在華北油田安探地區(qū)6口井中進行了現(xiàn)場應(yīng)用。6口井三開全面推廣應(yīng)用防塌復(fù)合鹽鉆井液技術(shù)和防漏堵漏技術(shù)，6口井四開全面推廣應(yīng)用高溫鉆井液體系和防漏堵漏技術(shù)，分別應(yīng)用旋沖螺桿3井次，扭力沖擊器3井次，多維沖擊器3井次。完鉆6口井平均機械鉆速5.86 m/h，同比提高66%；平均鉆井周期155 d，同比縮短45.8%。以T4X井為例詳細介紹如下。

T4X井是華北油田安探地區(qū)所完鉆的井中深度最深、井底溫度最高及潛山內(nèi)鉆進最長井，井身結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 T4X井井身結(jié)構(gòu)圖

T4X井完鉆井深為6 455 m，井底溫度215 ℃。該井應(yīng)用了華北油田安探地區(qū)潛山油氣藏鉆井提速提效關(guān)鍵技術(shù)，平均機械鉆速為4.87 m/h，鉆井周期151 d，取得的具體成果如下。

(1)二開?311.2 mm井眼，優(yōu)化鉆井排量至55 L/s，鉆壓135 kN，轉(zhuǎn)速90 r/min，整個開次鉆進過程中安全高效，整個開次平均機械鉆速15.6 m/h，同比鄰井提高24.3%。

(2)三開?215.9 mm井眼，沙三段及以下地層采用復(fù)合鹽鉆井液技術(shù)，保持鉆井液的抑制性，控制濾失量，保持良好的潤滑性，改善泥餅質(zhì)量，同時加強使用固控設(shè)備，降低固相含量，加入SN樹脂改善泥餅質(zhì)量，降低井壁摩擦阻力。進入沙河街沙四段前隨鉆加入2%～3%BZ-ACT +2%超細碳酸鈣，在井壁上提前形成致密的封堵層，對于孔隙型漏失或微裂縫均有較好的預(yù)防作用。沙四-孔店組和石炭-二疊系特殊巖性段漏斗黏度控制在65 s以內(nèi)，同時避免激動壓力過大誘發(fā)井漏，降低井漏風險，從而安全平穩(wěn)地鉆穿該層位。在3 025～3 180 m井段應(yīng)用了旋沖螺桿，機械鉆速9.1 m/h，同比機械鉆速提高49.6%，創(chuàng)該井段區(qū)塊機械鉆速最快記錄；沙四-孔店組巖性以砂巖和泥巖為主，夾含80 m礫巖層，采用扭力沖擊器提速，平均機械鉆速3.45 m/h，機械鉆速同比提高58%，創(chuàng)該井段區(qū)塊機械鉆速最快記錄。

(3)四開?152.4 mm井眼，地層為寒武-奧陶系，巖性為白云巖和灰?guī)r，使用了研究形成的抗高溫鉆井液體系配方。為提高鉆井液的攜巖能力，調(diào)節(jié)抗高溫鉆井液材料加量控制動切力為12 Pa左右，塑性黏度22 mPa·s左右。在井段6 307～6 455 m應(yīng)用了多維沖擊器，井下溫度204 ℃，單趟鉆進尺148 m，機械鉆速3.24 m/h，單趟鉆進尺同比提高82%，機械鉆速同比提高82%。

4 結(jié)論與認識

(1)安探地區(qū)沙河街組沙四段及以下地層發(fā)育有礫巖和玄武巖等，可鉆性差，機械鉆速低；沙河街組含膏巖、膏泥巖，易水敏膨脹；石炭-二疊系存在煤層，容易發(fā)生垮塌漏失；潛山地層溫度高，對井下工具和鉆井液等抗溫性要求高。

(2)廊固凹陷安探地區(qū)鉆井提速提效關(guān)鍵技術(shù)可以解決鉆井過程中遇到的技術(shù)難題，實現(xiàn)了潛山油氣藏的高效開發(fā)。

(3)針對不同地層巖性特點合理優(yōu)化了鉆井提速工具和鉆頭，在礫巖層的鉆進中創(chuàng)下多項區(qū)塊鉆井指標記錄，建議在類似區(qū)塊推廣應(yīng)用。

(4)形成的防漏堵漏技術(shù)提高了應(yīng)對井下復(fù)雜漏失的效率，能夠解決區(qū)域性漏失問題，后續(xù)應(yīng)進一步總結(jié)分析與優(yōu)化，為安全高效鉆井提供更好的保障。