南海東部深層鉆井提速技術(shù)應(yīng)用

游堯 田崢

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司深水工程技術(shù)中心 廣東深圳 518067）

隨著勘探方向逐步向深層邁進(jìn)，勘探井平均作業(yè)井深逐步加深。南海東部油田地層自上而下主要包括淺部海相沉積地層、深層陸相古近系地層及前古近系古潛山地層，古近系、古潛山地層地層抗壓強(qiáng)度高，可鉆性差，造成深層探井鉆井周期普遍較長(zhǎng)、作業(yè)成本較高，井控、卡鉆等井下復(fù)雜情況風(fēng)險(xiǎn)大。通過(guò)開(kāi)展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭切屑齒技術(shù)優(yōu)選、鉆頭保護(hù)技術(shù)、鉆井液體系等方面的技術(shù)研究，在南海東部油田探井提速提效方面取得了顯著的應(yīng)用效果［1］。

1 地層特點(diǎn)及鉆井提速難點(diǎn)

南海東部油田中淺部地層主要發(fā)育厚層泥巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，局部地區(qū)礫巖發(fā)育，埋藏深度分布于500～2500m，地層強(qiáng)度低，巖性均質(zhì)性強(qiáng)；中深層主要為古近系地層陸相發(fā)育，埋藏深度分布于2500～4500m，主要巖性為砂巖與泥巖不等厚互層、含礫砂巖、褐灰—灰黑色泥巖，局部發(fā)育煤層，巖性復(fù)雜，地層強(qiáng)度分布于50～175MPa，巖性不均質(zhì)性，硬質(zhì)夾層發(fā)育，地層沖擊性強(qiáng)、研磨性較高，該地層為主要的油氣儲(chǔ)集層，地層孔隙壓力為1.03～1.20，局部地層存在異常壓力體系。深層主要為前古近系古潛山地層，埋藏深度分布于4500m 以上，主要巖性為閃長(zhǎng)巖、花崗巖、火山角礫巖、安山巖等，地層強(qiáng)度分布于150～420MPa，內(nèi)摩擦角分布于37°～45°，地層巖性致密堅(jiān)硬，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，同時(shí)，潛山巖性預(yù)測(cè)誤差大，巖性復(fù)雜，層位變化大，常規(guī)PDC 鉆井技術(shù)效率極低，容易發(fā)生早期崩齒，造成單只鉆頭進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速低、鉆井效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。

2 提速技術(shù)研究

筆者通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外深層復(fù)雜井段的鉆井技術(shù)，分析對(duì)比南海東部深井鉆井提速技術(shù)的難點(diǎn)，開(kāi)展了針對(duì)南海東部油田探井全井段提速提效技術(shù)的研究，通過(guò)淺部?jī)?yōu)化瘦身井身結(jié)構(gòu)，分析古近系鉆頭破壞機(jī)理，優(yōu)選鉆頭保護(hù)技術(shù)；分析潛山地層中PDC鉆頭破巖機(jī)理，優(yōu)選鉆頭技術(shù)和鉆頭保護(hù)技術(shù)。同時(shí)，綜合分析鉆前地質(zhì)巖性資料和鄰井資料，優(yōu)化評(píng)價(jià)抗高溫鉆井液體系，并通過(guò)精細(xì)控壓設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)制井底壓力變化，保證鉆井井控安全，避免井下復(fù)雜情況的出現(xiàn)，同時(shí)還能減少對(duì)儲(chǔ)層的污染。

2.1 井身結(jié)構(gòu)瘦身技術(shù)

南海東部經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，淺水探井已經(jīng)形成成熟的常用井身結(jié)構(gòu)程序：36″井眼/30″導(dǎo)管+17-1/2″井眼/13-3/8″套管+12-1/4″井眼/9-5/8″套管+8-1/2″井眼/7″尾管+6″井眼。

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化在降低鉆井作業(yè)成本中起著至關(guān)重要的作用。在保證鉆井安全的前提下，減少套管層次，縮小井眼尺寸，優(yōu)化套管鋼級(jí)和壁厚。（1）二開(kāi)井眼瘦身為16″井眼，同時(shí)，采用PDC 鉆頭+馬達(dá)的鉆具組合作為提速手段。（2）在勘探地質(zhì)目標(biāo)比較明確、地層壓力清楚（地層孔隙、坍塌和破裂壓力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確）、無(wú)試油計(jì)劃的前提下，對(duì)于井深小于4000m的探井，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)為：36″井眼/30″導(dǎo)管+12-1/4″井眼/9-5/8″套管+8-1/2″井眼。

井身結(jié)構(gòu)瘦身技術(shù)可減少建井周期，降低作業(yè)成本，提高作業(yè)效率，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的效果。

2.2 水力減震鉆頭保護(hù)技術(shù)

2016年以來(lái)，南海東部油田通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用對(duì)比分析，評(píng)價(jià)了兩類(lèi)水力減震鉆頭保護(hù)技術(shù)對(duì)于南海東部深井的適用性。

2.2.1 扭力沖擊器

鉆進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，鉆井液帶動(dòng)內(nèi)部渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高頻穩(wěn)定的扭沖能量，均勻地將扭矩傳遞到鉆頭上，如圖1所示。扭力沖擊器可產(chǎn)生750～1500 次/min的高頻穩(wěn)定的扭沖力，并持續(xù)穩(wěn)定作用于鉆頭上，使得鉆頭可獲得同樣的750～1500次/min 能量切削地層，有效提升鉆頭切削效率，從而有效提升鉆井效率。

圖1 水力減震鉆頭保護(hù)工作原理

扭力沖擊器可有效降低井下有害振動(dòng)，為鉆頭提供平衡穩(wěn)定的切削環(huán)境，提升鉆頭工作效率，提高鉆井機(jī)械鉆速及鉆頭進(jìn)尺。

2.2.2 復(fù)合沖擊器

復(fù)合沖擊器是通過(guò)其內(nèi)部的能量發(fā)生裝置、頻率發(fā)生裝置將鉆井液的水力能量轉(zhuǎn)化為高頻、穩(wěn)定的機(jī)械脈沖能量，再經(jīng)過(guò)其內(nèi)部的能量分配裝置，在鉆頭上增加一個(gè)額外的旋轉(zhuǎn)方向和軸向均勻穩(wěn)定的高頻沖擊力，緩解聚集在鉆頭上的反沖扭力，減輕或避免夾層段應(yīng)用常規(guī)PDC 鉆頭鉆進(jìn)易出現(xiàn)憋跳或黏滑現(xiàn)象，提升剪切效率，提高機(jī)械鉆速［2-4］。

復(fù)合沖擊器集成了扭力沖擊器與軸向沖擊兩類(lèi)功能，屬于一種復(fù)合沖擊的鉆井提速技術(shù)。

2.3 高效破巖鉆頭技術(shù)

采用PDC 鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)及異型齒面鉆頭設(shè)計(jì)，結(jié)合地層特點(diǎn)優(yōu)化鉆頭布齒、拋面設(shè)計(jì)，綜合利用“剪切+犁削”組合破巖方式提高鉆進(jìn)效率，南海東部油田通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型難鉆地層分析，評(píng)價(jià)了旋轉(zhuǎn)齒PDC 鉆頭技術(shù)、牙輪-PDC 復(fù)合鉆頭技術(shù)、異型齒PDC 鉆頭技術(shù)3類(lèi)高效破巖鉆頭技術(shù)，如表1所示。

表1 高效破巖鉆頭技術(shù)適應(yīng)性分析

2.3.1 旋轉(zhuǎn)齒PDC鉆頭

旋轉(zhuǎn)齒鉆頭PDC 切削片通過(guò)軸承與套筒密封相連，二者之間保持一定間隙，以保證切削片可以自由旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。以部分360°旋轉(zhuǎn)切削齒取代常規(guī)PDC 鉆頭鼻、肩部高磨損區(qū)域，當(dāng)切削齒剪切地層時(shí)，在切削片邊緣會(huì)由于側(cè)傾角而產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向切力，而使得切削齒能夠完全旋轉(zhuǎn)，使得切削齒具備更長(zhǎng)的切削邊緣，增加切削齒的利用率，避免出現(xiàn)局部嚴(yán)重磨損，降低鉆頭切削效率［5］。

圖2 旋轉(zhuǎn)齒的組成

2.3.2 牙輪-PDC復(fù)合鉆頭

牙輪-PDC 復(fù)合齒鉆頭技術(shù)通過(guò)將PDC 鉆頭剪切破巖和牙輪鉆頭沖擊破巖兩種切削結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，形成一種新復(fù)合破巖結(jié)構(gòu)，牙輪齒的預(yù)破碎作用降低了PDC 齒對(duì)井底巖石的破巖能量，提高了PDC 齒的破巖效率，可適應(yīng)多種復(fù)雜地層和特殊鉆井工況；同時(shí)，牙輪滾動(dòng)部件取代固定刀翼結(jié)構(gòu)，工作扭矩對(duì)鉆壓的敏感性降低。牙輪齒破巖時(shí)產(chǎn)生縱振，降低粘附發(fā)生率，緩解托壓，提高定向效率，如圖3所示。

圖3 牙輪-P D C 混合鉆頭

2.3.3 異型齒鉆頭

異型齒鉆頭技術(shù)通過(guò)改變PDC 鉆頭切削齒形狀，結(jié)合剪切破巖與擠壓破巖兩種方式，提高吃入能力和使用壽命（如圖4所示），配合水力減震鉆頭保護(hù)技術(shù)充分發(fā)揮保護(hù)鉆頭的作用，延長(zhǎng)鉆頭壽命［6］。目前，較多使用的異型齒包括特殊的“尖/圓”齒交替布置、斧形齒、三棱齒、屋脊齒，忍者齒等。

圖4 異型齒工作原理

異型齒鉆頭與水力減震鉆頭保護(hù)技術(shù)相融合，形成異型齒鉆頭+扭沖工具/復(fù)合沖擊器一體化提速技術(shù)，綜合兩大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在深層抗研磨性強(qiáng)的地層中，既能保證鉆頭吃入能力，又可大幅提升鉆頭壽命，并大大提升鉆井效率。

2.4 抗高溫鉆井液體系

南海東部深部地層由于地質(zhì)情況復(fù)雜、地溫梯度高等原因，易出現(xiàn)鉆井液處理劑高溫降解、鉆井液流變性惡化等復(fù)雜情況。聚磺鉆井液［7-8］既保留了聚合物鉆井液的優(yōu)點(diǎn)，又對(duì)其在高溫高壓下的泥餅質(zhì)量和流變性進(jìn)行了改進(jìn)，從而有利于深井鉆速的提高和井壁的穩(wěn)定。抗高溫鉆井液的抗溫能力可達(dá)220℃，密度最大可達(dá)2.4g/cm3。

2.5 精細(xì)控壓鉆井提速輔助技術(shù)

通過(guò)精細(xì)控壓溢流漏失預(yù)警系統(tǒng)，精密監(jiān)測(cè)返出流量，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)溢流，迅速控制井口，避免地層流體過(guò)多進(jìn)入井內(nèi)造成套壓過(guò)高，降低壓井風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)精細(xì)控壓溢流漏失預(yù)警系統(tǒng)，精密監(jiān)測(cè)返出流量，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)井漏，通過(guò)對(duì)比返出鉆井液密度，分析發(fā)生井漏的原因，最大限度地減少鉆井液損失，降低井漏復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)；降低鉆井液密度，最大限度地保護(hù)和發(fā)現(xiàn)油氣層；通過(guò)控制井眼環(huán)空，解決鉆井期間頻繁的溢漏轉(zhuǎn)換問(wèn)題，控制井控風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井效率；保持近平衡或者微過(guò)平衡鉆進(jìn)，減小井底壓持效應(yīng)，輔助提高機(jī)械鉆速［9］。精細(xì)控壓鉆井地面流程圖如圖5所示。

圖5 精細(xì)控壓鉆井地面流程圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

A 區(qū)塊為南海東部深部勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)區(qū)域，該油田產(chǎn)層主要分布于為古近系的恩平組、文昌組（3500mTVD以下）及古潛山（4000mTVD以下），油氣埋藏深，地質(zhì)與構(gòu)造條件復(fù)雜，縱向上恩平組、文昌組和古潛山地層花崗巖、閃長(zhǎng)巖、火山角礫巖、石英、礫石廣泛分布，非均質(zhì)性和研磨性強(qiáng)，強(qiáng)度高。

A7 井井身結(jié)構(gòu)：36″井眼/30″導(dǎo)管+16″井眼/13-3/8″套管+12-1/4″井眼/9-5/8″套管+8-1/2″井眼，中淺層作業(yè)機(jī)械鉆速得到充分釋放，A7井平均機(jī)械鉆速提升至78.2m/h，較A1～A5 井平均機(jī)械鉆速提升32.9%。如表2所示。

表2 A區(qū)塊表層鉆井機(jī)械鉆速對(duì)比圖

A7井中深層古近系地層使用12-1/4井眼作業(yè)，采用水力減震鉆頭保護(hù)技術(shù)，同時(shí)配合采用斧形齒鉆頭技術(shù)設(shè)計(jì)，A7井12-1/4”井段僅使用2只鉆頭完成12-1/4”井段3105.66m的進(jìn)尺，A1～A5五口井平均4.2只鉆頭完成12-1/4”井段，平均減少2～3趟鉆趟起下鉆，大大提升了中深層古近系地層鉆井效率。如表3所示。

表3 A區(qū)塊12-1/4 井段鉆井情況對(duì)比

本區(qū)塊共3 口井鉆入古潛山花崗巖地層，其中A7井深層古潛山地層采用混合鉆頭技術(shù)、配合抗高溫鉆井液體系、精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，A7 井采用1.05g/cm3鉆井液密度近平衡鉆井作業(yè)古潛山地層，機(jī)械鉆速為3.88m/h，較A1～A5井古潛山平均鉆井機(jī)械鉆速2.83m/h提升27.1%。如表4所示。

表4 A區(qū)塊8-1/2井段鉆井情況對(duì)比

4 結(jié)論

（1）本文從中淺層、中深層、深層全面分析了南海東部地區(qū)地層特點(diǎn)，淺部地層地層強(qiáng)度低，巖性均質(zhì)性強(qiáng)，中深部地層抗壓強(qiáng)度中—高，巖石不均質(zhì)性強(qiáng)，硬質(zhì)夾層發(fā)育，地層沖擊器強(qiáng)，研磨性中—高，深部地層主要以花崗巖發(fā)育，地層抗壓強(qiáng)度高，抗研磨性強(qiáng)，巖性預(yù)測(cè)誤差大，巖性變化無(wú)規(guī)律。

（2）本文針對(duì)南海東部地層特點(diǎn)，總結(jié)評(píng)價(jià)了5項(xiàng)提速技術(shù)，涵蓋井身結(jié)構(gòu)、工具鉆頭技術(shù)、鉆井液安全技術(shù)等方面，并通過(guò)A 區(qū)塊的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，分別在淺層、中深層、深層鉆井中取得了顯著的提速效果。

（3）本文中5項(xiàng)提速技術(shù)的評(píng)價(jià)及規(guī)?；瘧?yīng)用，大大提升了南海東部古近系、古潛山深層安全高效鉆井效率，大幅降低了深井鉆井費(fèi)用，解決了深層勘探成本“瓶頸”問(wèn)題。