巴彥油田深層欠壓實(shí)地層定向井優(yōu)快鉆井技術(shù)

引用格式：朱瑞彬，王秀影，張永強(qiáng)，張晶晶，苗勝東，孫濤，秦臻. 巴彥油田深層欠壓實(shí)地層定向井優(yōu)快鉆井技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2024，46（2）：147-153.

摘要：巴彥油田地層沉降快速、欠壓實(shí)，且?guī)r性復(fù)雜，儲(chǔ)層埋深超4 000 m，平均井深超5 000 m，鉆井施工過程中易發(fā)生井壁失穩(wěn)、定向井機(jī)械鉆速慢、軌跡不易控制等問題，建井周期長達(dá)54.96 d。為此，開展了井眼軌道優(yōu)化、個(gè)性化鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)、降摩減阻提速工具應(yīng)用、鉆井參數(shù)和鉆井液性能優(yōu)化。研究結(jié)果表明：1.2 （°）/30 m 降斜率利于研究區(qū)鉆井施工；五刀翼PDC 鉆頭淺內(nèi)錐、異型齒和后排減震齒設(shè)計(jì)，可提升抗沖擊能力，提高機(jī)械鉆速；“水力振蕩器+鉆柱扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)”及“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+低速大扭矩螺桿”可以提高定向段機(jī)械鉆速50% 以上；“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量”的工程參數(shù)可使上部烏蘭圖克組地層提速9% 以上，“高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、低排量”的工程參數(shù)使深部五原組、臨河組地層提速14% 以上；聚合物鉆井液體系配合微納米封堵劑，解決了井壁失穩(wěn)復(fù)雜情況?，F(xiàn)場應(yīng)用11 個(gè)平臺(tái)90 口井，平均機(jī)械鉆速提高了8.89%，建井周期縮短23.94%。優(yōu)快鉆井技術(shù)推動(dòng)了巴彥油田興華1 區(qū)塊鉆井大幅度提速，為同類油氣藏快速建井、加快產(chǎn)能建設(shè)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：深層；欠壓實(shí)；叢式井；優(yōu)快鉆井；微納米封堵；機(jī)械鉆速；巴彥油田

中圖分類號(hào)：TE243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0 引言

巴彥油田興華區(qū)塊位于河套盆地臨河坳陷，探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量2.19×108 t，地層自上而下揭示第四系河套群、新近系烏蘭圖克組、五原組、古近系臨河組，主要目的層為臨河組，埋深4 200～5 300 m，油層平均厚度139.4 m，縱向發(fā)育多套儲(chǔ)層。地層整體北緩南陡，高緩低陡，地層傾角4°～16°，沉積類型為辮狀河三角洲和淺湖相沉積，砂、泥頻繁間互，具有欠壓實(shí)、膠結(jié)作用弱的特征。主要巖性為泥巖、砂巖，局部含細(xì)礫巖及膏巖。為了節(jié)約征地、快速建產(chǎn)，興華區(qū)塊采用定向叢式井開發(fā)。前期定向井主要采用PDC 鉆頭加螺桿的鉆具組合，摩阻扭矩大、機(jī)械鉆速慢，采用常規(guī)聚合物鉆井液體系，導(dǎo)致阻卡事故頻發(fā)。王建龍等［1］針對大港油田深層定向井軌跡控制難度大、摩阻扭矩大等難題，通過攻關(guān)，形成了牙輪鉆頭配合 1. 5°大彎角螺桿鉆具解決大井眼淺部地層定向效率難題，應(yīng)用水力振蕩器緩解定向托壓難題，有效提高了機(jī)械鉆速；張東清等［2］針對涪陵地區(qū)地層軟硬交錯(cuò)和水平井鉆井托壓難題，開發(fā)了多級(jí)切削高效混合鉆頭、低壓耗水力振蕩器等高效工具，大幅度提高了鉆井速度。然而，興華區(qū)塊儲(chǔ)層埋藏更深，大地層傾角條件下深部長段定向井眼軌道控制更難；巖性復(fù)雜，砂礫巖研磨性強(qiáng)，泥巖段井壁穩(wěn)定性差。為此，在分析鉆井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化井眼軌道、優(yōu)化設(shè)計(jì)個(gè)性化鉆頭、應(yīng)用降摩減阻提速工具、優(yōu)化鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆井液性能，形成了深層欠壓實(shí)地層優(yōu)快鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆井提速提效，支撐區(qū)塊高效開發(fā)。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

區(qū)塊采用二開井身結(jié)構(gòu)，2021 年單井平均鉆井周期28.65 d，完井周期39.88 d，建井周期54.96 d，與規(guī)模效益開發(fā)需求差距較大。分析認(rèn)為，鉆井過程中主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)。

（1） 摩阻扭矩大、機(jī)械鉆速低。平臺(tái)井均為定向井，定向井滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中托壓嚴(yán)重［3］，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，平均0.8 m/h。

（2） 井眼軌跡控制難度大。定向段長（2 500～2 900 m）、方位角變化大（相鄰兩測點(diǎn)最高達(dá)到354°），地層傾角4°～16°，方位易漂移［4］，常規(guī)導(dǎo)向工具需要頻繁調(diào)整井眼軌跡。

（3） 二開裸眼段長4 000 m 左右，地層含礫砂巖、軟硬交錯(cuò)，PDC 鉆頭與地層巖性適配性差，鉆遇含礫細(xì)砂巖易崩齒、磨損，二開首支鉆頭一般在鉆穿烏蘭圖克組含礫砂巖后報(bào)廢。

（4） 二開巖性復(fù)雜，易發(fā)生阻卡事故。上部烏蘭圖克組—五原組地層膠質(zhì)泥巖發(fā)育，X 射線衍射礦物分析，黏土礦物總量平均52.3%，以伊蒙間層為主，平均43%，泥巖易水化膨脹，造成井壁失穩(wěn)，50% 以上完成井起下鉆發(fā)生阻卡。臨河組層理發(fā)育（圖1a），易發(fā)生周期性剝落垮塌［5］，地層不同程度發(fā)育膏巖（圖1b），鉆井液被污染流變性變差，造成完井電測頻繁阻卡，一次成功率僅為60%。

2 優(yōu)快鉆井技術(shù)

2.1 基于鉆采一體化優(yōu)化井眼軌道

興華1 區(qū)塊儲(chǔ)層段長約600 m，井網(wǎng)間距約400m，“直—增—穩(wěn)”三段制及“直—增—穩(wěn)—降”四段制軌道設(shè)計(jì)目的層位移較大，易產(chǎn)生井間干擾，采用直井井網(wǎng)有利于控制縱向上多套含油層系，因此設(shè)計(jì)采用“直—增—穩(wěn)—降—直”五段制軌道剖面。綜合分采分注需求，井斜控制在30°以內(nèi)，綜合下泵深度2 300～2 400 m，為減少桿管偏磨，造斜點(diǎn)設(shè)計(jì)為2 500～2 600 m，臨井造斜點(diǎn)錯(cuò)開50 m 以上。利用 Landmark 軟件模擬摩阻扭矩，優(yōu)化造斜段狗腿度3（°）/30 m，結(jié)合前期實(shí)鉆過程中因深部地層傾角大及巖性軟硬交錯(cuò)等原因引起的地層不易降斜的特性［ 6］，利用地層自然降斜率（（0.9°～1.2°）/30m），降斜段狗腿度由1.5（°）/30 m 優(yōu)化至1.2（°）/30 m（圖2），既滿足入靶點(diǎn)對井斜角的要求，同時(shí)可有效降低施工扭矩、減小施工難度，實(shí)現(xiàn)鉆井提速。

2.2 應(yīng)用降摩減阻提速工具

興華1 區(qū)塊井深超過5 000 m，前期定向鉆進(jìn)采用PDC 鉆頭加彎螺桿的井底鉆具組合，滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中托壓嚴(yán)重，摩阻最高達(dá)300 kN，且方位易漂移，軌跡不易控制，導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢，前期平均滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速僅0.8 m/h。減小托壓可以改善鉆壓傳遞效果［7］，提高機(jī)械鉆速。合理選用井下工具是減小托壓的有效措施之一?；诓煌毕碌慕的p阻效果及經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇應(yīng)用了“水力振蕩器+鉆柱雙向扭擺系統(tǒng)” 和“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+低速大扭矩螺桿”等2 套鉆井提速工具。

（1） 當(dāng)設(shè)計(jì)井斜小于20°時(shí)，主要采用“水力振蕩器+鉆柱雙向扭擺系統(tǒng)”。水力振蕩器+鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)利用水力振蕩器縱向振動(dòng)與鉆柱扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的微復(fù)合協(xié)同作用，最大程度減小鉆具與井眼之間的靜摩阻，緩解滑動(dòng)鉆進(jìn)中托壓，改善鉆壓傳遞，保持工具面穩(wěn)定，提高機(jī)械鉆速［8］。

（2） 當(dāng)設(shè)計(jì)井斜大于20°，水力振蕩器無法滿足降斜段定向要求時(shí)，采用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+低速大扭矩螺桿”實(shí)施降斜作業(yè)［9］。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向通過井下鉆具的360°旋轉(zhuǎn)，消除了常規(guī)鉆具定向段滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的托壓問題，且可實(shí)施三維導(dǎo)向控制，使鉆頭按預(yù)定方位鉆進(jìn)，精確控制井眼軌跡［10］，提高鉆進(jìn)效率。

2022 年興華1 區(qū)塊25 口井應(yīng)用水力振蕩器+鉆柱扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，定向過程中基本無托壓，工具面穩(wěn)定，摩阻由200～300 kN 降至30～80 kN，定向鉆時(shí)由20～40 min/m 降至5～15 min/m，滑動(dòng)效率平均提高50%～100%；39 口井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+低速大扭矩螺桿，大大提高了定向效率，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡精準(zhǔn)控制，平均機(jī)械鉆速達(dá)7～12 m/h。興華1-138X 井鉆至4 175 m 時(shí)降斜困難，鉆時(shí)由8 min/m 增至25min/m，4 207 m 時(shí)增至48.2 min/m，4 239 m 改下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，定向鉆時(shí)縮短至8.88 min/m（圖3）。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)個(gè)性化鉆頭

興華1 區(qū)塊前期進(jìn)行了?19 mm、?16 mm 復(fù)合片，5 刀翼、4 刀翼等各種平面切削齒鉆頭的嘗試，單只鉆頭進(jìn)尺800～2 600 m 不等，效果不理想，發(fā)生了鉆頭泥包、切削齒崩齒、保徑齒磨損等現(xiàn)象，分析主要原因是：①鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；②切削齒攻擊性及抗沖擊性能差；③鉆頭保徑耐磨性差。為此，分析地層巖性特征，開展了個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)。利用聲波時(shí)差計(jì)算區(qū)塊地層可鉆性級(jí)值在1～6 之間，屬于中軟～中硬地層，根據(jù)切削齒尺寸對破巖效率影響規(guī)律［11］，上部地層可鉆性級(jí)值1～3 設(shè)計(jì)?19 mm復(fù)合片，下部地層可鉆性級(jí)值3～6 設(shè)計(jì)?16 mm 復(fù)合片；為了提高清洗效果，增強(qiáng)鉆頭攻擊性、穩(wěn)定性，采用淺內(nèi)錐、5 刀翼力平衡設(shè)計(jì)［12］，加強(qiáng)鉆頭攻擊性同時(shí)保證其抗沖擊能力，提升機(jī)械鉆速；地層存在含礫砂巖、軟硬交錯(cuò)且儲(chǔ)層埋藏深等特點(diǎn)，對鉆頭切削齒磨損較大，設(shè)計(jì)異型齒與平面齒混布，冠部三棱異型齒提高鉆頭抗沖擊性和穿夾層能力［13］，斧形齒具有較強(qiáng)的攻擊性，在可鉆性相對好的地層，保障機(jī)械鉆速；地層主要為砂泥巖互層，泥質(zhì)含量高，優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)7 噴嘴，40 mm 深排屑槽［14］，提高鉆頭攜巖能力，低密度布齒，減小泥包風(fēng)險(xiǎn)；后排減震齒，減少鉆頭渦動(dòng)；采用覆蓋式被動(dòng)保徑齒，外敷高耐磨性材料，增強(qiáng)保徑耐磨性［15］，防止鉆頭縮徑，減小井壁對鉆頭保徑的磨損（圖4）?，F(xiàn)場應(yīng)用68 口井，單井二開平均消耗鉆頭2 只，單只平均進(jìn)尺為2 896 m，其中興華1-183X 井單只鉆頭最大進(jìn)尺3 973 m， 實(shí)現(xiàn)了二開一趟鉆， 機(jī)械鉆速18.83m/h，鉆井周期17.42 d。

2.4 優(yōu)化鉆井參數(shù)

根據(jù)鉆速方程，機(jī)械鉆速與鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量呈正相關(guān)［16］，興華1 區(qū)塊鉆遇地層基本為泥巖、砂巖和粉砂巖，可鉆性相對較好，采用激進(jìn)工程參數(shù)可以提高鉆井速度。針對所鉆遇的地層巖性及可鉆性級(jí)值不同，通過研究區(qū)完鉆井機(jī)械鉆速對鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等參數(shù)的敏感性分析，優(yōu)化不同層段鉆井參數(shù)。分析顯示上部烏蘭圖克組地層可鉆性好，機(jī)械鉆速對排量、轉(zhuǎn)速較為敏感（圖5），增大排量至40L/s 以上、轉(zhuǎn)速提高至螺桿轉(zhuǎn)速+60 r/min 以上可顯著提高機(jī)械鉆速，而鉆壓超過60 kN 反而因壓持作用降低機(jī)械鉆速，推薦“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量”的工程參數(shù)：鉆壓40～60 kN、轉(zhuǎn)速60～70 r/min+螺桿轉(zhuǎn)速、排量40～45 L/s；深部五原組、臨河組地層可鉆性變差， 機(jī)械鉆速對鉆壓、轉(zhuǎn)速較為敏感（圖6），增大鉆壓60 kN 以上、轉(zhuǎn)速提高至螺桿轉(zhuǎn)速+60 r/min 以上可顯著提高機(jī)械鉆速，推薦“高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、低排量”的工程參數(shù)：鉆壓60～80 kN、轉(zhuǎn)速60～70 r/min+螺桿轉(zhuǎn)速、排量36～38 L/s。應(yīng)用后上部地層機(jī)械鉆速由21.35 m/h 提高至23.43 m/h，深部地層機(jī)械鉆速由9.12 m/h 提高至10.45 m/h。

2.5 優(yōu)化鉆井液性能

興華1 區(qū)塊深部臨河組地層層理發(fā)育，巖樣電鏡掃描顯示局部微裂縫寬約1～15 μm，孔喉直徑主要分布在2～32 μm，興華1-4 井鉆井液粒度測試結(jié)果顯示粒徑在0.56～249.10 μm 之間（圖7），與地層裂縫不匹配，封堵性能差，鉆井液濾液進(jìn)入泥巖層理發(fā)生水楔作用造成剝落掉塊［17］；且鉆井液抑制性不足，抗污染性能差，膏巖侵后表現(xiàn)為濾失量、切力和黏度增大。為此，在聚合物鉆井液體系的基礎(chǔ)上，優(yōu)選微米級(jí)、納米級(jí)封堵劑封堵地層配合潤滑防塌劑進(jìn)一步穩(wěn)定井壁［18］，引入彈性微球聚合物抑制泥巖的水化分散，含膏泥巖段引入硅氟高溫降黏劑控制鉆井液黏度和切力，提高鉆井液抗鈣性。

2.5.1 封堵劑優(yōu)選及性能評價(jià)

根據(jù)相關(guān)研究，堵漏顆粒粒徑滿足W≥D90≥2/3W 時(shí)［19］，封堵效果較好。為此，優(yōu)選微米級(jí)、納米級(jí)封堵劑封堵地層，微米級(jí)防塌封堵劑D90 粒徑29 μm，納米封堵劑D90 粒徑0.67 μm（表1）。

利用PPA 封堵濾失儀，采用5 μm 左右的陶瓷濾芯，進(jìn)行了不同配方3.5 MPa 壓差下封堵濾失效果評價(jià)。從圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，微米封堵劑或微米封堵劑和納米封堵劑復(fù)配使用，能夠顯著降低降低濾失量，封堵效果良好。

2.5.2 彈性微球聚合物抑制性能評價(jià)

彈性微球聚合物與淡水聚合物鉆井液配伍性好，兼具抑制和封堵作用［20］。具有彈性變形特點(diǎn)，以適應(yīng)不同尺寸的孔喉，降低濾液侵入，而且可以抑制泥巖的水化分散，易返排，不會(huì)對儲(chǔ)層產(chǎn)生傷害。

選取興華1 區(qū)塊完鉆井臨河組泥巖巖屑，進(jìn)行彈性微球聚合物不同加量下的抑制性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)。由表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，彈性微球聚合物能有效抑制泥頁巖膨脹和分散，保持硬脆性泥頁巖的完整性，提高滾動(dòng)回收率，具有良好的封堵性和抑制性。

2.5.3 優(yōu)化后鉆井液性能評價(jià)

取現(xiàn)場井漿進(jìn)行封堵劑和抑制劑復(fù)配對比實(shí)驗(yàn)，從表3 可看出，加入2% 微米封堵劑和0.5% 彈性微球聚合物后，API 濾失量和HTHP 濾失量明顯降低，流變參數(shù)基本無變化，隨著彈性微球聚合物加量增加，API 濾失量和HTHP 濾失量降低不明顯，加入2% 微米封堵劑，對鉆井液流變性、濾失量、封堵性能影響都不大。因此確定優(yōu)化后的鉆井液配方為現(xiàn)場井漿+2% 微米封堵劑+0.5% 彈性微球聚合物。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2022 年興華1 區(qū)塊采用鉆采一體化五段制井眼軌道設(shè)計(jì)、五刀翼異型齒和后排減震齒設(shè)計(jì)PDC 鉆頭、“水力振蕩器+鉆柱扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)”及“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+低速大扭矩螺桿”的降摩減阻提速工具、分層段激進(jìn)鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)、高性能鉆井液體系為核心的深層欠壓實(shí)地層優(yōu)快鉆井技術(shù)共實(shí)施90 口井， 平均完鉆井深5 088.71 m， 與2021 年（5 098.15 m） 基本持平，鉆遇地層巖性特征相同，鉆井、完井、建井周期分別縮短12.04%、13.99%、23.94%（圖9）。通過優(yōu)化井眼軌道，應(yīng)用“水力振蕩器+鉆柱雙向扭擺系統(tǒng)” 和“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+低速大扭矩螺桿”2 套降摩減阻提速工具，實(shí)現(xiàn)了軌跡精確控制，井底井斜角由2021 年的3°～4°降為1°以內(nèi)，配合高效個(gè)性化鉆頭，以及上部地層“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量”的工程參數(shù)，深部地層“高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、低排量”的工程參數(shù)，平均機(jī)械鉆速由17.55m/h 提高至19.11 m/h；通過優(yōu)化鉆井液抑制性、封堵性，井壁失穩(wěn)復(fù)雜情況得以解決，井徑擴(kuò)大率由前期平均18.3% 降至11.77%，完井電測一次成功率由2021 年的60% 提高至2022 年的90.2%。

4 結(jié)論

（1） 針對巴彥油田地層特征及開發(fā)需求，形成了“鉆采一體化井眼軌道設(shè)計(jì)+高效PDC 鉆頭+降摩減阻提速工具+激進(jìn)鉆井參數(shù)+高性能鉆井液體系”深層欠壓實(shí)地層優(yōu)快鉆井技術(shù)。

（2） 深層欠壓實(shí)地層優(yōu)快鉆井技術(shù)提高了定向井機(jī)械鉆速，縮短了建井周期，推動(dòng)了巴彥地區(qū)提速降本，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（3） 巴彥油田地層欠壓實(shí)，上部地層鉆速快，聚合物鉆井液體系亞微米顆粒含量高，性能不易維護(hù)，目前重復(fù)利用還存在一定局限性，需要進(jìn)一步加強(qiáng)體系性能優(yōu)化研究。

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（修改稿收到日期 2023-08-19）

〔編輯 朱 偉〕