順北油氣田二疊系火成巖鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用

易 浩，郭 挺，孫連忠

（1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆 輪臺(tái) 841600；4.中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

1 順北二疊系鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

順北油氣田屬于斷裂、斷縫和孔洞控儲(chǔ)的碳酸鹽巖油氣藏，斷裂帶之間地層特征差異大［1-2］，目前勘探開發(fā)主要集中在順北一區(qū)1 號(hào)和5 號(hào)斷裂帶區(qū)域，儲(chǔ)層埋藏深度＞7500 m。

順北油氣田普遍存在二疊系火成巖，火成巖頂深＞4500 m，平均厚度約600 m；1 號(hào)斷裂帶區(qū)域二疊系厚度約占二開進(jìn)尺的10%～15%，而鉆井周期占比達(dá)50%～70%，是鄰區(qū)鉆井周期的1.5 倍。與1號(hào)斷裂帶相比，5 號(hào)斷裂帶北部和中部區(qū)域二疊系的機(jī)械鉆速分別降低41.74%和9.35%，鉆井周期分別增加117.01%和68.71%。二疊系機(jī)械鉆速慢、復(fù)雜周期長是造成鉆井周期長的主要原因。

順北一區(qū)形成了3 套較為成熟的井身結(jié)構(gòu)方案，二疊系井段主要為?311.2、?250.8 和?269.9 mm井眼，5 號(hào)斷裂帶區(qū)域主要為?311.2 mm 井眼［3-5］。

根據(jù)二疊系鉆速慢的問題，開展了多種提速技術(shù)工藝的試驗(yàn)和應(yīng)用，累計(jì)使用牙輪、PDC、牙輪-PDC 混合等共計(jì)87 個(gè)型號(hào)的鉆頭，試驗(yàn)了34 個(gè)型號(hào)的螺桿與沖擊工具。1 號(hào)、5 號(hào)斷裂帶中部區(qū)域平均機(jī)械鉆速分別提高至3.39、2.91 m/h；5 號(hào)斷裂帶北部區(qū)域平均機(jī)械鉆速僅1.87 m/h，且鉆頭普遍存在斷齒、崩齒、掏心等現(xiàn)象，PDC 鉆頭損壞比例達(dá)82%，牙輪-PDC 混合鉆頭掏心比例達(dá)90%（見表1）。

表1 不同區(qū)域二疊系火成巖鉆井時(shí)效對(duì)比Table 1 Drilling efficiency comparison of Permian Igneous Rocks in different regions

二疊系火成巖非均質(zhì)性強(qiáng)，發(fā)育多尺度裂縫［6-7］，造成井漏復(fù)雜周期長。根據(jù)已完鉆的34 口評(píng)價(jià)井與開發(fā)井的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因井漏產(chǎn)生的復(fù)雜周期累計(jì)達(dá)198 d，其中4 口井因失返性漏失誘發(fā)卡鉆事故。漏失量0～50、50～200 及＞200 m3的井段占比分別為54%、23%、23%。根據(jù)漏速和漏失量形成了7 個(gè)系列的堵漏工藝配方，雖然應(yīng)用了多配方復(fù)合堵漏、調(diào)整堵漏材料的加量和堵漏漿的濃度等措施，但堵漏成功率僅15%～48%。

堵漏工藝及材料如表2 所示。

表2 前期常用的堵漏工藝及材料Table 2 Commonly used plugging process and materials in the early stage

2 漏失原因分析及對(duì)策

2.1 漏失原因分析

成像測(cè)井與電鏡掃描顯示（圖1、圖2），英安巖與凝灰?guī)r內(nèi)部礦物晶間微觀裂隙、解理發(fā)育，縫寬2～3 μm，高導(dǎo)縫傾角15°～86°，傾向、走向雜亂，存在張性裂縫，易上下竄流。結(jié)合實(shí)鉆情況綜合判斷，二疊系發(fā)育微米—厘米級(jí)（0.1～20 mm）多尺度裂縫，在液柱壓力作用下易互相溝通；二疊系漏失壓力與三疊系的坍塌壓力相近，安全密度窗口窄［8-9］，鉆井液密度需控制在1.23～1.25 g/cm3。前期常用的堵漏材料（參見表2）要求井筒承壓以實(shí)現(xiàn)顆粒變形，而二疊系火成巖在壓力作用下易誘導(dǎo)和溝通裂縫，導(dǎo)致變形堵漏失敗；配方組成與顆粒級(jí)配難以適應(yīng)多尺度裂縫的封堵要求，存在裂縫封門、裂縫內(nèi)架橋能力不足、無法封喉等問題，隨鉆堵漏方式的成功率低，還需要進(jìn)行橋漿堵漏甚至承壓堵漏，大幅增加了堵漏漿消耗［10-12］。

圖1 二疊系火成巖成像測(cè)井Fig.1 Electric imaging logging of Permian igneous rock

圖2 2000 放大倍率下二疊系火成巖電鏡掃描圖Fig.2 Electron microscope scanning of Permian igneous rocks at 2000 magnification

2.2 防漏堵漏對(duì)策研究

2.2.1 隨鉆防漏對(duì)策研究

為提高隨鉆防漏效果，采用無滲透鉆井液濾失儀優(yōu)選剛性顆粒、纖維材料和變形顆粒，考察不同材料配比條件下對(duì)鉆井液流變性和砂床侵入深度的影響。如表3 和表4 所示，剛性顆粒、纖維以及高溫變形材料三者的最優(yōu)比例7∶2∶1，即SZF：2%核桃殼（細(xì)）+2% 杏殼（細(xì)）+3% 石灰石+2% 竹纖維+1%聚合物凝膠，材料濃度3%時(shí)承壓達(dá)7 MPa，隨鉆防漏效果最佳。

表3 不同配比對(duì)流變性及砂床濾失量的影響Table 3 Effects of different ratios on rheology and sand bed filter loss

表4 20～60 目砂床承壓能力評(píng)價(jià)Table 4 Evaluation of bearing capacity of 20～60 mesh sand bed

2.2.2 堵漏對(duì)策研究

針對(duì)堵漏漿滯留難和封堵層承壓低的問題，優(yōu)選膨脹類、強(qiáng)滯留類篩網(wǎng)和高強(qiáng)度材料，強(qiáng)化堵漏漿封堵層強(qiáng)度和滯留效果，通過裂縫承壓實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，形成針對(duì)不同漏速條件的堵漏配方及工藝，見圖3、表5。

圖3 優(yōu)選的堵漏材料Fig.3 Optimized plugging materials

表5 不同漏速時(shí)推薦堵漏配方及施工工藝Table 5 Recommended plugging formula and process at different leakage rates

2.3 二疊系防漏堵漏效果

采用“防漏為主，堵漏為輔，防堵結(jié)合，塌漏同治”的技術(shù)思路，以提高二疊系堵漏效率、降低漏失復(fù)雜處理周期。二疊系控制鉆井液塑性粘度（18～21 mPa·s）、低動(dòng)切力（4～6 Pa），減少環(huán)空壓耗，同時(shí)強(qiáng)化鉆井液防塌，提前做好隨鉆防漏，鉆遇漏失及時(shí)堵漏，若出現(xiàn)多點(diǎn)反復(fù)性漏失，及時(shí)采取堵漏漿鉆進(jìn)。根據(jù)二疊系防漏堵漏與上部地層防塌同時(shí)治理的理念，協(xié)同應(yīng)用多種工藝措施降低了堵漏漿漏失量和堵漏周期，取得了較好的防漏堵漏效果，如表6所示。

表6 堵漏工藝技術(shù)應(yīng)用效果Table 6 Application effect of plugging technology

3 鉆速慢原因分析及對(duì)策

3.1 鉆速慢原因分析

二疊系巖性差異大，提速工藝適用性不強(qiáng)。順北1 號(hào)斷裂帶區(qū)域二疊系以凝灰?guī)r（占比69%）、砂泥巖和英安巖為主，巖石抗壓強(qiáng)度60～180 MPa、可鉆性極值4～5［13］；5 號(hào)斷裂帶區(qū)域二疊系以英安巖（占比61%）、砂泥巖為主，夾玄武巖和凝灰?guī)r，巖石抗壓強(qiáng)度60～250 MPa、可鉆性極值4～7，北部區(qū)域硬地層的裂縫相對(duì)不發(fā)育、破巖難度大，常規(guī)PDC鉆頭、PDC-牙輪混合鉆頭因內(nèi)外區(qū)域破巖效率不協(xié)調(diào)而形成“凸”字形井底，造成PDC 切削齒超載損壞、鉆頭磨環(huán)、掏心等問題。

如圖4、圖5 所示，在1 號(hào)斷裂帶區(qū)域長壽命大扭矩等壁厚螺桿的使用效果最好，扭轉(zhuǎn)沖擊工具次之；在5 號(hào)斷裂帶區(qū)域長壽命大扭矩等壁厚螺桿的使用效果相對(duì)較好，扭轉(zhuǎn)沖擊和復(fù)合沖擊工具的使用效果不理想；總體而言大尺寸井眼、軟塑性泥巖和堅(jiān)硬的玄武巖等地層中沖擊工具使用效果差。5 號(hào)斷裂帶北部區(qū)域井眼尺寸大（311.2 mm）、地層軟硬交錯(cuò)程度增強(qiáng)，鉆頭高效破巖的門檻條件大幅提高，是造成輔助破巖工具應(yīng)用效果不佳的直接原因。如表7 所示。

圖4 使用時(shí)間＞200 h 的輔助破巖工具情況Fig.4 Assisted rock breaking tool with service time above 200h

圖5 機(jī)械鉆速＞2.5 m/h 的輔助破巖工具情況Fig.5 Assisted rock breaking tool with ROP above 2.5m/h

表7 順北一區(qū)二疊系地層扭沖工具應(yīng)用情況對(duì)比Table 7 Application comparison of torsional impact tools in Permian strata of Shunbei-1 Block

為了預(yù)防二疊系漏失，鉆井排量一般低于沖擊工具的額定排量，造成沖擊工具的沖擊動(dòng)載降低，同時(shí)所用鉆壓較小，達(dá)不到高效破巖的門檻條件或縮小了提速的有利空間。因此足夠的切削深度與鉆頭動(dòng)靜扭矩供應(yīng)是硬地層高效破巖的關(guān)鍵；與沖擊工具相比，當(dāng)前條件下等壁厚螺桿的輸出載荷較大，鉆壓與工作扭矩可同步調(diào)整，更容易滿足硬地層破巖的門檻條件和降低鉆頭的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.2 硬地層PDC 鉆頭提速方法

硬地層旋轉(zhuǎn)鉆井模式下，常規(guī)PDC 切削齒難以吃入地層，容易誘發(fā)井下自激振動(dòng)，鉆壓與鉆頭扭矩為非理想的正弦波，角頻率和振幅變化范圍較大［14］。鉆壓和鉆頭扭矩表示如下：

式中：Pbit——瞬時(shí)鉆壓，N；Pm——平均鉆壓，N；A1、A2——波動(dòng)幅度或振幅，N；w1、w2——振動(dòng)角頻率，rad/s；t——時(shí)間，s；Tbit——瞬時(shí)鉆頭扭矩，N·m；Tm——平均鉆頭扭矩，N。

增大PDC 鉆頭切削深度、提供與切削深度相匹配且連續(xù)穩(wěn)定的鉆頭扭矩是降低硬地層鉆頭自激振動(dòng)和提高鉆井性能的關(guān)鍵，因此，合適的動(dòng)力鉆具是直接有效的鉆井提速手段，建立了常規(guī)PDC 鉆頭門限扭矩模型［15］以指導(dǎo)動(dòng)力鉆具參數(shù)的優(yōu)選：

式中：Tbs——門限扭矩，N·m；Scc——巖石三軸抗壓強(qiáng)度，Pa；kcc——抗壓強(qiáng)度的影響系數(shù)，脆性地層推薦為56.5；Db——鉆頭直徑，m；a為-2.44；b為33.40。

沖擊工具能夠產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)方向的可控高強(qiáng)動(dòng)態(tài)載荷，通過與鉆壓、水平切削力或扭矩等靜態(tài)載荷的共同作用，在合適的地層中產(chǎn)生微裂紋和足夠的切削深度，達(dá)到抑制鉆頭自激振動(dòng)、提高鉆井速度等目的。動(dòng)靜載荷的組合形式?jīng)Q定微裂縫的閉合、起裂、擴(kuò)展、匯聚等發(fā)展過程，破巖能量轉(zhuǎn)化為裂紋表面摩擦熱能和裂紋擴(kuò)展表面能，巖石宏觀性能表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的強(qiáng)化或劣化。動(dòng)載對(duì)裂紋的發(fā)展起決定作用，高于巖石起裂門檻值會(huì)產(chǎn)生多條微裂紋，低于門檻值無裂紋或多次沖擊產(chǎn)生一條優(yōu)勢(shì)裂紋；靜載有利于形成片裂，可增加巖石破碎程度［16-19］。綜上所述，沖擊工具的適用條件為：脆性巖石或發(fā)育裂縫和孔隙的巖石、單次沖擊的動(dòng)靜軸向載荷超過裂紋擴(kuò)展的臨界載荷或門限鉆壓、單次切削的動(dòng)靜扭矩超過裂紋貫通的門限扭矩，如圖6 所示。

圖6 PDC 鉆頭門限扭矩和門限鉆壓剖面Fig.6 Threshold torque and WOB profile of PDC bit

3.3 二疊系提速對(duì)策

優(yōu)選與地層相匹配的個(gè)性化鉆頭和輔助破巖工具，提高鉆頭扭矩供應(yīng)和增強(qiáng)鉆頭運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)度，是順北5 號(hào)斷裂帶北部區(qū)域二疊系鉆井提速的關(guān)鍵［20-22］。

（1）平衡和增強(qiáng)PDC 鉆頭的攻擊性與抗沖擊能力。優(yōu)選5 刀翼、16 mm 雙排齒PDC 鉆頭，應(yīng)用尖圓齒及斧形齒、奔馳齒等非平面切削齒，優(yōu)選脫鈷處理、加厚金剛石層（由2 mm 加厚至3 mm）的圓形復(fù)合片，延長鉆頭冠部拋物線長度和增加1 顆主切削齒，主切削齒前傾角由15°增大至25°，其側(cè)翼設(shè)計(jì)保護(hù)齒。

（2）優(yōu)選適合硬地層鉆井的PDC-牙輪混合鉆頭。平衡混合破巖區(qū)域與PDC 內(nèi)錐區(qū)域的破巖效率是防止硬地層中PDC-牙輪混合鉆頭掏心的關(guān)鍵；在內(nèi)錐區(qū)域優(yōu)選非平面切削齒與13 mm 高性能復(fù)合片，采用雙排齒設(shè)計(jì)、增加布齒密度和齒穴金剛石保護(hù)結(jié)構(gòu)，防止掏心和提高機(jī)械鉆速；在混合區(qū)域優(yōu)選梯度處理的錐形齒降低沖擊載荷的產(chǎn)生，增加牙輪掌尖金剛石齒、增強(qiáng)軸承壽命以增加牙輪壽命。

（3）優(yōu)選合適的輔助破巖工具。鑒于大尺寸井眼中沖擊工具難以有效提高沖擊動(dòng)載，當(dāng)前等壁厚大扭矩螺桿是提速的最佳方式。根據(jù)式（3）和表8，優(yōu)選了長壽命、變排量、等壁厚大扭矩螺桿，螺桿工作扭矩提高了160%以上，基本滿足了除5 號(hào)斷裂帶部分區(qū)域以外的最低破巖扭矩需求。下一步將試驗(yàn)國外進(jìn)口的大扭矩等壁厚螺桿，244 mm 螺桿的最大工作扭矩可提高至55.1 kN·m，可滿足各區(qū)域提速的扭矩需求。

表8 順北二疊系地層扭矩需求與螺桿現(xiàn)狀Table 8 The requirements and situation of the screw torque in Permian strata of Shunbei Block

通過個(gè)性化鉆頭與等壁厚大扭矩螺桿的改進(jìn)與試驗(yàn)，二疊系火成巖取得了顯著的提速效果；1 號(hào)斷裂帶區(qū)域最快機(jī)械鉆速由2.2 m/h 提高到5.63 m/h，最低鉆井周期由18.6 d 降低到4.91 d；5 號(hào)斷裂帶區(qū)域最快機(jī)械鉆速由1.87 m/h 提高到3.58 m/h，最低鉆井周期由33.3 d 降低到16.1 d。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）通過加入竹纖維復(fù)合材料、復(fù)配變形顆粒材料，明顯降低了裂縫性地層的漏失次數(shù)和漏失量；多尺度縱向裂縫引起的惡性漏失堵漏工藝技術(shù)還有待進(jìn)一步完善，為鉆井提速創(chuàng)造良好的井眼條件。

（2）明確了螺桿和沖擊工具的提速適用條件，優(yōu)選了高效PDC 鉆頭和混合鉆頭，配套了等壁厚大扭矩螺桿，提高了二疊系硬地層的機(jī)械鉆速，為硬地層提速提供了借鑒。

（3）隨著順北勘探開發(fā)的推進(jìn)，在二疊系井段出現(xiàn)了444.5 mm 大尺寸井眼，鉆頭破巖能量需求更大，提速工作更加嚴(yán)峻，需要進(jìn)一步加強(qiáng)鉆井提速方法的研究和大功率提速工具的研發(fā)。

（4）通過對(duì)火成巖地層特征的分析，評(píng)價(jià)了常用的防漏堵漏、鉆井提速工藝技術(shù)的適用性，完善了低效鉆井的技術(shù)對(duì)策，取得了較好的應(yīng)用效果：1 號(hào)斷裂帶區(qū)域的機(jī)械鉆速提高12.3%，平均鉆井周期縮短7.8 d；5 號(hào)斷裂帶區(qū)域的機(jī)械鉆速提高55.6%，平均鉆井周期縮短7.1 d。