东海深井高温高压低孔渗储层钻井技术研究与应用

张海山

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030）

东海深井高温高压低孔渗储层钻井技术研究与应用

张海山

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030）

随着近年东海勘探工作量的迅速增加，钻井深度越来越深，面临着深层高温高压低孔渗地层钻井的一些重大技术难题。针对遇到的难题，分析研究了钻井技术和工艺，主要包括深部复杂压力体系井身结构优化、构建储层保护和井壁稳定性能良好的低自由水钻井液体系、高压低孔渗储层防气窜固井工艺技术、分井段钻井提速配套技术。研究成果应用表明，该套技术较好地解决了钻井过程中出现的问题，保护了储层，提高了时效，满足了产能测试的要求。

深井；高温高压；低孔低渗；钻井

近年来东海勘探作业量迅速增加，钻井深度越来越深，面临着高温高压低孔渗储层钻井作业的一系列重大技术难题。东海低孔渗储层埋藏深、温度高、可钻性差、压力体系复杂。2012年钻井的平均井深已达到4 849 m，井底温度达到160℃以上。地层常出现井壁垮塌、井径扩大、起下钻困难、电测遇阻等复杂情况，影响取全取准地质资料。为了安全、优质、快速地钻井作业，根据东海地层特点，深入分析影响钻井作业的主要因素，从井身结构优化、新型钻井液体系、固井技术工艺优化、

在钻井提速配套技术等关键方面，形成了一套东海深井高温高压低孔渗储层钻井技术，解决了钻井过程中出现的问题。

1 主要难点

1.1 储集层岩性复杂，井壁易失稳

东海平湖组储集层为砂岩，以中砂岩为主，细砂岩、粉细砂岩次之，砂泥岩互层夹杂煤层。煤层存在多、薄、散、广的分布特征，钻井过程中井壁易分散垮塌，致使起钻时倒划眼频繁，下套管作业时遇阻卡，电测作业常因煤层垮塌沉砂过多而下不到底，严重影响了安全钻井、作业时效和资料录取。

1.2 井身结构难以有效封隔特殊地层

随着井深的不断加深，以往的井身结构难以有效封隔常规孔渗层与低渗层、常规压力层与高压层[1]。东海地区一般在垂深3 800 m左右进入高压井段后，压力、温度变化间距小，200 ～ 400 m之间发生台阶性变化，以前的井身结构，无法有效封隔特殊地层。

1.3 钻井液稳定井壁能力不足

东海探井钻井作业复杂情况主要体现在12-1/4″井眼井径不规则，易垮塌，起下钻困难，频繁遇阻、憋压憋扭矩；8-1/2″井眼电测遇阻遇卡。泥岩地层和煤夹层出现井眼扩径现象，由泥岩水化和煤夹层掉块引起；也存在井眼缩径现象，主要原因是：（1）砂岩地层和砂泥岩互层中的泥岩水化膨胀；（2）钻井液密度未能平衡地层压力；（3）高温泥饼虚厚造成深部井眼缩径。

1.4 深部高压低渗储层段固井质量不稳定

裸眼段长，高低压系统并存，顶底温差大且气层多、测试层位分布跨度大，导致在确保下部层位封固时，上部层位出现水泥浆超缓凝或水泥石固结强度速度缓慢等，无法对不同层位同时进行有效封固。对高压低渗层的地层压力把握不清楚，在难以压稳地层的情况下候凝时气窜，影响固井质量。

1.5 深井钻井提速难度大

为封固下部复杂地层，深井结构优化后上部17-1/2″井段加深至2 400 m，井眼尺寸大，钻头类型少，钻井提速困难。

深部地层硬度大、强度高、可钻性差，导致机械钻速低，岩性不均匀、多含砾、多夹层等引起钻头卡滑现象，破岩效率低，钻头寿命短。

2 关键技术和工艺措施

2.1 深部复杂压力体系井身结构优化

为了满足深部低孔渗储层的勘探需要，封隔特殊地层，减少复杂情况，取全取准地质资料，深井井身结构优化如下：

（1）增加17-1/2″井段下深至2 400 m，降低12-1/4″井段的难度，减少8-1/2″井眼长度和降低7″尾管固井难度。

（2）备用小井眼井段，实现常规孔渗层与低渗层、常规压力层与高压层的封隔。

（3）如压力体系更复杂，可应用非常规套管层次来满足封隔特殊地层的要求，或使用膨胀管，支撑井壁不稳地层，封堵压力过渡带。

2.2 构建低自由水钻井液体系

针对深层高温高压储层和低孔渗储层对钻井液的性能要求，在钻井作业过程中出现复杂情况的问题，对砂泥岩互层、煤层、泥页岩的井壁稳定进行了大量的优化实验研究，构建了低自由水钻井液体系[2]。

体系配方：3%海水土浆+ 0.15%Na2CO3+ 0.3%NaOH + 0.4%PF-PLUS + 0.3%PF-PAC-LV + 1.0% HXY-3 + 2.0%PF-FLOCAT + 2%PF-LSF + 2%HCM + 3%HGW + 2%HSM + 5%KCl + 2%PF -LUBE + 1%HPI。

该体系主要特点如下：

（1）采用自由水络合剂HXY-3，降低体系的自由水含量，保护低孔渗储层。

（2）应用PF-PLUS包被剂，提高体系的包被抑制能力。

（3）针对砂泥岩互层且疏松较多，使用温压成膜剂HCM，并与PF-LSF复配使用，强化钻井液封堵，加固稳定井壁。

（4）针对煤层有垮塌趋势，采用深部抑制剂HPI加强对煤层深部的抑制效果，防止井壁失稳。

2.3 高压低孔渗储层防气窜固井技术

结合高压低孔渗储层的特点，优选水泥浆体系，优化固井工艺，解决环空气窜、高压低孔渗储层固井质量差及上部水泥浆超缓凝等问题，具体技术工艺如下：

（1）根据实钻获得的地层压力和地层承压试验数据确定水泥浆密度，保证压稳且不压漏地层。

（2）优选防窜能力强的胶乳聚合物水泥浆体系，采用针对高压层的双凝浆柱结构。

胶乳具有防窜能力强、浆体稳定、水泥石韧性好、抗腐蚀等特点。聚合物水泥浆加入胶乳后水泥石胶结更加致密，防气窜能力比聚合物水泥浆体系更强。

采用针对高压层的双凝浆柱结构，速凝水泥浆封固异常压力层，保证在其凝固失重的过程中，缓凝水泥浆能起到平衡地层压力的作用，防止气侵。

（3）水泥浆顶替结束后，在尾管挂以上替入重钻井液候凝，补偿尾浆凝固失重时的静液柱压力损失，防止气窜。

（4）优化井身结构，减少8-1/2″裸眼长度，降低7″尾管固井难度。

2.4 分井段钻井提速配套技术

优化的深井井身结构，上部17-1/2″井眼加深至2 400 m左右，12-1/4″井段钻至4 000 m左右，8-1/2″井段钻至完钻井深。针对不同井段提出了相应的钻井提速技术。

2.4.1 上部井段快速钻进技术

针对上部地层特性，主要提速措施如下：

（1）优化设计攻击性强的PDC钻头代替牙轮钻头，提高钻井速度。

（2）选用小弯角高扭低速井下马达，增加钻头转速和钻头扭矩输出，提高钻头破岩能力。

（3）井段上部采用海水膨润土浆钻进，以节省钻井液费用，根据钻遇层位岩性、水化分散情况，合理选取转换成海水聚合物体系的深度，避免倒划眼、井壁失稳等复杂情况发生。

2.4.2 深部井段提速配套技术

通过研究地层岩石力学特性、破岩方式和钻头使用效果，优选了深部井段的提速配套工具：扭冲工具、纳米涂层钻头、geoNEXT智能录井系统等。

（1）扭冲工具

扭冲工具是将部分钻井液的流体能量转化成机械能，即扭转冲击能量，使工具持续高速反转，形成高频冲击。扭冲工具结构如图1所示。

PDC钻头配合扭冲工具使用时，钻头受到两方面作用：①冲击器提供的周期性、持续性、具有一定强度的扭矩；②钻机旋转系统通过钻杆提供的扭矩[3]。两种能量相互配合，使岩石在冲击破碎和旋转剪切的共同作用下，迅速达到载荷极限发生破坏，提高了岩石破碎的连续性[4]。连续高频的冲击扭矩有效地克服PDC钻头卡滑现象，平衡钻柱扭转震荡，扭矩平稳，提高钻头寿命。

图1 扭冲工具结构图

（2）纳米涂层钻头

PDC钻头纳米金属涂层技术是使钻头表面产生一种超硬、光滑、低粘附性的涂层，如图2 所示。

图2 纳米涂层钻头

纳米涂层有效降低钻头泥包趋势，提高钻头工作效率。具体优点如下：

①低摩擦系数，减小泥岩吸附的几率。

②高光滑性表面，提高排屑效率。

③高硬度金属涂层比合金粘合剂更加抗冲蚀和腐蚀。

④物理气相沉积工艺使涂层和钻头本体完美结合，增加涂层寿命。

（3）geoNEXT智能录井系统

geoNEXT智能录井系统是最新一代智能化综合录井系统，依据其提供的钻井效率监测、井眼清洁情况监测、钻具振动监测等数据，及时调整优化钻井参数，改善钻头工作环境，提高钻头寿命和机械钻速。

3 现场应用

3.1 井身结构优化技术应用效果

深井井身结构优化技术在B2-1井和B4-1井应用，有效封隔了常规孔渗层与低渗层、常规压力层与高压层。上部利用20″套管封隔易漏层后，17-1/2″井段钻至2 400 m，使得12-1/4″井段长度缩短至1 700 m左右，8-1/2″井段的长度降至800 m以内，降低了钻井和固井难度。B2-1井复杂情况平均所占时间比2012年减少48.94 h，且无事故发生。

3.2 低自由水钻井液体系应用效果

东海B1-3H、T2-1 、B2-1等6口探井中应用了低自由水钻井液体系，提高了井壁稳定性，有效减少了复杂情况。

B1-3H、T2-1井和B2-1井在12-1/4″井段划眼时间明显减少，与2012年已钻井相比，平均每口井减少1 d。

B1-3H水平井井深5 145 m，三开避台13 d和四开避台7 d后，井壁稳定，钻进和起下钻无掉块，井斜大，无岩屑床、无粘卡现象，下套管顺利到位。

T2-1井12-1/4″井段井深3 470 m（裸眼段1 827 m）电测时间8.8 d，共顺利下入了6趟电测仪器，8-1/2″井段井深4 133 m（裸眼段663 m）电测时间10.43 d，共顺利下入9趟电测仪器。B2-1井12-1/4″井段井深4 128 m（裸眼段1 728 m）测井时间5.5 d，共顺利下入8趟电测仪器。T2-1井和B2-1井测井时间长，但并未增加通井次数。

3.3 防气窜固井技术应用效果

T2-1井7″尾管固井采用胶乳聚合物水泥浆体系和优化的固井工艺，固井质量总体评价优良，满足测试产能的要求。4 057.3 ～ 4 063.0 m测试段固井质量评价优，见图3。

图3 T2-1井测试段4 057.3 ～ 4 063.0 m固井质量优良

3.4 钻井提速配套技术应用效果

B4-1井、B2-1井等使用了钻井提速配套技术，使用效果显著。

3.4.1 上部井段快速钻进技术实施效果

B4-1井17-1/2″作业井段600 ～ 2 298 m，采用六刀翼、单排齿的PDC钻头，配合9-5/8"马达（0.39°弯角）复合钻进，与邻井机械钻速比较，如表1所示。该井在17-1/2″井段深、钻头进尺多的情况下，仍保持近80 m/h的机械钻速，比邻井浅层平均机械钻速提高14%以上。

3.4.2 深部井段提速扭冲工具实施效果

扭冲工具在东海探井钻井作业中使用情况良好，工作性能稳定，具有明显的提速效果。B2-1井8-1/2″井段使用扭冲工具后，相对邻井B4-2井提高机械钻速20%以上，见表2。

B2-1井3 847 ～ 4 128 m井段未使用扭冲钻具，平均卡滑指数为59.7 r/min；4 128 ～ 4 391 m井段使用扭冲工具后，平均卡滑指数为13.9 r/min，同比下降76.7%，见图 4。应用扭冲工具有效克服了PDC钻头卡滑现象，钻进扭矩平稳，减少钻头的无序振动，从而保护钻头，延长了钻头寿命。

表1 B4-1井与邻井同井段机械钻速比较

表2 B2-1井与邻井B4-2井使用效果比较

图4 随钻测井工具提供的卡滑指数

4 结论与认识

（1）考虑地层压力、地质目的和安全作业，优化的井身结构可满足深井地层的封隔要求。

（2）构建的低自由水钻井液体系能够有效保护低孔渗储层，提高井壁稳定性，减少钻井复杂情况。

（3）优选防气窜能力强的胶乳聚合物水泥浆体系，采用双凝浆柱结构，并替入重钻井液候凝，确保了高压低渗层的固井质量。

（4）优选扭冲工具，克服了钻头卡滑现象，延长钻头寿命，同时配合纳米涂层钻头、geoNEXT智能录井系统，实现深井钻井提速。

[1] 关德，罗勇，张海山. 西湖凹陷低孔低渗深探井井身结构优化研究与应用[J]. 中国海上油气，2013，25（2）：61-63.

[2] 张海山. 东海地区低孔低渗储层低自由水钻井液体系研究与应用[J].中国海上油气，2013，25（2）：71-73.

[3] 孙起昱，张雨生，李少海，等.钻头扭转冲击器在元坝10井的试验[J]. 石油钻探技术，2010，38（6）：84-87.

[4] 祝效华，汤历平，童华. 高频扭转冲击钻进的减振与提速机理研究[J]. 振动与冲击，2012，31（20）：75-78.

Study and Application of Drilling Technology to HPHT Deep Low Porosity and Permeability Reservoir in East China Sea

ZHANG Haishan
（Shanghai Branch of CNOOC Ltd., Shanghai 200030, China）

With rapid increasing in exploration workload and increasing in drilling depth, a series of major technical problems occurred when drilling deep, HPHT, low porosity and low permeability reservoirs. In view of these problems, the drilling technology and process are analyzed in this paper, including casing program optimization of complicated pressure system, establishing low free water drilling fluid system with excellent protection ability and borehole stability, cementing techniques for gas-channeling prevention in high pressure, low porosity and low permeability reservoirs, drilling technology for increasing ROP in different sections. The application results indicate that these techniques are very useful to solve the drilling problems, protect reservoirs. By using these techniques, the operating efficiency has been improved greatly, and the requirements for deliverability test can be reached.

deep well; HPHT; low porosity and low permeability; drilling

TE242

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.02.088

1008-2336（2014）02-0088-05

2013-08-26；改回日期：2013-11-26

张海山，男，教授级高级工程师，1994年毕业于石油大学（北京），油气钻井工程专业，获硕士学位，从事海上油气勘探开发的钻完井工程技术工作。E-mail：zhanghsh@cnooc.com.cn。