杨武寨牙刷状油藏优快钻井技术

许利辉 胡书宝 蔡军 王秀影 张彬 吴泽舟 王金帅

1.中国石化集团国际石油工程有限公司 ；2.华北油田公司工程技术研究院；3.华北油田公司勘探事业部；4.渤海钻探工程有限公司工程技术研究院

杨武寨构造带中深层主力储层沙河街油藏是华北油田重点产能建设地区，油藏埋藏深度2 000～3 700 m，受多期断层控制，油层呈“牙刷状”分布特征。油藏单层含油厚度薄、油层多、层位跨度大、油藏沿断层断棱在高部位聚集，因此直井钻探储层钻遇率低，早期少数探井在断棱附近钻遇油层，多数井见不同程度油气显示，但未能成藏。油藏含油条带窄，宽度仅100～200 m，水平井钻井也不利于该类牙刷富集油藏的勘探和开发。为提高储层钻遇率，采用多靶点沿断层倾向大斜度定向井钻探［1］。前期钻井过程中出现了卡钻、机械速度慢、钻井周期长等问题，严重制约了该地区勘探开发进程，通过分析钻井技术难点，开展了牙刷状油藏钻井技术研究，形成了适合该地区的长位移大斜度井钻井配套技术。

1 储层地质特征

3次资评结果，杨武寨地区剩余资源量约1.1×108t，仍具有较大的资源潜力。油气沿断层在断块上倾端富集，在剖面上沿断层呈“牙刷”状分布，平面上沿断棱呈长条状分布（见图1）。

图1 杨武寨构造带油藏剖面图Fig.1 Section of oil reservoir in Yangwuzhai structural zone

油藏纵向上存在多套含油层系，Es1～Es3为主要目的层。其中Es2下段储层岩性为紫红色、灰色泥岩与浅灰色细砂岩不等厚互层，Es3为灰褐色泥岩、灰色泥岩与浅灰色细砂岩不等厚互层夹黑色碳质泥岩、煤层。Es2孔隙度平均14.6%，渗透率平均6.7 mD；Es3上孔隙度平均9.6%，渗透率平均5.1 mD，为低孔低渗透储层。

2 钻井技术难点

（1）大斜度定向井段长。杨武寨构造带定向井最大井斜介于50～60°，水平位移1 500～2 000 m，位移大造成摩阻扭矩大，普遍存在托压严重［2］、工具面难以控制、定向困难等问题。

（2）机械钻速慢。东营组以下地层为紫红色泥岩与浅灰色细砂岩呈不等厚互层，研磨性相对较强，地层可钻性级值4～6，单只钻头进尺少，机械钻速慢，已钻定向井平均井深3 634 m，平均机械钻速仅10.91 m/h，钻井周期27.25 d。

（3）对钻井液防塌性能要求高。地区钻井均为二开井，二开裸眼段长（3 500～4 000 m），钻井液浸泡时间长，第三系地层黏土含量高（平均16.9%，最高46.1%），易水化膨胀，缩径严重［3］，实钻过程中井下频发阻卡等复杂情况。

（4）储层易受伤害。油藏储层属低渗透砂岩储层，具有孔喉半径小、泥质含量高［4］等特点，钻井过程中极易受到伤害，应采取保护措施以减轻钻井液对储层的伤害。

3 优快钻井技术

结合地层特点，在满足工具造斜能力的条件下，从利于降低摩阻扭矩出发，优选轨道剖面；优选高效PDC钻头和水力振荡器提高机械钻速；优化钻井液性能，提高体系的抑制性，防磨减扭，强化胶结固壁能力，强化成膜效应，保护储层。

3.1 优选轨道剖面

由于油层主要受断层控制，在断层与上倾砂岩组成的墙角分布，形成油水界面各异的沿断棱呈窄条牙刷状分布的层状油藏，且含油层系多、层段跨度大，一般近1 000 m，为确保储层钻遇率，需要顺断层钻进［5］。通过模拟，在靶前距相同的情况下，双增剖面起钻摩阻较单增剖面大（见图2），因此，从控制摩阻扭矩和确保储层钻遇率等方面综合考虑，优选单增剖面，油层段稳斜钻进。

图2 双增剖面与单增剖面起钻摩阻对比Fig.2 Comparison of tripping out friction between double-build section and single-build section

3.2 优选提速工具

3.2.1 优选高效PDC钻头 杨武寨构造带钻遇地层自上而下依次为平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组。采用测井参数反演获得沙河街组岩石力学参数，地层为中软～中等硬度，抗剪切强度6～8 MPa，抗压强度60～190 MPa，内摩擦角32～44°，可钻性级值6±0.5，适合用五刀翼胎体、短圆形冠部、中密度布齿、短保径长度可进行井下马达定向钻进的钻头［6］，根据地层特点及以往的钻井数据，优选了TH1954D钻头。

3.2.2 选用水力振荡器 前期杨武寨牙刷状油藏定向钻进时均采用PDC钻头加弯螺杆的井底钻具组合，由于井斜角大、裸眼段长，钻柱与井壁间摩阻大，滑动钻进过程托压严重，托压值达到200～350 kN，且工具面不稳定，定向期间需要频繁活动钻具，严重影响机械钻速，前期平均滑动机械钻速仅0.8 m/h。

为解决定向钻进困难，提高钻井效率，通过对不同提速工具缓解托压性能对比，对部分 Ø215.9 mm井眼造斜井段使用水力振荡器，水力振荡器通过自身产生的纵向振动来提高钻井过程中钻压传递的有效性和减少底部钻具与井眼之间的摩阻，缓解滑动钻进中托压，提高机械钻速［7］。水力振荡器安放位置与工具本身的性能参数、井眼轨迹、钻具组合、钻井参数、钻井液性能等参数密切相关［8-9］，一般应使工具距钻头的距离尽量不大于工具产生的轴向激励振动在管柱中的传播距离的一半［10］。

3.3 钻井液性能优化

（1）提高体系的抑制性。针对第三系地层泥岩黏土矿物含量高、极易水化膨胀、造成井眼缩径等复杂情况，选择包被剂阴离子聚丙烯酰胺CFB抑制地层造浆［11］；加入抗高温降滤失剂合成脂LK-2、水解聚丙烯腈复合铵盐NH4-NPAN-2降滤失［12］，使钻井液体系具有强抑制性、低滤失量，同时将密度控制在1.15～1.26 kg/L，随着井深的增加逐渐提高。

（2）复合润滑。强化液体润滑剂与固体润滑剂的共同作用，分别为液体润滑剂乳化石蜡0.4%～1.0%、防卡润滑剂改性油0.4%～1.0%、乳化渣油2%～3%，以及固体润滑剂石墨类0.4%～1.0%、塑料小球0.1%～0.3%，保证滤饼摩擦因数小于0.08［13］，以达到防磨减扭的效果，确保钻井施工安全。

（3）完善滤饼改善剂。滤饼改善剂以改性油溶性树脂YDJ为主要材料，与封堵剂PD1、成膜剂YD1搭配使用，改善钻井液流型，降低滤失（见表1），同时能增强表面吸附，强化成膜效应［14］，强化钻井液胶结固壁能力［15］，确保井壁稳定（见表2）。

实验结果表明：添加滤饼改善剂后，钻井液API失水降低，循环后形成致密的滤饼；动态损害后，岩心渗透率返排恢复率为88.26%～95.48%，平均91.70%，说明钻井液具有较好的降低失水及稳定井壁作用，同时还可保护油层。

表1 添加滤饼改善剂YDJ前后钻井液流变性能对比Table 1 Comparison of rheological property of drilling fluid before and after the adding of mud cake improver

表2 添加泥饼改善剂YDJ后钻井液动态损害评价实验结果Table 2 Experimental result of dynamic damage evaluation on drilling fluid after the adding of mud cake improver

4 现场应用

2017—2018年一季度杨武寨构造带q162x西圈闭共钻探定向井4口，平均井深4 007.5 m，通过实施优快钻井技术，钻井过程中实现了无托压、定向连续、无卡钻等复杂事故，平均钻井周期由前期27 d缩短至17.94 d，机械钻速平均提高50.5%。

以q163x井为例，该井采用二开井身结构，设计井深4 348.8 m，最大井斜角50.49°，最大水平位移2 046 m，最大托压350 kN 。采用单增剖面设计，造斜率3（°）/30 m，造斜点为1 461.23 m，造斜终点为1966.13 m，稳斜至4 348.8 m（见表3）。

东营组—沙河街组选用廊坊鼎鑫TH1954DPDC钻头，应用水力振荡器安放位置计算程序［8］，水力振荡器安放在距钻头323.74 m处，钻具组合为：Ø215.9 mm TH1954D+Ø172 mm DN×1.25°+浮阀+Ø165 mm NDC+MWD+Ø165 mm NDC+转换接头+Ø127 mm WDP+Ø127 mm DP+Ø172 mm 水力振荡器+ Ø127 mm DP，应用井段3 044～4 348.8 m。应用水力振荡器之前，2 940～3 040 m滑动钻进托压值为 250～350 kN，钻具托压频繁释放，导致工具面不稳定，由大钩载荷变化（图3）可以看出，3 031～3 035 m段定向中，活动钻具高达16次；应用水力振荡器之后，未出现托压及工具面不稳定现象，由大钩载荷变化（图4）可以看出，3 440～3 444 m段定向4 m，仅活动钻具2次，实现了连续定向。

表3 q163x定向井剖面设计表Table 3 Section design parameters of directional well q163x

图3 使用水力振荡器之前定向段钩载变化（3 031～3 035 m井段）Fig.3 Change of hook load in the directional hole section before the application of hydro-oscillator(3 031-3 035 m)

图4 使用水力振荡器之后定向段钩载变化（3 440～3 444 m井段）Fig.4 Change of hook load in the directional hole section after the application of hydro-oscillator (3 440-3 444 m)

通过组合使用高效PDC钻头+水力振荡器提速，滑动钻进机械钻速由未使用水力振荡器前的1.2 m/h提高到 1.68 m/h，造斜段平均机械钻速较邻井提高32.5%，定向效率提高2.43倍。

二开钻进时配伍使用水解聚丙烯腈复合铵盐NH4-NPAN-2与包被剂阴离子聚丙烯酰胺CFB，根据地层不同，配制不同配比的溶液进行维护：上部地层质量分数1%～5%铵盐溶液与CFB配比为（1～3）∶1，中深地层质量分数1%～5%铵盐溶液与CFB配比为（3～5）∶1，深井段地层质量分数1%～5%铵盐溶液与CFB配比（5～8）∶1。加入滤饼改善剂、降滤失剂、液体润滑剂乳化石蜡、固体润滑剂石墨类，改善滤饼质量，降低失水，防磨减扭，稳定井壁。

通过综合应用以上技术，q163x实钻井深4 360 m，钻井周期仅19.07 d，整个钻井过程顺利，未出现卡钻等复杂情况，而且表皮因数测试结果为-2.89，表明储层保护效果较好。

5 结论与建议

（1）通过优选轨道剖面、优选高效PDC钻头、使用水力振荡器，形成了轨道优化与提速工具相结合的中深层大位移井集成提速技术，解决了杨武寨“牙刷状”油藏机械钻速低的难题。

（2）通过提高钻井液体系的抑制性、应用复合润滑技术、完善滤饼改善剂，有效实现了第三系长裸眼地层的安全钻井，避免了低渗储层伤害。

（3）低渗透“牙刷状”油藏优快钻井技术研究成果，对于加快杨武寨构造带以及类似油气田的勘探开发具有重要的指导意义。