孔雀亭气田深井、超深井优快钻井技术实践

2019-11-16左宏刚何福耀严维锋和鹏飞

石油化工应用 2019年10期

左宏刚，何福耀，严维锋，徐彤，和鹏飞

（1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

孔雀亭区块属中海油与中石化联合开发海域。该区块于2010 年12 月～2012 年5 月先后钻探直井4口，定向井1 口，平均井深4 737 m。定向井平均日进尺71.91 m。2014 年5 月完成了ODP 方案编制，设计两座井口平台，共部署9 口开发井[1]。2015 年9 月开钻，目前已经完钻水平井4 口，定向井3 口，均采用五开井身结构：762 mm 隔水管打桩至泥面以下60 m、609.6 mm 套管下至600 m 封隔浅层漏失层、339.725 mm 套管下至2 200 m 封隔不整合面、244.475 mm 套管封固压力过渡带、212.725 mm 井眼钻至完钻层位。其中A 平台平均完钻井深6 094.95 m、B 平台平均完钻井深4 896.67 m，属深井、超深井范畴。施工前，项目组认真分析已钻探井资料，通过对泥浆体系、钻具组合、PDC 钻头、井下动力钻具、随钻工具等进行优选，已完钻的7 口井的平均日进尺为113 m，平均日进尺提高36 %，研究结果在现场取得了良好的应用效果，极大降低了钻井成本。

1 孔雀亭气田面临钻井技术难题

1.1 钻遇地层主要特点

孔雀亭气田完钻井深4 400 m～6 700 m，自上而下依次钻遇第四系全-更新统东海群，新近系上新统三潭组、中新统柳浪组、玉泉组、龙井组，古近系渐新统花港组、始新统平湖组地层。东海群至玉泉组以灰、灰绿色泥岩、泥质粉砂岩、浅灰色砂岩为主，偶夹煤层，地层疏松，可钻性较好。龙井组至花港组上段，灰色、深灰色、褐灰色泥岩，浅灰色砂岩，花港组顶部褐灰色泥岩水敏性较强，花港组上段局部含有2 mm～4 mm 的含砾砂岩。花港组下段至平湖组上段主要为细砂岩夹泥岩、灰色泥岩，含灰质砂岩及沥青质煤层，地层可钻性较差。始新统与渐新统、中新统与上新统之间有较明显的不整合，钻井揭示均为砂泥岩地层，含油气层系主要分布在渐新统花港组和始新统平湖组[2]。

1.2 浅层易发生井漏

已钻探井444.5 mm 井段采用海水膨润土浆体系钻进，在240 m～549 m 不同程度发生井下漏失，井口返出减少，全程钻进过程中，每当停泵后井口液面就逐渐下降至海面高度，后泵入堵漏稠浆循环，液面下降速度略有好转，但漏失问题没有从根本解决。钻进过程中产生的钻屑未及时带出井筒，以致于下339.725 mm 套管过程中发生遇阻情况。

1.3 中下部地层易垮塌

柳浪组、玉泉组、龙井组、花港组、平湖组多次发生起下钻遇卡、遇阻情况，以及电测过程中发生遇卡、遇阻。电测结果表明，各井均存在大段的井眼垮塌段，井眼扩大明显，大多数井钻遇煤层段最大井眼扩大率都达到30 %左右，某些井平湖组钻遇煤层段井眼扩大率超过90 %，有些甚至高达140 %。起下钻及电测过程中遇卡、遇阻井段井眼垮塌均较严重。

1.4 深部地层可钻性差

311.15 mm 下部井段钻遇地层为花港组下部和平湖组上部，地层的平均抗压强度在55.2 MPa～82.7 MPa，属于中硬地层，含有砂砾岩等硬夹层其抗压强度超过137.9 MPa 甚至接近172.4 MPa，其可钻性较差，具体表现：钻进过程中扭矩波动范围大，随钻仪器检测到钻头横向、纵向振动较大，易发生黏滑；扶正器托压明显，机械钻速较低，出井旋转导向扶正套外径磨损7 mm～30 mm 环形槽，导致井眼轨迹控制困难；井下振动造成随钻工具及旋转导向工具经常失去通讯，被迫起钻更换仪器。

1.5 目的层厚度变化大，储层钻遇率要求高

孔雀亭区块目的层厚度介于1.3 m～18.2 m、且实钻与预测厚度差异大，目的层埋深大、地震分辨率低，储层精细刻画困难，井眼轨迹控制难度大，地质侧钻风险高。

2 钻井技术优化

2.1 上部地层采用“电动机+PDC 钻头”、海水/海水聚合物体系提速技术

传统的444.5 mm 井段均采用牙轮钻头、“海水+搬土浆”开路钻进，这种常规的钻井技术有以下几点难以克服的局限：牙轮钻头碾压的破岩方式，机械钻速低；海水钻进至后期，井壁易水化失稳；一旦发生井漏，处理手段有限；井眼清洁不干净，导致起钻遇卡、下套管遇阻。

经过对之前几口井钻井施工数据进行分析和研究，针对作业过程中出现的难题，在泥浆体系、钻头、钻具组合方面有了针对性的提速技术：充分利用电动机转速高、PDC 钻头切削破岩能力强的特点，在井底创造大排量、高转速和低钻压的有利环境，有效提高了机械钻速，并利用电动机控制井眼轨迹；旋转钻进时，充分利用地层自然造斜规律、钻井参数控制井眼轨迹；采用海水开路钻进、扫稠搬土浆携砂的模式，后期转换海水聚合物体系闭路钻进，减缓井壁失稳，充分清洁井眼，快速钻进期间未出现漏失情况[3-5]。这种新的“开放式”钻井提速技术相比传统技术其ROP 大幅度提升（见表1）。

表1 提速技术与传统技术ROP 对比

2.2 泥浆体系优选

龙井组和花港组的岩屑理化性能结果显示，矿物含量以黏土矿物和石英为主，黏土矿物高达40 %，黏土矿物以伊蒙混层为主含有伊利石和高岭石，岩屑水化分散性较强，清水回收率10 %。各个层组的井径变化情况为井径扩大，说明钻进过程中主要发生了井壁剥落掉块。综合地层岩性、井径分析、结合现场复杂统计情况，认为泥岩和煤层的剥落掉块、泥岩分散造浆是造成前期钻井过程阻卡的主要原因。

针对前期钻井过程中出现的井壁失稳问题，考虑到孔雀亭气田主要采用大位移、大斜度井开发，钻井过程中摩阻、扭矩问题突出，结合该区块钻井液体系成功应用的实践经验，经过研究与分析，水平井311.15 mm井段采用油基泥浆钻井液体系、水平井212.725 mm 井段采用EZFLOW 钻井液体系、定向井311.15 mm 井段和212.725 mm 井段均采用油基钻井液体系，优选后的钻井液配方（见表2）。

油基钻井液具有良好的井壁稳定性和润滑性。油基钻井液滤液具有低的表面张力，可预防液锁和水敏伤害，对中孔、中渗地层具有更好的储层保护效果；形成薄而韧的泥饼，不仅有效地控制了失水量，维持井壁稳定，有利于降低摩阻、扭矩；通过流型调节剂合理控制流变性，保证有效携岩，适当冲刷井壁，最大程度保证井眼清洁，同时维持较低井底ECD，避免发生漏失，其作业费用和平均单井费用与水基作业相当，经济可行。

针对水平段储层钻进，选用EZFLOW 弱凝胶体系减少储层伤害。该体系能够有效阻止钻井液对储层的污染伤害；较高的低剪切速率黏度有利于悬浮钻屑，提高井眼净化能力；特殊结构形成的单向强封堵反向易膨胀滤饼，完井时仅需微小的生产压降就能清除，避免了常规完钻泥浆对储层的堵塞，具有很好的储保效果；下入下部完井管柱后无需破胶，不需要下入中心管，单口井可节约工期1 天，提高了诱喷作业时效[6，7]。

2.3 井下动力钻具优选

该区块定向探井311.15 mm 井眼上部井段采用电动机定向，滑动钻进时工具面不稳定，易黏、托压严重，滑动困难、效果较差。根据东海其他开发深井定向作业经验，当钻进至花港组以后，地层可钻性变差，井下摩阻、扭矩增大，工具振动加剧，PD X6 工具造斜能力有限，不能满足轨迹控制要求。

孔雀亭深井、超深井311.15 mm 井段、212.725 mm井段优选旋转导向工具Xceed，若311.15 mm 井段轨迹失控，则212.725 mm 井段备用高造斜率旋转导向工具PD Archer 以达到中靶的目的。Xceed 旋转导向工具造斜率为（0°～5°）/30m，具有以下优点：完全旋转，增加钻井效率，具有良好的井眼清洁效果；定向能力受井眼尺寸和地层影响小，软硬地层造斜稳定、定向容易；适合强研磨性地层钻进；井眼规整，有利于完井作业。PD Archer 相比Xceed 具有更高的造斜率[8，9]，可以达到（0°～15°）/30m（见图1）。

图1 旋转导向工具Xceed 与PD Archer

2.4 钻具组合优化

孔雀亭定向探井钻井过程中，基于节约成本的原则，钻具组合通常采用PDC+电动机+随钻工具或采用PDC+PD X6+随钻工具。这种常规的钻具组合有以下几点难以克服的困难：

（1）电动机定向过程中在造斜井段滑动钻进时易托压，工具面不稳定，机械钻速较低；

（2）井下摩阻、扭矩大，钻具屈曲导致ROP 下降、钻具易疲劳损坏；

（3）井下BHA 振动加剧，导致钻头提前磨损、随钻工具信号传输故障，被迫起钻更换钻头或随钻工具；

表2 优选后钻井液体系

表3 优化后各井段钻具组合

（4）电动机或Xceed 组合提速效果不明显，纯钻机械钻速低于旋转导向+vorteX 组合纯钻机械钻速。

针对定向探井钻进期间出现的技术难题，经过对已钻井资料与数据分析，优化了311.15 mm、212.725 mm两个井段的钻具组合（见表3）。

2.5 PDC 钻头优选

各井段均采用现场钻井资料选型法优选钻头，该方法简单实用，适合现场钻井技术人员采用。通过对该区块探井钻头使用指标进行统计，依据机械钻速、进尺、磨损评价、使用地层等条件进行综合评定，初选出机械钻速高、寿命长、耐磨损的PDC 钻头。

采用以上钻头选型方法对该区块分井段进行钻头优选（见表4）。

311.15 mm 井眼上部井段地层可钻性较好，第一趟钻优选19 mm 齿、5 刀翼、钢体钻头，大的切削齿、深、宽的排屑槽有利于快速稳斜钻进至花港组砾石层，以ROP 持续低于15 m/h 为起钻原则；第二趟钻选取强攻击性、短保径的16 mm 齿、6 刀翼、双排齿、胎体钻头，有利于配合旋转导向工具在强研磨性地层中控制井眼轨迹，定向井该只钻头可直接钻至花港组底部中完，对于水平井，根据钻头的实钻情况综合分析，判断钻头状态已经较差，则起钻[10]；水平井第三趟钻选取混合布齿（16 mm、13 mm 切削齿、圆锥形齿）的506 钻头，增强钻头的抗冲击性强，用于钻进花港组与平湖组过渡段的软硬交错砂泥岩夹层。

212.725 mm 井段井斜变化较小，但方位调整较大，要求钻头具备较强侧向切削能力以及稳定的工具面，地层研磨性中等，综合考虑，选取具有抗研磨性强的保径钻头616，有利于水平段及大斜度井段优快钻井。