沙湾凹陷周缘深井钻井技术应用

2021-09-17刘占魁李加林阿思哈提托鲁

西部探矿工程 2021年7期

刘占魁，高云，赵云，李加林，阿思哈提·托鲁

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依834009）

沙湾凹陷属准噶尔盆地中央坳陷的二级构造单元，西面紧邻红车断裂带，南面为北天山山前冲断带的霍玛吐背斜带，北面与中拐凸起相邻。邻区中拐凸起及红车断裂带勘探屡获进展，而沙湾凹陷西斜坡区二叠系深层勘探程度却较低。沙湾凹陷西斜坡发育地层有新近系、古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系等，随着勘探思路及方向的调整，沙湾凹陷近年来深层勘探也取得了诸多重大突破，如CP-24井获日产原油150m3。该区深井钻井数量不断增加(井深4900～5900m)，在对地层认识不断深入的基础上，钻井速度不断加快，保障了油田勘探部署。

1 地层孔隙压力纵向变化趋势与井身结构

沙湾凹陷西斜坡区地层孔隙压力横向上随地理位置有所差别，纵向上总体表现出侏罗系以上地层压力为正常压力，地层压力系数1.05～1.10。进入三叠系地层压力逐步抬升、三叠系百口泉组至二叠系上乌尔禾组存在异常高压，地层压力系数1.35～1.78。二叠系夏子街组至佳木禾组地层压力有所回落，地层压力系数1.35～1.65。

主要设计三开井身结构。具体差别在于中完技术套管下深与封隔层位不同。表层采用∅444.5mm钻头钻至吐谷鲁群500m左右进入稳定泥岩地层，下入∅339.7mm表层套管，固井水泥浆返至地面，封隔地表松散易塌地层和地表水源层，为井口控制和后续安全钻井创造条件。二开采用∅311.2mm钻头钻穿白碱滩组顶部砂岩进入稳定泥岩地层后或者钻穿克上组煤层后中完，下入∅244.5mm技术套管，固井水泥浆返至上部需封隔的低压及不稳定地层，为下部地层安全钻井创造有利条件。中完技术套管下深及封隔层位依据井口所处位置略不同。三开采用∅215.9mm钻头钻至完钻井深，下入∅139.7mm油层套管，或者在上层套管内悬挂∅139.7mm油层尾管，固井水泥浆返至悬挂器位置，完井回接∅177.8mm套管至井口，固井水泥浆返至地面。

2 各开次主要技术应用

2.1 钻井液技术应用

二开井段使用钾钙基聚合物钻井液体系：4%坂土+0.2% Na2CO3+0.5% KOH(NaOH)+0.8% PMHA-2(JB66、∅A367、IND10)/0.4% AHB+0.8% SP-8(JT888、HJ-3、Redu1)/0.4%AP220+2%HY-2+0.5%复配铵盐+7% KCl+2%有机硅抑制剂+0.2%～0.5%CaO+4%阳离子乳化沥青(R∅-9、白沥青、天然沥青)+0.10%～0.15% KSZJ-1+0.1%～0.2%乳化剂(SP-80、ABSN)+0.5%低荧光润滑剂+0.5%固体润滑剂+2%～3%随钻堵漏剂+2%超细碳酸钙+1%WC-1+重晶石。以JB66、PMHA-2(∅A367及IND10)/AHB、KCl、有机硅抑制剂加强包被抑制；以SP-8(JT888、HJ-3、Redu1)/AP220、复配铵盐降低滤失量；以HY-2调整流变性；以QCX-1、阳离子乳化沥青(R∅-9、白沥青、天然沥青)改善滤饼质量，强化封堵；以低荧光润滑剂及固体润滑剂提升润滑性；以随钻堵漏剂提高防漏能力。通过K+、Ca2+复配使用强化对井壁和钻屑的抑制作用。随井温升高，三开井段采用钾钙基聚磺钻井完井液体系：4%坂土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH(NaOH)+0.8%JT888(SP-8、Redu1、HJ-3)/0.4% AP220+0.8%PMHA-2(∅A367、IND10、JB66)/0.4%AHB+0.5%复配铵盐+2%SPNH+2%SMP-2(粉)(RST∅)+7%KCl+2%有机硅抑制剂+5%～6%天然沥青粉(R∅-9、白沥青)+0.1%～0.2%乳化剂(SP-80、ABSN)+0.2%～0.5%CaO+0.5%低荧光润滑剂+0.5%固体润滑剂+2%超细碳酸钙+1%WC-1+2%～3%随钻堵漏剂+重晶石。钻进中K+浓度控制在大于25000mg/L，Ca2+浓度控制在300～600mg/L之间，采取逐步增多的方式补充CaO。

2.2 钻井技术应用

钻具组合方面，三叠系以上地层可钻性好，适合井下动力钻具复合钻进，二开井段钻具组合为：∅311.2mm钻头+∅228.6mm螺杆+止回阀+∅228.6mm钻铤1根+∅311mm扶正器+∅228.6mm钻铤2根+∅203.2mm钻铤6根+∅177.8mm钻铤9根+∅177.8mm随钻震击器+∅177.8mm钻铤3根+∅139.7mm钻杆。依据钻头选型及钻进参数使用情况，具体应用时现场可简化钻铤数量，采用高转速低钻压方式钻进提高机械钻速。三开井段使用单钟摆钻具组合：∅215.9mm钻头+止回阀+∅158.8mm钻铤2根+∅214mm扶正器+∅158.8mm钻铤25根+∅158.8mm随钻震击器+∅158.8mm钻铤3根+∅127mm钻杆。受深部风城组及佳木禾组井段地层可钻性差影响，具体应用时现场可强化钻铤数量，满足强化钻压或配合使用相关提速工具的需要。

钻头选型方面，实钻结果表明二开井段采用1～3只强攻击性PDC钻头钻穿吐谷鲁群、侏罗系砂泥岩地层。见表1。三叠系、二叠系含砂砾岩较多，受埋深变深岩性逐渐致密、可钻性变差影响，配套使用提速工具后部分井取得了较高的机械钻速。见表2。钻进过程中ST-2井、CP-24井主要使用扭力冲击器+PDC钻头钻进，ST-001井使用螺杆井下动力钻具复合钻进技术，ST-002井采用常规方式钻进、强化了PDC钻头钻进参数，钻压达到130～150kN。

表1 ∅311.2mm典型PDC钻头技术指标

表2 ∅215.9mm典型PDC钻头技术指标

整体上，除二叠系风城组、佳木禾组机械钻速较低外，该区可钻性好井段进尺占比较多，平均机械钻速较高，钻井速度较快。部分井技术指标见表3。

表3 部分井技术指标

3 尚待攻关的问题及对策

三开井段岩性差异性较大，除上述分析的机械钻速低的因素之外，影响该井段钻井速度的主要因素有单只钻头进尺少、起下钻次数多，降低了整体钻井速度。见表4。

表4 三开井段换钻头及取芯起下钻次数

3.1 提高褐色泥岩地层机械钻速

百口泉组及上乌尔禾组往往发育褐色泥岩，软件计算表明该地层可钻性较好。但是，受塑性系数较高的影响，钻头选型困难。PDC钻头表现出钻进没有正常波动的扭矩、扭矩基值低，对参数调整不敏感，钻时极慢、每米钻时可高达300min以上。随所钻井地理位置不同褐色泥岩井段的厚度也不一样。ST-2井在百口泉组底界钻遇该套地层11m，每米钻时50～120min，使用扭力冲击器配型号U516S的PDC钻头强行钻进穿过。ST-002井距离ST-2井1.57km，在百口泉底部钻遇相同地层，国产516型号平面齿PDC钻头钻时高达220min以上，考虑到钻穿该套地层后兼顾钻上乌尔禾组的需要更换型号为U516S的PDC钻头并带扭力冲击器钻进、钻头与ST-2井相同，钻时慢、高达300min。换HJ517GK牙轮钻头钻进机械钻速2m/h左右。ST-002井累计钻遇此套地层厚度45m，仅此单层造成多起下两趟钻换钻头。CP-24井在上乌尔禾组钻遇相似的褐色泥岩，使用型号为U419S的PDC钻头带扭力冲击器钻进2m、机械钻速仅为0.29m/h，更换HJ517系列牙轮钻头，两只牙轮钻头钻进331m，平均机械钻速1.85m/h。钻穿此地层后使用型号为U519S的PDC钻头并带扭力冲击器钻进，机械钻速却可达到4.3m/h。这种塑性系数较高的褐色泥岩对钻头选型、技术配套使用以及现场操作影响较大，严重影响施工进度。

针对提高塑性系数高地层的钻井速度，国内相关文献介绍了一些技术应用情况，如使用尖齿增强PDC钻头的攻击性解决PDC复合片吃入地层困难的问题，或配套使用螺杆钻具提高单位时间内破碎地层的频率等。但是，受众多因素影响，这些技术在不同区域的普遍适用性较差，尚欠缺深入的机理分析。针对此难题，国外学者在理论上进行了解释，改进并进行了现场实践应用[1]。用于这种异常情况的一种理论假设是存在积屑瘤(BUE)层。当地层被切削时，少量的岩屑没有随排出的岩屑一起被清除，而是粘附在切削齿刃上形成积屑瘤。积屑瘤的存在可使切削齿表现出钝化、它使作用力分布到粘附物质的整个面积上，岩屑从切削齿表面移开十分困难，从而使切削齿不受高钻头载荷的影响。从微观角度解释，积屑瘤现象即为切削齿泥包。依据此理论假设，针对此问题提出了采用抛光技术降低PDC复合片摩擦系数的建议，在现场实验取得了明显效果。分析ST-002井钻遇该套地层前后使用516系列两种型号PDC钻头，前者为平面齿、后者为异形齿，异形齿切削面较平面齿排屑难度更大，从而造成两种型号钻头钻时的差异。目前，在国内尚未发现高抛光PDC齿技术应用的更多介绍。

3.2 提高风城组钻进速度

针对高抗压强度、砂砾岩发育的风城组地层，配套使用产生纵向冲击的旋转冲击提速工具，提高钻井速度。ST-2井使用多维提速工具配合PDC钻头，钻进机械钻速1.7m/h，在一定程度上解决了难题。

3.3 钻头选型技术建议

基于上述分析，作者认为在该区钻井，优化钻头选型技术思路：第一趟钻使用螺杆钻具配合型号为519系列的PDC钻头钻进，或使用PDC钻头采用常规方式钻进，钻至红褐色泥岩慢钻时地层起钻。第二趟钻简化钻头选型、使用HJ517GK牙轮钻头钻穿红褐色塑性泥岩井段，起过渡作用。第三趟钻使用螺杆钻具配复合钻头解决上乌尔禾组、夏子街组、风城组砂砾岩及致密泥岩岩性变化产生的钻头选型难题，提高行程钻速。DT-1井使用螺杆钻具配复合钻头平均机械钻速可达4m/h，成功解决砂砾岩及泥岩互层井段机械钻速低的难题。若钻穿红褐色泥岩后进入佳木河组地层，则直接使用扭力冲击器配合型号为U516S的PDC钻头钻进，提高机械钻速。