廊固凹陷安探地区复杂深井钻井关键技术*

2021-12-13陈新勇付潇李亮亮王颖瑞李毅吴红玲张明

石油机械 2021年12期

陈新勇付潇李亮亮王颖瑞李毅吴红玲张明

(1.中石油渤海钻探工程技术研究院 2.华北油田公司合作开发项目部 3.华北油田公司采油一厂)

0 引言

廊固凹陷安探地区位于河西务构造带上，随着对地质构造认识和勘探技术的不断提升，该区块潜山油气藏的勘探开发取得了突破，石油地质储量为602.75万t、天然气地质储量为242.27亿m3。该区块油气藏埋藏深度5 800～6 500 m，其古近系下部以下地层可钻性较差，井底温度最高达到215 ℃，同时存在多套易垮、易漏等复杂地层，造成钻井机械钻速低、周期长，2010—2014年完钻的W4井等2口井平均机械钻速3.54 m/h、平均钻井周期长达226 d，严重制约了勘探开发的步伐[1]。为此，笔者从井身结构、个性化钻头设计、提速工具优选、钻井液优化及防漏堵漏技术等方面进行了研究，形成了廊固凹陷安探地区钻井提速提效关键技术，大幅度提高了钻井效率，缩短了钻完井周期，为实现廊固凹陷安探地区潜山油气藏的高效开发提供了技术支持。

1 钻井技术难点

1.1 深部地层可钻性极差

古近系沙河街组沙四段-孔店组存在厚套砾石层，石炭-二叠系发育玄武岩、含砾砂岩层，单只钻头行程进尺只有65 m，机械钻速1.51 m/h；潜山内寒武-奥陶系地层岩性以灰岩和白云岩为主，硬度高，研磨性强，单只钻头行程进尺只有82 m，机械钻速1.78 m/h，严重影响钻井效率。

1.2 区域性易漏易垮问题突出

古近系沙河街组发育膏岩、膏泥岩等易水敏的地层，石炭-二叠系地层存在的煤层易垮易漏，已钻井在该地层位置发生了6次井漏，因阻卡造成划眼15次，所以对钻井液防垮、防漏和护壁性有较高的要求。

1.3 井下温度较高

潜山顶部地层温度超过160 ℃，井底温度最高达到215 ℃，对井下钻井工具和钻井液等的抗温性提出了较高要求。

2 提速提效关键技术

为了加快华北油田廊固凹陷安探地区的勘探开发进度，开展了提速提效关键技术研究，主要从井身结构、个性化钻头设计、提速工具优选、钻井液优化及防漏堵漏技术等方面进行了研究，形成系列提速提效关键技术。

2.1 井身结构优化

根据安探地区地层特点、三压力分布及易漏层位等，优化井身结构：①一开ø444.5 mm井眼，下入ø339.7 mm套管封固平原组松软地层，为下部安全钻进创造条件；②二开ø311.2 mm 井眼，ø244.5 mm套管坐进沙河街组中部，封固易漏垮塌地层段；③三开ø215.9 mm井眼，ø177.8 mm套管坐入奥陶系顶部，封固奥陶系以上地层；④四开ø152.4 mm钻头潜山目的层专打，悬挂下入ø127.0 mm套管。

2.2 个性化钻头设计

井段深度为3 000～4 200 m，位于沙河街组沙二-沙四段中上部，地层岩性为灰色泥岩和碳质泥岩，属细砾岩，可钻性差。结合地层特点设计5刀翼钻头，优选16 mm复合片，双排齿延长寿命；聚晶金刚石保径加强耐磨性，设计强攻击性轮廓线，双圆弧设计增加钻头攻击性；优化水力设计，提高钻头排屑效率。

井段深度为4 200～5 000 m，沙河街组沙四下部-孔店组发育砾岩层，石炭-二叠系发育黑色玄武岩、含砾砂岩、深灰色泥岩，岩石内聚力10～17 MPa，内摩擦角30°～39°，抗压强度80～120 MPa，可钻性极差。结合地层特点设计6刀翼钻头，优选16 mm高抗研磨复合片，肩部至鼻部加装后排齿，适当调大切削齿后角，提高切削齿抗冲击能力；加长保径长度，优化水力设计，提高钻头排屑效率；采用盔甲硬面材料和等离子喷焊技术，提高40% WC密度使复合片更耐冲蚀。

井深5 000 m以上，奥陶-寒武系岩性以灰岩和白云岩为主，内聚力10～15 MPa，内摩擦角35°～37°，抗压强度70～110 MPa，地层可钻性较差。结合地层特点设计6刀翼钻头，优选16 mm高抗冲击性复合片，适当增大切削齿后角，提高抗冲击性；加装防碰节，提高钻头防崩效果；采用特深水道和宽角度保径设计，既确保了排屑槽面积，又提高了钻头的稳定性[2]。

2.3 钻井参数优化技术

大排量高转速主要用来提高井眼清洁能力，大钻压主要用来提高机械钻速[3-5]。利用软件对钻井排量、钻压及转速等参数进行模拟优化分析。

为提高ø311.2 mm 井眼机械钻速和携砂能力，以尽可能提高钻头压降和比水功率为原则，计算得到最优排量为50～70 L/s，钻头比水功率为0.24～0.53 kW/cm2，钻头压降为6.2～8.8 MPa。结合模拟分析，得到最优钻压为100～200 kN，最优转速为85～110 r/min，如图1所示。为提高ø215.9 mm井眼机械钻速和携砂能力，以尽可能提高钻头压降和比水功率为原则，计算得到最优排量为36～42 L/s，钻头比水功率为0.34～0.50 kW/cm2，钻头压降为5.8～9.0 MPa。结合模拟分析，得到最优钻压为80～150 kN，最优转速为80～135 r/min，如图2所示。

图1 二开钻具临界钻速分析

图2 三开钻具临界钻速分析

2.4 高效提速工具技术

2.4.1 旋冲螺杆提速技术

沙河街组沙二段-沙四段中上部，岩性为泥岩和砂岩，压实程度极高，地层可钻性差。考虑在该井段需要滑动定向，优选既能定向又可轴向冲击提速的旋冲螺杆钻具。该工具主要结构部件有动力总成、弯壳体总成、传动轴总成及振动冲击总成，结构如图3所示。

1—动力总成；2—弯壳体总成；3—传动轴总成；4—振动冲击总成。

旋冲螺杆在螺杆的下部增加了振动冲击结构，当钻井液进入工具时带动马达转动，并通过传动轴实现传递，同时流体带动振动冲击总成内部的冲击锤往复运动，增加钻头破岩效率，提高机械钻速[6-7]。该工具集合了冲击钻井和螺杆钻井的优势，能够适用于直井、定向井以及水平井钻井，可以有效解决硬地层提速及定向钻进托压等问题。

2.4.2 扭力冲击提速技术

沙河街组沙四段下部含大套砾岩层，石炭-二叠系地层含大套玄武岩层，研磨性强，邻井所使用PDC钻头磨损极其严重。经过综合评估，在该层位优选扭力冲击提速工具。扭力冲击器属于一种高频振动冲击钻井工具，核心部件有动力锤、启动器及涡轮系统，结构如图4所示。钻井液流过其内部结构时，可以将流体能量转换成高频、周期性的周向往复机械冲击力，消除PDC钻头在深井、超深井难钻地层黏滑问题，延长钻头的使用寿命[8-9]。

1—中间轴；2—动力锤；3—启动器；4—涡轮系统；5—过滤系统；6—上轴承；7—下轴承。

2.4.3 多维冲击提速技术

安探地区潜山内寒武-奥陶系地层的岩性以灰岩和白云岩为主，可钻性差，埋深超过5 000 m，井底温度最高达到215 ℃。在该井段优选可耐高温220 ℃、耐高压140 MPa的多维复合冲击器，该工具核心部件有换向机构、悬挂机构及摆锤等，结构如图5所示。

1—壳体组件；2—连接短节；3—换向机构；4—轴向冲锤；5—摆锤；6—冲击筒；7—喷嘴；8—悬挂机构；9—钻头座。

其核心部件换向机构上有4个通道，当钻井液流过时，会改变各个通道与对应腔体的开启和关闭状态，改变高低压流体流动方向，从而形成轴向和周向冲击。多维复合冲击器能够解决硬-极硬地层的提速和减振难题，轴向和周向两向冲击优化了单齿受载，可强化钻具钻压和扭矩的传递，与传统单向冲击钻井技术相比，既能减小黏滑振动，又能提高破岩效率，是一种高效减振提速新技术[10-11]。

2.5 钻井液技术

针对沙河街组中下部-二叠系的膏岩和膏泥岩，以及易垮易漏煤层和玄武岩地层，通过复合盐钻井液技术，保持钻井液的抑制性，控制滤失量，保持良好的润滑性，改善泥饼质量。进入沙河街组膏岩和膏泥岩地层之前，加入3%～5%KCl+5%～8%Weigh2增强对地层的抑制性和抗污染能力；进入沙四段-孔店组易垮塌水敏性地层前，加入纳米防塌剂和乳化沥青增强钻井液封堵护壁性能，且防塌处理剂累计加量不低于6%。在钻遇煤层和玄武岩地层时，保证钻井液中封堵剂加量不低于3%，避免玄武岩垮塌造成的井下复杂情况出现。

针对潜山地层超高温的特点，引入还原性基团及表面活性剂，与聚合物的相互作用提升处理剂的抗温能力，解决了处理剂高温降解的问题，有效地保护了各种处理剂能够在高温下稳定发挥作用，提升了体系的抗高温性能，并针对性研究形成了钻井液体系配方：3.0%～4.0%土浆+0.2%NaOH+2.0% 石油树脂类降滤失剂+2.0% 高温保护剂+2.0% 增黏降滤失剂BHHFL+2.0% 纳米润滑防塌剂BH-RDJ[12-13]。在90、120、150、180、200、230及240 ℃条件下通过高温高压流变仪对体系配方进行了评价(见图6)。试验结果表明，该体系在240 ℃高温下仍具有足够的切力及良好的流变性能，能够满足施工要求。

图6 不同温度下的钻井液性能

2.6 防漏、堵漏技术

沙四-孔店组、石炭-二叠系井段易漏层位，随钻提前加入3%BZ-ACT +4%超细碳酸钙，可在井壁上形成致密的封堵层，对于孔隙型漏失或微裂缝均有较好的预防作用，同时使用强抑制性的复合盐钻井液体系。在能够有效抑制井壁垮塌，确保井壁稳定前提下，钻井液密度尽量控制在1.46 g/cm3以内；在满足携岩前提下，尽可能控制黏度在65 s以内，同时避免激动压力过大诱发井漏，降低井漏风险。一旦漏失，则应立刻停钻，采用“一袋化”系列堵漏剂进行堵漏[3]，使用方法如表1所示。

表1 “一袋化”系列堵漏剂使用方法

潜山内寒武-奥陶系岩性以灰岩和白云岩为主，溶蚀空隙-微裂隙发育，地层压力低，漏失风险大。揭开潜山地层前，钻井液中随钻加入超低渗封堵剂DLS-06、单项压力封堵剂DCL-1和超细碳酸钙QS-2。每次下钻到底要缓慢开泵，防止压力激动憋漏地层。若钻遇漏失，使用酸溶型堵漏剂BZ-SRCⅠ和BZ-SRCⅡ配制堵漏钻井液，进行静止堵漏，累计加量20%～30%。如钻遇大裂缝甚至溶洞，发生失返型恶性漏失时，可使用BZ-CFS静凝胶进行堵漏。

3 现场应用

2017—2020年，钻井提速提效关键技术在华北油田安探地区6口井中进行了现场应用。6口井三开全面推广应用防塌复合盐钻井液技术和防漏堵漏技术，6口井四开全面推广应用高温钻井液体系和防漏堵漏技术，分别应用旋冲螺杆3井次，扭力冲击器3井次，多维冲击器3井次。完钻6口井平均机械钻速5.86 m/h，同比提高66%；平均钻井周期155 d，同比缩短45.8%。以T4X井为例详细介绍如下。

T4X井是华北油田安探地区所完钻的井中深度最深、井底温度最高及潜山内钻进最长井，井身结构如图7所示。

图7 T4X井井身结构图

T4X井完钻井深为6 455 m，井底温度215 ℃。该井应用了华北油田安探地区潜山油气藏钻井提速提效关键技术，平均机械钻速为4.87 m/h，钻井周期151 d，取得的具体成果如下。

(1)二开ø311.2 mm井眼，优化钻井排量至55 L/s，钻压135 kN，转速90 r/min，整个开次钻进过程中安全高效，整个开次平均机械钻速15.6 m/h，同比邻井提高24.3%。

(2)三开ø215.9 mm井眼，沙三段及以下地层采用复合盐钻井液技术，保持钻井液的抑制性，控制滤失量，保持良好的润滑性，改善泥饼质量，同时加强使用固控设备，降低固相含量，加入SN树脂改善泥饼质量，降低井壁摩擦阻力。进入沙河街沙四段前随钻加入2%～3%BZ-ACT +2%超细碳酸钙，在井壁上提前形成致密的封堵层，对于孔隙型漏失或微裂缝均有较好的预防作用。沙四-孔店组和石炭-二叠系特殊岩性段漏斗黏度控制在65 s以内，同时避免激动压力过大诱发井漏，降低井漏风险，从而安全平稳地钻穿该层位。在3 025～3 180 m井段应用了旋冲螺杆，机械钻速9.1 m/h，同比机械钻速提高49.6%，创该井段区块机械钻速最快记录；沙四-孔店组岩性以砂岩和泥岩为主，夹含80 m砾岩层，采用扭力冲击器提速，平均机械钻速3.45 m/h，机械钻速同比提高58%，创该井段区块机械钻速最快记录。

(3)四开ø152.4 mm井眼，地层为寒武-奥陶系，岩性为白云岩和灰岩，使用了研究形成的抗高温钻井液体系配方。为提高钻井液的携岩能力，调节抗高温钻井液材料加量控制动切力为12 Pa左右，塑性黏度22 mPa·s左右。在井段6 307～6 455 m应用了多维冲击器，井下温度204 ℃，单趟钻进尺148 m，机械钻速3.24 m/h，单趟钻进尺同比提高82%，机械钻速同比提高82%。