油田垂直钻井技术受限因素评价

连世鑫 杨军义 马 英 王颖慧

中石化西北油田分公司石油工程监督中心 新疆巴州 841600

某油田（以下称XX 油田）自2014 年投入勘探开发以来，中下部地层由于受砂泥岩不等厚互层、地层倾角等因素影响，井斜控制难度相对较大，尤其是O3s 采用单弯螺杆+PDC 钻进普遍井斜出现超设计现象，吊打、定向纠斜效果不佳。2020 年先后在Y1（顺北53- 1H）井、X3（顺北41X）井试验斯伦贝谢Power- V 垂直钻井技术：Y1 井在S1t 层位使用PDC+1.25°单弯螺杆钻进过程中，井斜出现抬头趋势，使用PDC+ 扭冲+Power- V+ 扶正器组合，钻进过程中频繁憋停，后通过短起修整井壁、稠浆段塞携带掉块未得改善结束试验，共计进尺33.5m，机械钻速1.86m/ h；X3 井使用PDC+1.25°单弯螺杆进入桑塔木组井斜开始上涨，起钻更换PDC+Power- V+ 欠尺寸扶正器钻具组合，共计施工2 趟钻，完成进尺1249m，机械钻速达到5.47m/ h，实现了防斜打快，自此拉开了XX 油田O3s 组垂直钻井防斜打快技术推广应用的序幕，目前在该油田多个条带已经成为成熟钻井工艺，但在个别条带、成熟条带个别井中应用过程中依然存在受限因素，导致无法提速、甚至降速。

XX 油田桑塔木垂直钻井技术主要采用两种井身结构，若预测桑塔木组未发育辉绿岩侵入体，则三开采用石炭- 桑塔木组长裸眼结构，若预测桑塔木发育辉绿岩，则三开采用专打专封结构，结构图见图1。

图1 专打专封结构

1 地层稳定性对垂直钻井技术的影响

针对第一种井身结构，钻遇地层从上到下跨越石炭系至奥陶系上统桑塔木组，该段地层受家里东、海西运动在志留系、桑塔木组发育不同程度的雁列正断层[1]，目前结合邻井资料、地震资料等，井口已避开主干断裂带，但受构造影响，该段地层发育不同程度的微裂缝，国内张健根据摩尔库伦准则及试验推出了超深裂缝坍塌压力指数表达式[2]。

钻进过程中由于正压差作用，导致钻井液进入微裂缝导致不同程度漏失，同时滤液在尖劈效应近井周微裂缝中传导，同时前期地层认识不足，钻井液KCl 加量不足，钻井液抑制性能无法与地层配伍，两者共同作用破坏地层应力平衡，坍塌压力指数大于0，导致不同程度掉块垮塌。部分井随着钻进井眼继续延伸下部柯坪塔格组，钻遇出水，压力窗口变窄，钻井液失水难以保证或高压盐水倒灌上部裂缝发育层，加剧尖劈效应、钻井液抑制性破坏加重垮塌，导致垂直钻井工艺中途频繁憋停、下钻遇阻大段划眼，垂直钻井由于其较强的刚性，扭矩波动量变大，出现憋停，打钻连续性降低。

XX53- 1 井在6155- 6188.5 井段使用PDC+ 扭冲+Power- V+ 扶正器钻具组合，钻进过程中频繁憋停，6162m 之后返出岩屑见棱角状掉块。进尺33.5m 后无法正常钻进起钻，更换单弯螺杆+PDC 恢复正常钻进。分析测井井径数据，该段井径平均扩大率18.7%，xx53- 1 井井径数据变化见图2。

图2 XX53- 1 井井径数据变化

XX- 43X 井钻至桑塔木组6538m 井斜↑5.95°起钻，起钻过程在志留系遇阻大段倒划，偶现憋停，更换垂钻后下钻至井深4498m 遇阻划眼，划眼至4625m，划眼扭矩波动大、频繁憋停顶驱，后倒划起钻更换钻具组合，本井垂直钻井未行程进尺。分析测井井径数据，划眼井段井径扩大率20.94%，且存在多段大肚子井段。XX- 43X 井井径数据变化见图3。

图3 XX- 43X井井径数据变化

通过分析上述两个案例，钻进期间返出掉块通过录井分析无填充矿物，井眼成形后，钻进过程中正压差作用、起下钻抽吸和激动压力等综合影响导致志留系裂缝段应力平衡改变，地层不断垮塌，形成大肚子井眼，导致强刚性垂直钻井工具无法正常应用。

2 特殊岩性及其厚度对垂钻技术的影响

辉绿岩主要有基性斜长石和辉石组成[3]，元素录井数据显示XX 油田辉绿岩二氧化硅含量一般在50%～55%，现场实钻掉块分析辉绿岩硬度极高，测试其强度范围为500～1900MPa[4]，基于此辉绿岩研磨性强，研磨性指数Af可以用如下公式求取[4]，研磨性指数与硅质含量VSd 成正相关。

此外辉绿岩由于其成岩环境，导致其微裂缝十分发育，导致其整体结构强度低于其基岩强度，形成了其独特的非均质性结构，微裂缝发育对辉绿岩坍塌的作用机理可用弱面理论准则进行表述[6]。当钻孔形成后，由于井周应力平衡破坏和钻井液滤液侵入双重作用，形成水滑剥落，导致垂直钻进过程中钻头前期或中期磨损严重、垂直钻井工具推靠翼磨损或脱落。

2.1 辉绿岩对钻头寿命的影响

辉绿岩对钻头寿命的影响如表1 所示。通过对比6 口井施工情况，前3 口井钻遇高纯度厚层辉绿岩，垂直钻井工艺PDC 钻遇辉绿岩厚钻时明显升高，起出钻头寿命中期磨损、崩齿严重，限制了垂直钻井技术提速受限。前两口井钻井穿辉绿岩期间由于密度高、转速低，垂直钻进工艺钻进期间扭矩相对平稳，钻头磨损主要以磨损为主；第3 口井钻进期间钻井液密度低无法平衡辉绿岩坍塌掉块，加之转速较高钻进期间扭矩波动较大，导致钻头崩齿、磨损均有体现。

表1 辉绿岩对钻头寿命的影响

前3 口井与第4 口井对比，钻头寿命中期，虽然钻遇高纯度辉绿岩，鉴于其厚度较薄，尚未对钻头产生损伤便钻穿，因此薄层高纯度辉绿岩对钻进钻头无明显破坏。

低纯度辉绿岩基本对钻头损伤无影响，钻遇后钻时稍微有抬升趋势，但钻穿后钻时恢复正常。

2.2 辉绿岩对垂直钻井工具的损伤

目前XX 油田普遍使用PDC+Power- V+ 螺杆+ 欠尺寸扶正器，钻具刚性较强，以241.3mm 井眼为例，近钻头钻具组合如下：241.3mmPDC+185mmPower- V（推靠臂收缩状态235mm）+185mm 螺杆（带236mm 扶正器）+浮阀+ 坐键接头+177.8mm 无磁钻铤+ 限流短节+238mm 扶正器，对比241.3mm 井眼钟摆钻具241.3mmPDC+197mm 螺杆+ 单流阀+177.8mm 无磁钻铤×1 根+MWD 悬挂短节+238mm 扶正器，垂直钻井工具刚性明显增强。

3 结语

在微裂缝发育层段、压力窗口相窄的裸眼井段，当前钻井液技术无法解决失稳的层位，失稳掉块将产生频繁憋跳，严重影响钻进效率，不推荐使用垂钻工具防斜或纠斜，建议使用单弯螺杆、配合优选参数防斜、纠斜。垂直钻井工具组合刚性相对较强，组下前充分处理裸眼段，防止大段划眼影响垂直钻井工具降斜性能。大段高纯度辉绿岩研磨性强，且易失稳掉块，使用垂直钻井工具组合卡钻风险较高，建议依据实钻邻井、设计预测厚度优化工艺，钻进过程中密切关注工程参数和返出岩性，确认钻遇辉绿岩最好起钻简化钻具组合过渡，预防卡钻影响。优化钻井液防塌性能，提高防塌能力，为垂直钻井工具顺利施工创造良好井筒环境。