渤中A油田火成岩发育区高效钻井技术

2022-03-02李庄威刘峰胡国金庹海洋赵海建王晓薇董婧璇

石油工业技术监督 2022年2期

李庄威，刘峰，胡国金，庹海洋，赵海建，王晓薇，董婧璇

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司（天津300456）

2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司（天津300452）

0 引言

渤中A油田是渤海油田落实“七年行动计划”首个投产的项目，同时也是渤海首个火成岩发育区的油田。渤中A油田地质条件复杂，主要储层段东营、沙河街组发育大段火成岩，岩性复杂，遭火山岩多期次侵入，不整合面裂缝发育，可钻性极差；渤中区域上部明化镇泥岩水化膨胀和东营沙河街坍塌掉块的问题，成为了渤中难题。

在钻完井作业面对井壁易漏、易垮、建井周期长、作业时效低等诸多困难的条件下，要实现经济高效钻井，必须在火成岩提速和防止渤中区域及火成岩钻进复杂情况的发生上有所突破，渤南区域钻完井项目组通过技术研究、现场试验与总结改进，形成了火成岩发育区油田高效钻井关键技术体系。

1 工程技术难点分析

通过对区域已钻井情况及探井钻探情况分析，可以把渤中A油田钻井的主要难点概括为以下3个方面：

1）火成岩机械钻速低[1]。火成岩岩性复杂、地层物性较差，钻进过程中钻头磨损及自然增斜情况严重是探井暴露的主要难题[2]。渤中A油田已钻9口探井中7口钻遇火成岩，机械钻速都比较低，且钻头磨损严重。其中，开发井用4个钻头才完成311.15 mm井段钻进。

2）渤中区域明化镇水化膨胀及东营沙河街井壁坍塌等井壁失稳[3-4]。渤中A油田已钻9口探井均发生不同程度的井壁坍塌掉块、井径扩大、卡钻和电测困难，钻井时间长，生产时效较低。

3）火成岩微裂缝井漏等复杂情况频发。渤中A油田探井及开发井早期钻进过程中，发生漏失影响正常钻进的井占比70%以上。

2 火成岩发育区高效钻井技术

针对渤中A油田复杂地质条件和前期该区块作业经验教训，从以下3个方面进行研究：①如何对火成岩钻探风险进行界定，若风险不可控，如何避钻；②针对火成岩可钻性差的特点，如何最大程度提高钻进效率；③针对历史上的“渤中难题”和渤中A油田火成岩发育的特点，配套钻井液体系。

2.1 火成岩风险识别与避钻技术

建立火成岩风险识别及钻井应对措施图版（图1）。首先，综合利用录井、测井资料，并结合探井薄片鉴定资料，建立渤中A油田火成岩岩性识别方法[5]，识别火成岩发育区域。

注：图中黄色区域为火成岩

其次，通过常规剖面，波形剖面，方差剖面精细识别微裂缝；通过应力场数值模拟和地震属性分析裂缝方位和强度[6]。

最后，通过微裂缝在不同剖面的显示结合承压强度分析，以及在钻完井作业过程中的经验分析，对井漏风险进行定性和划分风险等级，进而钻井作业采取相应措施。风险等级划分及钻井应对措施见表1。

表1 火成岩漏失避钻风险等级划分

制定火成岩避钻轨迹设计原则。基于对地层深度和溢流相火成岩发育层段的准确预测资料和对漏失风险的识别情况，在满足油藏需求的前提下，通过优化定向井轨迹、微调靶点的方法来进行避钻[7-10]。

2.2 火成岩钻头与钻具组合设计

设计了火成岩专用钻头，主要包含以下3个方面。

1）优化爪形结合面和环爪形结合面为轴向对称结合面（图2）；优化切削齿为“AXE-4”齿，提高钻头抗冲击、抗研磨能力，使受力尽可能均匀，降低边缘应力和接触面残余应力，同时，增加PCD层厚度，在保证齿的切削能力的前提下，提高齿的抗冲击能力。

图2 火成岩专用头AXE-4齿结合面设计示意图

对特殊设计的专用钻头AXE-4齿进行了相关性能参数的实验评价，评价结果显示，在同类型钻头切削齿性能中具有明显优势，较性能相对较优的AXE-1齿，抗冲击能力提高25%，抗研磨能力提高10%。

2）降低钻头布齿密度，增加保径长度，改善钻头受力，增强钻头稳定性，使钻头在井底的涡动现象减弱，提高钻头稳定切削能力；采用双排主动保径齿设计，且将侧转角从25°优化至55°，侧向冲击力降低，减弱切削作用，增强扶正稳定作用，延长寿命（图3）。

图3 火成岩专用钻头布齿及主动保径设计

3）利用计算流体力学（CFD）对钻头水力结构进行优化设计（图4）。采用先进软件对喷嘴的排布进行优化，确保每个复合片均有足够的排量对其充分清洗、冷却，防止复合片在硬地层的过热导致的龟裂，延长PDC复合片寿命。根据岩屑产生量合理分配流量，优化刀翼倾角和宽度，使流场更加合理流畅，提高了钻头的岩屑运移的能力，同时避免岩屑的二次切削，降低钻头切削扭矩及涡动发生的可能。

图4 火成岩专用钻头水力结构优化设计

优化了渤中A油田提速钻具组合与轨迹控制技术。优化主要从以下3个方面进行。

1）根据渤中A油田地层自然增斜特点，优化马达扶正套尺寸参数，并利用管柱力学软绳模型对钻具组合稳斜能力进行分析计算，计算结果见表2，可知经过优化的钻具组合增斜趋势减弱。

表2 马达导向钻具理论分析表

2）对于缩小马达扶正套尺寸后底部钻具组合可能不稳定而剧烈涡动的情况，通过配合加长保径的火成岩专用钻头，利用纵横弯曲梁法计算两种钻具组合的侧向力，在钻压180 kN，扭矩2 kN·m的同等条件下，改进前的钻具组合的总侧向力大小为1.496 4 kN，优化底部钻具组合的总侧向力大小为0.498 8 kN，侧向力大大减小，且力平衡数据由4.93%降低至1.79%，可以保证钻头及底部钻具组合高效稳定工作，提高钻进效率和减少底部钻具组合失效的发生。

3）针对优化后钻具组合仍然无法完全避免增斜趋势的情况，通过前期钻进自然增斜情况，合理预判增斜趋势，并在轨迹设计与实施过程中，预留余量，以减少滑动调整轨迹频次，提高钻进效率。

2.3 渤中区块配套钻井液技术

经过优化的火成岩配套钻井液体系主要有以下4点优势：

1）具有新型抑制剂BIOHIB。它是一种小分子抑制剂，一种具有类似锚链属性的多点抑制剂，其多点锚链抑制基团能够快速控制最活跃水化点并牢牢的固定在黏土颗粒表面及层间，防止黏土颗粒发生表面水化和渗透水化，双重作用防止钻屑分散，泥岩造浆，控制流变稳定性。

2）基浆+NaCl+3%BIOHIB提高钻井安全周期。BIOHIB随加量的增加对溶液的活度降低明显，可通过降低钻井液水相活度，提高渗透压，阻止水进入页岩颗粒而起作用，而不是通过与页岩中的黏土发生离子交换而起作用。

对于相同的泥页岩地层,在相同的水化时间内,泥页岩在“基浆+3%聚胺抑制剂”作用下的坍塌压力比在“基浆+3%BIOHIB”钻井液作用下的要高。若设定极限坍塌压力当量密度为1.25 g/cm3，则“基浆+3%聚胺抑制剂”钻井液安全钻井周期是125 h，折合5.2天；“基浆+3%BIOHIB”钻井液安全钻井周期是176 h，折合7.3天，延长周期约40%（图5）。

图5 两种钻井液安全钻井周期对比图

3）针对东营沙河街井壁稳定问题，在基浆+3%BIOHIB的基础上加入抑制剂NRL，并通过实验，优选NRL的加量在2%左右时，能够形成高封堵强抑制钻井液体系，有效防止火成岩地层井壁失稳垮塌，实现安全钻井作业。

4）高效润滑剂BIOLUBE在加量3%时，润滑系数可达0.06，磨痕微小且光滑；对密度和流变性影响较小，且润滑性能受黏土污染影响较小，在20%土粉污染下润滑系数降低率仍维持40%以上。

3 钻井技术应用效果

3.1 火成岩风险识别与避钻技术现场应用

火成岩风险识别与避钻技术现场应用。A21井在初始轨迹设计后，考虑到该井需穿越火成岩地层，所以对该井进行了轨迹优化设计（图6），优化轨迹后，少钻火成岩近100 m，穿越的储层厚度也更大，A21井设计钻井工期21天，实际工期16天，提效23.8%，钻进过程中无复杂情况发生，该井最终建成为“千方井”。

图6 BZA-A21井轨迹优化示意图

通过精细刻画火成岩分布区域，准确识别火山通道等（图7），指导和优化渤中A油田30余口井轨迹设计，实现避钻火成岩近千米，节省工期18天，节省费用约3 000万元；并且极大程度降低了漏失风险，渤中A油田漏失概率从70%降低至40%左右，有效避免恶性漏失，提高时效性。

图7 典型火成岩避钻轨迹设计示意图

3.2 火成岩高效钻进技术现场应用

通过应用火成岩专用钻头及配套钻具组合，实现了311.15 mm井段火成岩提速188%，215.9 mm井段火成岩提速258%。另外，通过轨迹控制技术的应用，减少滑动调整轨迹次数及配套钻井液等，311.15 mm井眼全井段机械钻速提高317%。

3.3 渤中区域配套钻井液技术现场应用

B16井和E16井同属于渤中A区块，且这两口井的轨迹基本一致，B16井甚至更复杂一些，不同的是B16井应用了渤中区域配套钻井液的相关技术，最终B16比E16井的扭矩明显降低，倒划眼和起下钻过程中，阻卡也明显减少，井壁状况和润滑性明显改善。

渤中A油田钻井液体系从探井时的PEC体系，到加入12%NaCl，再到加入12%NaCl+3%BIOHIB的改进型PEC体系，形成了渤中34地区浅部地层钻井液体系，倒划眼速度从PEC体系时的72 m/h，加入12%NaCl提高到95 m/h，再到现在加入12%NaCl+3%BIOHIB提高到123 m/h。