特深层钻完井技术标准体系探讨

2023-10-25张亢芦鑫张家丽朱德武张玉荣

石油工业技术监督 2023年10期

张亢，芦鑫，张家丽，朱德武，张玉荣

中石化石油工程技术研究院有限公司（北京 102206）

0 引言

目前，油气资源作为地球上最重要的化石能源，在各个领域仍然发挥着至关重要的作用。近年来，随着钻完井技术的不断提高，油气勘探开发的重点也逐渐转移至超深、特深地层。塔里木盆地顺北特深层油气是国内油气勘探开发的重点，该油田主要包括4 个区块，面积19 878 km2，资源量达17×108t。其中石油资源量12×108t、天然气资源量5 000×108m3，油气储层埋深超过7 500 m[1]。顺北油气田已成为中国石化西部资源战略接替的重要阵地，其钻完井关键技术成果有效促进了国内特深层油气勘探开发的进程。

尽管我国特深复杂地层钻完井技术已经取得了丰富的实践经验，但是还未制定相关标准，更没有相应的技术标准体系。国外先进的API 和ISO 标准也尚未查到关于特深复杂地层钻完井技术的相关标准。因此，尽快制定相关技术标准，形成特深层钻完井技术标准体系，不仅对顺北特深层勘探开发具有重要推动作用，而且对提高企业竞争力、争取国际社会的话语权具有重要的战略意义。通过对特深层钻完井标准需求分析，制定了相关钻完井技术标准，建立了特深层钻完井标准体系，对顺北特深油气层的高质量勘探开发提供了支撑和保障作用。

1 特深层钻完井技术体系形成

1.1 安全高效钻井技术

顺北地区地质条件复杂、断缝发育，需要在井壁稳定性、钻井复杂情况分析基础上精细确定地质必封点，设计各开次井眼尺寸、套管层次、套管强度、材质、钢级、壁厚、扣型、下深、间隙配合等，提出高风险探井套管预留、特殊套管性能参数要求，形成不同断裂带、不同目的层的井身结构优化设计系列。

深部地层年代古老、超深埋藏压实，具有岩石硬度大、可钻性差、研磨性强等特点，井眼超深造成井下机械破岩能量和水力清洗岩屑能量不足，普遍存在机械钻速低、钻井周期长等问题[1]。针对这些问题，开展了深部硬地层破岩机理研究，研发具有不同功效的钻井提速工具，提高复杂地层的破岩效率和深井钻井速度，降低钻井成本。

研究气液两相流对节流阀的冲蚀和作业过程中旋转头胶芯失效影响因素，分析控压钻井设备控制能力，优化MPD 钻井施工参数，优选控压配套设备，提高设备可靠性，形成微气侵量井筒压力精确控制与安全排溢技术。通过控压钻井技术现场施工应用，不断完善控压钻井施工操作规程。

1.2 复杂地层钻井液技术

1）巨厚火成岩及深层裂缝性漏失防漏堵漏技术。研选新型抗高温变形填充及高酸溶的暂堵和专项堵漏材料，采用随钻封堵+打封闭浆+体系优化+工程措施的防漏工艺技术，满足顺北特深层随钻暂堵和专堵需求[2]。

2）深层志留系泥岩地层的井壁稳定技术。选择合理的钻井液密度，优选强封堵、强抑制性钻井液体系，最大限度延长井壁稳定周期。优化钻井液性能和颗粒级配，提高滤饼质量，增强滤饼护壁防塌能力。调整钻井液胶体稳定性，降低钻井液滤失量，同时加入刚性、弹性粒子封堵微裂缝（原始、诱导），阻隔“楔劈”作用通道，防止地层水化应力造成井壁坍塌。

优选使用抗高温抗盐聚合物降滤失剂、胺基页岩抑制剂、成膜剂等钻井液处理剂，通过钻井液体系的优选，形成钾胺基聚磺成膜钻井液体系，满足顺北区块深层志留系大段泥岩井壁稳定的要求。

3）耐高温钻井液技术。主要包括高温高密度、耐温储保钻井液技术。通过优选抗高温材料、强化随钻封堵及合理粒度级配，综合协调高温高密度钻井液流变性、HTHP 滤失量及沉降稳定性能，同时引入纳微米封堵剂，封堵微裂隙并形成更致密的封堵层，减少钻井液滤液侵入，形成具有良好沉降稳定性和储层保护效果的耐高温钻井液体系。

1.3 特深复杂地层固井技术

1）长裸眼段固井技术。通过优选低密度减轻材料，抗高温降失水剂、缓凝剂、早强剂等外加剂与外掺料，优化形成了性能优良的复合粉煤灰低密度水泥浆体系和高抗挤微珠低密度水泥浆体系，并添加堵漏纤维，进一步提高水泥浆防漏堵漏性能。通过优化扶正器安放位置，提高套管居中度；优化施工排量，提高顶替效率，降低漏失风险。并针对恶性漏失井，形成了正注反挤施工技术，提高了长裸眼段低压易漏层固井质量。

2）长封固段固井技术。通过优选大温差缓凝剂、降失水剂、早强剂等关键温度广谱型外加剂，满足大温差固井需求，水泥石顶部强度发展快；优选抗高温弹性材料和增韧材料，改善水泥石力学性能，降低水泥石脆性，增强韧性，提高水泥环抗冲击破坏能力及长久密封性，从而优化形成了综合性能优良的大温差弹韧性水泥浆体系。结合专业软件模拟，优化了超长封固段前置液用量、扶正器优选与安放、施工排量等工艺措施，形成了超长封固段大温差固井综合技术，现场应用效果良好。

3）小井眼窄间隙固井技术。通过优选抗高温有机防窜乳液，增强水泥浆防窜性能，改善水泥石力学性能；优选无机防窜乳液，增强水泥石高温力学性能，两者有机结合提高水泥浆防窜性能，改善水泥石力学性能；通过优化硅粉加量及粒径复配，提高水泥石高温强度和稳定性，最终形成了抗高温乳液弹韧性水泥浆体系，可满足薄水泥环长久密封要求。结合旋流树脂扶正器优选与安防优化，超量前置液设计，紊流-塞流复合替浆技术，最终形成了超深小井眼窄间隙固井技术。

1.4 特深复杂储层测井技术

1）超高温高压测井仪器。主要包括三参数、数据传输测井仪，自然伽马测井仪，连续测斜测井仪，井径测井仪，双侧向测井仪，数字声波测井仪，中子测井仪，密度组合测井仪，多极子声波测井仪等。

2）特深层测井采集及施工工艺。包括不同开次测井采集系列优化及施工方案设计，测井施工安全配套技术（高承压井口电缆防喷装置、特深测井天地滑轮系统），万米电缆抗挤压装置，万米电缆通讯适配器等。

3）特深层储层测井综合评价技术。主要包括特深层复杂地层测井响应机理分析，高温高压条件下中子、密度曲线校正技术，特深层储层有效性评价技术，特深层储层流体测井综合评价技术等。

1.5 特深超深缝洞储层完井及测试技术

1）“五阀一封”测试工艺。顺北区块为高温高压高含H2S 超深区块，区块普遍采用的完井方式为裸眼完井。针对高温、高压和7 500 m以上干气藏测试井控风险，以“资料优先、强化井下”为原则，对测试管柱进行升级改造，形成“五阀一封”（井下安全阀、RDS 循环阀×2、RD 循环阀、E 型阀、CHAMP 封隔器）测试工艺，井下关井精准录取温压资料，提升安全性能。

2）井壁支撑工艺方案。对比化学防砂、机械防砂等工艺，优选两种井壁支撑工艺方案。

碳钢支撑管柱：悬挂器+直联扣盲管+直联扣打孔管（无侧钻需求）。

复合支撑管柱：易钻悬挂器+易钻盲管+直联扣盲管+直联扣打孔管（有侧钻需求）

3）可回收高温高压完井工具。超高温高压井完井工具功能单一、选择范围窄，研制了可回收高温高压液压封隔器。优化设计了楔入式胶筒材质和结构、解封结构等关键环节。

2 特深层钻完井标准需求分析

以顺北特深层钻完井标准为目标，结合顺北特深层钻完井相关技术的最新研究实践成果，研究确定标准制定的重点方向，提出标准制定项目名称。针对提出的标准制定项目，分析其标准化的必要性、重要性和可行性。

2.1 钻井专业

1）《顺北一区优快钻井施工推荐作法》。顺北区块岩石强度、可钻性纵向差异明显，需根据不同层段的地质特征、有无侵入体、是否钻遇破碎带等给出不同地质条件、不同井眼开次的优快钻井推荐作法，明确采取的高效破岩方式、适应地层的钻头、足够的破岩能量等内容，确保井底平稳的工况条件，以进一步提高机械钻速，缩短钻井周期，实现提质提效的目标。

2）《钻具管理规范》。超深复杂地层井下工况条件复杂，钻井时间长，钻具供应商多，质量参差不齐，易导致钻具故障和井控安全问题。为此需规定钻具的使用、维修、检测与分级评价等相关技术要求，明确钻具安全、套管防磨等检测和管理内容，保证钻井工程施工质量，减少钻具事故的发生。

2.2 钻井液专业

基于对顺北裂缝性地层漏失规律和机理的认识，针对不同大小裂缝实施应用桥浆段塞、随钻堵漏和化学固结等不同堵漏工艺技术，通过制定《顺北裂缝地层防漏堵漏推荐作法》，规范防漏、堵漏材料，配方与现场施工工艺，固化推广高效防漏堵漏技术，提高二叠系、志留系等裂缝发育的易漏失地层堵漏成功率，并缩短处理时间，提高钻井速度。

2.3 固井专业

《顺北复杂地层固井技术规范》，顺北区块固井类型包含常规固井作业、分级固井作业、尾管悬挂固井作业、挤水泥作业等作业类型。目前行业标准SY/T 5374.1—2016《固井作业规程第1 部分：常规固井》、SY/T 5374.2—2006《固井作业规程第2 部分：特殊固井》中对常规固井作业和特殊固井作业有相应的规范，但其中的“水泥浆准备”部分仅规定了水泥浆常规性能指标，对一些特殊性能指标未有涉及，且“井眼准备”部分、“尾管注水泥”部分内容需要进行修改与完善。

2.4 测井专业

1）《测井井控操作规程》。顺北区块目的层位为奥陶系中统一间房组、中下统鹰山组，目的层储层裂缝、孔洞极其发育、油气显示活跃，大部分井在目的层钻遇漏失或溢流（压井处理后发生漏失），给测井作业带来了巨大的井控风险，大部分井目的层测井资料均未取得，导致储层评价的关键参数缺失。工区通过开展漏失井测井工艺及配套工具研究，形成了一套针对电缆测井和钻具输送测井工艺的井控工艺方法和配套工具。

2）《测井作业辅助工具管理规定》。测井辅助工具主要包括电缆、马龙头、天地滑轮、张力计、水平井工具等测井过程中必不可少的工具或配件。而这些工具或配件，都是测井过程中的关键受力部位，任何一个环节出现问题，都可能导致测井事故的发生。目前，工区仅在《测井作业开工验收规范》中对部分辅助工具的探伤、检查、更换等进行了规定，覆盖面不全。针对顺北区块超深井电缆测井、钻具输送测井，形成一套针对所有测井辅助工具的管理规范，避免因辅助工具引发的故障或异常，非常有必要。

3）《测井作业开工验收规范》。修订测井前的通井要求、钻具输送测井配合作业相关要求等内容，明确不同测量方式测井前井控联合演练的具体内容，新增部分进行特殊测井作业时，井眼和钻井液应满足的要求内容。

4）《钻具输送测井操作规程》。新增存储式测井作业操作规程内容，进一步规范工区存储式测井作业施工。

5）《测井原始曲线验收规范》。修订单井测井曲线分数计算方法，新增各类测井原始图件提交格式图例，新增部分测井项目的曲线质量评价要求。

2.5 完井专业

1）《顺北断缝地层测试作业推荐作法》。目前地层测试技术标准广泛性适用，并无针对顺北高温高压超深等特点及其形成的“五阀一封”技术，在前期研究成果基础上，制定《顺北断缝地层测试作业推荐作法》，对“五阀一封”工具及工艺，管柱组合及测试地层流程等技术方面作出规范。

2）《顺北井壁支撑完井工艺技术规范》。顺北井壁支撑完井工艺已经初步收到良好的应用效果。但是，仍需进一步跟踪评价该工艺的有效性，特别是对于长期安全生产的保障是否有效，需要进一步进行检验和验证。在前期工艺实践总结和研究的基础上，制定《顺北井壁支撑完井工艺技术规范》，对井壁支撑完井工艺的适用条件、管柱组合、下入性分析、管柱下入技术要求等方面进行规范。

3 特深层钻完井标准体系建立

3.1 标准体系构建方法

标准体系通常包括标准体系结构图、标准明细表、标准统计表和标准体系表编制说明等。标准体系的构建首先是设计标准体系框架，然后在框架的指导下列出标准体系表。标准体系框架的构建是建立标准体系的重要工作，为后期标准体系表的制定提供顶层设计[3]。所以，此处标准体系的构建方法主要是标准体系框架的构建方法。标准体系框架的构建主要包括以下两种方法：直接借鉴或参考已有的标准体系框架。根据顺北地区技术、标准、产业发展现状，制定顺北地区标准体系框架[4]。体系构建流程如图1所示。

图1 标准体系构建方法

1）确定标准体系范畴。根据顺北地区特深井钻完井技术发展的总体需求以及各专业的不同需求，借鉴或参考国外特深井技术，结合标准体系的构建原则，确定顺北地区特深井钻完井技术标准体系所包含的标准范围。

2）标准体系框架的研究与设计。在标准体系范畴的指导下，结合顺北地区特深井钻完井技术及行业特点，选择合适的标准体系框架建立方法[5]，构建顺北地区特深井钻完井技术标准体系框架。

3）标准需求分析。在顺北地区特深井钻完井技术标准体系框架的指导下，结合国内外行业技术发展、市场应用情况及标准研制现状，选取重点领域，确定标准急需研制具体的项目。

4）制定标准体系表。全面整理顺北地区特深井钻完井技术标准，包括现有标准、正在制修订中的标准及标准需求，将标准分门别类归入到标准体系框架的小类中，形成顺北地区特深井钻完井技术标准体系表。根据该标准体系表，对标准体系框架进行修改和完善，构成一个循环往复、不断优化完善的结构。

3.2 标准体系结构

顺北特深层钻完井技术标准主要涉及钻井、钻井液、固井、测井、录井、完井等专业，除通用基础标准外，顺北特深层钻完井技术标准体系包含了常规油气标准和顺北特深层钻完井特色技术标准，其中顺北特深层钻完井特色技术标准设置钻井、钻井液、固井、测井、录井、完井等6 个专业的标准体系，具体如图2、图3所示。

图2 顺北特深层钻完井特色技术标准

图3 顺北特深层钻井工艺标准体系

3.3 标准体系表

顺北特深层钻完井技术标准体系表中，收录了钻井、钻井液、固井、测井、录井、完井等专业的常规油气标准和顺北特深层钻完井特色技术标准[6]。收录汇总的常规标准共有437 项，其中钻井工艺专业标准明细表共收录汇总相关标准95 项；钻井液专业标准明细表共收录汇总相关标准94 项；固井工艺专业标准明细表共收录汇总相关标准79 项；测井工艺专业标准明细表共收录汇总相关标准57项；录井工艺专业标准明细表共收录汇总相关标准65 项；完井工艺专业标准明细表共收录汇总相关标准47 项。

特色技术标准设置钻井工艺（201）、钻井液（202）、固井（203）、测井（204）、录井（205）、完井（206）等6 个专业门类。按成熟先行、同步制定、探索研究进行分类研究制定[7-9]。3年共规划21项标准及规范，其中技术标准14 项、作业规范7 项，具体分别见表1、表2、表3、表4、表5、表6[10]。