楊稅務潛山超深超高溫井安全優快鉆井技術

馬鴻彥 鄭邦賢 陳景旺 郭勁松 宋曉健 李和清

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司

華北油田廊固凹陷河西務潛山構造帶楊稅務潛山圈閉的奧陶系潛山儲層是典型的破碎性儲層［1］，是目前渤海灣盆地最深、溫度最高、最復雜的碳酸鹽巖潛山油氣藏。第1口潛山探井AT1井酸壓后試油日產氣 41 萬 m3，日產油 71 m3。AT2、AT3井均獲高產工業油氣流，進一步展示了該區塊規模資源前景。但是該區塊地層巖性變化劇烈，儲層深埋5 200 m以上，溫度超過180 ℃，在前期施工過程遇到井噴 (超出鉆臺 1～8 m)、氣侵點火 (10～15 m)、井漏、卡鉆等復雜工況［2］，同時，鉆進過程中存在托壓、機械鉆速低、鉆井液高溫失效及隨鉆測量儀器故障率高等難題，嚴重制約了鉆井時效。為此，在分析已完井鉆井難點的基礎上，結合區塊地層巖性特點，通過優化鉆井設計、優選鉆具組合、設計抗高溫鉆井液等措施，形成安全、快、優鉆井技術，為該地區及同類型井安全、提速施工提供借鑒。

1 鉆井技術難點及對策

據巖屑、成像測井等資料分析，楊稅務潛山奧陶系主要發育孔隙型、溶蝕微裂縫型及微裂縫孔隙型儲層［3］。鉆遇地層的特殊巖性為玄武巖、膏泥巖、火成巖、礫巖、煤層及白云巖。儲層巖性主要為泥晶灰巖、泥粉晶云巖兩大類。地層平均地溫梯度2.91 ℃/100 m［4］。

1.1 鉆井技術難點

(1)地質環境復雜，井眼軌跡控制難度大。受地層特殊巖性及井下復雜工況(漏、噴、卡、塌及氣侵)的影響，井身結構與井眼軌道設計困難。長裸眼段造成的周期性的托壓現象，導致工具面變化幅度大，影響造斜效果。

(2)地層巖性變化劇烈、可鉆性差，機械鉆速低。鉆遇地層所含燧石、石英質礫巖夾層、大套玄武巖等對鉆頭磨損嚴重。前期WX4井在3 415～4 998 m井段共消耗22只鉆頭，全井平均機械鉆速1.15 m/h，鉆頭選型困難。

(3)高溫下鉆井液體系性能不穩定?；A材料(膨潤土)在高溫下鈍化，易出現降黏或突然增稠現象，處理劑在高溫下降解、失效，使得體系發生變化，造成膠溶狀態轉換為懸浮體發生固液分離，失去攜巖功能，多次出現高溫固相沉積堵死螺桿故障。

(4)地層溫度高，定向工具穩定性差、故障率高。目前，該區塊使用的國內隨鉆測量儀器［5］，在溫度超過150 ℃之后，經常出現使用時間短、穩定性差等問題；抗高溫螺桿在循環溫度140～180 ℃條件下工作20～40 h出現大量膠皮脫落，造成螺桿失效無進尺。由定向工具導致終止鉆進占總故障率80%以上。

1.2 國內超深井提速現狀

近年來國內深井、超深井多分布于新疆、四川等地區，所采用的提速工具及技術主要為常規提速工具(螺桿)，成本低，但橡膠件高溫容易失效。旋轉導向工具能有效消除托壓問題，但全依賴進口且價格昂貴［6］。渦輪+孕鑲PDC鉆頭不受高溫影響，但對鉆井泵要求高，泵壓波動7～9 MPa［7］。扭力沖擊器目前只能與常規鉆具相配合使用［8］。同時，采用了大排量、大鉆壓、大扭矩等技術，這些技術雖然提速效果較好，但受到地層巖性、地面設備及井底超高溫等條件限制不能應用于該區塊。

為此，提出了以井身結構、井眼軌道優化為基礎來降低全井軌跡控制難度，并在實際鉆井過程中針對鉆頭磨損嚴重、機械鉆速低及鉆井液性能高溫失效等問題，采取優化鉆具組合及鉆井參數、研制抗高溫鉆井液等對策。

2 關鍵技術及應用

2.1 井身結構與井眼軌道優化技術

該區塊自上而下鉆遇主要地層及巖性為：平原組(0～400 m)，黃土、流沙為主；東營組 (400～1 600 m)，砂泥巖互交、含礫砂巖；沙一—沙四段(1 600～4 400 m)，砂泥巖互交、玄武巖、膏泥巖、火成巖及礫巖；石炭系—奧陶系(4 400～6 500 m)，白云巖、灰質白云巖為主。前期常用井身結構見圖1。圖1(a)的井身結構裸眼段長達3 500 m以上，1 600～2 950 m為低壓層，下部地層為高壓層，鉆井液難以維護，形成上漏下塌的復雜工況。鉆遇下部地層時，提高鉆井液密度，對上部地層鉆柱造成壓差托壓現象，添加水力振蕩器仍然托壓350～400 kN，單次滑動鉆進時間不能超過5 min，否則就會卡鉆，調整軌跡所需進尺是正常情況的2～3倍。圖1(b)采用尾管回接，增加了套管層序，5段制井眼軌道，造斜點3 500 m在玄武巖、泥膏巖層，調整井眼軌跡困難。圖1(c)中4 610～6 174 m小井眼深部定向，鉆遇高研磨、可鉆性差地層，同時隨鉆測量儀器、螺桿及鉆井液均受高溫影響。圖1(d)淺層大井眼定向，造斜率低，后期穩斜段鉆遇玄武巖、煤層等復雜層位容易造成井壁垮塌、卡鉆等復雜工況。

圖1 井身結構示意圖Fig. 1 Sketch of casing program

井身結構最終優化方案如圖1(e)所示，采用四開井身結構，一開封固平原組上部流沙層，安裝井口懸掛套管，確保井下安全；二開封固低壓層，防止出現“上漏下塌”、卡鉆等復雜工況，同時解決壓差托壓問題；三開封固巖性復雜地層，尾管坐進潛山地層，為低密度揭開潛山打基礎；四開潛山儲層專打專封。采用三段制軌道，軌跡控制井段選在3 100～3 400 m砂泥巖互層。

優化后的井身結構簡化了套管層序，縮短裸眼段長度，簡化井眼軌道，有效緩解了拖壓現象。將提速難點段優化為自然降斜段，在進入超高溫地層及入山前完成軌跡調整，為提速工具應用創造條件，同時避免了隨鉆測量工具、螺桿在超高溫井段作業，降低了鉆井液在超高溫條件下因井眼軌跡調整具備潤滑性的要求。優化后的鉆井時效對比見表1。

表1 鉆井時效對比Table 1 Comparison of drilling time efficiency

2.2 鉆具組合及鉆井參數優化技術

2.2.1 高效PDC鉆頭的設計與優選

(1) PDC+孕鑲齒設計。單獨的PDC鉆頭剪切性好，但在高研磨、可鉆性差的地層使用壽命短，見圖2(a)；單獨的孕鑲鉆頭抗研磨性好，但機械鉆速慢，需要配合渦輪鉆具使用，受限條件多，見圖2(b)。因此，將PDC鉆頭的剪切性與孕鑲鉆頭的抗研磨性相結合(圖2(c))，在主切削齒中，有計劃地擺放一些短基座切削齒，然后將孕鑲齒暴露在外(圖2(d))，當主切削齒損壞之后孕鑲齒仍然可以繼續鉆進(圖2(e))。

(2)專用定向PDC鉆頭優選。采用微螺旋淺內錐減震節5刀翼設計，提高工具面穩定性。超短保徑，有效提高側向力，縮短滑動進尺。優選高抗沖擊T系列復合片高密度布齒，提高鉆頭抗沖擊能力，增強鉆頭使用壽命。

2.2.2 鉆具組合與鉆井參數的優化

根據巖性特點與井眼軌道設計，對井底鉆具組合與鉆井參數進行優化。上直段采用0.75°螺桿+PDC(直5刀翼單排19 mm齒)，以大排量、高轉速極限鉆進為主；造斜段采用水力振蕩器+1.25°單彎螺桿+定向PDC(螺旋5刀翼雙排13 mm齒)，以緩解托壓、提高造斜率為主；穩斜段采用1°單彎螺桿(等徑雙穩定器)+PDC(螺旋6刀翼雙排16 mm齒)或扭力沖擊器+PDC(螺旋6刀翼全雙排13 mm齒)，通過控制鉆壓或輔助破巖工具提高機械鉆速；超高溫井段采用常規鉆柱+多維沖擊器+孕鑲齒PDC，將隨鉆測量、螺桿去除，減小故障率，最大程度提高機械鉆速。在?152.4 mm井眼，采用?101.6 mm+?127 mm復合鉆桿，提高扭矩與鉆壓傳遞效率。

優化后在奧陶系井段(5 000～6 500 m)使用孕鑲齒PDC鉆頭較之前平均機械鉆速提高1～2倍，最高機械鉆速3.82 m/h，單次入井進尺674 m，入井之后鉆頭損傷見圖2(e)。

圖2 孕鑲齒+PDC鉆頭示意圖Fig. 2 Sketch of impregnated tooth+ PDC bit

穩斜段鉆進，在井段4 158～4 291 m使用扭力沖擊器較使用螺桿的機械鉆速高1～2倍，在井段4 291～4 444 m使用螺桿的機械鉆速高于扭力沖擊器。但上述井段與螺桿配合的PDC在出井之后磨損嚴重，表明在礫巖或玄武巖地層中使用扭力沖擊器能很好保護切削齒，見圖3。

圖3 扭力沖擊器+PDC與螺桿+PDC入井后對比Fig. 3 Comparison between torque impactor + PDC and screw rod + PDC after running into the hole

在AT4井4 098～4 480 m井段使用上述2種不同的工具，機械鉆速與AT1井接近且出井之后的鉆頭磨損程度也相近。為滿足井眼軌跡調整的需求，在A101井采用螺桿+扭沖+全雙排齒PDC效果顯著，但螺桿強度不夠(軸斷)；再次優化后采用水力振蕩器+螺桿+全雙排齒PDC組合，可以有效緩解托壓、鉆頭過早失效等問題。

2.3 抗高溫鉆井液技術

鉆井液在高溫條件下應具備良好的攜巖性、潤滑性等特點以減少井底復雜工況。因此，對國內外鉆井液抗高溫降濾失劑(Driscal-D、SO-1、SMPC-Ⅲ、SMP-3、SMP-Ⅲ)、流型調節劑 (HE300、HB-1、HB-2)、膨潤土等材料的抗高溫流變性進行實驗，并采用OFI高溫高壓流變儀進行井底情況模擬測試，結果表明：膨潤土含量為4%時，在220 ℃、16 h后出現增稠現象；使用SMP-3、SMP-Ⅲ體系220 ℃、16 h優于SMPC-Ⅲ體系，不會出現碳化結塊現象。最終優化配方為3%膨潤土+0.2%NaOH+0.3%抗高溫增黏降濾失劑DriscalD+0.3%腈硅聚合物降濾失劑SO-1+2%磺化酚醛樹脂SMP-3+2%磺化瀝青Soletx+1.5%提切劑HB-2+石灰石。

隨著溫度升高，對鉆井液采用階梯式維護模式。以膠液的形式添加SMP-3、Soletx、HB-2、SO-1、Driscal D及乳化瀝青等材料。同時，最大限度地使用固控設備，降低鉆井液劣質固相含量，改善濾餅質量，使濾餅厚度不大于1 mm，并從嚴控制鉆井液濾失量，尤其是高溫高壓濾失，保證鉆井液在高溫條件下的穩定性［9］。

2.4 抗高溫隨鉆測量脈沖發生器

隨鉆測量脈沖發生器油囊(橡膠材料)是核心部件之一，但在高溫高壓下油囊易產生鼓脹或破裂，導致隨鉆測量儀器信號中斷。因此，將橡膠油囊結構設計為全金屬結構，可抗200 ℃以上高溫。在AT6井循環溫度175 ℃累計使用200 h工作穩定，但超過175 ℃儀器整體穩定性降低。

采取優化措施后，全井平均機械鉆速從前期1.15 m/h提高至8 m/h以上，鉆井周期從371 d(WX井)縮短至108 d(AT501井)，平均鉆井周期較前期已完井周期縮短50%。同時，采用簡易控壓技術防止井噴、氣漏等事故，在某AX井氣侵點火15次降低了井控風險。對煤層、炭質泥巖井段采取“進一退二、少打多劃、稠漿裹帶”等措施確保井下安全。

3 結論與建議

(1)通過優化鉆井設計、優選鉆具組合及鉆井參數、設計抗高溫鉆井液并采用簡易控壓設備等措施有效解決了前期鉆進過程中漏、噴、氣侵等復雜工況，同時降低了井眼軌跡控制難度，使得該區塊平均機械鉆速提高1～2倍，為整個華北潛山及至整個潛山提速提供了借鑒。

(2)定向工具整體抗高溫穩定性是目前無法突破的瓶頸技術，制約了該區塊超高溫水平井的規模性開發。

(3)下一步需要加強螺桿、隨鉆測量設備的整體抗高溫性及抗高溫隨鉆堵漏隨鉆測量脈沖發生器的研發力度，以適應更復雜的鉆井工況。