渤中凹陷西南環(huán)深層探井鉆井難點(diǎn)與技術(shù)對策

許杰 竇蓬 林海 祝國偉

1.中海石油(中國)有限公司天津分公司；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗室

近年來，中深層油氣資源勘探成為重點(diǎn)方向，全球新發(fā)現(xiàn)油氣田不斷向深層、深水發(fā)展，近10年來，深層油氣資源在新增探明儲量中占主體地位，小于4 000 m、4 000～6 000 m和大于6 000 m的層系石油和天然氣探明儲量分別占新增探明儲量的33%、54%、13%和39%、40%、21%［1-2］。渤海油田渤中凹陷西南環(huán)勘探潛力巨大［3］，該區(qū)域中深層探井主要目的層位為潛山裂縫性氣藏，其地質(zhì)條件復(fù)雜，部分井段同一井眼需鉆穿2套及以上壓力系統(tǒng)，下部地層壓力窗口窄，漏、噴、塌、卡等復(fù)雜情況時有發(fā)生；中深部地層富含砂礫，東營組鉆遇火成巖，潛山地層發(fā)育花崗巖，巖石硬度大，可鉆性差，研磨性強(qiáng)，鉆頭壽命短，機(jī)械鉆速緩慢；裂縫性儲層高溫高壓條件對鉆井液耐溫性和儲層保護(hù)性能都提出了嚴(yán)格的要求；探井建井周期長，成本壓力巨大。以上因素限制了渤中區(qū)域中深層的高效勘探開發(fā)，為此筆者對渤中區(qū)域中深層探井的作業(yè)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對策略，在后續(xù)探井作業(yè)中進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1 鉆井難點(diǎn)

1.1 地層復(fù)雜多變

受渤海灣地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響地層破碎，渤中凹陷由新近系明化鎮(zhèn)組到古近系孔店組均有斷層發(fā)育［4］，對鉆井作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。渤中19-6已鉆探井平均單井鉆遇3個斷層，渤中19-6-X1井鉆探過程中發(fā)生失返性漏失，堵漏作業(yè)延誤鉆井工期；渤中19-6-X2井發(fā)生井漏后多次封堵無效，最終選擇側(cè)鉆；渤中22-2-X井鉆遇館陶組斷層，發(fā)生失返性漏失，降低密度后又出現(xiàn)井眼坍塌，反復(fù)處理無效后放棄主井眼。

受生烴作用及黏土礦物成巖影響［5］，渤中區(qū)域中深部地層發(fā)育異常高壓，高壓分布廣泛，起壓快，壓力臺階多，過渡帶不明顯。渤中凹陷區(qū)域內(nèi)沙河街組實(shí)測孔隙壓力當(dāng)量密度最高達(dá)1.70 g/cm3以上；BZ22-1-X井異常高低壓層在同一井眼內(nèi)，導(dǎo)致漏噴同現(xiàn)，處理難度大；CFD23-2-X井預(yù)測地層壓力當(dāng)量密度最高1.54 g/cm3，實(shí)鉆達(dá)到1.71 g/cm3，導(dǎo)致井身結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，存在井控風(fēng)險；潛山壓力成壓機(jī)理復(fù)雜且為非常壓地層，常規(guī)壓力預(yù)測理論計算精度差，實(shí)鉆過程中多次發(fā)生溢流進(jìn)行壓井。

以上作業(yè)難點(diǎn)帶來以下問題：(1)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計難度高，考慮封隔必封點(diǎn)后沒有備用井身結(jié)構(gòu)應(yīng)對復(fù)雜情況；(2)斷層封閉性及壓力系統(tǒng)的不確定性導(dǎo)致中完深度難以確定；(3)鉆井液密度安全窗口窄，難以兼顧平衡地層壓力和儲層保護(hù)；(4)鉆遇斷層漏失風(fēng)險高，發(fā)生漏失后堵漏難度大；(5)地層壓力識別困難，地層含氣量大，井控風(fēng)險高，壓井難度大。

1.2 深部地層可鉆性差

渤中凹陷巖性復(fù)雜多變，常鉆遇特殊巖性地層導(dǎo)致機(jī)械鉆速緩慢，在明下段鉆遇的塑性泥巖平均機(jī)械鉆速不足2 m/h；館陶組中下部鉆遇厚層砂礫巖，鉆頭磨損嚴(yán)重；東營組鉆遇火成巖，易垮塌、易漏失；孔店組鉆遇大套砂礫巖，抗壓實(shí)強(qiáng)度高達(dá)227.7 MPa，太古界潛山為致密花崗片麻巖，抗壓實(shí)強(qiáng)度高達(dá)276 MPa，可鉆性極差［6］。傳統(tǒng)的提速思路與相應(yīng)地層的匹配性不佳，導(dǎo)致各井段機(jī)械鉆速無法得到充分釋放(見圖1)，嚴(yán)重影響了本區(qū)域的鉆井效率。

圖1 渤中19區(qū)域機(jī)械鉆速統(tǒng)計Fig.1 Statistical ROP in Bozhong 19 area

1.3 軌跡控制與鉆井提速難度大

隨著井深增加，地質(zhì)構(gòu)造由簡單到復(fù)雜，鉆井難度不斷增加，特別是在大傾角、陡構(gòu)造、斷層發(fā)育、地應(yīng)力異常地層鉆直井成為了技術(shù)難題，常規(guī)探井為了控制井眼軌跡，常使用塔式鉆具組合、滿眼鉆具組合、鐘擺鉆具組合和高陡防斜鉆具組合(常規(guī)馬達(dá)+PDC鉆頭)進(jìn)行作業(yè)，在防斜糾斜作業(yè)時，通常使用輕壓吊打來保證打直，嚴(yán)重制約了破巖速度。

長期以來，渤海油田探井的主要鉆完目的層為淺層，缺少機(jī)會梳理出一套針對于中深層探井的鉆井提速提效技術(shù)體系，導(dǎo)致初期部分中深層探井作業(yè)時效偏低。2010年之后所鉆的10口中深層探井，平均完鉆井深4 094 m，平均鉆井工期64.5 d，平均生產(chǎn)時效僅為71%，渤中13-1-A3井生產(chǎn)時效僅為46%。因此，發(fā)展適合渤海中深層探井的防斜打快技術(shù)體系迫在眉睫。

1.4 井壁失穩(wěn)嚴(yán)重

渤中區(qū)域井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā)，主要表現(xiàn)為井壁坍塌，頻繁憋壓、阻卡、井漏［7］。上部井段坍塌主要由于軟泥巖較為發(fā)育，井徑擴(kuò)大現(xiàn)象較明顯。中深層巖性復(fù)雜，廣泛存在硬脆性泥頁巖，部分發(fā)育火成巖，此類地層存在裂縫、微裂縫，可鉆性差，鉆井液侵蝕后出現(xiàn)井壁坍塌，存在卡埋鉆具隱患。深部地層因高壓造成泥頁巖、火成巖和砂礫巖層段坍塌壓力高。大尺寸長裸眼段井壁失穩(wěn)導(dǎo)致鉆井起下鉆阻卡、倒劃眼困難等問題，鉆井過程中憋壓憋扭嚴(yán)重，也給電纜測井和下套管帶來了一定的風(fēng)險。

1.5 鉆井液性能要求高

渤中區(qū)域探井井底溫度最高可達(dá)200 ℃以上，常規(guī)鉆井液體系隨溫度升高流變性能惡化，黏度、觸變性能減弱，濾失量大幅度提高，將直接影響巖屑的懸浮與攜帶以及井壁穩(wěn)定。在鉆遇復(fù)雜地層時，如異常壓力地層、破碎地層、鹽膏巖等污染地層，要求鉆井液具有適當(dāng)?shù)拿芏瓤烧{(diào)整空間，有較好的抑制性和抗濾失性［8］。同時，潛山儲層的巖性、物性及孔喉結(jié)構(gòu)等基本特征與沉積層砂巖儲層特征有顯著區(qū)別，是典型的裂縫-孔隙型儲層，該類儲層傷害因素主要是固液侵入、應(yīng)力敏感性和水鎖傷害，除酸敏較為嚴(yán)重外，堿敏、鹽敏、水敏和速敏較弱［9］。因此要求鉆井液在具有抗高溫性能的同時也要兼顧儲層保護(hù)性能。

2 主要技術(shù)對策

2.1 非標(biāo)井身結(jié)構(gòu)方案

現(xiàn)階段，渤海油田的中深層探井一般采用直徑?508 mm+?339.7 mm+?224.48 mm+?177.8 mm的4層套管井身結(jié)構(gòu)［10-11］，采用?152.4 mm鉆頭鉆探潛山儲層后進(jìn)行裸眼測試。但是這種井身結(jié)構(gòu)沒有多余的套管層級，抵抗風(fēng)險能力較差，一旦出現(xiàn)復(fù)雜情況無法決定是否提前中完下入套管，往往導(dǎo)致情況進(jìn)一步復(fù)雜。隨著中深層勘探進(jìn)一步加深，高低壓層、斷層、分層測試，主動的、被動的必封層逐漸增多，這套井身結(jié)構(gòu)顯得捉襟見肘。因此，在渤海油田作業(yè)實(shí)際的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索了非標(biāo)井身結(jié)構(gòu)。其思路為：在確保滿足地層評價要求的基礎(chǔ)上，采用“非標(biāo)井眼+隨鉆擴(kuò)眼+非標(biāo)套管”的方法增加1層套管層級。

非標(biāo)井身結(jié)構(gòu)采用的鉆頭-套管程序如下：一開?762 mm井眼下?609.6 mm套管，二開?457.2 mm井眼下?406.4 mm套管，三開?371.48 mm井眼下?323.85 mm套管，四開?285.75 mm井眼下?224.48 mm套管，五開?215.9 mm井眼下?177.8 mm尾管，六開使用?152.4 mm井眼鉆探潛山。相較于常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，?371.48 mm井眼較?406.4 mm大尺寸井眼中完井深進(jìn)一步加深，降低了下部作業(yè)壓力；同時?406.4 mm和?285.75 mm井眼相較?406.4 mm和?311.15 mm井眼破巖的最小機(jī)械比能更小，機(jī)械鉆速更快。在滿足全井段多必封點(diǎn)需求的前提下，盡量縮短了建井周期。

2.2 高效破巖鉆頭及全井段提速技術(shù)

結(jié)合渤海油田渤中區(qū)域的工程地質(zhì)特點(diǎn)，認(rèn)為上部地層性質(zhì)相對單一，井段長，可鉆性較好，具備提速的基礎(chǔ)條件；而下部地層及目的層可鉆性較差，深井頻繁起下鉆嚴(yán)重耽誤工期。所以提速的主要思路為：上部井段選用攻擊性強(qiáng)的鉆頭，同時盡量釋放鉆具參數(shù)，提高機(jī)械鉆速；下部井段提高單趟鉆井進(jìn)尺，減少起下鉆次數(shù)，確保整個鉆井作業(yè)的整體效率。

在該思路的指導(dǎo)下，改進(jìn)了鉆井工藝技術(shù)，形成了一套渤海中深層探井全井段提速技術(shù)體系。簡述如下：?406.4 mm井段將常規(guī)的?244.48 mm馬達(dá)變?yōu)?285.75 mm大尺寸等壁厚馬達(dá)，本體剛性大幅提升，最大允許排量由4 000 L/min提升至5 000 L/min，保障了攜巖效果，馬達(dá)頭數(shù)由3∶4變?yōu)?∶8再變?yōu)?∶6，在轉(zhuǎn)速和輸出扭矩上取得良好平衡，輸出扭矩由10 kN · m提升至18 kN · m［12］，區(qū)域內(nèi)最高機(jī)械鉆速可達(dá)100 m/h以上；?311.15 mm井段使用PowerV+Vortex的垂直導(dǎo)向鉆井技術(shù)，由傳統(tǒng)的控制參數(shù)輕壓吊打轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艆?shù)快速鉆進(jìn)，可用鉆壓極限從60 kN提升至80～120 kN，破巖效率顯著增長［13］，該井段最高平均機(jī)械鉆速可達(dá)40 m/h以上，?215.9 mm井段采用復(fù)合沖擊器與專用PDC鉆頭一體化設(shè)計的新型提速工具［14］，將鉆井液水力能量轉(zhuǎn)化為高頻的周向沖擊和軸向沖擊，破巖效率得到提升，機(jī)械鉆速提升至20 m/h以上，單趟進(jìn)尺最多可達(dá)1 200 m以上；?152.4 mm井段選用扭轉(zhuǎn)沖擊工具［15-17］，給鉆頭增加周向上的高頻沖擊力，使鉆頭和井底能始終保持連續(xù)的高頻切削，大幅度提高剪切效率，消除黏滑現(xiàn)象，延長了鉆頭壽命，提升了潛山硬地層的機(jī)械鉆速。

針對館陶組底砂礫巖易崩齒，東營組、沙河街組地層灰?guī)r含量高導(dǎo)致的鉆頭破巖效率低、鉆頭壽命短的缺陷，根據(jù)地層巖石力學(xué)參數(shù)和鉆井參數(shù)、鉆頭磨損、地層巖性等因素相配合［18-19］，選用新型3D鉆頭齒，金剛石片厚度提高30%以上，熱穩(wěn)定性和抗研磨性能顯著提高，特殊的金剛石層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了鉆頭齒抗沖擊性能，減少了崩齒情況發(fā)生；針對潛山花崗巖地層選用攻擊性較強(qiáng)的忍者齒，通過“楔入”地層使巖石產(chǎn)生體積破碎，提高破巖效率，鉆頭齒采用4象限受力模式，抗沖擊性較常規(guī)復(fù)合片提高80%，通過優(yōu)化內(nèi)排齒間距及水力結(jié)構(gòu)，降低了鉆頭掏心的發(fā)生概率(見圖2)。進(jìn)一步根據(jù)大數(shù)據(jù)思維建立中深層機(jī)械鉆速預(yù)測模型對鉆頭破巖效果開展評價［20］，持續(xù)優(yōu)選破巖鉆具，兼顧破巖效率和鉆頭壽命，達(dá)到全井建井效率最大化的目的。

圖2 潛山段鉆頭持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化Fig.2 Continuous improvement and optimization of the bit for drilling buried hills

2.3 抗高溫?zé)o固相鉆井液體系

針對潛山地層儲層保護(hù)難度大、鉆井液抗高溫性能要求高的特點(diǎn)，研發(fā)出一套抗溫?zé)o固相甲酸鹽鉆井液體系［21］，并且通過對配方的持續(xù)改進(jìn)，將體系的抗溫極限提升至200 ℃以上。該體系主要是由高分子聚合物、甲酸鹽及其他化學(xué)處理劑構(gòu)成。采用甲酸鉀鹽水作為基液，最高加重極限可達(dá)1.54 g/cm3，滿足潛山鉆進(jìn)及井控密度要求。通過鉀離子交換和鑲嵌，削弱了黏土水化膨脹能力，進(jìn)一步提高了井壁穩(wěn)定性。

面對渤中19-6區(qū)域井底高溫對鉆井液性能挑戰(zhàn)，研發(fā)了抗高溫增黏提切劑HT-A，與現(xiàn)有的PFPAC和PF-XC-H相比，HT-A抗溫性能可達(dá)200 ℃以上，可以滿足高溫條件下黏土顆粒在膠體體系中的穩(wěn)定性。同時，為使無固相甲酸鹽鉆井液體系在高溫條件下具有良好的流變性能，通過長鏈磺酸、疏水單體、纖維和交聯(lián)劑共聚反應(yīng)研制成抗高溫流型調(diào)節(jié)劑HT-B，與現(xiàn)有的PF-VIS或者PF-VIF常規(guī)提黏劑相比，抗高溫性能可以達(dá)到200 ℃以上，滿足高溫條件下鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性和攜巖能力。基礎(chǔ)配方為：海水+0.2%燒堿+0.3%純堿+1.5%HTA+1.5%HT-B+1%UHIB聚胺+HCOOK(加重)

開展室內(nèi)評價性實(shí)驗，測定180、190、200 ℃下體系基礎(chǔ)性能如表1所示，可看出與老化前鉆井液各項基礎(chǔ)指標(biāo)對比，體系在測定溫度下高溫老化16 h后，YP值穩(wěn)定在10～11 Pa，F(xiàn)LAPI穩(wěn)定在4.2～4.4 mL，性能變化較小，實(shí)驗結(jié)果表明該體系封堵性能好。

180 ℃下熱滾24、48和72 h后流變性能見表2，可以看出，48 h能夠基本保持較穩(wěn)定狀態(tài)，超過72 h后，出現(xiàn)部分破膠，黏度略有降低。一方面，鉆井過程中可通過補(bǔ)充抗溫材料以保持體系的穩(wěn)定性；另一方面，當(dāng)作業(yè)結(jié)束后，鉆井液在井底靜止時會隨時間延長而逐漸自動破膠，裸眼完井可不進(jìn)行人為破膠，儲層保護(hù)效果更好。

采用巖屑熱滾回收率和頁巖膨脹率作為性能指標(biāo)評價其抑制性能，從表3實(shí)驗結(jié)果可知，巖屑滾動回收率為92.5%，頁巖膨脹率僅為7.3 %，說明鉆井液能夠較好抑制潛山巖屑和井壁水化分散、膨脹，有利于穩(wěn)定井壁和保護(hù)儲層。

表1 鉆井液體系在不同溫度下老化性能對比Table 1 Aging performance comparison of drilling fluid system under different temperatures

表2 鉆井液體系高溫老化實(shí)驗結(jié)果Table 2 High-temperature aging experimental results of drilling fluid system

動態(tài)污染實(shí)驗評價了抗高溫?zé)o固相鉆井液滲透率恢復(fù)值，由表4可以看出，巖心污染后滲透率恢復(fù)值高達(dá)88.33%，切片后滲透率恢復(fù)值達(dá)93.33%，體系對低孔低滲儲層具有很好的油氣層保護(hù)效果。添加聚胺UHIB后界面張力由26.84 mN/m降低至2.61 mN/m (降低90%以上)，水鎖傷害低。

表3 鉆井液體系抑制性評價Table 3 Inhibition evaluation of drilling fluid system

表4 巖心滲透率恢復(fù)值實(shí)驗結(jié)果Table 4 Experimental results of core permeability recovery

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，不斷地對配方持續(xù)改進(jìn)，優(yōu)化添加劑的性能，現(xiàn)有配方已經(jīng)能滿足200 ℃以上溫度條件下的7 d以上的穩(wěn)定時間。改進(jìn)后的配方為：0.3%NaOH+0.3%Na2CO3+0.5%DFL200 (提黏劑)+1%DFL180 (降濾失劑)+1%PF-SATRO-1 (防水鎖劑)+HCOOK。

2.4 精細(xì)壓力控制鉆井技術(shù)

由于潛山地層壓力的不確定性，鉆井液密度難以選擇：若選擇高密度鉆井液，可以保障地層流體不侵入井筒內(nèi)，但不利于發(fā)現(xiàn)油氣層甚至存在傷害儲層的風(fēng)險；若使用低密度鉆井液，一旦鉆遇高壓氣層，井底壓力無法維持平衡，面臨小井眼處理井控難題［22］。控壓鉆井通過維持井底壓力相對恒定，減少井底壓力波動，使鉆井作業(yè)安全地通過窄密度窗口地層，可通過調(diào)節(jié)井口回壓維持井底壓力等于或略大于地層壓力，保證鉆井作業(yè)安全、高效［23］。

潛山鉆井期間壓力控制鉆井的思路為：采用低密度儲層鉆開液，實(shí)時監(jiān)控井口回壓，持續(xù)采集數(shù)據(jù)對全井段環(huán)空ECD進(jìn)行實(shí)時模擬，通過井口回壓微調(diào)，補(bǔ)償環(huán)空循環(huán)壓耗的變化，始終保持在較小的工作窗口范圍內(nèi)。鉆進(jìn)期間實(shí)時監(jiān)測進(jìn)出口流量差，純液態(tài)流體精度在0.1 L/s之內(nèi)，滿足實(shí)時對井底壓力的控制。應(yīng)用壓力控制鉆井技術(shù)，可有效減少儲層傷害，提高勘探評價精度，提高機(jī)械鉆速，有效降低了潛山井漏、壓差卡鉆等風(fēng)險。

3 應(yīng)用效果

通過以上技術(shù)在BZ19某區(qū)域評價井的應(yīng)用，形成了一套與地層特性相匹配的鉆井提速工藝技術(shù)體系，鉆井提速獲重大突破(見圖3)。2019年與2017年相比，?406.4 mm井眼平均機(jī)械鉆速從27.88 m/h提高至84.89 m/h，提高了204%；?311.15 mm井眼平均機(jī)械鉆速從15.95 m/h提高至28.26 m/h，提高了77.18%；?215.9 mm井眼平均機(jī)械鉆速從7.08 m/h提高至11.99 m/h，提高了69.35%；?152.4 mm井眼潛山地層機(jī)械鉆速提高80.7%。作業(yè)效率大幅提升，作業(yè)周期大幅縮短，有效地降低了渤海油田深層勘探開發(fā)成本。

圖3 渤中區(qū)域各井段機(jī)械鉆速對比Fig.3 ROP comparison between different hole sections in Bozhong area

在儲層評價方面，測試結(jié)果顯示儲層表皮因數(shù)小于0，表明自主研發(fā)的鉆井液體系具有良好的作業(yè)性能，儲層保護(hù)效果良好，最終順利求取地層真實(shí)產(chǎn)能，成功評價了BZ19構(gòu)造。文中提出的應(yīng)對策略為該類型油氣田快速評價及經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)提供了重要參考。

4 結(jié)論與建議

(1)渤中凹陷西南環(huán)區(qū)域復(fù)雜的工程地質(zhì)條件是造成鉆井困難的主要原因，歸納該區(qū)域地層主要特點(diǎn)為：深層高溫，地層壓力復(fù)雜，巖石可鉆性差，井壁失穩(wěn)，裂縫性儲層。常規(guī)技術(shù)手段不再適用，必須開展創(chuàng)新技術(shù)攻關(guān)突破鉆井技術(shù)瓶頸。

(2)渤中區(qū)域探井作業(yè)取得以下認(rèn)識：地層三壓力的準(zhǔn)確預(yù)測是整個鉆井作業(yè)重要基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上嘗試開展的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化可有效縮短鉆井工期；根據(jù)不同井段的地層特點(diǎn)，以“以我為主，一段一策，個性定制，全井提速”為指導(dǎo)思想的鉆井工具工藝改進(jìn)是提高機(jī)械鉆速的重要方法；采用的“改進(jìn)配方，嚴(yán)格儲保，低密壓控，高效評價”策略是有效保障井控安全和油氣發(fā)現(xiàn)的有效手段。

(3)建議進(jìn)一步開展井筒“瘦身”研究，儲備非標(biāo)準(zhǔn)尺寸井身結(jié)構(gòu)技術(shù)。同時對鉆頭、提速工具、鉆井參數(shù)之間的配合關(guān)系進(jìn)行研究。