表開快鉆技術(shù)在西湖凹陷的應(yīng)用研究

邱 康，黃 召，李基偉，熊振宇，王 穎

（1. 中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120；2. 中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030）

西湖凹陷處于東海陸架盆地東部坳陷中北部，屬陸緣裂谷盆地，水深范圍80～120 m，主要勘探開發(fā)區(qū)域集中在保俶構(gòu)造帶、三潭深凹和中央背斜帶。隨著勘探開發(fā)的深入，勘探目標(biāo)由花港組下段及平湖組構(gòu)造圈閉，逐漸擴(kuò)展到平湖組、寶石組巖性及巖性-構(gòu)造復(fù)合圈閉[1-3]，鉆井深度越來越深，探井最大井深達(dá)到5 300 m，開發(fā)井最大井深7 296 m。西湖凹陷花港組以下壓力體系復(fù)雜，存在異常高壓[4-5]，井壁易垮塌[6-8]，作業(yè)成本高，降本增效需求迫切，急需要對原井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其中表層快速鉆井技術(shù)，通過優(yōu)化444.5 mm井眼最大鉆井深度，最大限度解放了下部各開次深度，為井身結(jié)構(gòu)簡化、優(yōu)化提供了空間；將444.5 mm井眼優(yōu)化為406.4 mm井眼，提高機(jī)械鉆速，有利于提高建井效率。“十二五”以來，表層鉆井深度不斷增加，表開井段鉆深由2011年的1 500 m左右發(fā)展到2019年的2 400 m，其中，2019年A9井表開鉆深最深為2 888 m，創(chuàng)下了歷年表層井段鉆深最深的紀(jì)錄。表層快鉆技術(shù)的核心是高機(jī)械鉆速，技術(shù)難點是如何確定表層最大鉆深，而這兩點互相關(guān)聯(lián)；只有高機(jī)械鉆速才能快速穿過表層松軟易垮塌井段，實現(xiàn)表開最大延伸，只有確定了表開最大允許鉆深，才能確保鉆井及固井安全。本文通過地層壓力特性與地層坍塌周期，確定西湖凹陷表開最大鉆探深度，同時結(jié)合已鉆井經(jīng)驗，確定表層井段合理的鉆井工藝參數(shù)，有效提高表開井段機(jī)械鉆速，從而形成了一套適用于西湖凹陷的表開快鉆技術(shù)，為東海西湖凹陷探井提速增效提供了技術(shù)支撐。

1 西湖凹陷表開最大鉆深確定依據(jù)

西湖凹陷表開通常采用444.5 mm或406.4 mm井眼，最大鉆井深度受到主客觀多方面因素影響。主觀因素包括：（1）地質(zhì)資料獲取要求，（2）鉆井平臺循環(huán)系統(tǒng)能力，（3）提速措施及機(jī)械鉆速；客觀因素包括：（1）地質(zhì)巖性條件及淺層氣分布情況，（2）儲集層深度，（3）地層壓力體系，（4）地層坍塌壓力及坍塌周期。

結(jié)合目前東海西湖凹陷實際地層情況（包括巖性、可鉆性、地層壓力）、油氣儲集層分布情況、鉆井平臺作業(yè)能力以及地質(zhì)資料獲取要求等，在較淺的柳浪組～龍井組沒有油氣條件下，實際決定表開井眼最大鉆井深度需滿足地層穩(wěn)定與裸眼安全作業(yè)時間兩個關(guān)鍵條件。

1.1 滿足地層穩(wěn)定的最大鉆深

由于采用開路鉆進(jìn)，鉆井液為海水，無法調(diào)整鉆井液密度和鉆井液防塌性能。井眼，特別是泥巖段，在力學(xué)和化學(xué)作用下易失穩(wěn)，并且有很明顯的時間效應(yīng)[9-12]。因此地層坍塌壓力不宜過高，在允許適度擴(kuò)徑的條件下，根據(jù)不同情況，原則上坍塌壓力當(dāng)量密度不宜超過1.1 g/cm3。

采用文獻(xiàn)[13]中保持井壁穩(wěn)定的坍塌壓力計算公式為：

保持表開井眼井壁穩(wěn)定的最大鉆井深度計算公式為：

式中：HC為保持表開地層穩(wěn)定的最大鉆井深度，m ；Pcra為最大允許坍塌壓力當(dāng)量密度，g/cm3。

1.2 滿足裸眼安全時間的最大鉆深

由于海水鉆井，鉆井液性能無法維護(hù)和保證，鉆井液幾乎沒有防塌性能，因此地層裸眼穩(wěn)定時間會很短，需要在安全裸眼時間內(nèi)完成鉆進(jìn)、循環(huán)墊漿、起鉆、下套管等作業(yè)，防止嚴(yán)重井壁垮塌導(dǎo)致起鉆、下套管遇阻。

采用文獻(xiàn)[14]中泥巖水化模型計算安全裸眼時間T，假設(shè)表層快速鉆井技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)綜合作業(yè)速度V（表開井眼新鉆進(jìn)尺/鉆開新地層至下339.7 mm套管結(jié)束的時間），可以得到基于地層裸眼穩(wěn)定時間最大鉆井深度：

2 西湖凹陷表開快鉆提速工藝技術(shù)

通過多年的摸索，西湖凹陷逐步形成了包括鉆頭、鉆具組合、鉆井液及鉆井參數(shù)等的表開提高機(jī)械鉆速的鉆井工藝。

2.1 鉆頭及鉆具組合優(yōu)選

西湖凹陷表開井眼可能鉆遇地層以稀松砂巖或軟泥巖為主，整體可鉆性較好，但三潭組、玉泉組含砂礫巖，且夾層較多，易造成鉆頭切削齒的沖擊性破壞。綜合考慮機(jī)械鉆速要求及鉆頭抗沖擊性，表開井眼優(yōu)選采用了6刀翼、19 mm切削齒、雙排齒PDC鉆頭，具有較強(qiáng)的抗沖擊性和攻擊性，能夠?qū)崿F(xiàn)表開井眼一趟鉆快速完成。

表開井段采用PDC+馬達(dá)鉆具組合：444.5 mm（406.4 mm）PDC鉆頭+244.5 mm馬達(dá)（0.75°）+196 mm鉆鋌1根+扶正器+鉆鋌+震擊器+加重鉆桿14根，為典型的鐘擺鉆具組合，具有較好的防斜打直的效果。在馬達(dá)選擇上，選用等壁厚馬達(dá)或者震蕩馬達(dá)。

2.2 鉆井液工藝技術(shù)

表層井段地層成巖性差，采用海水鉆進(jìn)的方式，易引起井壁失穩(wěn)，因此，表層作業(yè)的關(guān)鍵就是要快速鉆進(jìn)，盡量減少井眼浸泡時間，鉆達(dá)中完井深后，根據(jù)鉆遇層位巖性、水化分散情況，選取合理的密度快速墊稠漿，保持井眼穩(wěn)定。目前表層井段鉆井液采用海水+膨潤土漿，開鉆前按照以下配方：鉆井水+3 kg/m3NaOH+3 kg/m3Na2CO3+120 kg/m3膨潤土[15]。

鉆井液配置思路：

（1）開鉆前，配置預(yù)水化搬土漿（稠化時間需足夠，保證性能）。

（2）鉆進(jìn)中，每兩柱掃一次稠漿，每次10～15 m3稠漿，中完后掃30～50 m3稠般土漿循環(huán)，攜砂，鉆進(jìn)期間根據(jù)扭矩及泵壓變化調(diào)整掃漿次數(shù)及頻率。建議盡量采用大排量鉆進(jìn)，維持較高的環(huán)空返速，接立柱前上下多劃眼2～3次及時用稠膨潤土漿清掃井眼，提高泥漿攜巖能力和井眼凈化能力；起鉆前井底墊入合理密度的稠膨潤土漿。

（3）鉆進(jìn)至中完深度后用25 m3稠膨潤土漿清掃井眼，循環(huán)結(jié)束后，基于各井段坍塌壓力情況分段墊漿，井底墊較重的聚合物搬土漿（密度1.1～1.13 g/cm3，黏度大于100 mPa·s），隨著井深減小，逐漸降低聚合物搬土漿的密度，要求稠漿墊滿整個裸眼。

（4）若所鉆層位有不整合面，存在井漏風(fēng)險。如果井口出現(xiàn)失返，則可分幾次泵入稠般土漿；如若井口仍失返，則往稠膨潤土漿中加入10 kg/m3PF-SEAL和10 kg/m3PF-SZDL，視情況分幾次泵入地層，提高疏松地層的承壓能力。

2.3 鉆井參數(shù)

水力參數(shù)的優(yōu)化很關(guān)鍵，排量過小則鉆井液攜巖能力差，不能有效清潔井眼，機(jī)械鉆速降低，因此，需要合理確定排量，提高井眼清潔度，增加機(jī)械鉆速，原則上排量不小于4 500 L/min。

根據(jù)不同地層、井段、井徑及鉆頭類型，選擇合理的鉆壓取值范圍：采用鉆壓80～150 kN，采用復(fù)合鉆進(jìn)，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速以90～110 rpm為宜。

3 西湖凹陷X區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 X區(qū)塊表層快鉆最大鉆深

表開快鉆技術(shù)在西湖凹陷X區(qū)塊進(jìn)行了應(yīng)用。按照最大允許坍塌壓力1.05 g/cm3原則，武云亭構(gòu)造僅考慮滿足地層穩(wěn)定時，見圖1，表開井眼最大鉆井深度2 500～2 980 m之間，中完地層為龍井組；此深度以下地層坍塌壓力逐步升高，需要較高鉆井液密度、較好鉆井液性能維護(hù)井壁穩(wěn)定，已經(jīng)不適宜海水開路鉆進(jìn)。

圖1 X區(qū)塊部分已鉆井坍塌壓力Fig. 1 Collapse pressure of part of drilled wells in block X

按照1.2節(jié)的方法計算了表開井眼安全裸露時間，結(jié)果見圖2，按照不同擴(kuò)徑率看，安全裸眼時間為80～120 h，在安全裸眼時間通常不會發(fā)生嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。近三年表開井眼（444.5 mm或406.4 mm）進(jìn)尺和裸眼時間（裸眼時間為表開井眼鉆開新地層至下339.7 mm套管結(jié)束所用的時間），見表1，從統(tǒng)計結(jié)果來看，目前西湖凹陷表開井眼鉆井技術(shù)經(jīng)過不斷優(yōu)化，單位綜合作業(yè)時間內(nèi)進(jìn)尺已經(jīng)接近40 m/h，按照圖2計算時間下限，預(yù)留8 h安全余量，可以得出目前鉆井工藝技術(shù)下，安全最大鉆井深度為2 900 m。

圖2 X區(qū)塊表開井眼安全裸露時間Fig. 2 The safe exposure time of the surface drilling of block X

表1 X區(qū)塊表開井眼進(jìn)尺及綜合作業(yè)時間Table 1 Surface drilling footage and general operation time in block X

對比實鉆情況，見表2，X區(qū)塊表開井眼（444.5 mm或406.4 mm）實際鉆井深度均小于按照坍塌壓力計算的最大鉆井深度，已鉆井均未出現(xiàn)嚴(yán)重起下鉆、下套管遇阻問題，表明按照各標(biāo)準(zhǔn)確定的表開井眼最大鉆井深度有較好的參考價值。

表2 X區(qū)塊已鉆井各開次鉆井深度Table 2 Drilling depths of drilled wells in block X

3.2 X區(qū)塊表層快鉆技術(shù)應(yīng)用效果

X區(qū)塊四口已鉆井鉆具組合為：444.5 mm（406.4 mm）PDC鉆 頭+244.5 mm馬 達(dá)+196 mm鉆 鋌×1+444.5 mm扶 正 器+196 mm鉆 鋌×7+196 mm（撓性接頭+震擊器）+139.7 mm加重鉆桿。從A7井開始進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，444.5 mm井眼優(yōu)化為406.4 mm井眼。A7井與A8井表層所鉆井深相近，由表3可知，相比A7井444.5 mm井段的鉆進(jìn)速度，A8井406.4 mm井段的平均機(jī)械鉆速最高提高了65.72%，井眼尺寸的減小有效提高了機(jī)械鉆速。A9井表層鉆進(jìn)至2 888 m，創(chuàng)下東海表層井段鉆深最深的紀(jì)錄。

表3 X區(qū)塊已鉆井機(jī)械鉆速對比Table 3 Comparison of drilling speed in block X

統(tǒng)計A2井、A7井和A8井三口井鉆到A9井表層所鉆深度的平均機(jī)械鉆速情況，見圖3、表4。從圖中可以看出，表層井段通過優(yōu)化井眼尺寸與鉆深，提速效果明顯，A9井比A8井提高了20.23%，A9井比A2井提高了67.14%，純鉆時間最大節(jié)省了19.17 h。

圖3 X區(qū)塊各井表層井段鉆速情況對比Fig. 3 Comparison of drilling speed of surface intervals of each well in Block X

表4 X區(qū)塊表層鉆速情況分析Table 4 Analysis of surface drilling rate in block X

4 結(jié)論

本文建立了表開快鉆最大鉆深的計算方法，提出了包括提速工具、鉆井液等適用于西湖表開快鉆工藝技術(shù)，通過在X區(qū)塊的應(yīng)用表明：

（1）表開快速鉆井最大鉆井深度計算方法能夠為表開快鉆技術(shù)提供最大鉆深的設(shè)計依據(jù)；在實際施工過程中，最大鉆深不僅依賴于井壁穩(wěn)定所需的坍塌壓力和安全裸眼時間，也取決于綜合作業(yè)速度，在提高機(jī)械鉆速的同時，要做好現(xiàn)場操作工藝的優(yōu)化，提高非鉆進(jìn)時的時效。

（2）目前以鉆頭選型、防斜打直快速鉆井鉆具組合、鉆井參數(shù)、鉆井液等為核心的表層快速鉆井技術(shù)，有效地提高了西湖凹陷表層的建井效率，為井身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)造了空間，適用于西湖凹陷探井作業(yè)，并有較好的推廣價值。