渤海油田火成巖發育區鉆井技術研究

霍宏博，張曉誠，李 進，李金澤，陳 卓

(1.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

目前，火成巖油氣田的勘探開發受到各大石油公司的重視[1-4]，但由于火成巖結構復雜、橫向變化劇烈，火成巖發育區受巖性影響鉆井期間坍塌掉塊、漏失、鉆具及測井儀器阻卡、鉆頭嚴重磨損等復雜現象時有發生[5-6]。

渤海油田的墾利區域、秦皇島區域、南堡區域、渤中區域、錦州區域等都存在不同程度的火成巖發育[7-9]。渤海A油田是我國開發的首個海上火成巖發育區油氣藏，已證實渤海A油田儲量豐富，但該區域發育火成巖，目前對火成巖發育區的海上油氣田開發毫無經驗，尚未形成對海上火成巖發育區鉆井技術的系統研究。

渤海A油田前3口探井鉆井期間，東營組和沙河街組火成巖地層易漏失，且機械鉆速低，通井、劃眼過程中發生大量火成巖掉塊，多種復雜情況影響了該區塊的勘探開發[10-11]，鉆頭磨損嚴重。

該研究通過對該區域火成巖巖樣的研究，明確復雜情況發生的機理，在此基礎上有針對性地解決鉆井難題，為后期該區域鉆井提供了有利的技術保證，降低了火成巖發育區鉆井復雜發生的概率，極大地提高了機械鉆速，也為今后海洋火成巖發育區油田的勘探開發積累了技術經驗。

1 火成巖區域鉆進復雜機理分析

火成巖發育是造成渤海A油田鉆井復雜頻發的主要原因，在前3口探井鉆井中，坍塌嚴重，火成巖掉塊最大尺寸達到60 mm×30 mm×10 mm，火成巖井段平均機械鉆速僅2.3 m/h。從火成巖形成、力學特性、礦物組分入手，通過實驗室研究分析復雜成因，用于指導火成巖鉆井技術優化。

1.1 火山噴發影響

渤海A油田區帶中部東營組火山活動強烈，廣泛發育火成巖；南部緩坡帶，溢流相火成巖連片分布，主要為中心式噴發[12]。該區域存在多期次火山活動，具有多層系發育，累計厚度大等特點，沙一、二段火山作用較弱，東營組火山作用較強。

受火山巖影響的巖性多樣，巖性的不同主要受火山噴發相態的影響，以中心式噴發火山為例，大致可分為通道相、溢流相、侵入相、噴出相等[13-14]。其中溢流相主要巖性為玄武巖，以層狀發育，溢流相巖漿結晶速度慢，巖性致密，可鉆性差；溢流相上部覆蓋有由火山灰沉積形成的凝灰巖、沉凝灰巖，以及凝灰質砂、泥巖。受單一火山噴發影響的區域，在地層中呈一定序列，中心式噴發示意圖如圖1所示。

圖1 中心式火山噴發示意圖

1.2 火成巖巖石力學特性

對渤海A油田29塊巖心進行了強度測試，其中單軸試驗18塊，三軸試驗11塊，得到地層單軸抗壓強度剖面，如圖2所示。

圖2 渤海A油田單軸抗壓強度

井壁取芯的實驗單軸抗壓強度及井壁掉塊的點載荷與計算單軸抗壓強度對比，吻合度較好?；鸪蓭r掉塊中凝灰巖巖、沉凝灰巖單軸抗壓強度低，玄武巖單軸抗壓強度高。

火成巖發育的東營組和沙河街組地層單軸抗壓強度波動劇烈，單軸抗壓強度為6～77 MPa，局部層位單軸抗壓強度較高。由測井資料計算巖石的可鉆性級值并根據尹洪錦教授提出的通用鉆速方程回歸巖石可鉆性級值，根據鉆井現場資料綜合分析火成巖發育地層巖石可鉆性波動大，尤其是玄武巖地層巖石可鉆性差。

由庫侖-摩爾強度準則計算火成巖地層的坍塌壓力[15]，計算出保持井壁穩定所需的鉆井液密度，并求得非均勻地應力作用下井壁產生拉伸破裂時的井內泥漿柱壓力[16]，即破裂壓力，得到渤海A油田三壓力剖面。該區域火成巖地層坍塌壓力偏高，破裂壓力低，鉆井液密度窗口較窄，尤其是凝灰巖、沉凝灰巖發育的地層，發生井壁失穩的風險增加。

1.3 火成巖水理特性

水化性能對井壁穩定影響較大[17]，對掉塊進行巖屑滾動回收實驗評價火成巖的水化特性，滾動回收率見表1。

表1 火成巖滾動回收率

沉凝灰巖巖屑滾動回收率最低為6.20%，低于實驗中泥巖的回收率，易于水化，實鉆時存在較大井壁失穩風險；凝灰巖、凝灰質泥巖巖屑回收率平均值為11.62%，低于實驗中泥巖的回收率，易于水化；玄武巖巖屑回收率為31.18%，高于泥巖、凝灰巖的回收率平均值，不容易水化。

火成巖的全巖礦物分析結果見表2。

表2 全巖含量

火成巖的黏土礦物分析結果見表3。

表3 黏土礦物含量

據此分析渤海A油田某井火成巖特性如下:①凝灰巖中的黏土含量較大，易發生水化作用；②凝灰巖、沉凝灰巖更容易引起井壁失穩問題，玄武巖失穩風險不大。凝灰巖、沉凝灰巖、玄武巖的特性差異是引起機械鉆速低、易漏失、易垮塌的原因。

2 火成巖區域鉆井技術研究

通過對渤海A油田前期3口探井的復雜原因分析，對后續幾口探井施工過程做出優化。

2.1 提速工具優化

渤海A油田勘探開發初期對地層不熟悉，第一口探井使用PDC鉆頭(G605K)，火成巖地層機械鉆速極低，鉆遇玄武巖或輝綠巖的機械鉆速僅1.2～2.4 m/h，鉆頭磨損嚴重。起鉆換新鉆頭機械鉆速仍未改善，后改用牙輪鉆頭鉆進，機械鉆速無改善，且切削齒磨損嚴重，如圖3所示。其原因主要在于火成巖地層單軸抗壓強度高，可鉆性差，PDC鉆頭切削齒難以吃入地層。

圖3 A1井出井牙輪、PDC鉆頭

通過技術調研，引入一體化復合沖擊器，該提速工具可將鉆井液流體動能轉化為鉆頭的脈沖沖擊，為鉆頭提供低幅高頻機械沖擊，通過改變破巖機理提高機械鉆速； 所選擇的鉆頭為6刀翼13 mm齒徑專用鉆頭，該鉆頭在后排設計錐形切削齒，可使載荷集中以增加鉆頭穩定性，減少鉆頭的有害振動，增加鉆頭壽命。在A4井的應用中，機械鉆速由1.4 m/h提高到2.7 m/h，效果明顯。提速工具配合專用PDC鉆頭解決了火成巖地層鉆頭早期破壞，出井鉆頭僅輕微磨損，如圖4所示。在實際應用中，同井段扭沖工具的機械鉆速較普通鉆頭提高78.9%～258%，單只鉆頭進尺達到724 m。

圖4 提速工具外形及鉆頭出井照片

2.2 鉆井液體系改進

該油田鉆探初期沿用渤海中深層常規的PEM鉆井液體系，但是探井鉆井過程中曾發生大量井壁垮塌掉塊現象， 如圖5所示。 振動篩返出的掉塊直徑最大達到13 cm，嚴重影響鉆井安全。原鉆井液體系的配方為[10]:3%海水搬土漿+0.2%氫氧化鈉+0.3%碳酸鈉+0.3%PAC-LV+0.5%包被劑PLH+2.0%降濾失劑RS+2.0%降濾失劑TEMP+2.0%封堵劑DYFT-Ⅱ+2.0%封堵劑LPF(W)+1.0%封堵劑EPF+3.0%聚合醇+5.0%氯化鉀+1.0%增黏劑XC+重晶石。原鉆井液體系主要缺點是對凝灰巖的水化膨脹作用的抑制性不夠，凝灰巖遇水強度降低，導致井壁失穩。

圖5 火成巖地層井壁坍塌掉塊

PEM鉆井液體系的實驗室研究優化思路為提高抑制性和防塌性，通過實驗室研究，對降濾失劑、封堵劑的單劑及復配后效果，并調整單劑加量研究防塌性和抑制性效果。

對SMPC，TEMP以及RS三種降濾失劑單劑的對比顯示，RS最有利于降低高溫高壓濾矢量，將該材料作為主要降濾失材料。3種降濾失材料復配結果顯示，2.0 %的RS復配2.0 %的TEMP后，濾失量由6.2 mL降至3.0 mL

包被抑制劑選擇了常用的KPAM,EPF,PAC-LV進行對比，實驗結果顯示加入單劑1.0% EPF抑制性最好，動切力由7.2 Pa提高至13.1 Pa，巖心膨脹率由16.2%降低至5.3%，最終選擇1.0% EPF作為抑制劑。

通過實驗室對PEM鉆井液體系的性能優化，最終形成了一套針對渤?；鸪蓭r地層的鉆井液體系，配方如下:3.0%海水搬土漿+0.2%氫氧化鈉+0.3%碳酸鈉+0.3%PAC-LV+1.0%包被劑EPF+2.0%降濾失劑RS+2.0%降濾失劑TEMP+2.0%封堵劑DYFT-Ⅱ+2.0%封堵劑LPF(W)+1.0%封堵劑EPF+3.0%聚合醇+5.0%氯化鉀+1.0%增黏劑XC+重晶石。

鉆井液體系優化有效緩解了地層孔隙壓力與漏失壓力當量密度窗口窄的難題，鉆進中鉆井液沿三壓力剖面下限鉆進，在保證安全的前提下做好儲層保護，有效提高了鉆速。

2.3 鉆井工序優化

鉆遇火成巖后顯著的另一個復雜情況為鉆具、測井工具電纜阻卡。渤海A油田前期探井開發時前三口探井鉆井中，發生了3次鉆具阻卡，2次電纜阻卡，其中一口井對測井儀器進行了穿心打撈，導致工時損失124 h，反映出井眼極不規則。前三口井中，鉆進過程中每800 m短起下一次，起鉆遇阻則倒劃眼起出。

受火山噴發及沉積影響，渤海A油田火成巖在地層剖面上存在多種巖性[18]，由于強度和易水化程度差異，含黏土礦物成分高的凝灰巖容易水化而造成擴徑，玄武巖地層由于其強度較高，井徑不會縮小，交錯分布的地層會導致井眼內形成臺階，引起起下鉆阻卡以及測井阻卡。短起下的頻率越低，則井壁受沖擊時間越長。倒劃眼過程中鉆具剮蹭臺階會加劇井壁失穩，導致井眼內臺階形成，因此必須提高短起下頻率，控制起鉆速度，降低倒劃眼的轉速。

在A4井鉆井中增加短程起下鉆，每500 m進行一次短起下鉆，及時破壞井壁鍵槽和臺階；短起下鉆井變徑部位通過火成巖井段時控制起鉆速度小于0.5 m/s，如需轉動鉆具控制低轉速，不超過25 r/min，防止由于鉆具磕碰引起井壁剝落垮塌；另外，杜絕長時間定點循環。鉆井參數優化使該井鉆井過程中未發生卡鉆具、卡電纜等事故，也減少了坍塌掉塊的發生。

3 現場應用

據統計，引入旋沖馬達后，平均機械鉆速較鄰井同層位大幅提高，在火成巖井段平均機械鉆速達到13.6 m/h，相比傳統的 “PDC+馬達”鉆具組合優勢明顯。

渤海A油田各井機械鉆速統計數據見表4。

表4 渤海A油田215.9 mm(8 in)井眼鉆速統計

Table 4 ROP of Bohai A Oilfield 215.9 mm(8 in)interveral

表4 渤海A油田215.9 mm(8 in)井眼鉆速統計

井名鉆頭個數井段長度/m純鉆時間/h平均機械鉆速/(m·h-1)1井3920.0120.87.62井4577.6152.03.83井2758.655.813.6

在該區域鉆井過程中優化鉆井參數，有效減少了起下鉆阻卡和電測阻卡的發生。對火成巖發育區鉆井技術進行改進提高了鉆井速度，鉆井液體系優化降低了鉆井過程中漏、塌等技術難題。該技術應用后鉆井周期大大縮短，由26.8 d縮短到20.6 d，縮短了23.01%。

4 結論

火成巖受火山噴出和沉積作用影響成分復雜，巖性多樣，因此顯示出不同的鉆井復雜成因。通過火成巖發育區鉆井技術研究，使鉆井機械鉆速提高78.9%～258%，縮短鉆井工期23.01%，效果顯著。后續作業中有以下建議。

1)火成巖地層鉆進應區分巖性[19-20]，快速通過火成巖發育地層，減少浸泡時間，降低井下復雜情況發生的概率。

2)通過對包被劑和降失水劑的調整，優化了PEM鉆井液體系在火成巖地層的適應性。1.0%包被劑EPF可有效控制巖心膨脹；PEM鉆井液體系復配2.0%的RS復配2.0%的TEMP后抗溫降失水材料可降低體系失水，減少復雜情況發生。

3)玄武巖地層研磨性強，鉆頭不易吃入地層，需從考慮改變破巖機理入手提高機械鉆速。