油田垂直鉆井技術受限因素評價

連世鑫 楊軍義 馬 英 王穎慧

中石化西北油田分公司石油工程監督中心 新疆巴州 841600

某油田（以下稱XX 油田）自2014 年投入勘探開發以來，中下部地層由于受砂泥巖不等厚互層、地層傾角等因素影響，井斜控制難度相對較大，尤其是O3s 采用單彎螺桿+PDC 鉆進普遍井斜出現超設計現象，吊打、定向糾斜效果不佳。2020 年先后在Y1（順北53- 1H）井、X3（順北41X）井試驗斯倫貝謝Power- V 垂直鉆井技術：Y1 井在S1t 層位使用PDC+1.25°單彎螺桿鉆進過程中，井斜出現抬頭趨勢，使用PDC+ 扭沖+Power- V+ 扶正器組合，鉆進過程中頻繁憋停，后通過短起修整井壁、稠漿段塞攜帶掉塊未得改善結束試驗，共計進尺33.5m，機械鉆速1.86m/ h；X3 井使用PDC+1.25°單彎螺桿進入桑塔木組井斜開始上漲，起鉆更換PDC+Power- V+ 欠尺寸扶正器鉆具組合，共計施工2 趟鉆，完成進尺1249m，機械鉆速達到5.47m/ h，實現了防斜打快，自此拉開了XX 油田O3s 組垂直鉆井防斜打快技術推廣應用的序幕，目前在該油田多個條帶已經成為成熟鉆井工藝，但在個別條帶、成熟條帶個別井中應用過程中依然存在受限因素，導致無法提速、甚至降速。

XX 油田桑塔木垂直鉆井技術主要采用兩種井身結構，若預測桑塔木組未發育輝綠巖侵入體，則三開采用石炭- 桑塔木組長裸眼結構，若預測桑塔木發育輝綠巖，則三開采用專打專封結構，結構圖見圖1。

圖1 專打專封結構

1 地層穩定性對垂直鉆井技術的影響

針對第一種井身結構，鉆遇地層從上到下跨越石炭系至奧陶系上統桑塔木組，該段地層受家里東、海西運動在志留系、桑塔木組發育不同程度的雁列正斷層[1]，目前結合鄰井資料、地震資料等，井口已避開主干斷裂帶，但受構造影響，該段地層發育不同程度的微裂縫，國內張健根據摩爾庫倫準則及試驗推出了超深裂縫坍塌壓力指數表達式[2]。

鉆進過程中由于正壓差作用，導致鉆井液進入微裂縫導致不同程度漏失，同時濾液在尖劈效應近井周微裂縫中傳導，同時前期地層認識不足，鉆井液KCl 加量不足，鉆井液抑制性能無法與地層配伍，兩者共同作用破壞地層應力平衡，坍塌壓力指數大于0，導致不同程度掉塊垮塌。部分井隨著鉆進井眼繼續延伸下部柯坪塔格組，鉆遇出水，壓力窗口變窄，鉆井液失水難以保證或高壓鹽水倒灌上部裂縫發育層，加劇尖劈效應、鉆井液抑制性破壞加重垮塌，導致垂直鉆井工藝中途頻繁憋停、下鉆遇阻大段劃眼，垂直鉆井由于其較強的剛性，扭矩波動量變大，出現憋停，打鉆連續性降低。

XX53- 1 井在6155- 6188.5 井段使用PDC+ 扭沖+Power- V+ 扶正器鉆具組合，鉆進過程中頻繁憋停，6162m 之后返出巖屑見棱角狀掉塊。進尺33.5m 后無法正常鉆進起鉆，更換單彎螺桿+PDC 恢復正常鉆進。分析測井井徑數據，該段井徑平均擴大率18.7%，xx53- 1 井井徑數據變化見圖2。

圖2 XX53- 1 井井徑數據變化

XX- 43X 井鉆至桑塔木組6538m 井斜↑5.95°起鉆，起鉆過程在志留系遇阻大段倒劃，偶現憋停，更換垂鉆后下鉆至井深4498m 遇阻劃眼，劃眼至4625m，劃眼扭矩波動大、頻繁憋停頂驅，后倒劃起鉆更換鉆具組合，本井垂直鉆井未行程進尺。分析測井井徑數據，劃眼井段井徑擴大率20.94%，且存在多段大肚子井段。XX- 43X 井井徑數據變化見圖3。

圖3 XX- 43X井井徑數據變化

通過分析上述兩個案例，鉆進期間返出掉塊通過錄井分析無填充礦物，井眼成形后，鉆進過程中正壓差作用、起下鉆抽吸和激動壓力等綜合影響導致志留系裂縫段應力平衡改變，地層不斷垮塌，形成大肚子井眼，導致強剛性垂直鉆井工具無法正常應用。

2 特殊巖性及其厚度對垂鉆技術的影響

輝綠巖主要有基性斜長石和輝石組成[3]，元素錄井數據顯示XX 油田輝綠巖二氧化硅含量一般在50%～55%，現場實鉆掉塊分析輝綠巖硬度極高，測試其強度范圍為500～1900MPa[4]，基于此輝綠巖研磨性強，研磨性指數Af可以用如下公式求取[4]，研磨性指數與硅質含量VSd 成正相關。

此外輝綠巖由于其成巖環境，導致其微裂縫十分發育，導致其整體結構強度低于其基巖強度，形成了其獨特的非均質性結構，微裂縫發育對輝綠巖坍塌的作用機理可用弱面理論準則進行表述[6]。當鉆孔形成后，由于井周應力平衡破壞和鉆井液濾液侵入雙重作用，形成水滑剝落，導致垂直鉆進過程中鉆頭前期或中期磨損嚴重、垂直鉆井工具推靠翼磨損或脫落。

2.1 輝綠巖對鉆頭壽命的影響

輝綠巖對鉆頭壽命的影響如表1 所示。通過對比6 口井施工情況，前3 口井鉆遇高純度厚層輝綠巖，垂直鉆井工藝PDC 鉆遇輝綠巖厚鉆時明顯升高，起出鉆頭壽命中期磨損、崩齒嚴重，限制了垂直鉆井技術提速受限。前兩口井鉆井穿輝綠巖期間由于密度高、轉速低，垂直鉆進工藝鉆進期間扭矩相對平穩，鉆頭磨損主要以磨損為主；第3 口井鉆進期間鉆井液密度低無法平衡輝綠巖坍塌掉塊，加之轉速較高鉆進期間扭矩波動較大，導致鉆頭崩齒、磨損均有體現。

表1 輝綠巖對鉆頭壽命的影響

前3 口井與第4 口井對比，鉆頭壽命中期，雖然鉆遇高純度輝綠巖，鑒于其厚度較薄，尚未對鉆頭產生損傷便鉆穿，因此薄層高純度輝綠巖對鉆進鉆頭無明顯破壞。

低純度輝綠巖基本對鉆頭損傷無影響，鉆遇后鉆時稍微有抬升趨勢，但鉆穿后鉆時恢復正常。

2.2 輝綠巖對垂直鉆井工具的損傷

目前XX 油田普遍使用PDC+Power- V+ 螺桿+ 欠尺寸扶正器，鉆具剛性較強，以241.3mm 井眼為例，近鉆頭鉆具組合如下：241.3mmPDC+185mmPower- V（推靠臂收縮狀態235mm）+185mm 螺桿（帶236mm 扶正器）+浮閥+ 坐鍵接頭+177.8mm 無磁鉆鋌+ 限流短節+238mm 扶正器，對比241.3mm 井眼鐘擺鉆具241.3mmPDC+197mm 螺桿+ 單流閥+177.8mm 無磁鉆鋌×1 根+MWD 懸掛短節+238mm 扶正器，垂直鉆井工具剛性明顯增強。

3 結語

在微裂縫發育層段、壓力窗口相窄的裸眼井段，當前鉆井液技術無法解決失穩的層位，失穩掉塊將產生頻繁憋跳，嚴重影響鉆進效率，不推薦使用垂鉆工具防斜或糾斜，建議使用單彎螺桿、配合優選參數防斜、糾斜。垂直鉆井工具組合剛性相對較強，組下前充分處理裸眼段，防止大段劃眼影響垂直鉆井工具降斜性能。大段高純度輝綠巖研磨性強，且易失穩掉塊，使用垂直鉆井工具組合卡鉆風險較高，建議依據實鉆鄰井、設計預測厚度優化工藝，鉆進過程中密切關注工程參數和返出巖性，確認鉆遇輝綠巖最好起鉆簡化鉆具組合過渡，預防卡鉆影響。優化鉆井液防塌性能，提高防塌能力，為垂直鉆井工具順利施工創造良好井筒環境。