華北油田楊稅務潛山優快鉆井技術研究

范永濤，孟振期，鄧鳳義，錢 鋒，崔樹清，李 萍

（1.中國石油集團測井有限公司測井技術研究院，北京 102206；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津 300457；3.中國石油集團長城鉆探工程有限公司，北京 100101；4.中國石油國際勘探開發有限公司，北京 100034；5.中國石油天然氣集團華北油田分公司，河北 任丘 062550）

華北油田楊稅務潛山巖性復雜，沙三下、沙四—孔店組含雜色礫巖、玄武巖，可鉆性差，機械鉆速低、單只鉆頭進尺少，3500m以下井段平均機械鉆速在1m/h以下[1-3]；沙四段地層含膏泥巖，垮塌漏失并存；孔店組地層含雜色礫巖，巖石強度低，易吸水膨脹和掉塊造成事故復雜；石炭—二疊系地層含煤層易漏失；潛山地層縫洞發育易導致井漏等事故復雜[4]。前期鉆井楊稅務潛山沙四、石炭—二疊及奧陶系地層均發生了漏失，其中WG 2 井發生四次漏失，漏失量高達820 余方，嚴重影響了鉆井安全，降低了鉆井效率。

因此，本文從井身結構[5]、個性化鉆頭[6-8]、提速工具[9-10]、防漏堵漏[4]技術方面出發，開展了優快鉆井技術攻關與現場試驗，以期解決楊稅務潛山目前存在的鉆井難點，加快勘探開發進程。

1 地質特點及鉆井難點

1.1 地質特點

楊稅務潛山位于廊固凹陷河西務構造帶，鉆遇地層自上而下：平原組、明化鎮組、館陶組、東營組、沙河街組、孔店組、石炭—二疊系、奧陶系。其主要特征為：①巖性復雜。明化鎮組含雜色砂礫巖、含礫砂巖，館陶組含雜色礫巖，東營組含泥巖、砂巖，沙一、沙二段主要為泥巖、砂巖，沙三段上部有含礫砂巖、中部見玄武巖，沙四段含玄武巖、雜色礫巖、含膏泥巖，孔店組含雜色礫巖偶夾泥巖，石炭—二疊系含煤層，奧陶系含灰巖、白云巖，并且不同地層之間含有多種過渡性巖石；②井深、井底溫度高。前期楊稅務潛山有探井WG 1 井、WG 2 井和WG 4 井，地溫梯度大于3℃/100m，井深均超過5000m，井底溫度大于170℃；③沙二、沙三段地層壓實程度高，物性差，地層滲透率約0.02mD，孔隙度約4%；④奧陶系地層裂縫發育。

1.2 鉆井難點

（1）明化鎮組、東營組地層成巖性差、膠結疏松，井眼尺寸大，攜砂困難易造成鉆頭泥包和縮徑卡鉆。

（2）沙二段地層存在異常高壓，館陶組地層含雜色礫巖易發生漏失。

（3）沙三段含玄武巖，沙四段+孔店—石炭二疊地層孔隙壓力、坍塌壓力較高（沙四段地層孔隙壓力系數預測最高1.29），含灰色含礫砂巖、玄武巖及黑色煤層、含膏泥巖等復雜巖性，厚度不均，硬度大、研磨性強，機械鉆速慢，易發生漏失、掉塊、垮塌、易卡等。

（4）奧陶系地層裂縫發育，易導致井漏等事故復雜；井底溫度高，對定向儀器及鉆井液抗溫性能要求高。

2 優快鉆井技術

2.1 井身結構優化

楊稅務潛山井WG 1 井1986 年6 月8 日開鉆；WG 2井1999年9月9日開鉆；WG 4井2010年12月15日開鉆。三口井均采用四開井身結構，一開?444.5mm鉆頭，鉆深400～1205m；二開?311.2mm 鉆頭鉆至沙四頂，?244.5mm 套管坐入沙四上地層；三開采用?215.9mm 鉆頭鉆至奧陶系3～5m，?177.8mm 套管坐入奧陶系2～3m；四開采用?152.4mm 鉆頭鉆奧陶系，裸眼或套管完井。

以上3口井的井身結構存在的難點有：①在不同開次，不同工況下均發生了漏失：WG 2井、WG 4井三開、四開發生漏失；WG 1 井二開漏失，在四開發生井涌復雜情況；WG 1井二開固井過程中發生漏失、WG 4井三開下套管漏失。漏失主要原因為地層巖性復雜，漏失類型主要有砂巖、礫巖孔隙型漏失，玄武巖、泥巖裂縫型漏失，奧陶系灰巖裂縫型漏失；漏失地層承壓能力低，未能滿足下套管、固井的承壓能力要求。②井壁穩定問題突出：WG 1 井、WG 2 井三開井段垮塌嚴重；③井控風險較大，WG 1井在四開發生溢流、井噴；④沙四段的巖石可鉆性差，機械鉆速低。

根據已鉆井的井身結構，楊稅務潛山推薦使用四開井身結構，主要優化之處為：①二開選用?311.1mm鉆頭鉆進，將原來井身結構的鉆進至沙四上地層改為鉆進至沙四段約500m，下入?244.5mm套管坐入沙四，這樣可以提高上部地層承壓能力，同時縮短三開裸眼段長度；②四開選用?152.4mm鉆頭鉆奧陶系目的層，實現潛山專打，以減少復雜及保護油氣層，下入?114.3mm套管封固目的層，有利于后期酸壓改造作業。

2.2 個性化鉆頭優選

2.2.1 巖石力學實驗分析

（1）巖石力學實驗條件。室內巖石力學三軸強度實驗裝置由高溫高壓三軸室、圍壓加壓系統軸向加壓系統、加溫恒溫系統以及數據采集控制系統等五個主要部分組成。設備參數分別為圍壓140MPa、孔壓140MPa、溫度200℃、軸向壓力1500kN，測試項目有彈性模量、泊松比、抗壓強度等。

（2）巖石力學參數室內實驗結果及分析。由表1可知，下第三系地層抗壓強度值不高，適于PDC 鉆頭鉆進，沙四段含特殊巖性地層井段采用牙輪鉆頭鉆進。奧陶系地層在選用PDC鉆頭的基礎上，備用牙輪鉆頭鉆進可能遇到的玄武巖、礫巖等。

表1 復雜層段巖芯力學參數測試結果

2.2.2 鄰井鉆頭使用情況分析

WG 4 井三開沙四中部含有玄武巖、凝灰巖、含礫砂巖特殊巖性，可鉆性差，導致鉆頭使用數量達22 只；其中9只PDC，平均進尺99.9m，平均機械鉆速2.02m/h；13只牙輪鉆頭，平均進尺48.9m，平均機械鉆速1.14m/h；PDC 鉆頭指標較好的是TH1364L 鉆頭(3739～4348m)，進尺609m，機械鉆速2.54m/h，在砂泥巖井段使用。

WG 4井四開巖性以灰巖為主夾白云巖，使用效果較好的TH1365A 鉆頭，進尺277.35m，機械鉆速2.58m/h。

2.2.3 形成個性化鉆頭優選序列

明化鎮組、東營組地層：明化鎮組、東營組以上地層松軟可鉆性較好，使用HAT127鉆頭或PDC 鉆頭較為合適，一般使用PDC 鉆頭。調研鄰井中，鉆頭多為19mm復合片，四刀翼，后傾角10°～13°之間。上部地層鉆速較快，對于泥巖地層泥漿處理不及時易造成鉆頭泥包。針對該問題需要優化水力設計，采用鋼體設計，增大排屑槽，使鉆頭水力及井底流場更加合理，提高切削齒冷卻及排屑效率。

沙河街組、石炭二疊系地層：沙河街組至石炭二疊系地層相對較硬，有軟硬交錯地層，使用5 刀翼16mm齒PDC 鉆頭，有效提高機械鉆速；沙四段下部地層含玄武巖、凝灰巖；孔店組地層含砂礫巖、礫巖，地層可鉆性差，對PDC鉆頭磨損很高，推薦使用布齒密度高，穿夾層能力強的PDC鉆頭或牙輪鉆頭。

奧陶系地層：優選進口抗研磨性及抗沖擊性俱佳的切削齒PDC鉆頭。

通過對二開、三開、四開井段進行了鉆頭優選，確定了楊稅務潛山鉆頭優選序列(見表2)。

表2 楊稅務潛山鉆頭優選序列

2.3 提速工具優選

旋扭沖擊器屬于高頻扭轉沖擊鉆井工具。在鉆進過程中，能提供高頻的（750～1500 次/min)、周期性的機械沖擊力（約2kN），類似于周向的沖擊鉆，降低粘滑效應。該工具結構簡單、工作安全可靠、安裝使用方便，能滿足匹配鉆頭的使用時間；延長鉆頭的使用壽命；不影響MWD的信號傳輸，可與MWD配合使用；工具內部無橡膠活動部件，抗高溫性能強，最高可適應200℃溫度；可以消除PDC 鉆頭在深井、超深井難鉆地層粘滑問題。

依據楊稅務潛山的地層可鉆性及地層溫度情況，結合旋扭沖擊器的性能特點，推薦旋扭沖擊器在三開穩斜段使用，同時配合優選的PDC 鉆頭，以期實現保護鉆頭，提高機械鉆速的效果。

2.4 防漏堵漏方案設計

楊稅務潛山3口井均發生了漏失，漏層井段巖性復雜，承壓能力低，漏失風險高，特別在四開井段主要目的層漏失時，儲層保護難度大，防止堵漏材料對儲層造成污染，針對這些特點，制定了楊稅務潛山防漏堵漏方案。

（1）三開井段防漏措施。使用強抑制性的復合鹽鉆井液體系；針對沙四—孔店、石炭—二疊特殊巖性段漏失，滿足攜巖前提下盡可能控制粘度，避免激動壓力過大誘發井漏，在進入沙四下段前，隨鉆加入2%～3%BZ-ACT+2%超細碳酸鈣，可在井壁上形成致密的封堵層，對于砂巖孔隙型漏失或微裂縫均有較好的預防作用。

（2）三開井段堵漏措施。一旦漏速突然加快或失返，則應立刻停鉆，使用水化膨脹復合堵漏劑BZ-STAⅠ和BZ-STAⅡ配制堵漏鉆井液進行靜止堵漏。這兩種材料復配后，可對6mm以下的裂縫進行有效封堵。

（3）三開井段提高地層承壓能力。三開完鉆后，使用10%～15%承壓堵漏劑BZ-PRC（該堵漏劑對于0.5～1mm以下的微裂縫有極佳的封堵效果，同時可承受7MPa 以上的壓差）配制堵漏鉆井液，對發生漏失的井段進行承壓堵漏，提高地層承壓能力。

（4）四開井段鉆井液堵漏措施。四開鉆遇漏失后，使用酸溶型堵漏劑BZ-SRCⅠ和BZ-SRCⅡ配制堵漏鉆井液，進行靜止堵漏。這兩種材料復配后，可對5mm以下裂縫進行有效封堵，同時酸溶率在50%以上。

如鉆遇大裂縫、甚至溶洞，發生失返型惡性漏失時，可使用酸溶型水泥，采用“BH-CFS 靜凝膠溶洞堵漏技術”進行堵漏。

3 現場試驗結果及分析

在楊稅務潛山完成了AT 1x 井、AT 2x 井和AT 3口井的現場試驗，取得了較好的試驗效果。

3.1 三開鉆井情況

通過表3 可知，試驗井AT 1x 井、AT 2x 井、AT 3井與鄰井WG 4 井對比，三開機械鉆速提高83.1%，提速效果明顯；三開單只鉆頭平均進尺大幅增加，鉆頭使用量大幅減少；PDC 鉆頭占比增高，PDC 鉆頭進尺占比大幅提高，接近100%，說明PDC 鉆頭在楊稅務潛山三開的使用范圍大幅擴展，效果良好。

表3 三開鉆井情況對比

3.2 四開鉆頭使用情況

通過表4 可知，試驗井AT 1x 井、AT 2x 井、AT 3井與鄰井WG 4 井對比，四開機械鉆速提高84.2%，提速效果明顯；四開單只鉆頭平均進尺大幅增加；鉆頭使用量大幅減少；PDC 鉆頭占比增高，PDC 鉆頭進尺占比大幅提高，接近100%，PDC 鉆頭在楊稅務潛山四開的使用范圍大幅擴展。

表4 四開鉆井情況對比

3.3 實鉆周期統計

由表5 可知，AT 1x 井、AT 2x 井、AT 3 井鉆井周期較WG 4井縮短14.8%，全井機械鉆速較WG 4井提高52.6%，事故復雜時效由0.8%降為零。

表5 全井實鉆情況統計表

4 結論

（1）楊稅務潛山井身結構優化合理、防漏堵漏措施應對得當，確保了井身質量、保證了井下安全，降低了事故復雜，為鉆井提速奠定了基礎。

（2）優選的旋扭沖擊器和個性化鉆頭系列適應楊稅務潛山的復雜地層，解決了楊稅務潛山機械鉆速低、單只鉆頭進尺少、PDC鉆頭應用范圍窄等問題，明顯縮短了鉆井周期，形成了一套針對華北油田楊稅務潛山的優快鉆井技術。

（3）楊稅務潛山下第三系地層含玄武巖、礫巖等復雜層段，可鉆性差，研磨性強，建議不斷開展鉆井提速技術研究，進一步提高機械鉆速。

（4）3 口試驗井井深均超過了5400m，AT 1x 井、AT 2x 井和AT 3 井的井底溫度分別為177℃、195℃、185℃，嚴重影響了鉆井液的攜巖能力，有必要針對楊稅務潛山開展抗高溫鉆井液體系的研制。