鉆井提效技術在渤海K油田的應用

王志超，陳建宏，侯永亮，陳 真，宋峙潮，孫永樂

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

渤海油田是目前中國最大的海上油田，也是全國第二大原油生產基地，渤海海域面積7.3萬km2，其中可勘探礦區面積約4.3萬km2，地下油氣資源豐富，隨著近年來渤海油田大開發，大儲量、好油品的優質油氣資源大幅度減少，埋藏深油氣資源的開發逐漸成為主要開發手段之一。渤海K油田主要目的層為東營組下段或者沙河街組，屬于中下部開發，井深超過3 000 m井采用常規三開井身結構，鉆井作業時主要面臨以下3方面困難：①淺層地層疏松，膠結強度極低，井眼沖刷嚴重，造斜率低；②12-1/4"井眼穩斜段長，馬達鉆具組合[1-3]滑動時易托壓，效率低；③12-1/4"井眼周期長，一般為10～11 d，傳統鉆井液體系[4-7]存在缺點，保證下部井眼順利作業時，上部井段地層穩定性變差，起下鉆風險高；④8-1/2"井眼尺寸小，含有易剝落煤層，作業期間非生產時間占比達到了該井段周期的19%，時效低，同時7"尾管下入困難。基于上述難題，亟需一套行之有效的安全、提效措施，以滿足當前鉆井工程的需求。

1 技術難點

地層復雜，軌跡控制困難、鉆井風險高，井下漏失、井塌、起下鉆及下套管阻卡現象頻發，具體原因如下。

（1）淺層地層疏松，膠結強度極低，井眼沖刷嚴重，造斜率低。為了保證造斜率，防止井眼軌跡碰撞，表層預斜通常采取泥漿閉路循環的模式。但該模式需要安裝并拆卸井口，降低作業效率。單筒雙井技術能夠有效利用表層套管，提高效率。但由于井眼大，一般為30"，而且要進行一趟擴眼作業，因此造斜率很難保證。而單筒雙井一般都布置在槽口最外排，如果不預斜將對平臺整體的防碰造成很大的影響。

（2）穩斜段長，穩斜段井斜和方位易偏離，且無規律可循，鉆進期間需多次調整井眼軌跡，單一井眼穿過地層多，地層間差異性大，砂泥巖夾層及煤層多，煤層段含有煤矸石，巖性脆，易脫落，井壁穩定性差。

（3）粘卡損壞鉆具。隨著井深的增加，深部地層巖性復雜，壓實程度變高，井壁失穩、鉆具阻卡風險高。馬達鉆具滑動托壓和鉆柱蛙動問題逐漸加重，表現為滑動過程中，鉆壓有增無減但無進尺，鉆具突然釋放以后，鉆頭彈性接觸井底，導致馬達憋壓，這不僅嚴重影響了鉆井效率，而且容易造成黏卡和井下工具損壞。一般在渤海油田現場操作中，通過增強鉆井液潤滑性能、利用短起下鉆等措施降低摩阻，提高滑動效率，但收效甚微。

（4）井下動力不足。深部地層地質情況復雜，鉆具剛性變差，軌跡控制難度大。對于一些地質情況與井眼軌跡復雜的井，馬達的軌跡控制能力無法滿足時，就必須使用旋轉導向工具。利用旋轉導向鉆井系統，可以避免滑動鉆進帶來的問題，但是旋轉導向鉆具組合鉆頭難以獲得較高的轉速，鉆具動力不足，鉆速較低，影響了鉆井速度及效率，同時8-1/2"井眼不規則，井眼環空間隙小，倒劃眼易憋壓蹩扭矩，起下鉆過程遇卡、遇阻現象頻繁，尾管到位難度大。

2 鉆井技術提效措施

鉆井作業中提效措施很多，表層大井眼預斜防碰、海水膨潤土漿深鉆、不同地層間PDC鉆頭及鉆進參數優化、隨鉆擴眼、旋轉下尾管、巖屑床清除工具、井身結構及鉆井液優化，以及鉆具組合優化等提效技術均可以提高鉆井效率，縮短工期，達到降本增效目的。根據該油田技術難點，提出選擇優化井身結構、優化鉆具組合和優化PEC鉆井液體系等提效措施，具體分析如下。

2.1 優化井身結構

渤海K油田開發井多數是常規定向井和大斜度井，少數為大位移井，井斜一般在30～75°之間，完鉆深度在3 200 m以內均設計為常規三開井身結構：24"隔水導管+17-1/2"井眼/13-3/8"套管+12-1/4"井眼/9-5/8"套管+8-1/2"井眼/7"尾管。在三開8-1/2"井眼鉆井作業時，采用5"鉆桿與5-1/2"鉆桿復配，5"鉆桿較5-1/2"鉆桿鉆具內部壓耗更高，且井深較深，多為東營下段或者沙河街地層，巖石堅硬，可鉆性差，馬達鉆具滑動調整軌跡時機械鉆速低，耗時長，效率差；旋轉導向鉆具組合鉆進時，井眼規則，無井眼擴大率，底部鉆具及7"尾管與井眼間隙小，起下鉆中頻繁出現憋壓蹩扭矩情況，起下鉆風險高，同時7"尾管下入難度增大，時間長，時效低。

鑒于上述情況，在后續鉆井作業中不斷總結和嘗試，對井身結構進行了優化，優化后井身結構：24"隔水導管+17-1/2"井眼/13-3/8"套管+12-1/4"井眼/9-5/8"套管。優化后減少了8-1/2"井眼鉆進和7"尾管下入作業，避免了倒劃眼憋壓蹩扭矩和下入7"尾管難度大等難題，既降低了鉆井風險，同時節約了整體鉆井工期。

2.2 優化鉆具組合

12-1/4"井眼穩斜段長，井斜和方位易偏離，且無規律可循，無法提前做好預留，鉆進期間需使用馬達鉆具或者旋轉導向鉆具組合不斷調整軌跡，使軌跡貼近設計并達到油藏找油開采目的。

2.2.1 12-1/4"井眼上部井段鉆具組合

12-1/4"PDC-Bit+9-5/8"PDM+8"F/V+11-7/8"STB+8"NMDC+8"MWD+8"NMDC+8"液壓震擊器+X/O+5-1/2"HWDP×13+X/O+8"水力振蕩器+X/O+5-1/2"DP。

上部井段采用馬達水力振蕩器鉆具組合，馬達帶有彎角，在造斜段和穩斜調整段可以滑動調整井眼軌跡，多調少滑，保證軌跡平滑貼近鉆井設計，同時所鉆井段井眼會有一定擴徑，井眼直徑要大于12-1/4"，起下鉆和套管下入更順利。

水力振蕩器由動力部分、脈沖系統和振蕩系統3部分組成，動力短節是一個1∶2的螺桿，脈沖系統主要由定閥盤和動閥盤構成，振蕩系統主要由反饋活塞、花鍵心軸和碟簧等構成。其工作原理是：鉆井液流經1∶2的螺桿時，驅動螺桿轉動，螺桿帶動其下端連接的動閥盤做平面往復運動。動閥盤與定閥盤的中心孔時而重合，時而分開，引起過流面積的變化，從而產生壓力脈沖，如圖1所示。

壓力脈沖反饋作用到振蕩短節的活塞面上使花鍵心軸產生軸向振蕩。每次脈沖會產生3～9 mm振幅和一定的軸向力，足以將靜摩擦轉化為動摩擦。因為產生的軸向力和軸向移動距離都不大，水力振蕩器在工作期間不會對其他井下工具產生不利影響。

水力振蕩器配合馬達使用具有2個好處：①水力振蕩器可以保證在鉆進過程中鉆壓能夠最大效率傳遞到鉆頭，降低了鉆具與井壁間的縱向摩阻，減輕鉆具的扭轉振動，提升底部馬達的滑動造斜效率，同時大大提高機械鉆速。②水力振蕩器可以很好解決馬達滑動鉆進過程中的托壓情況，有效提高鉆壓的傳遞效率，防止底部鉆具組合粘附托壓、卡鉆等復雜情況的出現。

通過Vibra SCOPE軟件模擬不同閥盤尺寸的水力振蕩器的工作狀態，再根據泵壓數據選擇與馬達鉆具配伍性最好的閥盤，經過理論研究與現場實際使用相結合，發現外徑為8"的水力振蕩器使用效果最好，具體參數見表1。

表1 水力振蕩器現場使用參數

通過在渤海油田的應用表明，中硬地層機械鉆速提高35%以上，可部分取代旋轉導向工具，擴大了常規導向馬達進行大位移井或者水平井水平段的鉆進能力。應該注意的是，應用水力振蕩器的目的是為了提高深層的滑動效率和機械鉆速，不宜在淺部地層使用，渤海油田的應用實踐表明，在2 000 m以前使用水力振蕩器，其振蕩力會對地面設備（立管傳感器、頂驅等）造成一定的損壞。

2.2.2 12-1/4"井眼下部井段鉆具組合

12-1/4"PDC-Bit+9-1/2"旋轉導向+8"MWD+8"NMDC+8"F/V+12"STB+8"液壓震擊器+X/O+5-1/2"HWDP×13+5-1/2"DP。

當鉆進至12-1/4"井眼下部井段時，由于井深較深，同時水力振蕩器配合馬達鉆具組合鉆具內部壓差較大，造成鉆進過程中整體泵壓偏高，現場泥漿泵及相應設備無法滿足在高泵壓情況下持續安全、有效工作，故采用旋轉導向鉆具組合。經過現場實際應用，總結出一套與地層配伍性好，時效高的鉆井參數，鉆壓3～8 t，排量3 500～4 000 L/min，頂驅轉速90～120 r/min。

2.3 優化PEC鉆井液體系

常規PEC鉆井液體系采用KCL作為抑制劑，作用機理為K+鑲嵌在氧六面體間的空間，限制周邊空間磷酸鹽的膨脹與擴散。該體系針對軟泥頁巖多的明化鎮組和館陶組地層抑制效果好，提高了該井段的井壁穩定性，減少了起下鉆中鉆具阻卡現象，提高了鉆井效率，但常規PEC鉆井液體系對深部地層東營組、沙河街組，尤其煤層段效果一般，暴露出很多缺點。主要有：①調節、控制鉆井液流變性困難，靜態穩定性差，常常需要加入大量新漿滿足現場需求；②鉆井液活度高，侵入地層流體多，井壁穩定性變差，起下鉆和下套管作業阻卡現象明顯；③鉆遇深部地層時，高含量K+保證下部井眼抑制性時，上部井眼井壁變硬，造成起下鉆難度大（如圖2所示）。針對以上問題的出現，新型PEC鉆井液體系應時而生。

圖2 傳統PEC鉆井液體系地層抑制分析圖

新型PEC鉆井液體系抑制劑采用KCl與NaCl復配使用，抑制性方面NaCl與KCl作用機理不同，NaCl可以降低鉆井液中濾液進入地層，從而減弱地層泥巖分散，鉆井液抑制性隨著活度降低而變強，在保證抑制性同時具有其他優點：①高濃度NaCl提高了鉆井液中離子含量，加大了鉆井液與細菌（微生物）間的正向滲透壓差，讓細菌脫水，導致細菌失水死亡，防止鉆井液污染，避免鉆井液污染變質和pH減小，從而大大增強了鉆井液長時間靜止的穩定性，調節、控制鉆井液流變性更加容易；②Na+抑制性弱于K+，但NaCl抑制泥頁巖比KCl具有一個優點，即NaCl的溶解度比KCl高，活度低于KCl溶液，近飽和的NaCl溶液能夠有效地降低侵入泥頁巖中的濾液量。經過試驗和現場滾動回收率得出12%NaCl抑制效果等同于2%KCl，12%NaCl的加入降低了KCl含量，防止上部井眼井壁過硬，保證起下鉆和下套管作業順利完成，同時有效得控制了鉆井液的有害固相的侵入，提高了鉆井液的泥餅質量，同時減少了惰性加重劑的用量，減少了鉆井液中4%固相含量，低濾液量和固相含量，對儲層保護和井壁穩定有很大的貢獻（如圖3所示）。

圖3 KCl和NaCl滾動回收率對比

3 現場應用效果

優化井身結構、優化鉆具組合和優化PEC鉆井液體系等提效措施在渤海K油田39口鉆井作業中得到了成功應用，完鉆深度在3 200 m以內的井身結構都簡化為2層套管，鉆井過程中井況穩定，起下鉆阻卡現象大幅度減少，套管順利到位，累計實際鉆井工期為618.54 d，比基本設計工期提前70.2 d，每口井平均節約鉆井工期1.5～2 d，完成預期降本增效目標，具備很大推廣應用價值。

4 結論

（1）井深3 200 m以內井，二開井身結構要優于三開井身結構，既避免了起下鉆和下7"尾管風險，同時節約了工期。

（2）馬達水力振蕩器鉆具組合能夠很好解決深部地層馬達滑動托壓問題，同時一定程度上提高了機械鉆速。

（3）裸眼段長，鉆穿地層多，NaCl與KCl復配使用抑制效果更好，既保證了下部井段井壁穩定，同時避免了上部井段井壁變硬增加起下鉆風險。