王孝山，雷新超，贾凤龙，杨 焘

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120）

KQT构造深层井段钻井提速技术研究

王孝山，雷新超，贾凤龙，杨 焘

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120）

由于KQT区块3 500 ～ 4 500 m以下的地层压力系统与地质岩性趋于复杂，在深部钻井施工过程复杂情况频发，严重制约了钻井效率的提高，影响了获取地质资料的质量或者取全取准地质资料。此文以KQT区块已钻探井为基础，通过整理3 500 m以下的深部钻井技术资料，统计分析地层压力分布情况，了解复杂地层所在的层段、岩性及特性，设计适合深井探井的井身结构；在此基础上，分析现有钻井液体系的优缺点，并提出优化建议；对岩性的可钻性进行分析，整理总结现有钻头的使用情况，提出相应的改进意见；对KQT构造深部地层钻井中使用钻井提速工具进行归类统计，分析得出深层钻井中使用何种方法及提速工具对深层提速最为有效，最终形成该区块深层钻井提速技术方案，指导现场施工。

深部地层；钻井提速；井身结构；钻井液；提速工具

随着东海钻井工作量不断地投入，推动了许多钻井新技术的应用，使得浅部地层的钻井效率有了明显提高，但在3 500 ～ 4 500 m以下的深层井段，以往钻井作业时存在着储集层岩性复杂，钻井液护壁能力不足，易失稳，井身结构难以有效封隔特殊地层，深井钻井提速难度大等难点，导致施工复杂情况及影响钻井效率的提高。本文主要对KQT区块深部地层提速技术进行了研究，作为东海油气田的一部分，该区块深部地层同样存在以上的问题，根据本区块深部地层特点，结合钻井发展的新技术，寻找适合深部地层的提速增效的协同技术方案。

1 深部提速的关键技术与工艺措施

针对深部地层作业难点，提出了适合本构造深层的井身结构方案，标定了该构造深层岩性可钻性，从而进一步优化钻头的选型，找到了对深层地层适应性强的钻井液体系，结合东海油气田深部地层钻井新工具、新工艺的发展应用情况，形成了KQT构造深层井段钻井提速、增效的协同技术方案。

1.1 KQT构造深层地层压力分析与优化的井身结构设计

采用Eaton法对KQT构造前5口井深部地层压力进行预测[1]，结合该构造的测井解释结果，对该构造深部地层压力分布规律进行了描述：进入花港组下部压力开始逐渐升高，在P4层开始出现压力系数超过1.3的异常高压层。

根据深部地层压力预测结果及地质岩性分层等，对井身结构设计进行了优化[2]。

（1）针对井深5 000 m左右的探井，推荐采用四开次的井身结构，各层次井眼尺寸为：36"*17-1/2"*12-1/4"*8-1/2"，套管程序为：30"*13-3/8"*9-5/8"*7"；根据东海地区作业经验，30"隔水管入泥深度一般要超过80 m，以防浅部地层漏失。

（2）17-1/2"井眼的钻入深度，需根据平台设备能力及地层的埋深，尽量钻至玉泉组的底部，井深在2 000 ～ 2 500 m之间，下13-3/8"套管封固上部易垮塌地层，缩短下部12-1/4"井眼，减轻油气层段的钻井作业压力，便于取得地质资料。

（3）12-1/4"井眼根据油层分布情况及地层压力分布特点，一般钻至花港组的底部，下9-5/8"套管封住主要油气层段及隔开下部异常压力层段，便于本开井段后续作业的进一步开展。

（4）8-1/2"井眼钻完剩余的平湖组，根据该层段实际厚度及井下情况，适时提前下入7"尾管封固，而后采用6"钻头钻至设计井深。

1.2 KQT构造深部地层的可钻性与钻头选型分析

采用Landmark Drillworks软件根据Eton法对KQT区块地层岩石的可钻性进行了分析，主要对PDC钻头的可钻性进行分析并给出了对应的钻头选型[3]，主要集中在12-1/4"及8-1/2"两个井段中。

12-1/4"井眼中主要集中在花港组，该地层岩性以砂岩为主，夹部分泥岩薄层，PDC钻头的岩石可钻性集中在4.5 ～ 6.5之间，属于软至中等硬度的地层，但该地层部分层位含砾（砾径一般在1 ～ 6 mm，最大10 mm），软硬交错的夹层也较为频繁，已钻五口探井在花港组钻进钻头表现为磨损较为严重，因此花港组钻进需要钻头具备强的攻击性、强的冲击性和好的稳定性，推荐采用IADC S323/M323（钢体/胎体、16 mm齿、6刀翼、双排齿）的PDC钻头，见图1。

图1 12-1/4"钻头选型推荐

8-1/2"井眼钻遇地层主要集中在平湖组，该地层岩性以泥岩为主，部分层位发育有砂岩，夹煤层及沥青质煤层，PDC钻头的岩石可钻性集中在4.7 ～ 7之间，属于软至中等硬度的地层，夹层频繁，需要钻头具备好的稳定性和强的穿夹层能力；因此平湖组钻进需要钻头具备强的抗研磨性、抗冲击性和长的使用寿命，推荐采用IADC S323/M323（钢体/胎体、16 mm/13 mm齿、6刀翼）的PDC钻头，见图2。

图2 8-1/2"钻头选型推荐

1.3 深部地层的钻井液分析及优选

在KQT构造6口勘探井施工中，主要使用了海水聚合物钻井液以及海水聚磺钻井液两大类水基钻井液。在深层井段面临钻井液体系的抑制能力稍欠、抗高温能力不足与稳定煤层的能力不足这三个问题，促使钻井施工过程中的复杂情况增多。针对上述情况，对钻井液体系进行了优选[1]：

（1）强抑制性水基钻井液的使用

采用甲酸盐作为化学抑制剂，形成强抑制的基础环境，可以按需使用当前各种性能优异的相关处理剂来与甲酸盐配制成相应的强抑制甲酸盐钻井液体系。

以使用抗高温磺化系列处理剂为主的原则，随温度升高而加大SMC、SMP以及SPNH等处理剂的使用量，使钻井液体系具备良好的抗高温性能。

加入固壁性材料或者非渗透性材料，来防止煤层掉块、扩径等现象。

（2）合成基钻井液的使用

该类钻井液的基液天然具备对泥页岩的抑制性以及较好的抗高温性能，为了维护煤层的井壁稳定，在合成基钻井液体系中同样也要求加入固壁性材料或者非渗透性材料。合成基钻井液除了基液外，其主要构成中还包括了乳化剂、流型调节剂、润湿剂及碱度控制剂等成份。

1.4 深层提速配套钻井技术

针对KQT构造深部地层的地质岩性特征及区块的钻井作业经验，结合东海提速应用成果和新的石油钻井技术，对KQT区块深部地层钻井提速可能运用到的技术、工具等进行了总结和研究。

1.4.1 水力脉冲钻井技术

水力脉冲空化射流复合钻井技术[3]，即水力脉冲空化射流短节+动力钻具+转盘转的钻井技术，它是利用水力脉冲空化射流改变井底流场，见图3，从而改变井底岩石受力状态，提高井底清岩效率。

水力脉冲工具安装在钻头上部，位于钻头和钻铤之间（图4），将流体的扰动作用和自振空化效应耦合，使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动，钻头喷嘴出口成脉冲空化射流，产生3种效应：

（1）水力脉冲。改善井底流场，提高井底净化和清岩效率，减少压持和重复破碎。

（2）空化冲蚀。辅助破岩，提高破岩效率。

图3 水力脉冲工具剖面图

图4 水力脉冲工具井下组合

（3）瞬时负压。井底瞬时负压脉冲，局部瞬时欠平衡。

1.4.2 扭冲钻井技术

扭力冲击钻井是一项新兴的钻井技术，主要依靠扭力冲击器配合PDC钻头来实现，其内部结构图见图5、图6。钻井过程中，扭力冲击器连接在钻头上方，该工具可以将钻井液的能量转化为低幅、高频脉冲扭矩，该扭矩与钻机旋转系统产生的稳态扭矩同时传递给钻头，二者共同作用，不仅可以显著提高钻井速度，而且可以有效减少或消除硬地层钻井过程中钻头的有害振动，保护钻头，延长钻头寿命。扭力冲击钻井以冲击和剪切共同作用破碎岩石，从而有效提高机械钻速，提高钻井速度可达150 %以上。

1.4.3 控压钻井技术

图5 液压式扭力冲击器内部结构

图6 液压式扭力冲击器工作原理及结构

控压钻井技术（简称MPD）是一种用于精确控制整个井筒环空压力剖面的自适应钻井程序，其目的是避免连续的地层流体涌出井口，运用适当的操作，任何井涌事故都会被安全地排除，其作业流程图见图7。

图7 控压钻井技术施工简图

MPD技术优点主要表现在以下几个方面[4]：

（1）MPD技术可以有效控制整个井眼环空压

力剖面，避免地层流体侵入影响钻井液性能和造成井涌。

（2）MPD技术在接单根和起下钻时运用井口回压能有效控制井底压力，使其保持在较小的波动范围之内，保持恒定的井底压力。

（3）MPD技术通过精确的井底压力监测和水力学模型能解决窄密度窗口层段的钻井难题。

（4）MPD技术能避免井眼压力超过地层破裂压力，减少井塌、井漏事故，同时可以控制和处理钻井过程中可能引发的溢流事故，延长事故多发层段的裸眼井长度，简化井身结构，缩短钻井周期，降低钻井成本。

1.4.4 抗高温螺杆钻具技术研究

东海深部地层温度较高[4]，井深5 000 m处地层温度超过170 ℃，一般的螺杆钻具抗温能力不超过150 ℃，因此需要抗温级别更高的螺杆钻具来满足深部地层的钻进作业。

抗高温螺杆钻具是在常规螺杆马达的基础上，改进工艺，使定子及其他的密封件的耐高温能力提升，达到150 ℃以上，见图8。该类马达使用适用于东海深部地层，与PDC钻头配合，见图9，能够有效提高机械钻速。

图8 螺杆马达定子内衬弹性体抗温能力

图9 抗高温螺杆钻具组合

2 现场应用成果分析

2.1 井身结构优化应用效果

根据东海深部探井的实际钻井效果分析，采用优化过的井身结构，平均单井复杂情况降低36%，事故时间降低83%（表1），能够适用于东海深部复杂的地质环境，缩短了钻井周期，节约了材料成本。护能力强。

表1 井身结构优化设计前后应用效果对比

GS3井井底最高温度168 ℃，采用该钻井液体系（抗高温能力达到180 ℃），顺利钻完8-1/2″井段，抗高温性能优良。

本文进一步分析了出错的数据帧中，帧内字节出错的比例以及出错位置.图3是40MHz带宽时数据帧内字节出错比例的均值和方差.可以看到对不同的FA长度，所有MCS 的帧内字节出错比例平均值在10%以下，只有MCS12在FA为32时稍高一点，不到11%.方差大部分在1左右，最大不过4.5.带宽20MHz的结果和此一致.这说明帧内出错的字节数很少，采用FEC编码纠错是可行的，而且会比较高效.

2.3 深层提速配套钻井技术应用效果

2.3.1 水力脉冲钻井技术应用效果

在东海海域，TWT-C1井、KQT3井、KQT4井、JG1井、JG2井、CX5井6口井试用了该短节，TWT-C1井仅使用15 m及JG2井地质埋深较浅少于3 500 m，不做对比，其余4口井均体现了提速效果，下面主要对KQT区块已钻井的机械钻速进行对比分析，见表2，KQT4井相对KQT5井提高2.87%，提速效果不明显。

2.2 钻井液体系优选应用效果

东海探区有超过6口井采用了优化后的强抑制性钻井液体系（低自由水钻井液体系），提高了井壁稳定性，有效减少了井下复杂情况，下面以其中3口井的实际使用情况为例。

GS2井使用该钻井液体系，其易垮塌井段，泥页岩、煤层保持稳定，井径扩大率仅3.42%，井壁稳定性好。

GZZ1井使用该钻井液体系，在保护油气层方面效果显著，测试产量超过50×104m3/d，储层保

表2 KQT4井与KQT5井同井段对比

2.3.2 扭冲钻井技术应用效果

从2013年5月至今，扭冲工具在东海海域共应用超过15口探井，主要作业地层在花港组及平湖组，扭冲工具对于稳定钻进过程、提高机械钻速、保护并延长钻具寿命效果显著。现场LWD和录井数据显示见图10、图11。

图10 GZZ1井LWD显示的卡滑指数对比

图11 不带扭冲工具（左）与带扭冲工具（右）录井对比图

（1）卡滑指数大幅下降

通过使用扭冲+PDC钻头组合后，卡滑指数得到了较好的控制，由原先的平均100 r/min降至10 r/min左右，增强了复合片切削效果，提高了钻进效率。

（2）扭矩平稳

采用扭冲工具后，钻头能够更好地吃入地层，一直处于切削岩屑的状态，扭矩也更加平稳，且处于较高的数值。

（3）机械钻速使用对比

分别将GZZ1井与KQT5井、KQT4井同层位的机械钻速进行了对比，GZZ1井使用扭冲钻具效果明显，相对邻井KQT5井及KQT4井机械钻速分别提高20.6%及29.5%，见表3。

表3 GZZ1井、KQT4井与KQT5井同井段机械钻速对比

2.3.3 控压钻井技术应用效果

东海油气田至目前为止一共实施了2口井，分别为YY4井及YY5井，在保护了油气层的同时，深部地层机械钻速得到了较大的提升，对比该区块相同层位、岩性及相似深度的邻井钻井资料，YY4井较邻井机械钻速提高了45.1% ～ 92%，YY5井较邻井机械钻速提高了10.7% ～ 46.4%，见表4。

表4 深部地层机械钻速对比

2.3.4 抗高温螺杆钻具应用效果

在东海油气田，目前只有YY2井试用了斯伦贝谢公司提供的vortex抗高温螺杆钻具[5]，该井试用该工具层段在花港组下段，井眼尺寸为8-3/8"，井深4 000 m左右，井下温度超过150℃，属于高温井的范畴。该趟钻具组合纯钻时21.63 h，进尺91.2 m，平均机械钻速4.22 m/h，跟自身邻近相似地层、井深和井眼尺寸的机械钻速相比，速度偏低，没有达到预期的效果，见表5。最终因机械钻速太慢，专业工程师判断马达失效起钻，分析认为：机械钻速低的主要原因是马达定子内橡胶在大的井下温差下提前失效，橡胶脱落，马达损坏。

表5 YY2井深部地层机械钻速数据对比

3 结论与认识

（1）综合考虑地层压力分布、钻井地质目的和安全作业的要求，优化后的井身结构可满足KQT区块深部地层的钻井作业需求。

（2）强抑制性的钻井液体系能够有效保护储层、提高井壁稳定性，减少了钻井复杂情况。

（3）扭冲钻具使用效果非常好，不仅有效地降低了卡滑效应，提高机械钻速，而且改善了钻头井底工作环境，延长钻头使用寿命，大大提高了钻井效率。建议在12-1/4"、8-1/2"井段使用扭冲钻具。

（4）控压钻进技术通过两口井的使用效果对比，较常规采用加重钻井液在深部地层钻进机械钻速有较大幅度的提高，而且能切实有效的保护油气层，建议进行推广使用。

（5）抗高温螺杆钻具可以有效地提升钻头切削破岩速度，尽管本次试验未能成功，但这可以作为未来该区块主流的钻井提速工具使用。

[1]陈庭根， 管志川. 钻井工程理论与技术[M]. 山东东营： 石油大学出版社， 2000： 166-211.

[2]唐志军．井身结构优化设计方法[J]．西部探矿工程，2005．17（6）：78-80．

[3]唐志军， 梁希魁. 胜利油田浅海优快钻井技术探讨[J]. 石油钻探技术， 1999， 27（5）： 32-33.

[4]张海山. 东海深井高温高压低孔渗储层钻井技术研究与应用[J]. 海洋石油， 2014， 34（2）： 88-92.

[5]李广，郭辛阳，李娟．提高钻速新技术研究进展[J]．钻采工艺，2010，33（6）：31-35．

Study on the Technology for Increasing Drilling Rate in Deep Well at KQT Structure

WANG Xiaoshan, LEI Xinchao, JIA Fenglong, YANG Tao
（SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

Due to the complex situations of formation pressure systems and geological lithology below 3 500 ～ 4 500 m well section at KQT Structure, complex situations occurred frequently during drilling, affecting seriously on drilling efficiency and the acquisition quality of geological data. In this paper, based on the data from wells drilled in KQT structure, the deep well drilling data below 3 500 m has been analyzed, statistical analysis on the formation pressure distribution has been conducted. In addition, the location of complex reservoirs and the reservoir characteristics have been made clear, and the well structure has been designed for deep wells. Based on the study results, further analysis of the advantages and disadvantages of the existing drilling fluid has been conducted and suggestion on optimization has been put forward. In addition, analysis on rock drillability has been conducted, the usage situation of the existing drill bit has been summarized, and some improvement suggestions have been put forward. Finally, statistical analysis has been conducted on the drilling tools for improving drilling rate in KQT structure, and the most effective drilling tools has been found. Based on the results, the technology scheme for increasing deep drilling rate has been made, which can be used for guiding the field operation.

Deep stratum; increasing drilling rate; well structure; drilling fluid; drilling tools for increasing drilling rate

TE242

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.081

1008-2336（2016）04-0081-07

2016-07-18；改回日期：2016-09-30

王孝山，男，1981年生，高级工程师，2004年毕业于中国地质大学勘查技术与工程系，主要从事海上石油技术服务及研究工作。

E-mail：wangxsh.shhy@sinopec.com。