顺北油田钻井提速浅析与探讨

2018-01-22刘仕银

西部探矿工程 2018年1期

刘仕银，孙荣，毛鑫

（1.中石化西北油田分公司石油工程监督中心，新疆轮台841600；2.中石化东北油田分公司石油工程技术研究院，吉林长春130062）

1 区域地质概况

顺北油田位于沙漠腹地顺托果勒低隆的北部，紧邻塔指跃满区块。该地区地层发育较齐全，自上而下发育新生界第四系、新近系、古近系、中生界白垩系、侏罗系、三叠系、古生界二叠系、石炭系下统卡拉沙依组、巴楚组、泥盆系上统东河塘组、志留系下统塔塔埃尔塔格组、下统柯坪塔格组，奥陶系地层发育齐全。三叠系地层砂泥岩护层频繁，泥岩容易吸水膨胀、剥落掉块，二叠系地层脆硬，裂缝纵向发育，易井漏、掉块；桑塔木组存在火成岩侵入体，且地层坍塌压力较高，易垮塌；奥陶系地层裂缝发育，地层压力低易漏失，且高含硫化氢[1]。

2 工程施工难点

2.1 二叠系漏失风险高、可钻性较差

（1）二叠系为火成岩地层，孔隙压力为1.10～1.20g/cm3，层厚约500m（见表1）漏点多，钻进中漏失风险较高。巨大的漏失量表现为裂缝性漏失，从憋钻现象和同时发生漏失判断漏层可能为纵向裂缝[2]。

（2）火成岩井段地层抗压强度在5000～20000psi，可钻性差，且地层含有砾岩，普通PDC钻头损坏很快，机械钻速受到极大限制。

表1 二叠系实钻地层情况表

2.2 志留系易水化剥落垮塌、含石英砂岩研磨性强

（1）工区志留系大幅度的声波时差变化伴随着较大的地层自然伽马值和较低的地层密度，符合易垮塌井段的主要地球物理特性。岩石矿物组分分析显示该地层以石英、方解石和粘土矿物为主要胶结物质，同时高岭石发育，以片状、粒状存在，表面存在微裂缝，胶结状态存在剥落垮塌趋势。

（2）志留系柯坪塔格组中的砂砾岩成分以石英为主，研磨性强，研磨性6～7级，泥岩地层以硬脆性泥岩为主，砂泥岩互层频繁，致使地层软硬交错变化大，憋、跳钻严重。

2.3 桑塔木组侵入体发育、存在垮塌漏失风险

奥陶系桑塔木组地层中部发育火成岩侵入体（部分发育辉绿岩），侵入体的坍塌应力高，物理支撑不足容易发生垮塌，过物理支撑可能发生漏失。侵入体岩石以辉绿岩和蚀变凝灰岩为主，辉绿岩密度大（3.02g/cm3）、硬度高（7级以上），研磨性超强，不容易发生水化但存在微裂缝，钻井液滤液会沿微裂缝渗流运移，导致井壁剥落、坍塌，钻井液浸泡时间越长越容易产生周期性垮塌的风险。

2.4 深井小井眼定向工艺难度大

定向施工存在井深、井温高、井眼尺寸小、短半径造斜率高等特点，井眼尺寸为120.6mm且井底循环温度在150℃左右，对工具仪器的安全可靠性要求高，造斜率22°～25°/30m，面临工具面控制不稳、轨迹控制难度大、钻具极易发生疲劳破坏，因此定向钻头选型需要探索，技术措施需要优化。

3 钻井提速关键技术

3.1 二叠系快速钻穿火成岩技术

由于二叠系地层的不均质性，钻进过程中钻头会出现短暂的停顿（如图1中B所示），但上部钻具仍在旋转，产生弯曲（如图1中C所示），当钻具弯曲至一定程度，钻头成功破碎地层，瞬间扭矩释放，产生高速旋转（如图1中D所示），钻速的不均匀导致钻头极易过早损坏。若能在钻头上增加一个额外的旋转方向的均匀稳定的高频冲击力，就能大幅度提高剪切效率，从而避免“粘滑现象”的出现，最大限度保护钻头。

图1 高频冲击器破岩效果对比图

高频冲击器+阿特拉PDC钻井工艺。高频冲击器是将钻井液的流体能量在钻头上同时转换成周向和径向上的高频冲击力，冲击、剪切破碎岩石，提高剪切效率，消除钻头运动时可能出现的一种或多种有害振动，消除粘滑现象，提高机械钻速、延长钻头使用寿命[3]。同时阿特拉钻头“涡轮状”独特材料配比的切削齿，用特殊独有的金刚石合成方法加以制造，并通过混合金刚石颗粒大小来优化抗研磨性与抗冲击性能，具有很好的抗磨损的切削齿。

3.2 二叠系随钻钻井技术

（1）为防止液柱压漏地层，密度控制在1.23～1.25g/cm3，钻进排量控制在25～28L/s，作业期间维持钻井液性能稳定，保持粘度48～52s，PV20～23mPa·s，YP4～6Pa，补充1.5%的SFT-100防塌剂，加入1%QS-1+1%SQD-98（细）+1%PB-1，发现渗漏情况及时补充SFT-100+DF-1+SQD-98（细）+竹纤维+PSD，提高随钻封堵能力。

（2）钻遇漏点（漏速＞5m3/h），可注入40～50m3浓度为8%～12%的随钻堵漏浆强行钻进，若钻遇多个漏点采取堵漏浆钻进技术进行施工，快速钻穿地层。随钻堵漏浆配方（8%～12%）：井浆+2%核桃壳（中粗）+1%核桃壳（细）+2%SQD-98+1.5%CXD+2%云母（中粗）+2%云母（细）+2.5%石灰石粉+1%SMPB-1，使用20目筛布过筛。

（3）起钻前在二叠系井段打入封闭堵漏浆，配方：井浆+0.5%GQJ-5+0.5%细云母+1.0%SQD-98+1.0%SMPB-1+2.5%石灰石粉+2%聚磺防塌剂SPT-2+0.5%乳化沥青FF-Ⅲ+3%磺化处理剂+加重剂。

（4）随钻堵漏浆维护。采用烧碱调整钻井液pH值≥10，使用随钻堵漏浆每钻进2～3d，清除膨胀、发酵的堵漏材料，及时补充随钻堵漏剂；加入足量的润滑剂及1%～2%固体石墨粉增强钻井液润滑性。

3.3 侵入体安全钻进技术

（1）在进侵入体前，简化钻具组合，选择抗研磨性较强的牙轮钻头，在钻穿后使用常规PDC+162mm扶正器及随钻震击器钻进，弱化钻井参数控制井斜。

（2）钻井液密度选择在1.80～1.82g/cm3开钻，进入侵入体前加2%～3%的抗温材料+2%沥青类+2%QS-2，粘度在55～70s之间，钻井液动塑比大于0.3，保证良好的携岩能力，静切力控制在4/10以上，保持良好的悬浮能力。钻进过程中间断配稠浆洗井带出辉绿岩掉块。

3.4 深井小井眼定向技术

3.4.1 钻头选型优化

考虑牙轮钻头使用时间短、存在易掉牙轮的风险，故考虑PDC钻头。结合塔河油田同种尺寸小井眼侧钻水平井的经验，优选百斯特生产的M0864钻头，工具面较为稳定，纯钻时间长。

3.4.2 螺杆及定向仪器选型

依据TH12518CH和TH10246CH井95mm螺杆使用经验，确定2°～2.5°螺杆单弯螺杆满足定向段施工，1.25°～1.5°满足水平段施工。结合工区备货情况，采用美国APS公司或SLIMPULSE抗175℃高温MWD随钻测量仪器。钻进中坚持每趟钻更换MWD电池和脉冲发生器，根据螺杆厂家推荐的时间控制95mm螺杆使用时间。见表2。3.4.3 钻具组合及方案优化

表2 小井眼高温仪器参数表

（1）采用柔性倒装钻具组合，选用88.9mm加重钻杆、101.6mm（加重）钻杆在88.9mm小节箍钻杆上部给钻头有效传递钻压，其中101.6mm钻杆为高抗扭抗拉非标钻具，施工极限深度达8100m；88.9mm和101.6mm非标小接箍钻杆均为双台阶密封扣型[4]。

（2）使用2.5°或2.25°螺杆（抗温150℃）造斜；使用1.75°～2.0°螺杆（抗温180℃）增斜，水平段使用1.25°～1.5°螺杆（抗温180℃）复合钻进，根据测斜情况及时定向微调。

（3）在定向设计的连续增斜单圆弧剖面基础上，对局部造斜率进行优化，来避免起步造斜率与稳定造斜率不匹配的情况。斜井段做好待钻井眼轨迹的预测，及时根据修正的设计轨道数据选择合适的弯壳体马达。

（4）下钻至出139.7mm套管后50～100m循环钻井液，进行MWD仪器测试，钻头进入139.7mm套管后严禁长时间开泵测试仪器；在安全钻井情况下适当提高排量，增强脉冲信号。

4 现场应用分析

4.1 巨厚火成岩提速效果明显

4口新四级在二叠系巨厚火成岩井段采用了高频冲击器与阿特拉钻头组合来提高机械钻速，均获得了理想的提速效果。SHB 1-4H机械钻速最低，仅为2.41m/h。其它3口井（SHB 1-2H、SHB 1-3、SHB 1-4H）在火成岩井段的平均机械钻速为4.13m/h，相对于邻井SHB 1、SHB1-1H分别提高111.11%、78.50%（见表3）。

4.2 防漏失效果显著

表3 二叠系火成岩机械钻速统计表

通过新材料应用及堵漏浆钻进技术，从单井漏失次数、漏失量及处理时间上均得到较大控制，其中顺北1-5H、顺北1-6H井钻进过程中二开无漏失。5口新四级累计漏失量1371.21m3，损失时间301h，平均单井漏失量274.24m3，损失时间60.2h，较顺北1-1H井有明显改善（见表4）。

4.3 侵入体实现安全钻进

新四级5口井钻遇火成岩侵入体，厚度均为32m，顺北1-3和顺北1-6H两口井钻遇辉绿岩。顺北1-6H井使用DM554H及HF617GH钻头钻穿辉绿岩，该段辉绿岩井径扩大率20%左右，凝灰岩井径扩大率2%～4%。顺北1-3井使用PDC（U713M）+扭力冲击器，进尺15m，机械钻速达2.24m/h，段工具后使用史密斯牙轮钻头（XR50YODPS）钻穿侵入体，进尺29m，机械钻速0.63m/h。