鉆井提效技術(shù)在渤海K油田的應(yīng)用

王志超，陳建宏，侯永亮，陳 真，宋峙潮，孫永樂(lè)

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

渤海油田是目前中國(guó)最大的海上油田，也是全國(guó)第二大原油生產(chǎn)基地，渤海海域面積7.3萬(wàn)km2，其中可勘探礦區(qū)面積約4.3萬(wàn)km2，地下油氣資源豐富，隨著近年來(lái)渤海油田大開(kāi)發(fā)，大儲(chǔ)量、好油品的優(yōu)質(zhì)油氣資源大幅度減少，埋藏深油氣資源的開(kāi)發(fā)逐漸成為主要開(kāi)發(fā)手段之一。渤海K油田主要目的層為東營(yíng)組下段或者沙河街組，屬于中下部開(kāi)發(fā)，井深超過(guò)3 000 m井采用常規(guī)三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，鉆井作業(yè)時(shí)主要面臨以下3方面困難：①淺層地層疏松，膠結(jié)強(qiáng)度極低，井眼沖刷嚴(yán)重，造斜率低；②12-1/4"井眼穩(wěn)斜段長(zhǎng)，馬達(dá)鉆具組合[1-3]滑動(dòng)時(shí)易托壓，效率低；③12-1/4"井眼周期長(zhǎng)，一般為10～11 d，傳統(tǒng)鉆井液體系[4-7]存在缺點(diǎn)，保證下部井眼順利作業(yè)時(shí)，上部井段地層穩(wěn)定性變差，起下鉆風(fēng)險(xiǎn)高；④8-1/2"井眼尺寸小，含有易剝落煤層，作業(yè)期間非生產(chǎn)時(shí)間占比達(dá)到了該井段周期的19%，時(shí)效低，同時(shí)7"尾管下入困難?；谏鲜鲭y題，亟需一套行之有效的安全、提效措施，以滿足當(dāng)前鉆井工程的需求。

1 技術(shù)難點(diǎn)

地層復(fù)雜，軌跡控制困難、鉆井風(fēng)險(xiǎn)高，井下漏失、井塌、起下鉆及下套管阻卡現(xiàn)象頻發(fā)，具體原因如下。

（1）淺層地層疏松，膠結(jié)強(qiáng)度極低，井眼沖刷嚴(yán)重，造斜率低。為了保證造斜率，防止井眼軌跡碰撞，表層預(yù)斜通常采取泥漿閉路循環(huán)的模式。但該模式需要安裝并拆卸井口，降低作業(yè)效率。單筒雙井技術(shù)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(jìn)行一趟擴(kuò)眼作業(yè)，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(yù)斜將對(duì)平臺(tái)整體的防碰造成很大的影響。

（2）穩(wěn)斜段長(zhǎng)，穩(wěn)斜段井斜和方位易偏離，且無(wú)規(guī)律可循，鉆進(jìn)期間需多次調(diào)整井眼軌跡，單一井眼穿過(guò)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(wěn)定性差。

（3）粘卡損壞鉆具。隨著井深的增加，深部地層巖性復(fù)雜，壓實(shí)程度變高，井壁失穩(wěn)、鉆具阻卡風(fēng)險(xiǎn)高。馬達(dá)鉆具滑動(dòng)托壓和鉆柱蛙動(dòng)問(wèn)題逐漸加重，表現(xiàn)為滑動(dòng)過(guò)程中，鉆壓有增無(wú)減但無(wú)進(jìn)尺，鉆具突然釋放以后，鉆頭彈性接觸井底，導(dǎo)致馬達(dá)憋壓，這不僅嚴(yán)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(xiàn)場(chǎng)操作中，通過(guò)增強(qiáng)鉆井液潤(rùn)滑性能、利用短起下鉆等措施降低摩阻，提高滑動(dòng)效率，但收效甚微。

（4）井下動(dòng)力不足。深部地層地質(zhì)情況復(fù)雜，鉆具剛性變差，軌跡控制難度大。對(duì)于一些地質(zhì)情況與井眼軌跡復(fù)雜的井，馬達(dá)的軌跡控制能力無(wú)法滿足時(shí)，就必須使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，可以避免滑動(dòng)鉆進(jìn)帶來(lái)的問(wèn)題，但是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合鉆頭難以獲得較高的轉(zhuǎn)速，鉆具動(dòng)力不足，鉆速較低，影響了鉆井速度及效率，同時(shí)8-1/2"井眼不規(guī)則，井眼環(huán)空間隙小，倒劃眼易憋壓蹩扭矩，起下鉆過(guò)程遇卡、遇阻現(xiàn)象頻繁，尾管到位難度大。

2 鉆井技術(shù)提效措施

鉆井作業(yè)中提效措施很多，表層大井眼預(yù)斜防碰、海水膨潤(rùn)土漿深鉆、不同地層間PDC鉆頭及鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、隨鉆擴(kuò)眼、旋轉(zhuǎn)下尾管、巖屑床清除工具、井身結(jié)構(gòu)及鉆井液優(yōu)化，以及鉆具組合優(yōu)化等提效技術(shù)均可以提高鉆井效率，縮短工期，達(dá)到降本增效目的。根據(jù)該油田技術(shù)難點(diǎn)，提出選擇優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鉆具組合和優(yōu)化PEC鉆井液體系等提效措施，具體分析如下。

2.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

渤海K油田開(kāi)發(fā)井多數(shù)是常規(guī)定向井和大斜度井，少數(shù)為大位移井，井斜一般在30～75°之間，完鉆深度在3 200 m以內(nèi)均設(shè)計(jì)為常規(guī)三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)：24"隔水導(dǎo)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(kāi)8-1/2"井眼鉆井作業(yè)時(shí)，采用5"鉆桿與5-1/2"鉆桿復(fù)配，5"鉆桿較5-1/2"鉆桿鉆具內(nèi)部壓耗更高，且井深較深，多為東營(yíng)下段或者沙河街地層，巖石堅(jiān)硬，可鉆性差，馬達(dá)鉆具滑動(dòng)調(diào)整軌跡時(shí)機(jī)械鉆速低，耗時(shí)長(zhǎng)，效率差；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合鉆進(jìn)時(shí)，井眼規(guī)則，無(wú)井眼擴(kuò)大率，底部鉆具及7"尾管與井眼間隙小，起下鉆中頻繁出現(xiàn)憋壓蹩扭矩情況，起下鉆風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)7"尾管下入難度增大，時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)效低。

鑒于上述情況，在后續(xù)鉆井作業(yè)中不斷總結(jié)和嘗試，對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)：24"隔水導(dǎo)管+17-1/2"井眼/13-3/8"套管+12-1/4"井眼/9-5/8"套管。優(yōu)化后減少了8-1/2"井眼鉆進(jìn)和7"尾管下入作業(yè)，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(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)約了整體鉆井工期。

2.2 優(yōu)化鉆具組合

12-1/4"井眼穩(wěn)斜段長(zhǎng)，井斜和方位易偏離，且無(wú)規(guī)律可循，無(wú)法提前做好預(yù)留，鉆進(jìn)期間需使用馬達(dá)鉆具或者旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合不斷調(diào)整軌跡，使軌跡貼近設(shè)計(jì)并達(dá)到油藏找油開(kāi)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(dá)水力振蕩器鉆具組合，馬達(dá)帶有彎角，在造斜段和穩(wěn)斜調(diào)整段可以滑動(dòng)調(diào)整井眼軌跡，多調(diào)少滑，保證軌跡平滑貼近鉆井設(shè)計(jì)，同時(shí)所鉆井段井眼會(huì)有一定擴(kuò)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(dòng)力部分、脈沖系統(tǒng)和振蕩系統(tǒng)3部分組成，動(dòng)力短節(jié)是一個(gè)1∶2的螺桿，脈沖系統(tǒng)主要由定閥盤(pán)和動(dòng)閥盤(pán)構(gòu)成，振蕩系統(tǒng)主要由反饋活塞、花鍵心軸和碟簧等構(gòu)成。其工作原理是：鉆井液流經(jīng)1∶2的螺桿時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿帶動(dòng)其下端連接的動(dòng)閥盤(pán)做平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)閥盤(pán)與定閥盤(pán)的中心孔時(shí)而重合，時(shí)而分開(kāi)，引起過(guò)流面積的變化，從而產(chǎn)生壓力脈沖，如圖1所示。

壓力脈沖反饋?zhàn)饔玫秸袷幎坦?jié)的活塞面上使花鍵心軸產(chǎn)生軸向振蕩。每次脈沖會(huì)產(chǎn)生3～9 mm振幅和一定的軸向力，足以將靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦。因?yàn)楫a(chǎn)生的軸向力和軸向移動(dòng)距離都不大，水力振蕩器在工作期間不會(huì)對(duì)其他井下工具產(chǎn)生不利影響。

水力振蕩器配合馬達(dá)使用具有2個(gè)好處：①水力振蕩器可以保證在鉆進(jìn)過(guò)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(zhuǎn)振動(dòng)，提升底部馬達(dá)的滑動(dòng)造斜效率，同時(shí)大大提高機(jī)械鉆速。②水力振蕩器可以很好解決馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)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(fù)雜情況的出現(xiàn)。

通過(guò)Vibra SCOPE軟件模擬不同閥盤(pán)尺寸的水力振蕩器的工作狀態(tài)，再根據(jù)泵壓數(shù)據(jù)選擇與馬達(dá)鉆具配伍性最好的閥盤(pán)，經(jīng)過(guò)理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)外徑為8"的水力振蕩器使用效果最好，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水力振蕩器現(xiàn)場(chǎng)使用參數(shù)

通過(guò)在渤海油田的應(yīng)用表明，中硬地層機(jī)械鉆速提高35%以上，可部分取代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，擴(kuò)大了常規(guī)導(dǎo)向馬達(dá)進(jìn)行大位移井或者水平井水平段的鉆進(jìn)能力。應(yīng)該注意的是，應(yīng)用水力振蕩器的目的是為了提高深層的滑動(dòng)效率和機(jī)械鉆速，不宜在淺部地層使用，渤海油田的應(yīng)用實(shí)踐表明，在2 000 m以前使用水力振蕩器，其振蕩力會(huì)對(duì)地面設(shè)備（立管傳感器、頂驅(qū)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(zhuǎn)導(dǎo)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(dāng)鉆進(jìn)至12-1/4"井眼下部井段時(shí)，由于井深較深，同時(shí)水力振蕩器配合馬達(dá)鉆具組合鉆具內(nèi)部壓差較大，造成鉆進(jìn)過(guò)程中整體泵壓偏高，現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵及相應(yīng)設(shè)備無(wú)法滿足在高泵壓情況下持續(xù)安全、有效工作，故采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出一套與地層配伍性好，時(shí)效高的鉆井參數(shù)，鉆壓3～8 t，排量3 500～4 000 L/min，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速90～120 r/min。

2.3 優(yōu)化PEC鉆井液體系

常規(guī)PEC鉆井液體系采用KCL作為抑制劑，作用機(jī)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(kuò)散。該體系針對(duì)軟泥頁(yè)巖多的明化鎮(zhèn)組和館陶組地層抑制效果好，提高了該井段的井壁穩(wěn)定性，減少了起下鉆中鉆具阻卡現(xiàn)象，提高了鉆井效率，但常規(guī)PEC鉆井液體系對(duì)深部地層?xùn)|營(yíng)組、沙河街組，尤其煤層段效果一般，暴露出很多缺點(diǎn)。主要有：①調(diào)節(jié)、控制鉆井液流變性困難，靜態(tài)穩(wěn)定性差，常常需要加入大量新漿滿足現(xiàn)場(chǎng)需求；②鉆井液活度高，侵入地層流體多，井壁穩(wěn)定性變差，起下鉆和下套管作業(yè)阻卡現(xiàn)象明顯；③鉆遇深部地層時(shí)，高含量K+保證下部井眼抑制性時(shí)，上部井眼井壁變硬，造成起下鉆難度大（如圖2所示）。針對(duì)以上問(wèn)題的出現(xiàn)，新型PEC鉆井液體系應(yīng)時(shí)而生。

圖2 傳統(tǒng)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(fù)配使用，抑制性方面NaCl與KCl作用機(jī)理不同，NaCl可以降低鉆井液中濾液進(jìn)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(qiáng)，在保證抑制性同時(shí)具有其他優(yōu)點(diǎn)：①高濃度NaCl提高了鉆井液中離子含量，加大了鉆井液與細(xì)菌（微生物）間的正向滲透壓差，讓細(xì)菌脫水，導(dǎo)致細(xì)菌失水死亡，防止鉆井液污染，避免鉆井液污染變質(zhì)和pH減小，從而大大增強(qiáng)了鉆井液長(zhǎng)時(shí)間靜止的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)、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(yè)巖比KCl具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(yè)巖中的濾液量。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)滾動(dòng)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(guò)硬，保證起下鉆和下套管作業(yè)順利完成，同時(shí)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(zhì)量，同時(shí)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(duì)儲(chǔ)層保護(hù)和井壁穩(wěn)定有很大的貢獻(xiàn)（如圖3所示）。

圖3 KCl和NaCl滾動(dòng)回收率對(duì)比

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鉆具組合和優(yōu)化PEC鉆井液體系等提效措施在渤海K油田39口鉆井作業(yè)中得到了成功應(yīng)用，完鉆深度在3 200 m以內(nèi)的井身結(jié)構(gòu)都簡(jiǎn)化為2層套管，鉆井過(guò)程中井況穩(wěn)定，起下鉆阻卡現(xiàn)象大幅度減少，套管順利到位，累計(jì)實(shí)際鉆井工期為618.54 d，比基本設(shè)計(jì)工期提前70.2 d，每口井平均節(jié)約鉆井工期1.5～2 d，完成預(yù)期降本增效目標(biāo)，具備很大推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）井深3 200 m以內(nèi)井，二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)要優(yōu)于三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，既避免了起下鉆和下7"尾管風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)約了工期。

（2）馬達(dá)水力振蕩器鉆具組合能夠很好解決深部地層馬達(dá)滑動(dòng)托壓?jiǎn)栴}，同時(shí)一定程度上提高了機(jī)械鉆速。

（3）裸眼段長(zhǎng)，鉆穿地層多，NaCl與KCl復(fù)配使用抑制效果更好，既保證了下部井段井壁穩(wěn)定，同時(shí)避免了上部井段井壁變硬增加起下鉆風(fēng)險(xiǎn)。