埕海3-2區(qū)鉆井提速優(yōu)化方案研究

摘" " 要：埕海3-2區(qū)塊經(jīng)過(guò)一期鉆探有較好油氣發(fā)現(xiàn)，后續(xù)計(jì)劃擴(kuò)建槽口，新部署24口井。為了高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)埕海3-2區(qū)油田，在總結(jié)前期地質(zhì)、工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、鉆頭優(yōu)選和個(gè)性設(shè)計(jì)、優(yōu)化鉆具組合、應(yīng)用長(zhǎng)壽命螺桿等提速工具，實(shí)現(xiàn)三開(kāi)“一趟鉆”工程，同時(shí)優(yōu)選鉆井液體系和適當(dāng)?shù)你@井液密度，避免井壁失穩(wěn)坍塌，應(yīng)用優(yōu)化后的鉆井方案，鉆完井周期對(duì)比優(yōu)化前的埕海XX井可縮短7.35 d，提速15.24%。形成的提速優(yōu)化方案對(duì)于解決該區(qū)塊鉆井提速難題具有重大的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：鉆井提速；井身結(jié)構(gòu)；鉆頭；鉆井液；優(yōu)化方案

Optimization scheme for drilling speed improvement in Chenghai 3-2 oilfield block

SHEN Jiyang， ZHANG Hao， CHENG Yukun， XIN Yaqi

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：After the first phase of drilling， good oil and gas reservoir is discovered in the Chenghai 3-2 （CH 3-2） block. Subsequently， plans are made to expand the slot and construct 24 new wells. For efficient and economic development of the CH 3-2 oilfield， based on previous geological and engineering experience， the “one trip drilling” at the third spud of the wellbore is achieved by optimization of casing program and string assembly，selection and customized design of drill bit， as well as employment of long-life screw and other ROP improvement tools. At the same time， wellbore instability and collapse are avoided by a selected drilling fluid system and appropriate drilling fluid density. With the optimized drilling plan， the drilling to completion period can be shortened by 7.35 days and efficiency can be increased by 15.24% compared to the well before optimization. The optimization plan has significant application value and practical significance for solving the problem of drilling speed improvement in this block.

Keywords：drilling speed improvement; casing program; bit; drilling fluid; optimization plan

根據(jù)國(guó)家對(duì)海洋環(huán)境的嚴(yán)格要求，從2017年5月開(kāi)始暫停對(duì)渤海灣新建人工島等非透水構(gòu)筑物的審批。因此，埕海3區(qū)的開(kāi)發(fā)須采用“海油海采”的模式進(jìn)行。埕海3-2區(qū)位于河北省黃驊市東側(cè)海域，埕海3-2平臺(tái)所處位置平均水深4.9 m，高潮水深6.4 m，低潮水深3.0 m，潮差3.4 m。

埕海3-2區(qū)規(guī)劃槽口18個(gè)，槽口間距2.2 m ×2.7 m，全部為單筒雙井設(shè)計(jì)，具備36口井的鉆井能力。目前北側(cè)槽口區(qū)導(dǎo)管已樁入4個(gè)，開(kāi)鉆8口井，完鉆7口井。后續(xù)擴(kuò)建槽口14個(gè)，部署新井24口，目的層位于沙二段，平均單井進(jìn)尺4 035 m，預(yù)計(jì)累計(jì)進(jìn)尺9.6 × 104 m。

1" " 地質(zhì)概況

埕海3-2區(qū)塊屬于依托海4井?dāng)鄬雍蛷垨|斷層的斷鼻構(gòu)造，為巖性-構(gòu)造油藏，油藏高點(diǎn)埋深3 025 m，地層南高北低，東西向中間凹、兩邊高，靠近海4井?dāng)鄬訒r(shí)地層變陡，構(gòu)造在縱向上具有一定繼承性，靠近張東斷層發(fā)育東西向次級(jí)小斷層，中心區(qū)斷層不發(fā)育。巖心物性分析表明：沙二段為中低孔（8.47%～17.83%）、低滲～特低滲（4.9 × 10-3 ～ 79.54 × 10-3 μm2）儲(chǔ)層。地層壓力系數(shù)0.98～1.05，屬正常壓力系統(tǒng)。地溫梯度為3.06 ℃/100 m～3.5 ℃/100 m，平均地溫梯度3.36 ℃/100 m，屬正常溫度系統(tǒng)。地質(zhì)分層和巖性描述如表1所示（以埕海XX井為例）。

2" " 已完成井情況

2018—2021年，埕海3-2區(qū)塊已開(kāi)鉆8口井，完鉆7口井（見(jiàn)表2），以評(píng)價(jià)井為主，平均完鉆井深4 569 m，平均鉆井周期50.93 d，平均完井周期11.46 d，平均機(jī)械鉆速15.82 m/h。

3" " 鉆井施工難點(diǎn)

根據(jù)前期施工井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，鉆井施工過(guò)程中主要存在以下難點(diǎn)。

一開(kāi)406.4 mm井眼：巖柱軟，上部地層壓實(shí)程度低，同時(shí)大井眼造斜率較難控制，單筒雙井A井與B井分離較困難，伴隨導(dǎo)管架井組開(kāi)發(fā)密度日益加大，防碰問(wèn)題會(huì)日益突出。

二開(kāi)311.1 mm井眼：斜井段較長(zhǎng)，鉆速快，鉆屑多，井眼清潔困難，地層造漿嚴(yán)重，鉆井液流變性難以控制。

三開(kāi)215.9 mm井眼：井段地層坍塌，壓力高，井壁易失穩(wěn)坍塌；沙河街組中下部地層壓實(shí)強(qiáng)度提升，細(xì)砂巖、粉砂巖含量增高，地層研磨性增強(qiáng)，機(jī)械鉆速低，單只鉆頭進(jìn)尺少；固井封固段長(zhǎng)，需要采用分級(jí)固井[1]，固井施工難度大。沙二段、沙三段為主要目的層井段，井漏、井噴等復(fù)雜事故風(fēng)險(xiǎn)高。

4" " 優(yōu)化方案

4.1" " 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

埕海3-2區(qū)目的層為沙河街組，主體采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，?339.7 mm的表層套管封明化鎮(zhèn)組上部松散地層，?244.5 mm生產(chǎn)套管主體封過(guò)沙一段地層，2020年后采用常規(guī)定向井生產(chǎn)套管封過(guò)館陶組地層（見(jiàn)圖1），能夠滿足安全鉆井及開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的需要?？紤]鉆井平臺(tái)槽口的重復(fù)利用，井身結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。參考埕海二區(qū)懸掛尾管完鉆油水井的注水及壓裂實(shí)際情況對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[2-4]，均采用?244.5 mm生產(chǎn)套管懸掛?139.7 mm生產(chǎn)尾管的井身結(jié)構(gòu)。結(jié)合舉升工藝、地層壓力、鉆井液密度等情況，常規(guī)井、水平井均可優(yōu)化設(shè)計(jì)為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，定向井生產(chǎn)套管封過(guò)館陶組地層，水平井生產(chǎn)套管封東一段地層，優(yōu)化后井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

原井身結(jié)構(gòu)三開(kāi)固井由于封固段長(zhǎng)、上下溫差大、水泥量大等特點(diǎn)，需要采用分級(jí)固井工藝，分級(jí)固井完成后還需要用小鉆桿鉆掉分級(jí)箍，優(yōu)化成尾管懸掛后，可節(jié)約作業(yè)時(shí)間80 h。

4.2" " 鉆頭優(yōu)選與個(gè)性化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)埕海3-2區(qū)已鉆井巖石進(jìn)行力學(xué)分析，得知東營(yíng)組到沙一段中下部的平均抗壓強(qiáng)度低于5 000 psi（1 psi=6.896 kPa），內(nèi)摩擦角低于32°，地層可鉆性好。沙一段中下部及以下地層抗壓強(qiáng)度較上部地層抗壓強(qiáng)度明顯增加，且在4 000 ～ 16 000 psi波動(dòng)，部分夾層抗壓強(qiáng)度超過(guò)20 000 psi，說(shuō)明地層軟硬交錯(cuò)會(huì)對(duì)鉆頭造成沖擊破壞，內(nèi)摩擦角接近40°，地層也具有較強(qiáng)的研磨性。

埕海3-2區(qū)塊三開(kāi)215.9 mm井眼地層主要以東營(yíng)、沙一、沙二、沙三地層為主。三開(kāi)采用PDC鉆頭（GP1655D、M1655DG、M516J、T1655AUG、MD6521ZC），平均機(jī)械鉆速8.59 m/h，單只鉆頭平均進(jìn)尺773 m。統(tǒng)計(jì)分析鄰井已完鉆井鉆頭使用情況：其一，鉆頭發(fā)生損壞的地層為沙二段和沙三段，主要磨損特征是鼻部外檢磨損和崩損，主要原因是地層軟硬交錯(cuò)和較強(qiáng)的研磨性；其二，平面齒使用后均出現(xiàn)較嚴(yán)重崩損和磨損，前排異面齒鉆頭出井損壞程度較輕；其三，已鉆井主要使用16 mm切削齒5刀翼鉆頭，適合地層鉆進(jìn)；其四，具有后排齒的鉆頭在耐磨損和進(jìn)尺上具有優(yōu)勢(shì)，后排齒可以很好地保護(hù)鉆頭，錐尖后排齒保護(hù)效果更好；其五，百施特異面雙排齒鉆頭在多井中使用，出井磨損程度較輕，具有實(shí)現(xiàn)單只鉆頭完成215.9 mm井段的潛力。

當(dāng)前針對(duì)不同區(qū)塊、不同地層巖性的個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)[5-7]越來(lái)越受到青睞。結(jié)合埕海區(qū)塊地層研磨性和鄰井鉆頭磨損特征，在“T1655AUG”鉆頭基礎(chǔ)上，從以下5個(gè)方面開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)單只鉆頭進(jìn)尺不低于2 200 m、機(jī)械鉆速不低于12.50 m/h，滿足一只鉆頭完成三開(kāi)全部進(jìn)尺要求。優(yōu)化一：采用新一代異面齒為主切削齒，輔助圓柱錐尖齒（見(jiàn)圖3），減少鉆頭橫向振動(dòng)及軸向振動(dòng)，提高切削齒使用壽命；優(yōu)化二：鼻部及外肩部切削齒受力優(yōu)化，降低肩部齒在切削地層的受力，提高切削齒壽命；優(yōu)化三：鉆頭力平衡方面的優(yōu)化，提高鉆頭工作穩(wěn)定性，提高鉆頭使用壽命和定向穩(wěn)定性；優(yōu)化四：鉆頭側(cè)向切削性能的優(yōu)化，提高鉆頭側(cè)向切削能力，提高定向造斜率（見(jiàn)圖4）；優(yōu)化五：鉆頭水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除井底渦流，使巖屑快速排出井底，避免重復(fù)切削。

4.3" " 鉆具組合和提速工具優(yōu)選

區(qū)塊內(nèi)已完鉆的7口井均采用了常規(guī)四合一鉆具組合[8]（PDC鉆頭+馬達(dá)+穩(wěn)定器+MWD），目前一開(kāi)、二開(kāi)均實(shí)現(xiàn)了“一趟鉆”工程，三開(kāi)還需要兩趟鉆才能完成，因此該區(qū)塊鉆井提速的重點(diǎn)是三開(kāi)井段。

一開(kāi)常用鉆具組合（直井段、增斜鉆進(jìn)）：?406.4 mm鉆頭+?244 mm螺桿1.75°（本體扶正器?400 mm）+?203 mm浮閥+?203 mm無(wú)磁×1根+?203 mm MWD+?203 mm無(wú)磁×1根+631 × 520轉(zhuǎn)換接頭+?139 mm加重鉆桿×5柱+?139 mm鉆桿。

針對(duì)單筒雙井淺層定向造斜率低、A井和B井分離難的問(wèn)題，同時(shí)兼顧機(jī)械鉆速，一開(kāi)可優(yōu)化為兩趟鉆，即先用牙輪+2.0°螺桿馬達(dá)保障上部軟地層造斜率，實(shí)現(xiàn)淺層井段A、B井快速分離，再用PDC+1.75°螺桿馬達(dá)實(shí)現(xiàn)下部低防碰風(fēng)險(xiǎn)井段提速。

二開(kāi)常用鉆具組合（穩(wěn)斜鉆進(jìn)）：?311.1 mm PDC鉆頭+?244 mm螺桿1.5°（本體扶正器?310 mm） +?203 mm浮閥+?296～298 mm扶正器+?203 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+MWD短節(jié)+?203 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+?203 mm隨鉆振擊器+631×520轉(zhuǎn)換接頭+?139.7 mm加重鉆桿×20根+?139.7 mm鉆桿。通過(guò)區(qū)塊前期鉆井施工總結(jié)，二開(kāi)優(yōu)選?296 mm～?298 mm鉆具扶正器，穩(wěn)斜效果最好，定向糾偏滑動(dòng)比例可降低至20%，鉆井效率大幅提高。

三開(kāi)常用鉆具組合（穩(wěn)斜鉆進(jìn)）：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿1.5°（本體扶正器?210 mm） +411 × 410浮閥+?210 mm扶正器+?169 mm無(wú)磁鉆鋌×1根+?171 mm MWD+?127 mm無(wú)磁抗壓縮鉆桿×1根+?127 mm加重鉆桿×9根+?165 mm隨鉆振擊器+?127 mm加重鉆桿×8根+?127 mm鉆桿×7根+?172 mm水力振蕩器+?127 mm鉆桿+411 × 520轉(zhuǎn)換接頭+?139.7 mm鉆桿（每300 m加放1根清潔鉆桿）。

三開(kāi)鉆進(jìn)過(guò)程中，存在扭矩大、清潔難、定向拖壓等困難，在前期摸索中應(yīng)用防磨減扭接頭、水力振蕩器、清潔鉆桿等工具，配合性能良好的鉆井液，這些難題基本得到了解決。但是受制于螺桿鉆具和鉆頭的使用壽命，需要兩趟鉆（兩根螺桿、兩只鉆頭）才能完成全部進(jìn)尺。優(yōu)選應(yīng)用可連續(xù)工作300 h的長(zhǎng)壽命螺桿鉆具[9-10]，配合個(gè)性化PDC鉆頭，可實(shí)現(xiàn)三開(kāi)“一趟鉆”工程。針對(duì)施工難度大、位移較大的井，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+LWD隨鉆測(cè)井，采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)代替滑動(dòng)鉆進(jìn)，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速。

4.4" " 鉆井液優(yōu)化

目前埕海3-2區(qū)塊主體采用有機(jī)鹽鉆井液體系，統(tǒng)計(jì)區(qū)塊完鉆時(shí)（目的層沙二井段）鉆井液密度如表3所示。

1）鉆井液體系優(yōu)選。有機(jī)鹽鉆井液：采用復(fù)合有機(jī)鹽，水活度低，抑制性更強(qiáng)；固相含量低，有利于儲(chǔ)層保護(hù)，適用于該區(qū)塊水平井。鉀鹽聚合物鉆井液：抑制性強(qiáng)，性能易維護(hù)，能夠滿足不同井深、不同井型的安全鉆井需要，可應(yīng)用于該區(qū)塊常規(guī)定向井。

2）鉆井液密度優(yōu)選。前期施工的埕海AA井和BB井，三開(kāi)設(shè)計(jì)鉆井液密度1.15～1.20 g/cm3，采用控壓鉆井，實(shí)鉆過(guò)程中出現(xiàn)了掉塊，最終通過(guò)提高密度才避免了井塌復(fù)雜情況的發(fā)生。后期施工井鉆井液密度提高至1.40～1.45 g/cm3，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)坍塌掉塊的現(xiàn)象。通過(guò)多口井實(shí)踐，沙一段坍塌壓力當(dāng)量密度為1.39 g/cm3，沙二段坍塌壓力當(dāng)量密度為1.36 g/cm3，在進(jìn)入沙河街易坍塌井段前，應(yīng)提高鉆井液密度至坍塌壓力當(dāng)量密度，以平衡地層坍塌壓力，解決沙河街組泥頁(yè)巖垮塌的問(wèn)題。同時(shí)，保持體系中抑制劑K+、weigh2的含量不低于設(shè)計(jì)值（5%～7%KCl、15%～20%有機(jī)鹽weight），提高化學(xué)防塌能力，保證井壁穩(wěn)定。

4.5" " 提速目標(biāo)

埕海XX井是埕海3-2區(qū)塊三開(kāi)井中施工周期較短的一口井，完鉆井深4 550 m，實(shí)際鉆完井周期49.88 d，去除天氣、設(shè)備等原因耽誤的時(shí)間，鉆完井周期為48.22 d。針對(duì)后續(xù)新部署的定向井，通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、套管柱、短起下次數(shù)等參數(shù)，應(yīng)用個(gè)性化鉆頭、長(zhǎng)壽命螺桿、清潔鉆桿、水力振蕩器、防磨減扭接頭等提速工具，精心操作，提高起下鉆和下套管速度，緊密工序銜接，新井優(yōu)化后的鉆完井周期對(duì)比埕海XX井實(shí)鉆周期（見(jiàn)表4），可縮短7.35 d，提速15.24%。

5" " 結(jié)論

1）井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三開(kāi)尾管懸掛的方式，既滿足完井工程需求，又便于后期對(duì)井口槽再利用，同時(shí)較全井下套管的井身結(jié)構(gòu)，降低了固井難度，縮短了完井周期，更具有經(jīng)濟(jì)性。

2）根據(jù)地層巖性特征，設(shè)計(jì)個(gè)性化PDC鉆頭，應(yīng)用長(zhǎng)壽命螺桿鉆具，可實(shí)現(xiàn)三開(kāi)“一趟鉆”工程，鉆具組合中的帶水力振蕩器和降摩減扭工具，減少了摩阻對(duì)鉆井的影響，可提高機(jī)械鉆速。

3）針對(duì)施工難度大或水平井段，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+LWD隨鉆測(cè)井，代替常規(guī)螺桿馬達(dá)鉆井和電纜測(cè)井，可大幅縮短鉆完井周期。

4）建議多井批鉆施工，采用平臺(tái)集中打表層的施工方式，實(shí)現(xiàn)各井平行作業(yè)，提升鉆井時(shí)效。

5）在前期施工中，三開(kāi)有機(jī)鹽鉆井液重晶石有沉降問(wèn)題，影響了作業(yè)時(shí)效，建議開(kāi)展相關(guān)研究，提高鉆井液性能的穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：

沈吉陽(yáng)（1984—），男，四川巴中人，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事海洋石油鉆井方面的工作。Email：shenjy.cpoe@cnpc.com.cn

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