川東北分水嶺構造須家河組鉆井提速技術研究與應用

甘 心， 侯樹剛， 趙俊峰， 侯立云， 張琳琳

(1. 中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001； 2.中石化中原石油工程有限公司地球物理測井公司，河南 濮陽 457001； 3.中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川 南充 637001)

普光氣田作為目前我國發現的最大規模的海相整裝高含硫氣田[1-2]，自2009年投產以來已經持續安全高效穩產8年多，累計產氣量達667.56億m3，為川氣東送做出了巨大貢獻[3-5]。面對如今國內天然氣市場供不應求以及時常出現“氣荒”的大背景，中石化普光氣田提出再持續穩產8年的目標，這就要求在保持現有普光主體工區產量基礎上，加大勘探力度開發普光外圍區域。

川東北分水嶺構造作為普光氣田二次開發的重點區域之一，位于普光主體區塊西北部，其主力產層為下部二疊系長興組。分水嶺構造上部以陸相地層為主，且依然存在著“噴、漏、塌、卡、斜、硬”等鉆井難題[6-7]，其中須家河地層埋深為2800～3800 m、厚度為550～680 m。從前期該區塊已完鉆的分1井和分2井資料來看，整個須家河組層段平均機械鉆速0.59～0.75 m/h，嚴重制約了勘探開發進程。

因此，針對川東北分水嶺構造須家河組地層，開展工程地質特征分析及提速技術研究與現場應用，對提高該區塊鉆井效率、縮短鉆井周期、降低鉆井成本具有重要的意義。

1 分水嶺構造須家河組工程地質特征

測井資料具有分辨率高、連續性好、經濟可靠的優點，直接從測井資料中提取地層工程地質特征已經得到了人們高度重視和廣泛應用[8-11]。目前，基于測井資料反演地層礦物組分和巖石力學參數的方法和技術已經較為成熟[12-13]。

1.1 礦物組分含量分析

基于測井曲線特征和巖礦薄片資料，對分水嶺構造須家河組礦物組分含量進行分析(圖1)，可知：須家河組地層主要含有15種不同礦物，其中中砂巖、細砂巖為主要成分，占層組厚度的34.59%和21.37%，其次為炭質泥巖和泥巖，各占層組厚度的10.83%和8.58%，而砂礫巖、粗砂巖、粉砂質泥巖和煤也占一定比例。

圖1 須家河組地層礦物組分分析

進一步針對須家河組地層砂巖碎屑薄片進行分析，結果如圖2所示，須家河組砂巖呈細粒砂狀結構，顆粒支撐，成分、結構成熟度較高，碎屑成分中石英含量最高，在50%～70%之間，長石5%～10%，巖屑15%左右，分選好，次棱角狀為主，部分次圓狀，再生孔隙式膠結。填隙物成分以泥質為主(5%～10%)，次為硅質(3%～5%)、灰質(3%左右)。

1.2 巖石力學特征分析

在巖石力學實驗的基礎上，結合密度、聲波時差等測井原始數據，運用非線性最小二乘法進行擬合，建立并修正了分水嶺構造須家河組巖石力學分析模型。

圖2 須家河組地層砂巖碎屑組分分析

圖3為通過巖石力學參數分析模型獲取的分水嶺構造須家河組地層巖石力學參數曲線，表1為須家河組地層巖石力學參數反演值。總的來看，分水嶺構造須家河組地層巖石力學參數曲線變化幅度較為明顯，其中，砂巖、粉砂巖及泥質砂巖等巖性地層巖石力學參數值普遍較高，而泥巖、煤、灰質泥巖等夾層巖石力學參數值較低。而從巖石可鉆性級值這一指標來看，須家河組地層可鉆性普遍在7～10級，其中在須家河組五段和二段的中砂巖層段可鉆性達到11級以上，在少數煤線和泥巖夾層可鉆性降至5級以下。

表1 須家河組巖石力學參數計算值

2 鉆井提速技術思路

針對川東北分水嶺構造須家河組地層這種巖石硬度大(均值3121.6 MPa)、可鉆性差(均值8.0)、石英含量高(50%～70%)的典型難鉆地層，本文擬采用降低井底壓差和優選高效破巖鉆頭兩種方式來實現提高機械鉆速和行程進尺的目的。

2.1 降低井底壓差

井底壓差指的是鉆井循環流體介質密度與地層壓力當量密度之間的差值，以ρm-ρd表示。降低井底壓差就是通過降低鉆井循環流體介質密度并使其盡可能小于或等于地層壓力當量密度，可以進一步緩解井底壓持效應，改善鉆頭破巖環境。

圖3須家河組巖石力學參數曲線

Fig.3CurveofrockmechanicsparametersinXujiaheformation

Vm=KV(Wp/60)(0.5+0.2Kd)(R/70)(0.9-0.03Kd)

(1)

其中:

Wp=W/Dh

(2)

Np=10.95×10-2gρmQm3/(de4Dh2)

(3)

式中：Vm——機械鉆速，m/h；KV——與巖石可鉆性級值Kd有關的鉆速系數(Kd≤3.5時，KV取130～135；3.56.0時，KV取100～105)；W——鉆壓，kN；Wp——比鉆壓，kN/cm；R——轉速，r/min；NP——比水功率，kW/cm2；ρm——循環流體介質密度，g/cm3；ρd——地層壓力當量密度，g/cm3；Dh——井眼尺寸，cm；Qm——鉆井液排量，L/s；de——鉆頭水眼直徑，cm。

2.2 優選高效破巖鉆頭

混合鉆頭作為一種新型個性化鉆頭，它將牙輪鉆頭和PDC鉆頭結構特點融合在一起，在近幾年國內外油氣勘探領域得到成功應用[15]。為了進一步分析混合鉆頭對須家河組這類可鉆性差的石英砂巖地層的適應性，本文將混合鉆頭和常規PDC鉆頭進行了對比分析。

通過如圖4～圖6混合鉆頭與PDC鉆頭在須家河組砂巖地層破巖參數曲線變化，可知：

圖4 混合鉆頭與PDC鉆頭破巖反扭矩分析

(1)從反扭矩變化曲線來看，混合鉆頭反扭矩波動幅度約為PDC鉆頭的50%，表明混合鉆頭比PDC鉆頭更有利于減輕整合鉆柱的粘滑振動現象；

(2)從角速度變化曲線來看，混合鉆頭角速度波動幅度比PDC鉆頭更為平穩，且平均值大于PDC鉆頭，表明混合鉆頭比PDC鉆頭破巖連續性更好；

(3)從軸向位移變化曲線來看，混合鉆頭在相同鉆井參數條件下取得的軸向位移要優于PDC鉆頭，表明混合鉆頭進尺效率優于PDC鉆頭。

圖5 混合鉆頭與PDC鉆頭破巖角速度分析

圖6 混合鉆頭與PDC鉆頭破巖軸向位移分析

3 現場應用

2017年，中石化在川東北分水嶺構造上部署的一口重點預探井——分3井，該井設計鉆遇的須家河組地層埋深2900 m，厚度約610 m，預測地層壓力系數1.05～1.10。

3.1 現場采用的鉆井方式

3.1.1 氣體鉆井

應用井段：3011～3243 m；鉆遇地層：須家河組六段、五段和四段。

鉆具組合：?311.2 mm牙輪鉆頭+?228.6 mm鉆鋌+?229 mm減震器+?304 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌+?203.2 mm鉆鋌+?203.2 mm隨鉆震擊器+?139.7 mm鉆桿。

3.1.2 常規泥漿鉆井

應用井段：3243～3265 m；鉆遇地層：須家河組四段。

鉆具組合：?311.2 mm牙輪鉆頭+?228.6 mm鉆鋌+?203.2mm鉆鋌+?139.7 mm鉆桿。

3.1.3 扭沖工具+混合鉆頭鉆井

應用井段：3265～3414 m；鉆遇地層：須家河組四段、三段。

鉆具組合：?311.2 mm混合鉆頭+?203 mm扭沖工具+?228.6 mm鉆鋌+?229 mm減震器+?304 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌+?203.2 mm鉆鋌+?203 mm隨鉆震擊器+?139.7 mm鉆桿。

其中，扭沖工具總長464 mm，壓降1.8～2.1 MPa，沖擊頻率700～1600次/min，扭轉沖擊710～830 N·m。

3.1.4 螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井技術

應用井段：3414～3682 m；鉆遇地層：須家河組三段、二段。

鉆具組合：?311.2 mm混合鉆頭+?244.5 mm直螺桿+?228.6 mm鉆鋌+?229 mm減震器+?304 mm扶正器+?228.6 mm鉆鋌+?203.2 mm鉆鋌+?203 mm隨鉆震擊器+?139.7 mm鉆桿。

其中，螺桿鉆具馬達頭數5∶6，轉速72～144 r/min，工作扭矩15742 N·m，壓降5.25 MPa。

3.2 提速效果分析

分3井須家河組地層的鉆井參數與鉆時變化曲線如圖7所示，從中可以看出：

(1)氣體鉆井在施工時，雖然所施加鉆壓(30～60 kN)遠小于以泥漿為循環介質的其它3種鉆井方式所施加的鉆壓，但是依靠其自身可以將井底負壓差最大化的特點，從而實現最佳的提速效果，并且鉆時(鉆進每米所用時間)與其它3種鉆井方式相比波動更為平穩，并保持在5～30 min/m。

(2)螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井雖然施加的鉆壓與常規泥漿鉆井和扭沖工具+混合鉆頭鉆井相比有所減小，但是依靠螺桿鉆具輸出高轉速(72～144 r/min)和大扭矩(15742 N·m)，并且充分發揮混合鉆頭壓碎+剪切耦合破巖的優勢，鉆時基本保持在25～50 min/m。

(3)扭沖工具+混合鉆頭鉆井所獲取的鉆時波動幅度明顯大于氣體鉆井和螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井，通過將轉速由55 r/min增大至85 r/min，鉆時波動幅度仍無明顯改善。

圖7不同鉆井方式在須家河組地層的鉆井參數與鉆時變化曲線

Fig.7CurveofdrillingparametersanddrillingtimefordifferentdrillingmethodsinXujiaheformation

圖8為配合扭沖工具使用的混合鉆頭入井前和出井后的實物照片對比，可以看出該鉆頭在進尺149 m后出井新度依然保持在80%左右，僅刀翼肩部PDC切削齒出現輕微磨損，牙輪外排齒出現個別崩斷。從而也表明：扭沖工具配合混合鉆頭使用，雖然提速效果不突出，但通過扭沖工具可以改善混合鉆頭破巖環境，避免鉆頭過早磨損的效果。

圖8 混合鉆頭入井和出井照片對比

將分3井須家河組地層所使用的提速手段所取得的總進尺和平均機械鉆速進行對比分析(圖9所示)，可以看出：氣體鉆井技術、螺桿鉆具+混合鉆頭以及扭沖工具+混合鉆頭鉆井技術均取得不同程度的提速效果，其中，氣體鉆井技術平均機械鉆速最高，達到4.78 m/h，與同井常規泥漿鉆井相比提高4.49倍，螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井技術平均機械鉆速為1.77 m/h，與同井常規泥漿鉆井相比提高103%，扭沖工具+混合鉆頭鉆井技術平均機械鉆速為1.04 m/h，與同井常規泥漿鉆井相比提高20%。

圖9 不同鉆井方式總進尺及平均機械鉆速統計

將分3井與同構造帶上的鄰井分1井、分2井進行對比分析(圖10)，可以看出，分3井在采用了氣體鉆井和混合鉆頭高效破巖提速技術之后，平均機械鉆速達到1.95 m/h，較鄰井分別提高230%和160%，并且鉆頭使用量為6只，較鄰井分別節約14只和3只。

圖10 分水嶺構造帶上3口井在鉆頭使用量和機械鉆速方面對比

4 結論

(1)通過對分水嶺構造須家河組地層進行工程地質特征分析，獲取了須家河組地層礦物組分是以中砂巖、細砂巖為主，分別占層組厚度的34.59%和21.37%，并且石英含量高，占砂巖碎屑成分的50%～70%。同時，還進一步獲取了須家河組地層巖石力學參數值和變化曲線。

(2)基于礦物組分和巖石力學參數分析結果，并結合鉆速方程提出了通過降低井底壓差的思路進行提速并有針對性地選取了氣體鉆井技術。從分3井現場應用效果來看，氣體鉆井技術機械鉆速達到4.78 m/h，與同井常規泥漿鉆井相比提高4.49倍。

(3)針對分水嶺構造須家河組可鉆性較差的石英砂巖地層，開展了混合鉆頭和PDC鉆頭的破巖對比分析，并得出混合鉆頭在緩解粘滑振動、提高破巖連續性和進尺效率方面優于PDC鉆頭。從分3井現場應用效果來看，螺桿鉆具+混合鉆頭鉆井機械鉆速為1.77 m/h，與同井常規泥漿鉆井相比提高103%，扭沖工具+混合鉆頭鉆井可以有效改善鉆頭破巖環境、保護鉆頭。