楊稅務潛山油氣藏大位移井鉆井完井關鍵技術

陳新勇，徐明磊，馬 櫻，徐雅萍，趙 博，韓 煦

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北任丘062550；2.中國石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北任丘062552；3.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249；4.中國石油大學（華東）石油工業訓練中心，山東青島266580）

華北油田楊稅務區塊位于冀中坳陷南部河西務構造帶上，隨著地質認識的不斷深入和鉆井完井技術的不斷進步，楊稅務潛山油氣藏的勘探獲得了重大突破，成為華北油田重要的接替資源[1]。該區塊地質條件復雜，沙河街組以下發育有礫巖層和多個薄弱易漏層，油氣藏埋深超過5 200.00m，儲層溫度160～215℃，因地表有村莊房屋，需采用大位移井開發。但該區塊大位移井鉆井存在摩阻扭矩大的問題，而且楊稅務區塊沙河街組沙四段以下地層可鉆性差，存在易漏層，地層溫度高，對鉆井工具、鉆井液和水泥漿的性能要求高。面對類似的技術難點，國內主要從提速工具、降摩減扭、鉆井液性能優化、防漏堵漏、井眼清潔等方面進行解決[2–7]。筆者根據楊稅務區塊的地質特征，從井身結構優化、井眼軌道設計、井眼軌跡控制、鉆井液配方優選與性能優化、提速提效和大溫差小井眼固井等方面進行了研究，形成了華北油田楊稅務潛山油氣藏大位移井鉆井完井關鍵技術，并在T5X井和T101X井進行了現場試驗，試驗結果表明該技術可提高機械鉆速，縮短鉆井周期，為楊稅務潛山油氣藏的高效開發提供了技術支持。

1 鉆井完井技術難點

華北油田楊稅務區塊自上而下鉆遇第四系、新近-古近系、二疊系、石炭系、奧陶系和寒武系：第四系主要巖性為黏土；新近-古近系主要巖性為泥巖、砂巖、粉砂巖、砂礫巖和礫巖；二疊系和石炭系主要巖性為砂巖、碳質泥巖、玄武巖并夾含煤層；奧陶系和寒武系為該區塊的目的層，主要巖性為灰巖、白云巖。綜合分析認為，該區塊主要存在以下鉆井完井技術難點：

1）新近-古近系沙河街組沙四段以下地層可鉆性差，機械鉆速低。沙河街組沙4段、孔店組，二疊系和石炭系以硬質泥巖、砂巖為主，硬度極高，研磨性極強，且夾含礫巖層、玄武巖層，對鉆頭沖擊破壞嚴重，給鉆井提速帶來了困難。

2）二疊系以下地層復雜，易漏失。二疊系和石炭系存在煤層，鉆井過程中易發生垮塌和井漏，對鉆井液的抑制性和封堵性要求高；潛山井段主要巖性為灰巖、白云巖，裂隙發育，易漏失。

3）水平位移大，施工困難。水平位移2 000.00m以上，鉆井過程中摩阻大，鉆壓施加困難；裸眼段長且要鉆穿多套復雜巖性地層，造斜點位置和井斜角直接影響施工的難度和安全性。

4）井下溫度高，對鉆井工具、材料要求高。潛山頂部地層溫度超過160 ℃，井底溫度最高達到215℃，對井下工具、鉆井液和水泥漿的抗溫性能提出了較高要求。

5）潛山內固井難度大。潛山地層壓力系數低，尾管段長度超過1 200.00m，環空間隙小，井底溫度高，且溫差在40℃以上，且后期需要采用體積壓裂技術改造儲層，對水泥環的完整性要求高，給固井施工帶來了困難。

2 鉆井完井關鍵技術

為了加快華北油田楊稅務區塊的勘探開發進度，開展了楊稅務潛山油氣藏大位移鉆井完井關鍵技術研究，從井身結構優化、個性化鉆頭設計、提速工具優選、鉆井液優化和防漏堵漏等方面入手進行研究，形成了一系列鉆井完井關鍵技術。

2.1 井身結構優化

楊稅務潛山油氣藏原井身結構：1）一開?339.7 mm套管下至明化鎮組穩定地層，封固地表平原組松軟層；2）二開?244.5mm套管下至沙河街組下部；3）三開?177.8mm套管下至奧陶系頂部，封固奧陶系以上易垮塌易漏地層；4）四開潛山目的層專打，懸掛下入?127.0mm套管固井。

為確保井控安全，降低井壁垮塌風險，并考慮后期儲層改造需求[2–3]，在分析薄弱地層三壓力剖面的基礎上，對井身結構進行了優化。通過分析鄰井鉆井資料，預測沙河街組下部發育有壓力系數1.35的高壓層，將原井身結構中二開套管下深調整至沙河街組中部；為了提高套管的抗內壓強度，確保后期儲層改造的需求，將四開?127.0mm套管回接至井口。

2.2 井眼軌道設計與軌跡控制技術

2.2.1 井眼軌道設計

1）優選造斜點位置。沙四段和孔店組地層中含有膏巖、膏泥巖和礫巖，其中膏巖、膏泥巖地層穩定性不好，礫石層可鉆性差，造斜能力低；二疊系和石炭系含有玄武巖和煤層，地層巖性復雜，容易發生掉塊等復雜情況，將造斜點選擇在沙河街組的中上部。通過模擬分析不同井斜角下的摩阻扭矩，發現將井斜角控制在40°以下有利于降低摩阻扭矩，提高攜巖效率，因此選擇在沙一段井深1 700.00～1 800.00m處造斜。

2）優化造斜率。為了保證井眼軌跡平滑，降低施工難度，將井眼軌道優化設計為“直—增—穩”三段制，將造斜率控制在（2.0°～2.4°）/30m。

2.2.2 井眼軌跡控制技術

控制復雜結構井井眼軌跡時，既要考慮提高上部大直徑井眼的造斜率，又要考慮下部高溫穩斜段如何控制井斜角。

為了保障下部井段能夠順利施工，需確保二開在?311.1 mm井眼成功定向。二開采用PDC鉆頭+1.25°大尺寸螺桿的鉆具組合，螺桿上部不加穩定器，以提高造斜能力。二開鉆具組合為?311.1mm鉆頭＋?244.5 mm×1.25°螺桿＋?203.2 mm無磁鉆鋌×2根＋?203.2mm螺旋鉆鋌×1根＋?165.1mm螺旋鉆鋌×6根＋?127.0mm加重鉆桿×18根＋隨鉆震擊器＋?127.0mm加重鉆桿×6根。鉆進中盡量保證連續定向，不定點循環，少活動鉆具，提高造斜率。

三開和四開為長穩斜段，采用動力鉆具組合實現井眼軌跡的控制，選用1.0°彎角的螺桿，降低復合鉆進破巖體積，在需要時可以微調井眼軌跡。三開鉆具組合為?215.9mm鉆頭＋?172.0mm×1.0°螺桿＋?203.2 mm穩定器＋?165.1 mm無磁鉆鋌×2根+?165.1mm螺旋鉆鋌×10根＋?127.0mm加重鉆桿×18根＋隨鉆震擊器＋?127.0mm加重鉆桿×6根；四開鉆具組合為?152.4 mm鉆頭＋?120.6 mm×1.0°螺桿＋?120.7mm無磁鉆鋌×2根＋?120.7mm螺旋鉆鋌×14根＋?101.6mm加重鉆桿×18根＋隨鉆震擊器＋?101.6 mm加重鉆桿×6根。井深超過4 300.00m時井下溫度超過150℃，應將螺桿和隨鉆測量儀器更換為抗高溫的螺桿和隨鉆測量儀器。三開和四開鉆進時以復合鉆進為主；若井眼偏離設計軌道，要勤調微調，以保持井眼光滑。

2.3 降摩減扭技術措施

楊稅務潛山油氣藏大位移井井深超過6000.00 m，井斜角大、裸眼段長且下部地層可鉆性差，導致鉆井過程中摩阻扭矩大，鉆機負荷大，給鉆進安全帶來很大隱患。為降低摩擦系數，確保鉆井安全，主要采取應用水力振蕩器和提高鉆井液潤滑性等技術措施。

2.3.1 應用水力振蕩器

水力振蕩器主要包括振動端和動力端（見圖1）。鉆井液流過該鉆井工具時，能夠產生軸向振動，帶動附近鉆具振動，降低鉆具與井壁之間的摩擦阻力，增強鉆壓傳遞的有效性，解決滑動鉆進過程中的托壓問題，提高定向效率[4–5]。由于隨著井斜角增大，水力振蕩器的安放位置距離鉆頭越近，效果越好[6–7]，因此，綜合考慮井斜角、裸眼段長、鉆具組合及水力振蕩器自身的特點，將其安放在距離鉆頭180.00～240.00m的位置。

圖1 水力振蕩器Fig.1 Hydraulic oscillator

2.3.2 提高鉆井液潤滑性

鉆進增斜段、穩斜段和調整段時，鉆井液中加入潤滑劑和塑料小球等，通過物理方式降低鉆井液摩阻系數；加強四級固控設備的使用，特別是充分利用離心機降低鉆井液中的固相含量，以降低固相對鉆井液潤滑性的影響；加入SN樹脂、聚陰離子纖維素等有機大分子處理劑，在井壁上形成吸附膜，改善濾餅的質量。多種方式結合使用，將鉆井液摩阻系數控制在0.1以下，鉆具與井壁的接觸摩擦系數控制在0.3左右，綜合降低摩阻扭矩。

2.4 提速提效技術

2.4.1 鉆井參數優化

為了提高?311.1mm井眼鉆進東營組—沙河街組時的機械鉆速和攜砂能力，以盡可能提高鉆頭壓降、比水功率和避開應力集中為原則，并將疲勞系數控制在0.7以下，通過利用Landmark軟件進行模擬分析，推薦排量50～70 L/s，鉆壓100～200 kN，轉速100～120 r/m in。

為了提高?215.9mm井眼鉆進沙河街組和二疊系—石炭系時的機械鉆速和攜砂能力，通過利用Landmark軟件進行模擬分析，推薦排量48～66 L/s，鉆壓80～150 kN，轉速80～135 r/m in。

2.4.2 PDC鉆頭優化設計

沙河街組沙四段下部、孔店組及二疊系和石炭系地層埋深4 200.00～5 000.00m，巖性主要為礫巖、黑色玄武巖、深灰色泥巖等，可鉆性極差，對鉆頭沖擊破壞較為嚴重。因此，需對鉆頭進行個性化設計。具體設計方案：設計六刀翼PDC鉆頭，采用?16.0mm高抗研磨復合片、盔甲硬面材料，并利用等離子噴焊技術，將碳化鎢密度提高40%，使復合片更耐沖蝕；鉆頭肩部至鼻部加裝后排齒，以提高鉆頭抗沖擊能力；將切削齒后角調高至15°～25°，以提高切削齒的抗沖擊能力；采用3個?13.0 mm和3個?15.0mm的噴嘴，以提高鉆頭的冷卻效果、井底清洗效果和射流沖擊力。利用計算機流體動力學（CFD）軟件模擬了鉆頭流場的分布情況，結果如圖2所示。從圖2可以看出，井底最高流體速度達到25.0 m/s。

圖2 鉆頭流場模擬分析結果Fig.2 Simulation and analysis results of the bit flow field

2.4.3 扭力沖擊提速技術

經過綜合評估，鉆進沙河街組沙四段、孔店組、二疊系和石炭系時應用扭力沖擊器。扭力沖擊器屬于高頻振動沖擊輔助破巖工具，基本結構如圖3所示。當鉆井液流過該鉆井工具時，其內部獨特渦輪系統及動力啟動器將鉆井液的流體能量轉換成高頻、周期性的機械沖擊力，并向下傳遞給鉆頭，使鉆頭以每分鐘上千次的頻率沖擊、剪切破巖。扭力沖擊器能夠消除PDC鉆頭在鉆進深井、超深井難鉆地層時的粘滑問題，提高鉆頭破巖能量傳遞效率，延長鉆頭的使用壽命[8–9]。

圖3 扭力沖擊器的結構Fig.3 Structural diagram of torsion impactor

2.5 鉆井液優選和性能維護處理

四開潛山底最高溫度在215℃以上，巖性以灰巖、白云巖為主，地層壓力較低，設計鉆井液密度1.05～1.16 kg/L。選用抗溫220℃的BH-HFL增黏降濾失劑、HB-2提切劑和抗高溫封堵劑，通過大量試驗，優化出低固相鉆井液配方：1.0%～3.0%膨潤土+0.1%～0.3%燒堿+1.0%～2.0%抗高溫增黏降濾失劑+2.0%～3.0%抗高溫提切劑+0.6%～2.0%抗高溫封堵劑+2.0%～3.0%儲層保護劑[10–12]。鉆井過程中，采取以下措施維護鉆井液的性能：

1）加入1.5%增黏降濾失劑BH-HFL、1.0%抗高溫封堵劑和2.0%抗高溫提切劑HB-2，將API濾失量控制在8m L以下；采用碳酸鈣將鉆井液密度調整至1.03～1.10 kg/L。

2）通過調整抗高溫增黏劑和抗高溫提切劑的加量調節鉆井液的流變性，將其動切力控制在11～15 Pa，塑性黏度控制在20～23 mPa·s，以提高鉆井液的攜巖能力。

3）鉆井過程中充分利用振動篩、除砂器和離心機等固控設備，控制鉆井液中的固相含量，將含砂量控制在0.2%以下，摩阻系數控制在0.1以下。

2.6 小間隙大溫差長封固段固井技術

2.6.1 井眼準備

下套管前，采用雙穩定器和三穩定器通井鉆具組合通井2次。通井過程中，若遇阻30 kN以上，立即接頂驅對遇阻段進行劃眼，直到順暢為止。為確保井眼清潔，通井鉆具組合到底后啟動所有固控設備進行循環，在環空返速不低于1.2m/s的情況下至少循環2周。井眼清潔后，泵入潤滑封閉液。封閉液配方為：井漿+1%～2%石墨粉+增稠劑。

2.6.2 尾管扶正器優化設計

?152.4mm井眼中下入?127.0mm套管的環空間隙小，固井質量難以保證。為提高套管的居中度和固井頂替效率，分別模擬分析了旋流短節套管扶正器和剛、彈性套管扶正器相間安放對套管居中度和固井頂替效率的影響，結果見圖4。從圖4可以看出，與采用旋流短節套管扶正器相比，剛、彈性套管扶正器相間安放時的套管平均居中度由7%提高至55%，固井頂替效率可以達到90%以上[13]。

2.6.3 前置液設計

為了提高井眼清潔效果，在常規含有氧化劑的沖洗液基礎上，優選沖洗加重隔離液，其主要成分為水、高溫懸浮劑、沖洗劑、菱角形加重材料和抗污染劑，同時將沖洗加重隔離液的用量由常規的2～3m3提高至10～15m3，這樣既能清除低固相鉆井液形成的濾餅，又能提高水泥漿的頂替效率和界面膠結質量。

2.6.4 韌性水泥漿設計

圖4 井深5 425.00m處頂替效率模擬曲線Fig.4 Simulation curve of disp lacement efficiency at a depth of 5 425.00m

由于后期需要大型體積壓裂改造儲層，因此要求水泥環具有一定的塑性變形能力，以防止壓裂時水泥環發生脆性破碎。為此，結合固井防竄要求，在配制水泥漿時加入增韌和防竄材料，形成了韌性水泥漿，其配方為：G級水泥+40.0%高溫增強材料DRB-2S+5.0%增韌材料DRE-300S+0.8%分散劑DRS-1S+0.5%懸浮劑DRY-S2+0.8%穩定劑DRK-3S+8.0%膠乳防竄劑DRT-100L+1.2%防竄調節劑DRT-100LT+2.5%降濾失劑DRF-120L+0.5%消泡劑DRX-1L+0.5%抑泡劑DRX-2L+1.3%～2.2%緩凝劑DRH-200L+48.0%水。

3 現場試驗

楊稅務區塊的T5X井和T101X井應用了潛山油氣藏大位移井鉆井完井關鍵技術，鉆井過程中未發生井下故障，整體效果較好（見表1）。2口井平均完鉆井深6 083.50m，平均機械鉆速7.3m/h，平均鉆井周期149.69 d，與未應用該技術的鄰井T2X井相比，機械鉆速提高了27.4%，鉆井周期縮短了19.7%。其中，T101X井創造了華北油田完鉆井深5 500.00m以深、水平位移超過1 500.00m的鉆井周期最短，機械鉆速最高和月進尺最多等3項紀錄。

表1 試驗井和鄰井鉆井技術指標對比Tab le 1 Comparison of d rilling technical indexes between test wellsand ad jacent wells

T101X井采用四開井身結構，鉆井過程中未出現井漏、溢流和井眼失穩等問題。采用螺桿鉆具組合，井眼軌跡控制較好，井眼光滑。固井前采用雙穩定器和三穩定器鉆具組合通井，套管下入順利。

?311.1mm井段鉆井參數為：排量55 L/s，鉆壓130 kN，轉速100 r/m in。為降低造斜段的摩擦阻力，應用了水力振蕩器，?311.1 mm井段平均機械鉆速16.6m/h，與未應用水力振蕩器的鄰井相比，機械鉆速提高了25.3%。

鉆進沙河街組沙三段以下地層時，充分利用固控設備降低固相含量，加入SN樹脂改善濾餅質量，降低鉆具與井壁的摩擦阻力。沙四段和孔店組以砂巖、泥巖為主，夾含厚度173.00m的礫巖泥巖互層段，采用個性化設計的PDC鉆頭與扭力沖擊器配合鉆進該層段，平均機械鉆速達4.63m/h，較鄰井同層段提高了54.5%。

四開潛山內使用抗高溫低固相鉆井液鉆進，為了提高鉆井液的攜巖能力，加入抗高溫鉆井液添加劑，動切力控制在12 Pa左右，塑性黏度控制在22mPa·s左右。鉆進中，充分利用振動篩、除砂器和離心機等固控設備，將含砂量控制在0.16%左右。固井前，分別下入了雙穩定器和三穩定器鉆具組合通井，通井結束后循環3周，然后下入套管，每2根套管安放一個套管扶正器，剛、彈性套管扶正器相間安放。固井作業時，加入12m3前置加重隔離液，應用低密度韌性水泥漿進行固井，候凝后測井評價固井質量，結果為良好。

4 結論與建議

1）華北油田楊稅務潛山油氣藏埋藏較深，沙四段下部、孔店組、二疊系和石炭系巖性復雜，可鉆性差，機械鉆速低，鉆頭選型困難；部署超深大位移井裸眼段長，摩阻扭矩大，鉆井難度大；潛山地層溫度高，對鉆井工具、鉆井液和水泥漿性能要求高。

2）從井身結構、井眼軌道、抗高溫鉆井液、小間隙大溫差長封固段固井和鉆井提速提效等方面進行研究，形成了華北油田楊稅務潛山油氣藏大位移井鉆井完井關鍵技術。

3）現場試驗表明，潛山油氣藏大位移井鉆井完井關鍵技術可以解決楊稅務潛山油氣藏大位移井鉆井過程中遇到的技術難點，實現楊稅務潛山油氣藏的高效開發。

4）為了兼顧超深大位移井的鉆井難度和鉆井成本，建議選擇經濟高效的井眼軌跡控制技術。螺桿鉆具+MWD與水力振蕩器配合鉆進造斜段和長穩斜段，可以提高鉆進效率；但井深超過4 600.00m時應選用抗高溫螺桿鉆具和MWD，以延長鉆具組合的使用壽命。