表開快鉆技術在西湖凹陷的應用研究

邱 康，黃 召，李基偉，熊振宇，王 穎

（1. 中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120；2. 中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030）

西湖凹陷處于東海陸架盆地東部坳陷中北部，屬陸緣裂谷盆地，水深范圍80～120 m，主要勘探開發區域集中在保俶構造帶、三潭深凹和中央背斜帶。隨著勘探開發的深入，勘探目標由花港組下段及平湖組構造圈閉，逐漸擴展到平湖組、寶石組巖性及巖性-構造復合圈閉[1-3]，鉆井深度越來越深，探井最大井深達到5 300 m，開發井最大井深7 296 m。西湖凹陷花港組以下壓力體系復雜，存在異常高壓[4-5]，井壁易垮塌[6-8]，作業成本高，降本增效需求迫切，急需要對原井身結構進行優化，其中表層快速鉆井技術，通過優化444.5 mm井眼最大鉆井深度，最大限度解放了下部各開次深度，為井身結構簡化、優化提供了空間；將444.5 mm井眼優化為406.4 mm井眼，提高機械鉆速，有利于提高建井效率。“十二五”以來，表層鉆井深度不斷增加，表開井段鉆深由2011年的1 500 m左右發展到2019年的2 400 m，其中，2019年A9井表開鉆深最深為2 888 m，創下了歷年表層井段鉆深最深的紀錄。表層快鉆技術的核心是高機械鉆速，技術難點是如何確定表層最大鉆深，而這兩點互相關聯；只有高機械鉆速才能快速穿過表層松軟易垮塌井段，實現表開最大延伸，只有確定了表開最大允許鉆深，才能確保鉆井及固井安全。本文通過地層壓力特性與地層坍塌周期，確定西湖凹陷表開最大鉆探深度，同時結合已鉆井經驗，確定表層井段合理的鉆井工藝參數，有效提高表開井段機械鉆速，從而形成了一套適用于西湖凹陷的表開快鉆技術，為東海西湖凹陷探井提速增效提供了技術支撐。

1 西湖凹陷表開最大鉆深確定依據

西湖凹陷表開通常采用444.5 mm或406.4 mm井眼，最大鉆井深度受到主客觀多方面因素影響。主觀因素包括：（1）地質資料獲取要求，（2）鉆井平臺循環系統能力，（3）提速措施及機械鉆速；客觀因素包括：（1）地質巖性條件及淺層氣分布情況，（2）儲集層深度，（3）地層壓力體系，（4）地層坍塌壓力及坍塌周期。

結合目前東海西湖凹陷實際地層情況（包括巖性、可鉆性、地層壓力）、油氣儲集層分布情況、鉆井平臺作業能力以及地質資料獲取要求等，在較淺的柳浪組～龍井組沒有油氣條件下，實際決定表開井眼最大鉆井深度需滿足地層穩定與裸眼安全作業時間兩個關鍵條件。

1.1 滿足地層穩定的最大鉆深

由于采用開路鉆進，鉆井液為海水，無法調整鉆井液密度和鉆井液防塌性能。井眼，特別是泥巖段，在力學和化學作用下易失穩，并且有很明顯的時間效應[9-12]。因此地層坍塌壓力不宜過高，在允許適度擴徑的條件下，根據不同情況，原則上坍塌壓力當量密度不宜超過1.1 g/cm3。

采用文獻[13]中保持井壁穩定的坍塌壓力計算公式為：

保持表開井眼井壁穩定的最大鉆井深度計算公式為：

式中：HC為保持表開地層穩定的最大鉆井深度，m ；Pcra為最大允許坍塌壓力當量密度，g/cm3。

1.2 滿足裸眼安全時間的最大鉆深

由于海水鉆井，鉆井液性能無法維護和保證，鉆井液幾乎沒有防塌性能，因此地層裸眼穩定時間會很短，需要在安全裸眼時間內完成鉆進、循環墊漿、起鉆、下套管等作業，防止嚴重井壁垮塌導致起鉆、下套管遇阻。

采用文獻[14]中泥巖水化模型計算安全裸眼時間T，假設表層快速鉆井技術能夠實現綜合作業速度V（表開井眼新鉆進尺/鉆開新地層至下339.7 mm套管結束的時間），可以得到基于地層裸眼穩定時間最大鉆井深度：

2 西湖凹陷表開快鉆提速工藝技術

通過多年的摸索，西湖凹陷逐步形成了包括鉆頭、鉆具組合、鉆井液及鉆井參數等的表開提高機械鉆速的鉆井工藝。

2.1 鉆頭及鉆具組合優選

西湖凹陷表開井眼可能鉆遇地層以稀松砂巖或軟泥巖為主，整體可鉆性較好，但三潭組、玉泉組含砂礫巖，且夾層較多，易造成鉆頭切削齒的沖擊性破壞。綜合考慮機械鉆速要求及鉆頭抗沖擊性，表開井眼優選采用了6刀翼、19 mm切削齒、雙排齒PDC鉆頭，具有較強的抗沖擊性和攻擊性，能夠實現表開井眼一趟鉆快速完成。

表開井段采用PDC+馬達鉆具組合：444.5 mm（406.4 mm）PDC鉆頭+244.5 mm馬達（0.75°）+196 mm鉆鋌1根+扶正器+鉆鋌+震擊器+加重鉆桿14根，為典型的鐘擺鉆具組合，具有較好的防斜打直的效果。在馬達選擇上，選用等壁厚馬達或者震蕩馬達。

2.2 鉆井液工藝技術

表層井段地層成巖性差，采用海水鉆進的方式，易引起井壁失穩，因此，表層作業的關鍵就是要快速鉆進，盡量減少井眼浸泡時間，鉆達中完井深后，根據鉆遇層位巖性、水化分散情況，選取合理的密度快速墊稠漿，保持井眼穩定。目前表層井段鉆井液采用海水+膨潤土漿，開鉆前按照以下配方：鉆井水+3 kg/m3NaOH+3 kg/m3Na2CO3+120 kg/m3膨潤土[15]。

鉆井液配置思路：

（1）開鉆前，配置預水化搬土漿（稠化時間需足夠，保證性能）。

（2）鉆進中，每兩柱掃一次稠漿，每次10～15 m3稠漿，中完后掃30～50 m3稠般土漿循環，攜砂，鉆進期間根據扭矩及泵壓變化調整掃漿次數及頻率。建議盡量采用大排量鉆進，維持較高的環空返速，接立柱前上下多劃眼2～3次及時用稠膨潤土漿清掃井眼，提高泥漿攜巖能力和井眼凈化能力；起鉆前井底墊入合理密度的稠膨潤土漿。

（3）鉆進至中完深度后用25 m3稠膨潤土漿清掃井眼，循環結束后，基于各井段坍塌壓力情況分段墊漿，井底墊較重的聚合物搬土漿（密度1.1～1.13 g/cm3，黏度大于100 mPa·s），隨著井深減小，逐漸降低聚合物搬土漿的密度，要求稠漿墊滿整個裸眼。

（4）若所鉆層位有不整合面，存在井漏風險。如果井口出現失返，則可分幾次泵入稠般土漿；如若井口仍失返，則往稠膨潤土漿中加入10 kg/m3PF-SEAL和10 kg/m3PF-SZDL，視情況分幾次泵入地層，提高疏松地層的承壓能力。

2.3 鉆井參數

水力參數的優化很關鍵，排量過小則鉆井液攜巖能力差，不能有效清潔井眼，機械鉆速降低，因此，需要合理確定排量，提高井眼清潔度，增加機械鉆速，原則上排量不小于4 500 L/min。

根據不同地層、井段、井徑及鉆頭類型，選擇合理的鉆壓取值范圍：采用鉆壓80～150 kN，采用復合鉆進，頂驅轉速以90～110 rpm為宜。

3 西湖凹陷X區塊現場應用效果

3.1 X區塊表層快鉆最大鉆深

表開快鉆技術在西湖凹陷X區塊進行了應用。按照最大允許坍塌壓力1.05 g/cm3原則，武云亭構造僅考慮滿足地層穩定時，見圖1，表開井眼最大鉆井深度2 500～2 980 m之間，中完地層為龍井組；此深度以下地層坍塌壓力逐步升高，需要較高鉆井液密度、較好鉆井液性能維護井壁穩定，已經不適宜海水開路鉆進。

圖1 X區塊部分已鉆井坍塌壓力Fig. 1 Collapse pressure of part of drilled wells in block X

按照1.2節的方法計算了表開井眼安全裸露時間，結果見圖2，按照不同擴徑率看，安全裸眼時間為80～120 h，在安全裸眼時間通常不會發生嚴重的井壁失穩現象。近三年表開井眼（444.5 mm或406.4 mm）進尺和裸眼時間（裸眼時間為表開井眼鉆開新地層至下339.7 mm套管結束所用的時間），見表1，從統計結果來看，目前西湖凹陷表開井眼鉆井技術經過不斷優化，單位綜合作業時間內進尺已經接近40 m/h，按照圖2計算時間下限，預留8 h安全余量，可以得出目前鉆井工藝技術下，安全最大鉆井深度為2 900 m。

圖2 X區塊表開井眼安全裸露時間Fig. 2 The safe exposure time of the surface drilling of block X

表1 X區塊表開井眼進尺及綜合作業時間Table 1 Surface drilling footage and general operation time in block X

對比實鉆情況，見表2，X區塊表開井眼（444.5 mm或406.4 mm）實際鉆井深度均小于按照坍塌壓力計算的最大鉆井深度，已鉆井均未出現嚴重起下鉆、下套管遇阻問題，表明按照各標準確定的表開井眼最大鉆井深度有較好的參考價值。

表2 X區塊已鉆井各開次鉆井深度Table 2 Drilling depths of drilled wells in block X

3.2 X區塊表層快鉆技術應用效果

X區塊四口已鉆井鉆具組合為：444.5 mm（406.4 mm）PDC鉆 頭+244.5 mm馬 達+196 mm鉆 鋌×1+444.5 mm扶 正 器+196 mm鉆 鋌×7+196 mm（撓性接頭+震擊器）+139.7 mm加重鉆桿。從A7井開始進行了井身結構的優化，444.5 mm井眼優化為406.4 mm井眼。A7井與A8井表層所鉆井深相近，由表3可知，相比A7井444.5 mm井段的鉆進速度，A8井406.4 mm井段的平均機械鉆速最高提高了65.72%，井眼尺寸的減小有效提高了機械鉆速。A9井表層鉆進至2 888 m，創下東海表層井段鉆深最深的紀錄。

表3 X區塊已鉆井機械鉆速對比Table 3 Comparison of drilling speed in block X

統計A2井、A7井和A8井三口井鉆到A9井表層所鉆深度的平均機械鉆速情況，見圖3、表4。從圖中可以看出，表層井段通過優化井眼尺寸與鉆深，提速效果明顯，A9井比A8井提高了20.23%，A9井比A2井提高了67.14%，純鉆時間最大節省了19.17 h。

圖3 X區塊各井表層井段鉆速情況對比Fig. 3 Comparison of drilling speed of surface intervals of each well in Block X

表4 X區塊表層鉆速情況分析Table 4 Analysis of surface drilling rate in block X

4 結論

本文建立了表開快鉆最大鉆深的計算方法，提出了包括提速工具、鉆井液等適用于西湖表開快鉆工藝技術，通過在X區塊的應用表明：

（1）表開快速鉆井最大鉆井深度計算方法能夠為表開快鉆技術提供最大鉆深的設計依據；在實際施工過程中，最大鉆深不僅依賴于井壁穩定所需的坍塌壓力和安全裸眼時間，也取決于綜合作業速度，在提高機械鉆速的同時，要做好現場操作工藝的優化，提高非鉆進時的時效。

（2）目前以鉆頭選型、防斜打直快速鉆井鉆具組合、鉆井參數、鉆井液等為核心的表層快速鉆井技術，有效地提高了西湖凹陷表層的建井效率，為井身結構進一步優化創造了空間，適用于西湖凹陷探井作業，并有較好的推廣價值。