渤中A油田火成巖發(fā)育區(qū)高效鉆井技術(shù)

李莊威，劉峰，胡國金，庹海洋，趙海建，王曉薇，董婧璇

1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津300456）

2.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）

0 引言

渤中A油田是渤海油田落實“七年行動計劃”首個投產(chǎn)的項目，同時也是渤海首個火成巖發(fā)育區(qū)的油田。渤中A油田地質(zhì)條件復雜，主要儲層段東營、沙河街組發(fā)育大段火成巖，巖性復雜，遭火山巖多期次侵入，不整合面裂縫發(fā)育，可鉆性極差；渤中區(qū)域上部明化鎮(zhèn)泥巖水化膨脹和東營沙河街坍塌掉塊的問題，成為了渤中難題。

在鉆完井作業(yè)面對井壁易漏、易垮、建井周期長、作業(yè)時效低等諸多困難的條件下，要實現(xiàn)經(jīng)濟高效鉆井，必須在火成巖提速和防止渤中區(qū)域及火成巖鉆進復雜情況的發(fā)生上有所突破，渤南區(qū)域鉆完井項目組通過技術(shù)研究、現(xiàn)場試驗與總結(jié)改進，形成了火成巖發(fā)育區(qū)油田高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)體系。

1 工程技術(shù)難點分析

通過對區(qū)域已鉆井情況及探井鉆探情況分析，可以把渤中A油田鉆井的主要難點概括為以下3個方面：

1）火成巖機械鉆速低[1]。火成巖巖性復雜、地層物性較差，鉆進過程中鉆頭磨損及自然增斜情況嚴重是探井暴露的主要難題[2]。渤中A油田已鉆9口探井中7口鉆遇火成巖，機械鉆速都比較低，且鉆頭磨損嚴重。其中，開發(fā)井用4個鉆頭才完成311.15 mm井段鉆進。

2）渤中區(qū)域明化鎮(zhèn)水化膨脹及東營沙河街井壁坍塌等井壁失穩(wěn)[3-4]。渤中A油田已鉆9口探井均發(fā)生不同程度的井壁坍塌掉塊、井徑擴大、卡鉆和電測困難，鉆井時間長，生產(chǎn)時效較低。

3）火成巖微裂縫井漏等復雜情況頻發(fā)。渤中A油田探井及開發(fā)井早期鉆進過程中，發(fā)生漏失影響正常鉆進的井占比70%以上。

2 火成巖發(fā)育區(qū)高效鉆井技術(shù)

針對渤中A油田復雜地質(zhì)條件和前期該區(qū)塊作業(yè)經(jīng)驗教訓，從以下3個方面進行研究：①如何對火成巖鉆探風險進行界定，若風險不可控，如何避鉆；②針對火成巖可鉆性差的特點，如何最大程度提高鉆進效率；③針對歷史上的“渤中難題”和渤中A油田火成巖發(fā)育的特點，配套鉆井液體系。

2.1 火成巖風險識別與避鉆技術(shù)

建立火成巖風險識別及鉆井應對措施圖版（圖1）。首先，綜合利用錄井、測井資料，并結(jié)合探井薄片鑒定資料，建立渤中A油田火成巖巖性識別方法[5]，識別火成巖發(fā)育區(qū)域。

注：圖中黃色區(qū)域為火成巖

其次，通過常規(guī)剖面，波形剖面，方差剖面精細識別微裂縫；通過應力場數(shù)值模擬和地震屬性分析裂縫方位和強度[6]。

最后，通過微裂縫在不同剖面的顯示結(jié)合承壓強度分析，以及在鉆完井作業(yè)過程中的經(jīng)驗分析，對井漏風險進行定性和劃分風險等級，進而鉆井作業(yè)采取相應措施。風險等級劃分及鉆井應對措施見表1。

表1 火成巖漏失避鉆風險等級劃分

制定火成巖避鉆軌跡設(shè)計原則。基于對地層深度和溢流相火成巖發(fā)育層段的準確預測資料和對漏失風險的識別情況，在滿足油藏需求的前提下，通過優(yōu)化定向井軌跡、微調(diào)靶點的方法來進行避鉆[7-10]。

2.2 火成巖鉆頭與鉆具組合設(shè)計

設(shè)計了火成巖專用鉆頭，主要包含以下3個方面。

1）優(yōu)化爪形結(jié)合面和環(huán)爪形結(jié)合面為軸向?qū)ΨQ結(jié)合面（圖2）；優(yōu)化切削齒為“AXE-4”齒，提高鉆頭抗沖擊、抗研磨能力，使受力盡可能均勻，降低邊緣應力和接觸面殘余應力，同時，增加PCD層厚度，在保證齒的切削能力的前提下，提高齒的抗沖擊能力。

圖2 火成巖專用頭AXE-4齒結(jié)合面設(shè)計示意圖

對特殊設(shè)計的專用鉆頭AXE-4齒進行了相關(guān)性能參數(shù)的實驗評價，評價結(jié)果顯示，在同類型鉆頭切削齒性能中具有明顯優(yōu)勢，較性能相對較優(yōu)的AXE-1齒，抗沖擊能力提高25%，抗研磨能力提高10%。

2）降低鉆頭布齒密度，增加保徑長度，改善鉆頭受力，增強鉆頭穩(wěn)定性，使鉆頭在井底的渦動現(xiàn)象減弱，提高鉆頭穩(wěn)定切削能力；采用雙排主動保徑齒設(shè)計，且將側(cè)轉(zhuǎn)角從25°優(yōu)化至55°，側(cè)向沖擊力降低，減弱切削作用，增強扶正穩(wěn)定作用，延長壽命（圖3）。

圖3 火成巖專用鉆頭布齒及主動保徑設(shè)計

3）利用計算流體力學（CFD）對鉆頭水力結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計（圖4）。采用先進軟件對噴嘴的排布進行優(yōu)化，確保每個復合片均有足夠的排量對其充分清洗、冷卻，防止復合片在硬地層的過熱導致的龜裂，延長PDC復合片壽命。根據(jù)巖屑產(chǎn)生量合理分配流量，優(yōu)化刀翼傾角和寬度，使流場更加合理流暢，提高了鉆頭的巖屑運移的能力，同時避免巖屑的二次切削，降低鉆頭切削扭矩及渦動發(fā)生的可能。

圖4 火成巖專用鉆頭水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化了渤中A油田提速鉆具組合與軌跡控制技術(shù)。優(yōu)化主要從以下3個方面進行。

1）根據(jù)渤中A油田地層自然增斜特點，優(yōu)化馬達扶正套尺寸參數(shù)，并利用管柱力學軟繩模型對鉆具組合穩(wěn)斜能力進行分析計算，計算結(jié)果見表2，可知經(jīng)過優(yōu)化的鉆具組合增斜趨勢減弱。

表2 馬達導向鉆具理論分析表

2）對于縮小馬達扶正套尺寸后底部鉆具組合可能不穩(wěn)定而劇烈渦動的情況，通過配合加長保徑的火成巖專用鉆頭，利用縱橫彎曲梁法計算兩種鉆具組合的側(cè)向力，在鉆壓180 kN，扭矩2 kN·m的同等條件下，改進前的鉆具組合的總側(cè)向力大小為1.496 4 kN，優(yōu)化底部鉆具組合的總側(cè)向力大小為0.498 8 kN，側(cè)向力大大減小，且力平衡數(shù)據(jù)由4.93%降低至1.79%，可以保證鉆頭及底部鉆具組合高效穩(wěn)定工作，提高鉆進效率和減少底部鉆具組合失效的發(fā)生。

3）針對優(yōu)化后鉆具組合仍然無法完全避免增斜趨勢的情況，通過前期鉆進自然增斜情況，合理預判增斜趨勢，并在軌跡設(shè)計與實施過程中，預留余量，以減少滑動調(diào)整軌跡頻次，提高鉆進效率。

2.3 渤中區(qū)塊配套鉆井液技術(shù)

經(jīng)過優(yōu)化的火成巖配套鉆井液體系主要有以下4點優(yōu)勢：

1）具有新型抑制劑BIOHIB。它是一種小分子抑制劑，一種具有類似錨鏈屬性的多點抑制劑，其多點錨鏈抑制基團能夠快速控制最活躍水化點并牢牢的固定在黏土顆粒表面及層間，防止黏土顆粒發(fā)生表面水化和滲透水化，雙重作用防止鉆屑分散，泥巖造漿，控制流變穩(wěn)定性。

2）基漿+NaCl+3%BIOHIB提高鉆井安全周期。BIOHIB隨加量的增加對溶液的活度降低明顯，可通過降低鉆井液水相活度，提高滲透壓，阻止水進入頁巖顆粒而起作用，而不是通過與頁巖中的黏土發(fā)生離子交換而起作用。

對于相同的泥頁巖地層,在相同的水化時間內(nèi),泥頁巖在“基漿+3%聚胺抑制劑”作用下的坍塌壓力比在“基漿+3%BIOHIB”鉆井液作用下的要高。若設(shè)定極限坍塌壓力當量密度為1.25 g/cm3，則“基漿+3%聚胺抑制劑”鉆井液安全鉆井周期是125 h，折合5.2天；“基漿+3%BIOHIB”鉆井液安全鉆井周期是176 h，折合7.3天，延長周期約40%（圖5）。

圖5 兩種鉆井液安全鉆井周期對比圖

3）針對東營沙河街井壁穩(wěn)定問題，在基漿+3%BIOHIB的基礎(chǔ)上加入抑制劑NRL，并通過實驗，優(yōu)選NRL的加量在2%左右時，能夠形成高封堵強抑制鉆井液體系，有效防止火成巖地層井壁失穩(wěn)垮塌，實現(xiàn)安全鉆井作業(yè)。

4）高效潤滑劑BIOLUBE在加量3%時，潤滑系數(shù)可達0.06，磨痕微小且光滑；對密度和流變性影響較小，且潤滑性能受黏土污染影響較小，在20%土粉污染下潤滑系數(shù)降低率仍維持40%以上。

3 鉆井技術(shù)應用效果

3.1 火成巖風險識別與避鉆技術(shù)現(xiàn)場應用

火成巖風險識別與避鉆技術(shù)現(xiàn)場應用。A21井在初始軌跡設(shè)計后，考慮到該井需穿越火成巖地層，所以對該井進行了軌跡優(yōu)化設(shè)計（圖6），優(yōu)化軌跡后，少鉆火成巖近100 m，穿越的儲層厚度也更大，A21井設(shè)計鉆井工期21天，實際工期16天，提效23.8%，鉆進過程中無復雜情況發(fā)生，該井最終建成為“千方井”。

圖6 BZA-A21井軌跡優(yōu)化示意圖

通過精細刻畫火成巖分布區(qū)域，準確識別火山通道等（圖7），指導和優(yōu)化渤中A油田30余口井軌跡設(shè)計，實現(xiàn)避鉆火成巖近千米，節(jié)省工期18天，節(jié)省費用約3 000萬元；并且極大程度降低了漏失風險，渤中A油田漏失概率從70%降低至40%左右，有效避免惡性漏失，提高時效性。

圖7 典型火成巖避鉆軌跡設(shè)計示意圖

3.2 火成巖高效鉆進技術(shù)現(xiàn)場應用

通過應用火成巖專用鉆頭及配套鉆具組合，實現(xiàn)了311.15 mm井段火成巖提速188%，215.9 mm井段火成巖提速258%。另外，通過軌跡控制技術(shù)的應用，減少滑動調(diào)整軌跡次數(shù)及配套鉆井液等，311.15 mm井眼全井段機械鉆速提高317%。

3.3 渤中區(qū)域配套鉆井液技術(shù)現(xiàn)場應用

B16井和E16井同屬于渤中A區(qū)塊，且這兩口井的軌跡基本一致，B16井甚至更復雜一些，不同的是B16井應用了渤中區(qū)域配套鉆井液的相關(guān)技術(shù)，最終B16比E16井的扭矩明顯降低，倒劃眼和起下鉆過程中，阻卡也明顯減少，井壁狀況和潤滑性明顯改善。

渤中A油田鉆井液體系從探井時的PEC體系，到加入12%NaCl，再到加入12%NaCl+3%BIOHIB的改進型PEC體系，形成了渤中34地區(qū)淺部地層鉆井液體系，倒劃眼速度從PEC體系時的72 m/h，加入12%NaCl提高到95 m/h，再到現(xiàn)在加入12%NaCl+3%BIOHIB提高到123 m/h。

4 結(jié)論

針對渤中A油田地質(zhì)條件復雜，不整合面裂縫發(fā)育，火成巖發(fā)育可鉆性差的問題，本文提出了一套綜合的火成巖發(fā)育區(qū)高效X鉆井技術(shù)。

1）結(jié)合錄井資料和探井薄片鑒定資料，建立了渤中A油田火成巖巖性識別方法，基于對地層深度和溢流相火成巖發(fā)育層段的準確預測資料和對漏失風險的識別情況，通過優(yōu)化定向井軌跡、微調(diào)靶點的方法進行避鉆。

2）設(shè)計了火成巖專用鉆頭并優(yōu)化了渤中A油田提速鉆具組合與軌跡控制技術(shù)，提高了火成巖地層鉆進速度。

3）加入新型抑制劑BIOHIB、NRL，高效潤滑劑BIOLUBE，減少了黏土礦物膨脹，增強了井壁穩(wěn)定，提高了井壁潤滑系數(shù)。

該套綜合鉆井技術(shù)應用于渤中A油田，樹立了精準優(yōu)快的新標桿，實現(xiàn)了“七年行動計劃”的良好開局。