巴彥油田深層欠壓實地層定向井優快鉆井技術

引用格式：朱瑞彬，王秀影，張永強，張晶晶，苗勝東，孫濤，秦臻. 巴彥油田深層欠壓實地層定向井優快鉆井技術［J］.石油鉆采工藝，2024，46（2）：147-153.

摘要：巴彥油田地層沉降快速、欠壓實，且巖性復雜，儲層埋深超4 000 m，平均井深超5 000 m，鉆井施工過程中易發生井壁失穩、定向井機械鉆速慢、軌跡不易控制等問題，建井周期長達54.96 d。為此，開展了井眼軌道優化、個性化鉆頭優化設計、降摩減阻提速工具應用、鉆井參數和鉆井液性能優化。研究結果表明：1.2 （°）/30 m 降斜率利于研究區鉆井施工；五刀翼PDC 鉆頭淺內錐、異型齒和后排減震齒設計，可提升抗沖擊能力，提高機械鉆速；“水力振蕩器+鉆柱扭轉控制系統”及“旋轉導向+低速大扭矩螺桿”可以提高定向段機械鉆速50% 以上；“低鉆壓、高轉速、大排量”的工程參數可使上部烏蘭圖克組地層提速9% 以上，“高鉆壓、高轉速、低排量”的工程參數使深部五原組、臨河組地層提速14% 以上；聚合物鉆井液體系配合微納米封堵劑，解決了井壁失穩復雜情況。現場應用11 個平臺90 口井，平均機械鉆速提高了8.89%，建井周期縮短23.94%。優快鉆井技術推動了巴彥油田興華1 區塊鉆井大幅度提速，為同類油氣藏快速建井、加快產能建設提供了借鑒。

關鍵詞：深層；欠壓實；叢式井；優快鉆井；微納米封堵；機械鉆速；巴彥油田

中圖分類號：TE243 文獻標識碼： A

0 引言

巴彥油田興華區塊位于河套盆地臨河坳陷，探明石油地質儲量2.19×108 t，地層自上而下揭示第四系河套群、新近系烏蘭圖克組、五原組、古近系臨河組，主要目的層為臨河組，埋深4 200～5 300 m，油層平均厚度139.4 m，縱向發育多套儲層。地層整體北緩南陡，高緩低陡，地層傾角4°～16°，沉積類型為辮狀河三角洲和淺湖相沉積，砂、泥頻繁間互，具有欠壓實、膠結作用弱的特征。主要巖性為泥巖、砂巖，局部含細礫巖及膏巖。為了節約征地、快速建產，興華區塊采用定向叢式井開發。前期定向井主要采用PDC 鉆頭加螺桿的鉆具組合，摩阻扭矩大、機械鉆速慢，采用常規聚合物鉆井液體系，導致阻卡事故頻發。王建龍等［1］針對大港油田深層定向井軌跡控制難度大、摩阻扭矩大等難題，通過攻關，形成了牙輪鉆頭配合 1. 5°大彎角螺桿鉆具解決大井眼淺部地層定向效率難題，應用水力振蕩器緩解定向托壓難題，有效提高了機械鉆速；張東清等［2］針對涪陵地區地層軟硬交錯和水平井鉆井托壓難題，開發了多級切削高效混合鉆頭、低壓耗水力振蕩器等高效工具，大幅度提高了鉆井速度。然而，興華區塊儲層埋藏更深，大地層傾角條件下深部長段定向井眼軌道控制更難；巖性復雜，砂礫巖研磨性強，泥巖段井壁穩定性差。為此，在分析鉆井技術難點的基礎上，通過優化井眼軌道、優化設計個性化鉆頭、應用降摩減阻提速工具、優化鉆井參數、優化鉆井液性能，形成了深層欠壓實地層優快鉆井技術，實現了鉆井提速提效，支撐區塊高效開發。

1 鉆井技術難點

區塊采用二開井身結構，2021 年單井平均鉆井周期28.65 d，完井周期39.88 d，建井周期54.96 d，與規模效益開發需求差距較大。分析認為，鉆井過程中主要存在以下技術難點。

（1） 摩阻扭矩大、機械鉆速低。平臺井均為定向井，定向井滑動鉆進過程中托壓嚴重［3］，導致機械鉆速低，平均0.8 m/h。

（2） 井眼軌跡控制難度大。定向段長（2 500～2 900 m）、方位角變化大（相鄰兩測點最高達到354°），地層傾角4°～16°，方位易漂移［4］，常規導向工具需要頻繁調整井眼軌跡。

（3） 二開裸眼段長4 000 m 左右，地層含礫砂巖、軟硬交錯，PDC 鉆頭與地層巖性適配性差，鉆遇含礫細砂巖易崩齒、磨損，二開首支鉆頭一般在鉆穿烏蘭圖克組含礫砂巖后報廢。

（4） 二開巖性復雜，易發生阻卡事故。上部烏蘭圖克組—五原組地層膠質泥巖發育，X 射線衍射礦物分析，黏土礦物總量平均52.3%，以伊蒙間層為主，平均43%，泥巖易水化膨脹，造成井壁失穩，50% 以上完成井起下鉆發生阻卡。臨河組層理發育（圖1a），易發生周期性剝落垮塌［5］，地層不同程度發育膏巖（圖1b），鉆井液被污染流變性變差，造成完井電測頻繁阻卡，一次成功率僅為60%。

2 優快鉆井技術

2.1 基于鉆采一體化優化井眼軌道

興華1 區塊儲層段長約600 m，井網間距約400m，“直—增—穩”三段制及“直—增—穩—降”四段制軌道設計目的層位移較大，易產生井間干擾，采用直井井網有利于控制縱向上多套含油層系，因此設計采用“直—增—穩—降—直”五段制軌道剖面。綜合分采分注需求，井斜控制在30°以內，綜合下泵深度2 300～2 400 m，為減少桿管偏磨，造斜點設計為2 500～2 600 m，臨井造斜點錯開50 m 以上。利用 Landmark 軟件模擬摩阻扭矩，優化造斜段狗腿度3（°）/30 m，結合前期實鉆過程中因深部地層傾角大及巖性軟硬交錯等原因引起的地層不易降斜的特性［ 6］，利用地層自然降斜率（（0.9°～1.2°）/30m），降斜段狗腿度由1.5（°）/30 m 優化至1.2（°）/30 m（圖2），既滿足入靶點對井斜角的要求，同時可有效降低施工扭矩、減小施工難度，實現鉆井提速。

2.2 應用降摩減阻提速工具

興華1 區塊井深超過5 000 m，前期定向鉆進采用PDC 鉆頭加彎螺桿的井底鉆具組合，滑動鉆進過程中托壓嚴重，摩阻最高達300 kN，且方位易漂移，軌跡不易控制，導致機械鉆速慢，前期平均滑動鉆進機械鉆速僅0.8 m/h。減小托壓可以改善鉆壓傳遞效果［7］，提高機械鉆速。合理選用井下工具是減小托壓的有效措施之一。基于不同井斜下的降摩減阻效果及經濟性考慮，選擇應用了“水力振蕩器+鉆柱雙向扭擺系統” 和“旋轉導向+低速大扭矩螺桿”等2 套鉆井提速工具。

（1） 當設計井斜小于20°時，主要采用“水力振蕩器+鉆柱雙向扭擺系統”。水力振蕩器+鉆柱雙向扭轉控制系統利用水力振蕩器縱向振動與鉆柱扭轉控制系統的微復合協同作用，最大程度減小鉆具與井眼之間的靜摩阻，緩解滑動鉆進中托壓，改善鉆壓傳遞，保持工具面穩定，提高機械鉆速［8］。

（2） 當設計井斜大于20°，水力振蕩器無法滿足降斜段定向要求時，采用“旋轉導向+低速大扭矩螺桿”實施降斜作業［9］。旋轉導向通過井下鉆具的360°旋轉，消除了常規鉆具定向段滑動鉆進時的托壓問題，且可實施三維導向控制，使鉆頭按預定方位鉆進，精確控制井眼軌跡［10］，提高鉆進效率。

2022 年興華1 區塊25 口井應用水力振蕩器+鉆柱扭轉控制系統，定向過程中基本無托壓，工具面穩定，摩阻由200～300 kN 降至30～80 kN，定向鉆時由20～40 min/m 降至5～15 min/m，滑動效率平均提高50%～100%；39 口井應用旋轉導向+低速大扭矩螺桿，大大提高了定向效率，實現井眼軌跡精準控制，平均機械鉆速達7～12 m/h。興華1-138X 井鉆至4 175 m 時降斜困難，鉆時由8 min/m 增至25min/m，4 207 m 時增至48.2 min/m，4 239 m 改下旋轉導向，定向鉆時縮短至8.88 min/m（圖3）。

2.3 優化設計個性化鉆頭

興華1 區塊前期進行了?19 mm、?16 mm 復合片，5 刀翼、4 刀翼等各種平面切削齒鉆頭的嘗試，單只鉆頭進尺800～2 600 m 不等，效果不理想，發生了鉆頭泥包、切削齒崩齒、保徑齒磨損等現象，分析主要原因是：①鉆頭水力結構設計不合理；②切削齒攻擊性及抗沖擊性能差；③鉆頭保徑耐磨性差。為此，分析地層巖性特征，開展了個性化鉆頭設計。利用聲波時差計算區塊地層可鉆性級值在1～6 之間，屬于中軟～中硬地層，根據切削齒尺寸對破巖效率影響規律［11］，上部地層可鉆性級值1～3 設計?19 mm復合片，下部地層可鉆性級值3～6 設計?16 mm 復合片；為了提高清洗效果，增強鉆頭攻擊性、穩定性，采用淺內錐、5 刀翼力平衡設計［12］，加強鉆頭攻擊性同時保證其抗沖擊能力，提升機械鉆速；地層存在含礫砂巖、軟硬交錯且儲層埋藏深等特點，對鉆頭切削齒磨損較大，設計異型齒與平面齒混布，冠部三棱異型齒提高鉆頭抗沖擊性和穿夾層能力［13］，斧形齒具有較強的攻擊性，在可鉆性相對好的地層，保障機械鉆速；地層主要為砂泥巖互層，泥質含量高，優化水力結構，設計7 噴嘴，40 mm 深排屑槽［14］，提高鉆頭攜巖能力，低密度布齒，減小泥包風險；后排減震齒，減少鉆頭渦動；采用覆蓋式被動保徑齒，外敷高耐磨性材料，增強保徑耐磨性［15］，防止鉆頭縮徑，減小井壁對鉆頭保徑的磨損（圖4）。現場應用68 口井，單井二開平均消耗鉆頭2 只，單只平均進尺為2 896 m，其中興華1-183X 井單只鉆頭最大進尺3 973 m， 實現了二開一趟鉆， 機械鉆速18.83m/h，鉆井周期17.42 d。

2.4 優化鉆井參數

根據鉆速方程，機械鉆速與鉆壓、轉速、排量呈正相關［16］，興華1 區塊鉆遇地層基本為泥巖、砂巖和粉砂巖，可鉆性相對較好，采用激進工程參數可以提高鉆井速度。針對所鉆遇的地層巖性及可鉆性級值不同，通過研究區完鉆井機械鉆速對鉆壓、轉速、排量等參數的敏感性分析，優化不同層段鉆井參數。分析顯示上部烏蘭圖克組地層可鉆性好，機械鉆速對排量、轉速較為敏感（圖5），增大排量至40L/s 以上、轉速提高至螺桿轉速+60 r/min 以上可顯著提高機械鉆速，而鉆壓超過60 kN 反而因壓持作用降低機械鉆速，推薦“低鉆壓、高轉速、大排量”的工程參數：鉆壓40～60 kN、轉速60～70 r/min+螺桿轉速、排量40～45 L/s；深部五原組、臨河組地層可鉆性變差， 機械鉆速對鉆壓、轉速較為敏感（圖6），增大鉆壓60 kN 以上、轉速提高至螺桿轉速+60 r/min 以上可顯著提高機械鉆速，推薦“高鉆壓、高轉速、低排量”的工程參數：鉆壓60～80 kN、轉速60～70 r/min+螺桿轉速、排量36～38 L/s。應用后上部地層機械鉆速由21.35 m/h 提高至23.43 m/h，深部地層機械鉆速由9.12 m/h 提高至10.45 m/h。

2.5 優化鉆井液性能

興華1 區塊深部臨河組地層層理發育，巖樣電鏡掃描顯示局部微裂縫寬約1～15 μm，孔喉直徑主要分布在2～32 μm，興華1-4 井鉆井液粒度測試結果顯示粒徑在0.56～249.10 μm 之間（圖7），與地層裂縫不匹配，封堵性能差，鉆井液濾液進入泥巖層理發生水楔作用造成剝落掉塊［17］；且鉆井液抑制性不足，抗污染性能差，膏巖侵后表現為濾失量、切力和黏度增大。為此，在聚合物鉆井液體系的基礎上，優選微米級、納米級封堵劑封堵地層配合潤滑防塌劑進一步穩定井壁［18］，引入彈性微球聚合物抑制泥巖的水化分散，含膏泥巖段引入硅氟高溫降黏劑控制鉆井液黏度和切力，提高鉆井液抗鈣性。

2.5.1 封堵劑優選及性能評價

根據相關研究，堵漏顆粒粒徑滿足W≥D90≥2/3W 時［19］，封堵效果較好。為此，優選微米級、納米級封堵劑封堵地層，微米級防塌封堵劑D90 粒徑29 μm，納米封堵劑D90 粒徑0.67 μm（表1）。

利用PPA 封堵濾失儀，采用5 μm 左右的陶瓷濾芯，進行了不同配方3.5 MPa 壓差下封堵濾失效果評價。從圖8 實驗結果可看出，微米封堵劑或微米封堵劑和納米封堵劑復配使用，能夠顯著降低降低濾失量，封堵效果良好。

2.5.2 彈性微球聚合物抑制性能評價

彈性微球聚合物與淡水聚合物鉆井液配伍性好，兼具抑制和封堵作用［20］。具有彈性變形特點，以適應不同尺寸的孔喉，降低濾液侵入，而且可以抑制泥巖的水化分散，易返排，不會對儲層產生傷害。

選取興華1 區塊完鉆井臨河組泥巖巖屑，進行彈性微球聚合物不同加量下的抑制性能評價實驗。由表2 實驗結果可看出，彈性微球聚合物能有效抑制泥頁巖膨脹和分散，保持硬脆性泥頁巖的完整性，提高滾動回收率，具有良好的封堵性和抑制性。

2.5.3 優化后鉆井液性能評價

取現場井漿進行封堵劑和抑制劑復配對比實驗，從表3 可看出，加入2% 微米封堵劑和0.5% 彈性微球聚合物后，API 濾失量和HTHP 濾失量明顯降低，流變參數基本無變化，隨著彈性微球聚合物加量增加，API 濾失量和HTHP 濾失量降低不明顯，加入2% 微米封堵劑，對鉆井液流變性、濾失量、封堵性能影響都不大。因此確定優化后的鉆井液配方為現場井漿+2% 微米封堵劑+0.5% 彈性微球聚合物。

3 現場應用

2022 年興華1 區塊采用鉆采一體化五段制井眼軌道設計、五刀翼異型齒和后排減震齒設計PDC 鉆頭、“水力振蕩器+鉆柱扭轉控制系統”及“旋轉導向+低速大扭矩螺桿”的降摩減阻提速工具、分層段激進鉆井參數設計、高性能鉆井液體系為核心的深層欠壓實地層優快鉆井技術共實施90 口井， 平均完鉆井深5 088.71 m， 與2021 年（5 098.15 m） 基本持平，鉆遇地層巖性特征相同，鉆井、完井、建井周期分別縮短12.04%、13.99%、23.94%（圖9）。通過優化井眼軌道，應用“水力振蕩器+鉆柱雙向扭擺系統” 和“旋轉導向+低速大扭矩螺桿”2 套降摩減阻提速工具，實現了軌跡精確控制，井底井斜角由2021 年的3°～4°降為1°以內，配合高效個性化鉆頭，以及上部地層“低鉆壓、高轉速、大排量”的工程參數，深部地層“高鉆壓、高轉速、低排量”的工程參數，平均機械鉆速由17.55m/h 提高至19.11 m/h；通過優化鉆井液抑制性、封堵性，井壁失穩復雜情況得以解決，井徑擴大率由前期平均18.3% 降至11.77%，完井電測一次成功率由2021 年的60% 提高至2022 年的90.2%。

4 結論

（1） 針對巴彥油田地層特征及開發需求，形成了“鉆采一體化井眼軌道設計+高效PDC 鉆頭+降摩減阻提速工具+激進鉆井參數+高性能鉆井液體系”深層欠壓實地層優快鉆井技術。

（2） 深層欠壓實地層優快鉆井技術提高了定向井機械鉆速，縮短了建井周期，推動了巴彥地區提速降本，具有較好的推廣應用價值。

（3） 巴彥油田地層欠壓實，上部地層鉆速快，聚合物鉆井液體系亞微米顆粒含量高，性能不易維護，目前重復利用還存在一定局限性，需要進一步加強體系性能優化研究。

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（修改稿收到日期 2023-08-19）

〔編輯 朱 偉〕