埕海3-2區鉆井提速優化方案研究

摘" " 要：埕海3-2區塊經過一期鉆探有較好油氣發現，后續計劃擴建槽口，新部署24口井。為了高效、經濟開發埕海3-2區油田，在總結前期地質、工程經驗的基礎上，通過優化井身結構、鉆頭優選和個性設計、優化鉆具組合、應用長壽命螺桿等提速工具，實現三開“一趟鉆”工程，同時優選鉆井液體系和適當的鉆井液密度，避免井壁失穩坍塌，應用優化后的鉆井方案，鉆完井周期對比優化前的埕海XX井可縮短7.35 d，提速15.24%。形成的提速優化方案對于解決該區塊鉆井提速難題具有重大的應用價值和實際意義。

關鍵詞：鉆井提速；井身結構；鉆頭；鉆井液；優化方案

Optimization scheme for drilling speed improvement in Chenghai 3-2 oilfield block

SHEN Jiyang， ZHANG Hao， CHENG Yukun， XIN Yaqi

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：After the first phase of drilling， good oil and gas reservoir is discovered in the Chenghai 3-2 （CH 3-2） block. Subsequently， plans are made to expand the slot and construct 24 new wells. For efficient and economic development of the CH 3-2 oilfield， based on previous geological and engineering experience， the “one trip drilling” at the third spud of the wellbore is achieved by optimization of casing program and string assembly，selection and customized design of drill bit， as well as employment of long-life screw and other ROP improvement tools. At the same time， wellbore instability and collapse are avoided by a selected drilling fluid system and appropriate drilling fluid density. With the optimized drilling plan， the drilling to completion period can be shortened by 7.35 days and efficiency can be increased by 15.24% compared to the well before optimization. The optimization plan has significant application value and practical significance for solving the problem of drilling speed improvement in this block.

Keywords：drilling speed improvement; casing program; bit; drilling fluid; optimization plan

根據國家對海洋環境的嚴格要求，從2017年5月開始暫停對渤海灣新建人工島等非透水構筑物的審批。因此，埕海3區的開發須采用“海油海采”的模式進行。埕海3-2區位于河北省黃驊市東側海域，埕海3-2平臺所處位置平均水深4.9 m，高潮水深6.4 m，低潮水深3.0 m，潮差3.4 m。

埕海3-2區規劃槽口18個，槽口間距2.2 m ×2.7 m，全部為單筒雙井設計，具備36口井的鉆井能力。目前北側槽口區導管已樁入4個，開鉆8口井，完鉆7口井。后續擴建槽口14個，部署新井24口，目的層位于沙二段，平均單井進尺4 035 m，預計累計進尺9.6 × 104 m。

1" " 地質概況

埕海3-2區塊屬于依托海4井斷層和張東斷層的斷鼻構造，為巖性-構造油藏，油藏高點埋深3 025 m，地層南高北低，東西向中間凹、兩邊高，靠近海4井斷層時地層變陡，構造在縱向上具有一定繼承性，靠近張東斷層發育東西向次級小斷層，中心區斷層不發育。巖心物性分析表明：沙二段為中低孔（8.47%～17.83%）、低滲～特低滲（4.9 × 10-3 ～ 79.54 × 10-3 μm2）儲層。地層壓力系數0.98～1.05，屬正常壓力系統。地溫梯度為3.06 ℃/100 m～3.5 ℃/100 m，平均地溫梯度3.36 ℃/100 m，屬正常溫度系統。地質分層和巖性描述如表1所示（以埕海XX井為例）。

2" " 已完成井情況

2018—2021年，埕海3-2區塊已開鉆8口井，完鉆7口井（見表2），以評價井為主，平均完鉆井深4 569 m，平均鉆井周期50.93 d，平均完井周期11.46 d，平均機械鉆速15.82 m/h。

3" " 鉆井施工難點

根據前期施工井作業經驗，鉆井施工過程中主要存在以下難點。

一開406.4 mm井眼：巖柱軟，上部地層壓實程度低，同時大井眼造斜率較難控制，單筒雙井A井與B井分離較困難，伴隨導管架井組開發密度日益加大，防碰問題會日益突出。

二開311.1 mm井眼：斜井段較長，鉆速快，鉆屑多，井眼清潔困難，地層造漿嚴重，鉆井液流變性難以控制。

三開215.9 mm井眼：井段地層坍塌，壓力高，井壁易失穩坍塌；沙河街組中下部地層壓實強度提升，細砂巖、粉砂巖含量增高，地層研磨性增強，機械鉆速低，單只鉆頭進尺少；固井封固段長，需要采用分級固井[1]，固井施工難度大。沙二段、沙三段為主要目的層井段，井漏、井噴等復雜事故風險高。

4" " 優化方案

4.1" " 井身結構優化

埕海3-2區目的層為沙河街組，主體采用三開井身結構，?339.7 mm的表層套管封明化鎮組上部松散地層，?244.5 mm生產套管主體封過沙一段地層，2020年后采用常規定向井生產套管封過館陶組地層（見圖1），能夠滿足安全鉆井及開發生產的需要。考慮鉆井平臺槽口的重復利用，井身結構有進一步優化的空間。參考埕海二區懸掛尾管完鉆油水井的注水及壓裂實際情況對井身結構進行優化調整[2-4]，均采用?244.5 mm生產套管懸掛?139.7 mm生產尾管的井身結構。結合舉升工藝、地層壓力、鉆井液密度等情況，常規井、水平井均可優化設計為三開井身結構，定向井生產套管封過館陶組地層，水平井生產套管封東一段地層，優化后井身結構見圖2。

原井身結構三開固井由于封固段長、上下溫差大、水泥量大等特點，需要采用分級固井工藝，分級固井完成后還需要用小鉆桿鉆掉分級箍，優化成尾管懸掛后，可節約作業時間80 h。

4.2" " 鉆頭優選與個性化設計

通過對埕海3-2區已鉆井巖石進行力學分析，得知東營組到沙一段中下部的平均抗壓強度低于5 000 psi（1 psi=6.896 kPa），內摩擦角低于32°，地層可鉆性好。沙一段中下部及以下地層抗壓強度較上部地層抗壓強度明顯增加，且在4 000 ～ 16 000 psi波動，部分夾層抗壓強度超過20 000 psi，說明地層軟硬交錯會對鉆頭造成沖擊破壞，內摩擦角接近40°，地層也具有較強的研磨性。

埕海3-2區塊三開215.9 mm井眼地層主要以東營、沙一、沙二、沙三地層為主。三開采用PDC鉆頭（GP1655D、M1655DG、M516J、T1655AUG、MD6521ZC），平均機械鉆速8.59 m/h，單只鉆頭平均進尺773 m。統計分析鄰井已完鉆井鉆頭使用情況：其一，鉆頭發生損壞的地層為沙二段和沙三段，主要磨損特征是鼻部外檢磨損和崩損，主要原因是地層軟硬交錯和較強的研磨性；其二，平面齒使用后均出現較嚴重崩損和磨損，前排異面齒鉆頭出井損壞程度較輕；其三，已鉆井主要使用16 mm切削齒5刀翼鉆頭，適合地層鉆進；其四，具有后排齒的鉆頭在耐磨損和進尺上具有優勢，后排齒可以很好地保護鉆頭，錐尖后排齒保護效果更好；其五，百施特異面雙排齒鉆頭在多井中使用，出井磨損程度較輕，具有實現單只鉆頭完成215.9 mm井段的潛力。

當前針對不同區塊、不同地層巖性的個性化鉆頭設計[5-7]越來越受到青睞。結合埕海區塊地層研磨性和鄰井鉆頭磨損特征，在“T1655AUG”鉆頭基礎上，從以下5個方面開展優化設計，可實現單只鉆頭進尺不低于2 200 m、機械鉆速不低于12.50 m/h，滿足一只鉆頭完成三開全部進尺要求。優化一：采用新一代異面齒為主切削齒，輔助圓柱錐尖齒（見圖3），減少鉆頭橫向振動及軸向振動，提高切削齒使用壽命；優化二：鼻部及外肩部切削齒受力優化，降低肩部齒在切削地層的受力，提高切削齒壽命；優化三：鉆頭力平衡方面的優化，提高鉆頭工作穩定性，提高鉆頭使用壽命和定向穩定性；優化四：鉆頭側向切削性能的優化，提高鉆頭側向切削能力，提高定向造斜率（見圖4）；優化五：鉆頭水力結構優化，消除井底渦流，使巖屑快速排出井底，避免重復切削。

4.3" " 鉆具組合和提速工具優選

區塊內已完鉆的7口井均采用了常規四合一鉆具組合[8]（PDC鉆頭+馬達+穩定器+MWD），目前一開、二開均實現了“一趟鉆”工程，三開還需要兩趟鉆才能完成，因此該區塊鉆井提速的重點是三開井段。

一開常用鉆具組合（直井段、增斜鉆進）：?406.4 mm鉆頭+?244 mm螺桿1.75°（本體扶正器?400 mm）+?203 mm浮閥+?203 mm無磁×1根+?203 mm MWD+?203 mm無磁×1根+631 × 520轉換接頭+?139 mm加重鉆桿×5柱+?139 mm鉆桿。

針對單筒雙井淺層定向造斜率低、A井和B井分離難的問題，同時兼顧機械鉆速，一開可優化為兩趟鉆，即先用牙輪+2.0°螺桿馬達保障上部軟地層造斜率，實現淺層井段A、B井快速分離，再用PDC+1.75°螺桿馬達實現下部低防碰風險井段提速。

二開常用鉆具組合（穩斜鉆進）：?311.1 mm PDC鉆頭+?244 mm螺桿1.5°（本體扶正器?310 mm） +?203 mm浮閥+?296～298 mm扶正器+?203 mm無磁鉆鋌×1根+MWD短節+?203 mm無磁鉆鋌×1根+?203 mm隨鉆振擊器+631×520轉換接頭+?139.7 mm加重鉆桿×20根+?139.7 mm鉆桿。通過區塊前期鉆井施工總結，二開優選?296 mm～?298 mm鉆具扶正器，穩斜效果最好，定向糾偏滑動比例可降低至20%，鉆井效率大幅提高。

三開常用鉆具組合（穩斜鉆進）：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿1.5°（本體扶正器?210 mm） +411 × 410浮閥+?210 mm扶正器+?169 mm無磁鉆鋌×1根+?171 mm MWD+?127 mm無磁抗壓縮鉆桿×1根+?127 mm加重鉆桿×9根+?165 mm隨鉆振擊器+?127 mm加重鉆桿×8根+?127 mm鉆桿×7根+?172 mm水力振蕩器+?127 mm鉆桿+411 × 520轉換接頭+?139.7 mm鉆桿（每300 m加放1根清潔鉆桿）。

三開鉆進過程中，存在扭矩大、清潔難、定向拖壓等困難，在前期摸索中應用防磨減扭接頭、水力振蕩器、清潔鉆桿等工具，配合性能良好的鉆井液，這些難題基本得到了解決。但是受制于螺桿鉆具和鉆頭的使用壽命，需要兩趟鉆（兩根螺桿、兩只鉆頭）才能完成全部進尺。優選應用可連續工作300 h的長壽命螺桿鉆具[9-10]，配合個性化PDC鉆頭，可實現三開“一趟鉆”工程。針對施工難度大、位移較大的井，應用旋轉導向+LWD隨鉆測井，采用旋轉鉆進代替滑動鉆進，進而提高機械鉆速。

4.4" " 鉆井液優化

目前埕海3-2區塊主體采用有機鹽鉆井液體系，統計區塊完鉆時（目的層沙二井段）鉆井液密度如表3所示。

1）鉆井液體系優選。有機鹽鉆井液：采用復合有機鹽，水活度低，抑制性更強；固相含量低，有利于儲層保護，適用于該區塊水平井。鉀鹽聚合物鉆井液：抑制性強，性能易維護，能夠滿足不同井深、不同井型的安全鉆井需要，可應用于該區塊常規定向井。

2）鉆井液密度優選。前期施工的埕海AA井和BB井，三開設計鉆井液密度1.15～1.20 g/cm3，采用控壓鉆井，實鉆過程中出現了掉塊，最終通過提高密度才避免了井塌復雜情況的發生。后期施工井鉆井液密度提高至1.40～1.45 g/cm3，沒有發現坍塌掉塊的現象。通過多口井實踐，沙一段坍塌壓力當量密度為1.39 g/cm3，沙二段坍塌壓力當量密度為1.36 g/cm3，在進入沙河街易坍塌井段前，應提高鉆井液密度至坍塌壓力當量密度，以平衡地層坍塌壓力，解決沙河街組泥頁巖垮塌的問題。同時，保持體系中抑制劑K+、weigh2的含量不低于設計值（5%～7%KCl、15%～20%有機鹽weight），提高化學防塌能力，保證井壁穩定。

4.5" " 提速目標

埕海XX井是埕海3-2區塊三開井中施工周期較短的一口井，完鉆井深4 550 m，實際鉆完井周期49.88 d，去除天氣、設備等原因耽誤的時間，鉆完井周期為48.22 d。針對后續新部署的定向井，通過優化井身結構、套管柱、短起下次數等參數，應用個性化鉆頭、長壽命螺桿、清潔鉆桿、水力振蕩器、防磨減扭接頭等提速工具，精心操作，提高起下鉆和下套管速度，緊密工序銜接，新井優化后的鉆完井周期對比埕海XX井實鉆周期（見表4），可縮短7.35 d，提速15.24%。

5" " 結論

1）井身結構優化為三開尾管懸掛的方式，既滿足完井工程需求，又便于后期對井口槽再利用，同時較全井下套管的井身結構，降低了固井難度，縮短了完井周期，更具有經濟性。

2）根據地層巖性特征，設計個性化PDC鉆頭，應用長壽命螺桿鉆具，可實現三開“一趟鉆”工程，鉆具組合中的帶水力振蕩器和降摩減扭工具，減少了摩阻對鉆井的影響，可提高機械鉆速。

3）針對施工難度大或水平井段，應用旋轉導向+LWD隨鉆測井，代替常規螺桿馬達鉆井和電纜測井，可大幅縮短鉆完井周期。

4）建議多井批鉆施工，采用平臺集中打表層的施工方式，實現各井平行作業，提升鉆井時效。

5）在前期施工中，三開有機鹽鉆井液重晶石有沉降問題，影響了作業時效，建議開展相關研究，提高鉆井液性能的穩定性。

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作者簡介：

沈吉陽（1984—），男，四川巴中人，工程師，2008年畢業于西南石油大學石油工程專業，現從事海洋石油鉆井方面的工作。Email：shenjy.cpoe@cnpc.com.cn

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