2. 中国石油集团渤海钻探工程有限公司
, Li Jingying1
, Luo Yucai1
, Yang Kai2
, Wang Dongming1
, Cao Xiaobing2
, Peng Yu1
, Zhao Weifeng1
, Zhong Xiaojun1
, Lu Hao1
2. CNPC Bohai Drilling Engineering Co., Ltd
饶阳凹陷中央深潜山带已钻潜山井10余口，发现2个潜山油藏。该区带潜山储层规模大、成藏条件有利、勘探程度低，是华北油田最具勘探开发潜力的区带之一，但是由于潜山埋藏深、地层压实程度高、地层压力系统复杂、地温梯度高等原因[1-2]，钻井过程中机械钻速慢、事故复杂多，导致钻井周期长、成本高，严重影响了钻完井速度。为了解决上述技术难题，本文在借鉴国内外深井钻完井技术的基础上[3-14]，针对区带地质特征和钻井技术难点，开展区带钻井提速综合配套技术研究，并且现场应用效果显著，保障了饶阳凹陷中央深潜山带钻井的安全、快速、优质。
1 地质概况饶阳凹陷中央深潜山带位于渤海湾盆地冀中坳陷中部[15-16]，自上而下地层依次为新生界第四系平原组，新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组、沙河街组，以及元古宇蓟县系或长城系。东营组地层压力系数为0.95~1.02、沙河街组地层压力系数为1.05~1.54，潜山地层压力系数为0.9~1.0。新生界主要岩性为砂泥岩互层，部分地层夹有砾岩、油页岩、泥灰岩、铁质泥岩等特殊岩性; 元古宇岩性以白云岩为主。
2 钻井工程技术瓶颈 2.1 新生界地层倾角大，自然增斜严重饶阳凹陷中央深潜山带沙河街组地层倾角为18°~30°，自然增斜严重。完钻井资料表明：沙一段3700~4000m为开始增斜井段，最大井斜角为9°~13°，闭合方位角为240°~314°，为地层上倾方向，井底水平位移长达113~285m，存在脱靶的风险。纠斜钻进严重制约了机械钻速，且深部地层可钻性差，纠斜困难。
2.2 存在异常高压地层，井控风险大饶阳凹陷古近系沙二段存在异常高压层，地层压力系数高达1.42~1.54。在异常高压层钻进过程中，NG1井发生井喷，NG10井气侵严重; 为了应对井控险情，NG1井和NG10井分别提高钻井液密度至1.80g/cm3和1.85g/cm3，加大了井底压持效应。
2.3 深部地层可钻性差，钻头选型困难饶阳凹陷古近系埋深达4500~5500m，压实程度高，研磨性强，地层可钻性级别高达6~7，采用传统钻井方法机械钻速极低。NG10井东营组至沙三段岩性变化频繁，平均机械钻速仅为1.93m/h; 沙三段以下地层平均单只钻头进尺仅为40m，平均机械钻速仅为0.81m/h。
2.4 地层垮塌严重，井身质量难以保障饶阳凹陷古近系—新近系存在大段泥岩，伊/蒙混层含量占64%，易发生泥岩硬脆性垮塌。完钻井三开钻进过程中井壁垮塌严重，起下钻困难。NG10井4300~4500m发生井壁垮塌，平均井径扩大率达37.84%，三开平均井径扩大率为18.30%，最大井径扩大率为46.93%;NG8X井三开平均井径扩大率为23.51%，最大井径扩大率为100.98%。
2.5 地层漏失严重，影响钻井时效饶阳凹陷古近系—新近系断层发育，当钻遇断层、潜山风化壳、潜山低压溶洞和裂缝时易发生漏失，如NG10井、NG8X井分别漏失钻井液679m3、737m3。
3 钻井提速综合配套技术针对饶阳凹陷中央深潜山带钻井工程技术存在的上述瓶颈问题，提出了钻井提速思路。一是采用非标井身结构，减小二开井眼尺寸，提高上部地层机械钻速; 二是地面井口朝自然造斜相反方向预移，减少井斜后纠斜工作量，有效释放钻进参数; 三是引进简易控压钻井技术，降低钻井液密度至低限，改变以往“一侵就压、一压就漏”的情况，在保障井控安全的同时，减小压持效应和漏失风险; 四是基于地层岩石特征，开展个性化PDC钻头设计，提高下部地层的单只钻头进尺和机械钻速; 五是优选高性能钻井液，增强抑制性和抗高温性能，保障三开大段泥页岩层段的井壁稳定，避免井下复杂的发生。
3.1 非标井身结构根据地层特点和地层压力预测优化井身结构[17]，一般采用四开井身结构(图 1)。一开D444.5mm井眼下入D339.7mm套管，井深由352m钻至602m，封固平原组松软地层，确保二开长井段井施工安全。二开D298.45mm井眼下入D244.5mm套管，套管下入沙一段下部，保证沙二段异常高压层的专打，减少三开裸眼段长度，提高尾管封固质量。三开D215.9mm井眼下入D177.8mm尾管，尾管下入潜山顶部，封隔沙河街组异常高压、易垮塌、易漏地层。四开用D149.2mm钻头实现潜山目的层专打，裸眼完井。其中，二开井眼尺寸由传统的D311.2mm减小至D298.45mm，钻头破岩体积减小8%，钻头对井底岩石压强增加8%，提高了破岩效率。同时，采用螺杆+PDC复合钻井技术，提高上部大井眼的机械钻速。
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图 1 饶阳凹陷中央深潜山带井身结构优化前后对比图 Fig. 1 Comparison of well bore configuration before and after optimization in the central deep buried hill zone in the Raoyang sag |
综合分析饶阳凹陷中央深潜山带地层自然造斜规律，结合单井地震剖面，地面井口应向自然增斜相反方向60°~134°方位移动113~285m。沙一段及以上地层，可钻性好，采用单弯螺杆+MWD控制; 沙二段向自然增斜反方位造斜2°~3°，为下部地层解放钻井参数创造条件; 沙三段及以下地层可钻性差，定向钻进困难，采用钟摆钻具组合，避免井斜过大。
3.3 简易控压钻井饶阳凹陷中央深潜山带完钻井实钻及试油资料证实，沙二段异常高压是由大段泥岩沉积过程中残留的高压天然气(泥岩裂缝气)引起的，钻遇异常高压层后，泥岩裂缝气瞬间释放并侵入井眼，虽然压力很高，但是产量极低。采用简易控压钻井技术[18-20]，简化程序与设备，使用旋转控制头、压井管汇、节流管汇、液气分离器、18°斜坡钻杆、六方方钻杆等设备及水力学计算软件，通过钻台节流控制箱调节节流管汇处的节流阀实现控压钻井。正常钻进过程中，降低钻井液密度至合理附加值的下限，降低井底压持效应，防止高密度钻井液压漏断层、风化壳等易漏地层。气侵时通过迅速调节节流阀控制井口施加回压，利用旋转控制头和节流管汇循环、排气、点火，保障井控安全。井口控制压力以套管鞋附近漏失压力为依据，以综合平衡地层压力为目标，其计算公式为：
| $ p_{\mathrm{wh}}=p_{\mathrm{p}}+p_{\mathrm{sf}}+p_{\mathrm{s}}-p_{\mathrm{a}} $ | (1) |
式中pwh——井口控制压力，MPa;
pp——地层孔隙压力，MPa;
ps——静液柱压力，MPa;
pa——环空循环压耗，MPa;
psf——安全附加压力，MPa。
3.4 个性化PDC钻头设计与优选选取饶阳凹陷中央深潜山带古近系深层岩心进行岩石力学实验，结合实钻数据和测井资料，进行岩石力学分析(图 2)，综合考虑已钻井钻头使用情况和夹层等因素，优化设计适合不同层位的个性化PDC钻头[21-25]。
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图 2 区带古近系深层岩石力学分析 Fig. 2 Rock mechanics analysis of Paleogene deep formations in the study area |
沙二段中上部地层(3800~4500m)，抗压强度为(5000~13000)×103lbf/in2，内摩擦角为32°~38°，地层强度和研磨性较强。优化设计了T1655AUG钻头，选择5刀翼、16mm进口PDC复合片、中等后倾角、中等抛物线冠型、后排齿和防碰节设计，在保持钻头攻击性的同时，增加抗冲击能力; 优化井底流场，使靠近钻头鼻部的主切削区域，具有较大的流体速度，有利于冷却复合片及携带岩屑，减少涡流及回旋，减小泥包风险，有利于快速钻进时排屑; 鼻部和肩部增加部分高抗研磨切削齿，提升抗研磨性能; 高性能保径主动切削覆盖型布置，使钻头保径具备切削地层能力，减小井壁对钻头保径的磨损; 钻头力平衡设计，提高稳定性，减少钻头井底摆动，减小对切削齿的冲击，增强钻头寿命。
沙二段下部至沙三段上部地层(4500~5465m)，抗压强度为(6000~22000)×103lbf/in2，内摩擦角为34°~40°，地层强度和研磨性都逐渐增强。优化设计了T1665B钻头，在T1655AUG钻头基础上，增加1个刀翼，增大了切削齿后倾角，增强了抗冲击性能和抗研磨性能。
沙三段下部及以下地层，抗压强度为(8000~ 25000)×103lbf/in2，内摩擦角为36°~44°，地层强度高、研磨性强、岩性变化快。优化设计了Q506FHX钻头，优选6刀翼、16mm PDC复合片、双排齿; 使用Quantec Force系列切削齿，增强抗研磨性能; 采用TSP耐高温聚晶化合物材料保径块，防止缩径; 采用切削深度控制技术和侧向移动缓解技术，减少钻头在软硬交错夹层中钻进时受到的冲击载荷，减少震动，增加稳定性，避免切削齿崩损。
3.5 聚胺KCl钻井液体系针对沙河街组大段泥页岩井段井壁易垮塌的问题[26-30]，在传统聚磺钻井液体系的基础上，从增强抑制性和封堵性两方面入手，优化形成聚胺KCl钻井液体系，配方为：3%~4%膨润土+0.1%~0.2%NaOH+ 0.2%~0.3%Na2CO3 +4%~8%KCl+1%~2%聚胺抑制剂+2%~4%DSP-2+2%~4%成膜降滤失剂+2.5%~ 5%无荧光防塌剂+0.5%~1%增黏剂+1.5%~3%乳化沥青+0.5%~1%RH8501。通过聚胺抑制剂和KCl提高钻井液的抑制性，抑制地层造浆、控制膨润土含量; 增黏剂控制黏度、切力，降滤失; 降滤失剂控制钻井液滤失量，改善泥饼质量; 无荧光防塌剂、乳化沥青改善泥饼质量，控制高温高压失水; 高效强封堵剂封堵渗透性地层和微裂缝泥页岩地层，防止硬脆性垮塌发生。该钻井液体系抗膨润土污染容量大于或等于30%，防膨率大于或等于75%，抗温能力大于或等于180℃，可有效减少井壁钻井液的侵入。
3.5.1 抑制性能评价选取饶阳凹陷中央深潜山带完钻井沙河街组泥岩岩屑，进行不同钻井液体系的滚动回收率实验。实验结果显示(表 1)，聚胺KCl钻井液体系抑制能力明显优于其他体系，能够有效抑制该区带泥岩的水化分散。
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表 1 饶阳凹陷中央深潜山带不同钻井液体系滚动回收率实验结果 Table 1 Experimental results of rolling recovery rate of different drilling fluid systems in the central deep buried hill zone in the Raoyang sag |
针对不同钻井液进行砂床滤失试验，试验结果显示(表 2)，聚胺KCl钻井液体系具有优良的封堵性能。
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表 2 饶阳凹陷中央深潜山带砂床滤失试验结果 Table 2 Sand bed filtration results in the central deep buried hill zone in the Raoyang sag |
YT1井应用上述钻井提速配套技术，完钻井深为5568m，平均机械钻速为3.93m/h、钻井周期为146.5d、建井周期为164.1d，与钻井效果最好的邻井NG10井相比，在完钻井深缩短3.50%的情况下，平均机械钻速提高39.86%、钻井周期缩短40.20%、建井周期缩短44.19%、复杂时效由5.4%降为零，提速效果突出(表 3)。
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表 3 YT1井与邻井NG10井关键钻井技术指标对比 Table 3 Comparison of key drilling performance indicators between Well YT1 and the adjacent Well NG10 |
YT1井二开采用298.5mmPDC钻头+螺杆的复合钻井技术，深钻至3864m的沙一段下部，不揭开沙二段异常高压层，比邻井NG10井深钻了284m，减少了三开裸眼段，避免了井下复杂的发生。YT1井二开平均机械钻速为10.30m/h，与311.2mm的传统井眼相比提高了44.66%。
4.2 井口地面预移应用效果由于地面条件限制，YT1井井口向164°方位移动了78m。实际钻井过程中，5466m进山，进山点水平位移为104m、方位角为298°，设计进山点与实际进山点相距74m，与实际进山点水平位移相比缩短28%;在地层倾角基本一致情况下，最大井斜角为5.17°，井底水平位移为104.35m，与邻井相比分别减小60.23%和63.40%，有效保障了地质目的的实现。同时，减少了钻进过程纠斜的工作量，释放了钻井参数，促进钻井提速。
4.3 简易控压钻井技术应用效果YT1井钻井过程中，在揭开异常高压层后气侵严重，共利用简易控压钻井技术循环、排气、点火17次，保证了井控安全。同时，利用简易控压钻井技术，将最高钻井液密度控制在近平衡地层压力当量密度1.53g/cm3，与邻井相比降低0.32g/cm3，井底压力降低17MPa，降低了井底压持效应，助推钻井提速。
4.4 个性化PDC钻头设计与优选应用效果YT1井在三开4287~5455m井段依次使用T1655AUG、T1665B、Q506FHX 3种型号PDC钻头各1只，与邻井NG10井同井段对比情况见表 4。钻头使用数量减少12只，平均单只钻头进尺提高405.19%，平均机械钻速提高53.40%。
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表 4 个性化PDC钻头使用效果对比 Table 4 Comparison of application effect of personalized PDC bit |
YT1井三开使用聚胺KCl钻井液体系，顺利钻穿了易垮塌的沙河街组大段泥页岩井段。使用PDC钻头钻进时，泥岩钻屑为片状，PDC复合片的切削痕迹清晰可见，一面褶皱、一面光滑; 起下钻顺利，无挂卡; 顺利钻穿7条断层和1个潜山风化壳，未发生井漏、井壁失稳等井下复杂情况。YT1井三开平均井径扩大率为1.8%，与邻井NG8X井、NG10井相比，分别减少21.7%、16.5%。由此可见，聚胺KCl钻井液体系具有良好的抑制性和封堵性，可有效应对沙河街组泥页岩地层井壁失稳。YT1井与邻井三开井径对比情况见表 5。
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表 5 YT1井与邻井三开井径对比情况 Table 5 Comparison of borehole size of the 3rd section between Well YT1 and the adjacent wells |
由非标井身结构优化、井口地面预移、简易控压钻井、个性化PDC钻头设计和聚胺KCl钻井液体系组成的钻井提速综合配套技术，可以解决饶阳凹陷中央深潜山带钻井工程技术瓶颈，避免井下复杂情况的发生，提高机械钻速，缩短钻井周期，为区带后续井的钻探提供了技术模板，也为其他区带深井提速提供了借鉴。
由于扭力冲击器为纯动力机械设计，无电子元器件、无橡胶件，具有抗高温、减少反冲扭力、减少钻柱扭力振荡、提供高频扭向冲击力等特点，可以有效提高钻头的使用寿命和机械钻速。因此，建议在常规螺杆无法使用的深部高温地层，引进扭力冲击器等抗高温提速工具，配合个性化PDC钻头使用，可进一步提高机械钻速。
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