准噶尔盆地环玛湖凹陷钻井提速技术.pdf

第 36 卷 第 4 期 2014 年 7 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Exploration Division of Xinjiang Oilfi eld Company, Petrochina, Karamay 834000, China） Abstract The circum-Mahu depression of Junggar is a complex pressure system; its regional pressure changes greatly; conglomer- ates have grown at base of Badaowan ation with a thicknes of 100-350 m and poor drillability, leading to low ROP and long drilling period, which greatly hinders the exploration progress in circum-Mahu area. Since 2012, according to the drilling geological characteris- tics of this block, efforts have been made to tackle the technical difficulties in drilling acceleration, and a complete set of techniques have been developed for drilling acceleration through such measures as optimization of wellbore configuration and effective PDC drill bits, using lost circulation prevention drilling fluid system and using auxiliary accelerating tools. In 20 wells to which these techniques have been applied, the average rate of penetration was 6.29 m/h, up by 63.4; drilling period was 72.29 d, shortened by 37.2, and downhole trouble rate were 1.13, down by 72.9. Field application showed that the techniques for drilling acceleration have improved the ROP, shortened the drilling period and reduced the downhole troube rate. So, the above technical measures are worth promoting. Key words Junggar Basin; drilling technology; rate of penetration ROP; well configuration; drilling bit optimization; power drill 基金项目中石油股份公司钻井科研项目“环玛湖凹陷低渗储层钻井提速技术研究及昌吉油田致密油藏开发先导试验钻井技术研究” 。 作者简介 王海涛， 1987 年生。就读于长江大学石油工程学院油气井工程专业， 主要从事岩石力学和钻井工艺技术研究。电话 15299990159。E-mailwanghaitao_sun。 环玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘， 面积约 1 300 km2， 通过近些年的滚动勘探， 多口探井均获得 工业油流， 从而揭开了环玛湖凹陷勘探技术攻关的 序幕。环玛湖凹陷是建设“新疆大庆” 油气增储上 产的主要接替区， 然而该地区压力系统复杂， 地层可 钻性差， 导致机械钻速低， 钻井周期长， 严重制约了 环玛湖地区的勘探进程。在深入分析研究环玛湖地 区钻井技术难点的基础上， 参考国内其他油田钻井 提速技术， 根据该区块钻井地质特点进行了钻井提 速技术攻关。通过优化井身结构， 优选高效钻头， 优 选防漏堵漏钻井液体系， 运用提速辅助工具， 逐步形 成了适合环玛湖地区的钻井提速配套技术。 31王海涛等准噶尔盆地环玛湖凹陷钻井提速技术3131 1 钻井提速难点分析 1.1 地质情况复杂 侏罗系中上部发育大段泥岩， 西山窑组发育煤 层， 易造成钻井过程中井壁失稳；吐谷鲁群组底砂 砾岩发育， 头屯河组砂岩发育， 八道湾组底砾岩发 育， 上克拉玛依组砂砾岩发育， 钻井时易发生漏失； 百口泉组发育大套砂砾岩， 岩性均质性差， 纵横向变 化大， 地质条件复杂， 部分井气测值低。 1.2 压力系统复杂 三叠系百口泉组、 二叠系乌尔禾组及夏子街组 为环玛湖地区主要目的层。由夏 72 井区、 玛 13 井 区至玛北油田、 玛南斜坡， 储层百口泉组试油外推压 力系数由 1.01.15 升高至 1.41.7， 由玛西斜坡至玛 东斜坡， 地层压力逐步升高。压力系统复杂， 区域压 力变化大、 增加了钻井作业的施工难度。地层压力 上低下高， 侏罗系及三叠系地层承压能力低， 百口泉 组及乌尔禾组储层安全密度窗口窄， 若处于同一裸 眼井段， 钻井风险大， 井身结构优化难度大。 1.3 漏失严重、 阻卡频繁 环玛湖斜坡带地层漏失具有“漏失层段多、 漏 失压力低、 漏失量大、 安全密度窗口窄”的特征， 井 漏主要分布在克拉玛依组 下乌尔禾组地层， 占井 漏总数 60， 防漏堵漏难度大。玛湖 1 井发生了较 严重的井漏， 主要集中在大套砂岩、 砂砾岩及微细裂 缝较发育井段， 由于钻遇不同压力系统地层， 造成溢 流、 井漏同时存在， 风城组漏失钻井液 584 m3， 堵漏 耗时 113.28 h。该区域侏罗系地层的泥岩及砂砾岩、 三叠系地层的硬脆性泥岩易垮塌， 造成在钻进、 短 提、 划眼等作业中阻卡频繁， 阻卡层段主要集中分布 于三工河组 克拉玛依组地层， 占阻卡总数 75， 钻 井液密度偏低是部分地层阻卡的原因所在。 2 提速配套钻井技术 2.1 井身结构优化 合理的井身结构设计既能最大限度地避免漏、 喷、 塌、 卡等事故发生， 又能有效降低钻井成本［1］。 针对环玛湖地区复杂的地质条件， 通过地震、 测井资 料预测地层压力， 建立了地层压力剖面， 为井身结构 优化提供了重要依据。20 世纪 90 年代玛北地区主 要采用标准三开井身结构， 一开采用 444.5 mm 钻 头， 339.7 mm 套管下深 500 m 左右， 建立井口；二 开采用 311.2 mm 钻头， 244.5 mm 套管封八道湾 组地层；三开采用 215.9 mm 钻头， 下入 139.7 mm 套管。这种井身结构二开技术套管下深过浅， 不 能有效封固下部低承压地层， 致使三开井段发生作 业风险， 三叠系百口泉组、 克拉玛依组多次发生井 漏， 严重影响了施工进度。 针对玛北区域地质构造特 征、 钻井工程地质特性， 对该区域井身结构进行了优 化完善。优化后的井身结构相对于常规结构采用预 留一层技术套管以及复合井眼的方式， 增加了处理 复杂的应变能力， 减少了承压堵漏的难度和井眼失 稳的机率， 提高了井控能力， 更能确保安全成井［2］。 通过对玛北地区 2013 年预探井的井身结构优化 试验， 降本增效成效显著， 6 口试验井共节省套管 1 116.7 t， 节约中完工期 64.7 d， 大幅降低钻井成本， 机械钻速提高 18.567.2。 2.2 钻头选型优化 侏罗系三工河组以上地层以泥岩为主， 夹薄砂 岩层， 胶结松散， 可钻性较好， 推荐使用成本低、 钻速 快的 MP2G 牙轮钻头。在不改变钻井方式的情况 下用 PDC 钻头替代牙轮钻头是提高机械钻速的最 有效手段［3-4］。PDC 钻头主要是依靠较高转速下牙 齿对地层的剪切作用进行破岩， 要求其牙齿具有更 高的抗研磨性［5］。根据对完钻井所用钻头的统计 分析发现， 环玛湖地区 PDC 钻头进尺占 75， 使用 效果明显， 因此在表层白垩系以下地层推荐首选高 效 PDC 钻头系列。八道湾组中上部泥岩强度低， 可 钻性较好， 但进入八道湾组较厚底砾岩后， 可钻性变 差， 一般PDC钻头无法成功穿过底砾岩， 致使钻头报 废， 八道湾组地层将是重点攻关提速层位。 根据单只 钻头进尺及机械钻速， 经过初选得到适合八道湾组 地层的高效 PDC 钻头（图 1） 。根据使用效果分析， FX65DX3、 FR1935S、 FS7563BGZ、 FX65DSX3 等 PDC 钻头使用效果较好。 图 1 八道湾组钻头使用效果 根据抗压强度分析， 在八道湾组地层， 优选 16 19 mm 切削齿、 低 中等布齿密度的 PDC 钻头。通 过与钻头厂家合作及试验， 对多个厂家的钻头进行 了筛选， 并根据八道湾组的地层特点， 针对试验中出 现的问题对钻头进行了个性化设计， 优选出穿八道 湾组砂砾岩的 FX 序列六刀翼、 16 mm 双排切削齿 石油钻采工艺 2014 年 7 月（第 36 卷） 第 4 期32 FX65DX3 钻头， 该钻头流道面积大， 携岩能力强， 减 少重复切削， 有效提高了钻头破岩效率。通过多口 井的试验， 运用相同的方法对环玛湖地区其他层位 的钻头进行了优选， 逐步形成了适合该地区的全井 钻头序列（见表 1） 。 表 1 环玛湖地区全井钻头选型综合推荐表 钻遇地层 钻头序列 推荐备选 吐谷鲁群组（白垩系表层）MP2GST115G 齐古组 - 八道湾组FX65DX3FR1935S 白碱滩组FR1935SFX65X3 克拉玛依组 - 百口泉组FS2563BGVX3FX65DSX3 下乌尔禾组FS2563BGZHJ517G 2.3 防漏堵漏钻井液体系优选 环玛湖地区漏失层段多， 漏失问题突出。根据 该区块地层特征， 对钾钙基聚磺钻井液体系中抑制 剂、 包被剂、 降滤失剂、 封堵剂、 润滑剂进行了评价 及优选， 通过不同处理剂组合、 配方优化等 100 组室 内评价实验， 最终形成适合环玛湖区块的钻井液技 术。优选出的钻井液配方为4 膨润土浆 0.2 Na2CO30.2KOH0.50.7包被剂PHMA-20.5 0.7 降滤失剂 SP-80.5NPAN3SMP-11.5 SPNH3 磺化沥青 59KCl0.20.5CaO 重晶石。在确定基浆配方后， 对钻井液体系进行了 室内抗污染、 抗温性能评价及不同密度下流变性能 评价。配方在 130 ℃的条件下， 依然保持良好的性 能， 在 150 ℃滚动条件下， 流变性能出现了较大的 波动。针对环玛湖区块漏失特征， 进行了随钻堵漏 技术研究。对常用的随钻堵漏剂进行了评价及优 选， 通过流变性及砂床评价实验得出， JCM-12、 SD- 601 对流变性影响最小， 漏失量最少。该地区的攻关 井应用新型钻井液体系之后， 井下复杂时率降低为 1.13， 较攻关前降低 72.9。 2.4 高效复合钻井提速技术优选 2.4.1 扭力冲击器 PDC 钻头提速技术 扭力冲击 器以扭向上的冲击破碎为主， 加以旋转剪切岩层， 在 保证井身质量的同时提高机械钻速， 将钻井液的流 体能量转换成扭向的、 高频的、 均匀稳定的机械冲击 能量并直接传递给 PDC 钻头。扭力冲击发生器为 纯机械元件， 且内部结构合理， 无任何橡胶件、 电子 件， 提速的同时能起到防斜的作用， 保证井身质量。 配合 PDC 钻头使用时， 能更好控制井下振动， 减少 井眼扭曲， 减小钻具组合的疲劳强度， 延长钻头寿 命， 降低卡、 滑钻风险， 减少划眼起下钻次数， 节省钻 井周期［6-9］。 为提高 215.9 mm 井眼钻进速度， 在玛 13 井区 玛 15 井、 玛 16 井进行了扭力冲击器 PDC 钻头提 速技术的先导性试验。 玛15井的试验井段为2 630.03 3 062.03 m， 所钻遇的层位包括克拉玛依组、 百口泉 组， 钻头进尺 432 m， 机械钻速为 7.45 m/h；玛 16 井 试验井段为 2 7673 213.22 m， 所钻遇的层位包括克 拉玛依组、 百口泉组， 钻头进尺 446.2 m， 机械钻速为 7.2 m/h。 与邻井相比， 试验的2口井提速效果明显 （见 表 2） 。 表 2 试验井与邻井各层位机械钻速对比 m/h 地层玛 15 玛 16 玛 131玛 132玛 133 玛 13平均 克拉玛依组7.075.461.873.611.682.12.32 百口泉组2.013.991.781.592.181.991.88 2.4.2 高速涡轮 孕镶金刚石钻头提速技术 利用 涡轮钻具的高转速特性， 配合长寿命、 高效一体式的 孕镶金刚石钻头， 辅之以转盘（或顶驱） 复合钻进， 以 获得较高的机械钻速和钻井进尺。高速涡轮有如下 技术特点效率高， 如 Smith 公司涡轮转速可以达 到 1 444 r/min， 而普通螺杆转速只有 200 r/min；工 作平稳， 减少井下振动引起的钻头损害（碎齿、 胎体 断裂等） ， 延长钻头寿命；使用寿命长， 没有橡胶件， 在井下工作时间可超过 400 h。 在提速攻关期间， 在玛湖 1 井应用了高速涡轮 孕镶金刚石钻头复合钻井技术。使用井段为 4 401 4 450.39 m， 机械钻速达到 1.59 m/h， 与常规牙轮钻 速 0.53 m/h 相比提速 200 （见表 3） ， 提速效果明显， 但钻进至 4 450.39 m 时出现溢流复杂情况， 涡轮钻 具停止使用。 表 3 玛湖 1 井夏子街组涡轮 孕镶金刚石钻头 使用情况对比 钻头型号 井段 / m 进尺 / m 机械钻速 / m h–1 钻进方式 K507BPXX 4 401 4 450.39 49.391.59 涡轮 孕镶 金刚石钻头 VM-55GDX 4 362 4 401 440.67常规 MXL-DS55DX 4 304 4 362 580.53常规 3 现场应用 根据环玛湖地区地质条件和钻井特点， 通过优 化井身结构， 推广个性化钻头和防漏堵漏钻井液体 系， 优选高效复合钻井技术， 自 2012 年进行环玛湖 钻井提速攻关以来， 共有 20 口井应用了提速配套 技术， 攻关井平均机械钻速提高为 6.29 m/h， 较攻关 前提高 63.4， 钻井周期缩短为 72.29 d， 较攻关前 缩短 37.2， 复杂时率降低为 1.13， 较攻关前降低 72.9。从现场应用效果可以看出， 采用该提速配套 3333王海涛等准噶尔盆地环玛湖凹陷钻井提速技术 技术之后， 机械钻速、 钻井周期、 复杂时率等钻井技 术指标均优于攻关前， 综合提速效果显著。 4 结论及建议 （1） 配套提速钻井技术在准噶尔盆地环玛湖地区 的应用， 大幅度提高了机械钻速， 缩短了钻井周期， 降低了复杂时率和钻井成本， 同时对防漏堵漏钻井 液体系进行了优选研究， 为钻井提速提供了有力保 障， 有助于加快环玛湖地区的勘探步伐。 （2） 优化后的井身结构相对于常规结构采用预留 一层技术套管以及复合井眼的方式， 增加了处理复 杂的应变能力， 确保安全、 顺利成井。 （3） 高效 PDC 钻头在环玛湖地区具有较好的应 用效果， 初步形成了环玛湖地区全井钻头序列， 对重 点攻关层位已经进行了个性化 PDC 钻头的优选， 建 议进一步加强对其他层位个性化钻头的改进工作。 （4）扭力冲击器 PDC 钻头和高速涡轮 孕镶 金刚石钻头复合钻井技术是钻井提速的重要手段， 建议在该地区进一步推广应用， 并优化水力参数和 机械参数， 提高综合使用效果。 参考文献 ［1］ 王果， 刘建华， 丁超， 等 . 控压钻井条件下井身结构优化 设计［J］. 石油学报， 2013， 34 （3） 545-549. ［2］ 何龙 . 川东北地区优快钻井配套技术［J］. 钻采工艺， 2008， 31 （4） 23-26. ［3］ 蒋祖军， 肖国益， 李群生 . 川西深井提高钻井速度配套 技术［J］. 石油钻探技术， 2010， 38 （4） 30-34. ［4］ 刘天科 . 东营凹陷中央隆起带北部深层钻井技术难点 与对策［J］. 石油钻探技术， 2011， 39 （3） 77-80. ［5］ 穆国臣， 陈晓峰， 王雪， 等 . 松南地区深井钻井提速难点 与对策［J］. 石油钻探技术， 2011， 39 （6） 19-22. ［6］ 周祥林， 张金成， 张东清 . 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