元坝地区超深井优快钻井关键技术及应用_赵洪山.pdf

2020年第9期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-18修回日期 2020-03-20 基金项目 国家科技重大专项 “渤海湾盆地济阳坳陷致密油开发示范工程”（编号 2017ZX05072-003） 。 第一作者简介 赵洪山 （1980-） ， 男 （汉族） ， 河南开封人， 研究员， 现从事油气井管柱力学及钻井工艺方面的研究工作。 元坝地区超深井优快钻井关键技术及应用 赵洪山*1， 周志刚 1,2 （1.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院， 山东 东营 257000; 2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司， 山东 东营 257000） 摘要 元坝地区地质年代古老、 研磨性强、 可钻性差， 同时深部地层压力系统复杂、 密度窗口窄， 钻 进过程中容易出现漏、 塌、 斜、 卡等复杂情况， 机械钻速低、 施工周期长， 严重影响了元坝气田的勘探 开发进程。首先深入分析了元坝地区不同地层岩性特点及复杂压力分布情况， 通过开展气体钻井、 液相控压钻井等钻井新技术的应用研究、 TorkBuster扭力冲击器、 孕镶金刚石钻头等新型破岩工具 的现场试验， 以及超深井固井技术的研发与应用， 形成了适合元坝气田复杂地质条件的超深井优快 钻井综合配套技术， 对于今后元坝地区复杂超深井的钻井施工具有重要指导意义。 关键词 元坝地区； 气体钻井； 控压钻井； 复合钻井； 干法固井 中图分类号 TE2 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202009-0059-03 元坝气田发育长兴组飞仙关组台缘礁滩相储 层， 目的层埋深超过7000m， 是迄今为止国内外埋藏最 深的高酸性气田。由于面临着地层年代老、 岩石坚硬、 可钻性差等诸多不利于提高机械钻速的特殊地质条件 和情况， 加之钻进过程中地层不稳定， 容易发生井漏、 塌、 斜等复杂情况， 给超深井钻井施工带来了较大施工 难度[1-3]。针对元坝地区复杂超深井地质特点及钻井难 点， 通过开展气体钻井、 液相控压钻井等钻井新技术的 应用研究、 TorkBuster扭力冲击器、 孕镶金刚石钻头等 新型破岩工具的现场试验， 以及超深井固井技术的研 发与应用， 形成了适合元坝气田复杂地质条件的超深 井优快钻井综合配套技术， 为今后元坝地区复杂超深 井的钻井提速提效提供了有力的技术支撑。 1元坝超深井钻井难点分析 1.1复杂地层特点 根据前期已完钻井的实钻资料分析， 元坝地区的 地质环境异常复杂， 主要表现为 （1） 地层地质年代久远， 成岩性好， 研磨性强、 可钻 性差， 同时高陡并且软硬胶结的特点决定了机械钻速 难以提高， 井身质量很难保证。 （2） 沙溪庙自流井组地层砂、 泥层频繁交互， 并 存在有砾石和石英团块， 憋跳钻现象严重， 钻具磨损和 疲劳损伤严重， 易造成钻具事故。 （3） 须家河组须四、 须二是以含钙质胶结石英为主 的砂岩， 研磨性强， 钻头失效快， 易发生钻头和钻具故 障。 （4） 雷口坡组和嘉陵江组有石膏层和盐膏层， 石膏 塑性蠕动和遇水膨胀， 使井眼缩小， 污染钻井液， 易挤 坏套管和发生卡钻事故。 1.2压力分布情况 从实钻情况来看， 元坝地区的纵向压力分布为常 压高压常压。其中 （1） 千佛崖及以上地层为常压， 千佛崖组及部分下 沙溪庙组含有气层。 （2） 自流井组、 须家河组个别井为常压， 但区域上 局部有异常高压。经分析认为油气藏特征为 高压低 渗， 多为裂缝性气藏， 地层压力窗口窄， 漏、 涌时有同 层， 井下复杂多。 （3） 从实钻和测试情况来看， 雷口坡组存在高压高 产气藏。 （4） 嘉陵江组总体为常压系统， 地层承压高， PDC 钻头可钻性好， 局部存在异常高压。元坝2-侧平1井 钻遇高压水层， 泥浆密度2.05g/cm3才能平衡， 元坝27 井钻遇高压水层， 泥浆密度2.15g/cm3才能平衡。 59 ChaoXing 2020年第9期西部探矿工程 2元坝超深井钻井提速关键技术 2.1超深井钻井提速新技术 2.1.1气体钻井技术 气体钻井技术由于能够改变井底应力状态， 消除 “压持效应” ， 同时大大延长钻头寿命， 提高井底清岩效 率， 目前已经在四川、 新疆等地区开展了广泛应用。针 对元坝陆相上部地层厚度大、 岩性多变、 可钻性差但相 对稳定的特点， 通过合理选择喷嘴面积、 气排量、 立压、 钻压、 转速、 气液排量等参数， 确定适合气体钻井终止、 转换的条件和标准， 分别形成了26″井眼强携岩携水空 气泡沫钻井技术和17-1/2″井眼长井段空气钻井技术， 进一步提高了气体钻井的适应性[5-6]。其中元坝3井 206～1540m井段使用空气钻进， 平均机械钻速达到了 20.6m/h； 元坝 22 井在 684.85～1573.68m 井段采用雾 化钻进， 平均机械钻速高达 30.72m/h； 元坝 29 井 59.42～707.00m导眼段采用泡沫钻井， 平均机械钻速 也达到了7.02m/h。 2.1.2液相控压钻井技术 元坝地区自流井、 须家河组为高压低产地层， 采用 常规钻井方式由于钻井液密度较高 （最高2.43g/cm3） ， 前期平均机械钻速仅为0.63m/h。采用控制压力钻井 技术， 在保证井壁稳定且气体排放安全可控制的前提 下， 通过合理降低钻井液密度， 有利于明显提高机械钻 速[7]。首先在元坝12井须家河地层开展了液相控压钻 井的先导性试验， 使用井段4192.00～4611.73m， 进尺 419.73m， 机械钻速1.39m/h， 与元坝1井须家河地层机 械钻速0.75m/h比较， 提高了84， 取得较好效果； 然后 又在元坝22、 元坝10等多口井自流井须家河组地层 实 施 液 相 控 压 钻 井 ， 其 中 元 坝 22 井 使 用 井 段 3756.32～3847.99m，进 尺 91.67m，平 均 机 械 钻 速 0.81m/h； 元坝10井在自流井顶须家河底开展了应 用， 钻进井段3969～5075.3m， 平均机械钻速0.86m/h， 较常规钻井液钻井同比提高了36.62以上。 2.1.3复合钻井技术 螺杆钻具配合高效PDC钻头的复合钻井技术作 为一种提高机械钻速的有效手段， 目前己在元坝海相 地层普遍推广应用， 在陆相地层先导性应用中也有所 突破， 通过优选螺杆尺寸、 钻头类型、 钻井参数等措施， 可使海相地层的机械钻速提高26～72。该技术适 合于中深部地层的快速钻进、 高陡构造易斜地层中的 防斜打快、 定向井井眼轨迹控制及其后的稳斜钻井。 在陆相地层中， 元坝 29 井在下沙溪庙组开展了 “PDC螺杆” 复合钻井现场应用， 钻进井段3202.78～ 3539.15m， 平均机械钻速 2.21m/h， 最高机械钻速 5.36m/h， 较牙轮钻头提速1.95倍； 海相地层中， 元坝 124井在三开5218～5402m直井段采用复合钻井技术， 创下了川东北地区日进尺184m的纪录， 单只钻头进尺 834.4m， 钻速达3.73m/h， 大大提高了海相地层的钻井 速度。 2.2新型破岩井下工具 2.2.1水力脉冲空化射流发生器 水力脉冲空化射流钻井是综合利用水力脉冲、 空 化冲蚀、 瞬时负压三种作用来实现钻井提速的一种新 型钻井技术， 其中利用工具产生的水力脉冲作用能够 有效改善井底流场、 提高井底清岩效率； 而钻进过程中 产生的瞬时负压可以降低井底岩石破碎强度的同时， 促进空化冲蚀作用的产生， 进而实现辅助破岩并提高 破岩效率的目的。 元坝121H井使用228mm水力脉冲空化射流发 生器， 试验井段为3918～4084m， 钻遇地层为下沙溪庙 组、 千 佛 崖 组 和 自 流 井 组 ， 进 尺 l67m， 纯 钻 时 间 105.90h， 平均机械钻速为1.58m/h， 机械钻速较邻井相 同地层同比提高了47.7。元坝12井使用228mm水 力脉冲发生器， 分两次入井， 钻进井段为4100～4120m 和4121～4141m， 进尺合计41m， 平均机械钻速0.92m/h， 较上部相邻井段提高了26.8～39.4。 2.2.2TorkBuster扭力冲击器 TorkBuster扭力冲击器采用流体动力学和能量转 换原理， 能够将钻井液的流体能量转换成作用在钻头 扭向和径向上的高频冲击力并直接作用在PDC钻头 上， 从而有效消除钻头粘滑振动， 使整个钻柱的扭矩保 持稳定， 不但提高了PDC钻头破岩能力， 而且有利于 延长钻头的使用寿命。 截止目前，“TorkBuster扭力冲击器PDC钻头” 技 术已经在元坝地区陆相下沙溪庙、 千佛崖、 自流井地层 进行了推广应用[8]。其中 元坝10井使用TorkBuster 扭力冲击器钻进期间， 钻井井段3233.30～3503.82m， 进尺270.52m， 平均机械钻速3.22m/h， 较相邻井段提 速 169.84； 元坝 223 井311.2mm 井眼使用 Tork- Buster扭力冲击器钻进井段3465～3611m， 进尺146m， 机械钻速2.88m/h， 较相邻井段提高了134.62。 2.2.3孕镶金刚石钻头涡轮钻具 元坝地区陆相千佛崖须家河组地层岩性致密， 可钻性差， 采用常规钻进方式机械钻速低， 尤其是自流 60 ChaoXing 2020年第9期西部探矿工程 井底部存在大段砾石层， 以及须家河组致密石英砂岩 地层， 研磨性极强， 对钻头先期破坏性很大。孕镶金刚 石钻头由于具有高耐磨性、 长使用寿命的特点， 配合涡 轮钻具的高转速特性， 近年来在元坝气田须家河组致 密砂岩地层中的应用越来越广泛。 元坝124井采用孕镶钻头高速涡轮钻井技术， 钻 进井段3684.11～4887.20m， 共计使用了五趟钻， 累计 进尺1144.76m， 平均机械钻速1.21m/h， 节省钻井周期 65d左右； 元坝224井下沙溪庙组须家河组地层采用 孕镶钻头高速涡轮钻井技术， 钻进井段 3259～ 4251.06m、 4278.54～4460m， 累计进尺1173.52m， 纯钻 时间679.83h， 平均机械钻速1.72m/h， 较邻井同层段及 同井眼条件下的机械钻速提高近2倍， 取得了显著应用 效果。 2.3超深井固井技术 2.3.1大尺寸套管 “干法” 固井 为实现全程化气体钻施工 （钻井、 固井都以气体为 介质） 、 进一步强化元坝提速， 在充分论证的基础上， 元 坝271井476.25mm导管实施了 “干法” 固井技术。导 管下深702.44m， 因井眼尺寸大， 水泥浆量大， 分三次向 井内注入水泥浆， 即采用先 “穿鞋” 、 再分二次向环空灌 水泥浆的固井工艺， 固井质量优质。 该次施工的顺利实施具有多项重大意义 一是因 为减少了转浆、 地层承压、 钻套管附件及下开次空气钻 气举等工序， 避免了井漏等复杂情况， 减少了候凝时 间， 大大缩短了中完时间， 比常规固井至少节省了6d； 二是纯干法井壁没有泥饼， 而且避免了普通固井过程 中的顶替效率问题， 保证了固井质量； 三是避免了普通 固井中口袋的地层吸水失稳问题， 为下一开次空气钻 进创造了良好条件。 2.3.2技术套管及产层套管固井 元坝区块超深井固完井存在着 “三高一低” 、“三小一 长” 、“两厚一大” 的特点， 给固井质量带来了极大挑战。 “三高一低” 三高是指深井、 超深井 （最深元坝3井 达7450m） 的井底温度高 （最高温度达177℃） 、 地层压 力高 （最高压力系数2.15） 、 以及气体高含硫化氢 （含量 最高达268g/m3） 、 二氧化碳 （含量最高达10） ， 对水泥 浆性能要求高； 一低是指地层的承压能力低、 压稳和漏 失的密度安全窗口窄， 固井防窜、 防漏难度大。 “ 三 小 一 长 ” 三 小 是 指 311mm 井 眼 下 入 273.1mm 套管的环空间隙小 （小接箍的单边间隙 13mm） 、 241mm井眼下入193.7mm套管的环空间 隙小 （接箍单边间隙 12.5mm） 、 165mm 井眼下入 146mm 无 接 箍 套 管 的 环 空 间 隙 小（单 边 间 隙 9.5mm） ， 小间隙的固井质量难以保证； 一长是指封固 的裸眼长， 多套压力体系共存矛盾突出， 浆柱结构复 杂， 固井灰量大， 施工时间长， 设备机具条件要求高。 “两厚一大” 一厚是指大剂量的堵漏材料在井壁 形成的厚泥饼， 难以保证第二界面的封固质量， 另一厚 是指嘉陵江组盐层厚， 盐层蠕动， 要使套管同时满足抗 腐蚀和抗盐层蠕动强度要求难度大； 一大是指长封固 段的领、 尾浆温度差别大 （温差最大达到65℃） ， 同时能 满足底部和顶部强度要求的水泥浆体系技术难度大。 3结论与认识 （1） 自流井与须家河组的石英砂岩、 砾岩可钻性极 差， 对钻头的损坏严重， 建议继续开展新型高耐磨性钻 头的研制工作， 提高单只钻头的寿命， 减少起下钻时 间， 从而提高下部陆相地层的机械钻速。 （2）“干法” 固井技术由于减少了转浆、 地层承压、 钻套管附件及下开次空气钻气举等工序， 大大缩短了 中完时间， 并且避免了普通固井过程中的顶替效率问 题， 保证了固井质量， 建议继续加强理论研究， 并加强 其推广应用。 （3） 建议今后元坝地区超深井钻井应在继续提高 机械钻速的基础上， 尽可能地减少复杂、 事故的发生， 大大缩短非生产时间、 中完时间， 进一步实现缩短元坝 地区超深井钻井周期的目的。 参考文献 [1]陶鹏， 敬玉娟．元坝高含硫气藏超深水平井钻井技术[J]． 特种油气藏， 2017， 24 （1） 162-165． [2]胡建华， 叶希， 张小峰．孕镶金刚石钻头高速螺杆钻井技 术在元坝陆相高研磨性地层的应用[J]．天然气工业， 2016， 36 （1） 111-115． [3]胡德云， 赵鹏斐， 周成华．元坝陆相地层钻井液密度窗口的 确定与应用[J]．石油天然气学报， 2015， 37 （1112） 31-38． [4]黄志远．元坝7井钻井设计与施工[J]．中国石油大学胜利 学院学报， 2018， 32 （4） 26-29． [5]李斌， 代锋， 张弛， 等．气体钻井集成技术在元坝地区陆相 地层的应用[J]．天然气工业， 2016， 36 （1） 122-127． [6]孙晓波．元坝103-1H井超深井钻井配套技术[J]．石油地 质与工程， 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