周延軍,陳 明,于承朋

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東東營 257061;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營 257017）

元壩區(qū)塊提高鉆井速度技術(shù)方案探析

周延軍1,2,陳 明2,于承朋2

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東東營 257061;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營 257017）

在總結(jié)分析前期鉆井經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,從地質(zhì)因素、鉆井復(fù)雜情況、巖石可鉆性、地層溫度、鉆井液密度、井身結(jié)構(gòu)等方面分析了目前影響元壩區(qū)塊深井鉆井速度提高的因素。指出井身結(jié)構(gòu)層次有限,不能完全有效封隔不同壓力體系的地層以及須家河組地層可鉆性差、埋深較深、段長,不能利用空氣鉆進(jìn)行鉆進(jìn)是影響機(jī)械鉆速的2個(gè)最重要原因。提出了氣體鉆井方案、鉆頭選型方案、進(jìn)口動(dòng)力鉆具配合高效鉆頭鉆須家河地層方案,以及采用特種井眼尺寸井身結(jié)構(gòu)方案,為元壩區(qū)塊深井鉆井提供技術(shù)支持。

深井鉆井;井身結(jié)構(gòu);機(jī)械鉆速;元壩區(qū)塊

川東北元壩區(qū)塊主要鉆遇中生界和上古生界地層,自上至下依次為蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組、自流井組、須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M,其厚度和埋藏深度變化較大。三疊系須家河組及以上為陸相地層,陸相地層特點(diǎn)是:砂泥巖互層頻繁,軟硬交錯(cuò)變化大;砂巖膠結(jié)致密、硬度大、研磨性強(qiáng);沙溪廟組至千佛崖組易塌,自流井組含炭質(zhì)泥巖、須家河組含煤層和煤線,極易剝蝕掉塊。雷口坡組及其以下為海相地層,海相地層主要巖性是膏巖、灰?guī)r、白云巖,可鉆性較好。所鉆井普遍存在溢流、井漏、垮塌等復(fù)雜和事故、機(jī)械鉆速低,施工周期長。提高鉆井速度成為降低鉆井成本的關(guān)鍵。

1 影響鉆速因素分析

1.1 地質(zhì)因素

(1）在縱向上分布多套壓力層系統(tǒng)。從實(shí)際的鉆井情況來看,縱向壓力分布為常壓-高壓-常壓,沙溪廟組包括千佛崖組及以上地層為常壓,千佛崖組及部分下沙溪廟有氣層;自流井-須家河組有異常高壓,從油氣藏特征分析認(rèn)為是高壓低滲,多為裂縫性氣藏;部分井雷口坡地層可能存在高壓氣層;飛仙關(guān)和長興組同為一個(gè)常壓力系統(tǒng),以溶孔性氣層為主。

(2）復(fù)雜地層多,分布分散。從實(shí)際的鉆井資料來看,元壩區(qū)塊地質(zhì)剖面上能影響鉆井工作的復(fù)雜地層有3套層系:一是上沙溪廟組上部的出水,地層承壓不高,如果鉆井液密度超過1.90 g/cm3時(shí)就易發(fā)生井漏;二是上沙溪廟組底部存在垮塌層,空氣鉆難以實(shí)施;三是自流井-須家河組地層復(fù)雜,其有3個(gè)方面的特點(diǎn):①自流井-須家河組地層為高壓低滲油氣藏,多為裂縫性氣藏,鉆井時(shí)壓力窗口窄,壓井時(shí)易出現(xiàn)噴、漏同存;②自流井-須家河組的砂礫巖層可鉆性極差,易出鉆頭事故;③自流井-須家河組地層為泥巖段不穩(wěn)定,易出現(xiàn)掉塊卡鉆。

1.2 鉆進(jìn)時(shí)的復(fù)雜情況

除元壩1井、元壩1-側(cè)1井、元壩12井外,各井均在千佛崖～須家河組井段鉆遇了高壓層,共發(fā)生溢流6井次。壓井后,安全密度窗口窄小,漏噴共存,施工難度加大,鉆進(jìn)效率降低。壓井后,鉆井液密度高,導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低,增加了鉆井周期。截止2009年底共發(fā)生鉆井復(fù)雜19起,損失時(shí)間177.06天,漏失泥漿3012.67 m3。

元壩地區(qū)故障與復(fù)雜分為以下幾類:(1）空氣鉆過程中出現(xiàn)的卡鉆和斷鉆具事故;(2）出現(xiàn)高壓后壓井、井漏、固井低返等復(fù)雜情況;(3）在自流井、須家河復(fù)雜層中出現(xiàn)劃眼及卡鉆。

1.3 須家河地層可鉆性差

須家河地層石英砂巖,研磨性強(qiáng),易造成鉆頭過早磨損。元壩區(qū)塊須家河組地層埋深較深,段較長,不能利用空氣鉆進(jìn)行鉆進(jìn),大大影響了鉆速。

元壩1井在該層段鉆井液鉆進(jìn)井段平均機(jī)械鉆速不足1.0 m/h,并且單只鉆頭進(jìn)尺少,平均只有69.19 m/只。須家河層段機(jī)械鉆速慢、起下鉆趟數(shù)多,是元壩1井全井鉆井速度慢、鉆井周期長的一個(gè)最重要原因,該井段長只占全井的20%,而純鉆時(shí)間超過了全井純鉆時(shí)間的50%。

1.4 深部地層高溫

由于元壩構(gòu)造以飛仙關(guān)和長興組地層為目的層的井均為超深井,井底溫度高(井底溫度最高已達(dá)到160℃以上）,鉆井液在高溫高壓下,性能不穩(wěn)定,致使鉆井液性能維護(hù)難度大。既要解決抗高溫性,又要調(diào)整好它的流變性,鉆井液抗溫問題是一大難題。

1.5 高密度鉆井液對鉆速影響

元壩1、元壩2、元壩3井為同一個(gè)鉆井公司施工,使用同一種管理模式,同一種鉆井技術(shù),同一種鉆井液體系,可比性較強(qiáng),其對比如表1所示。

表1 元壩1、2、3井陸相地層鉆井液密度對鉆速的影響

從其它井的對比來看,同樣也是鉆井液密度的提高,導(dǎo)致了地層機(jī)械鉆速的降低。

1.6 井身結(jié)構(gòu)的限制

截止到2009年底,元壩區(qū)塊完鉆井9口,正鉆井8口,完成鉆井進(jìn)尺88793156 m。平均機(jī)械鉆速1163 m/h,平均純鉆時(shí)效35.91%,平均生產(chǎn)時(shí)效90%,完鉆井平均井深7159 m,平均建井周期497167天。元壩區(qū)塊主要應(yīng)用的井身結(jié)構(gòu)見表2～5。

井身結(jié)構(gòu)層次有限,不能完全有效封隔影響鉆速的必封點(diǎn),造成不能充分利用空氣鉆和不同壓力系統(tǒng)在同一裸眼內(nèi)打開的問題,影響了機(jī)械鉆速。

2 提高鉆速方案分析

2.1 氣體鉆井提速方案

元壩區(qū)塊要實(shí)現(xiàn)快速鉆井,在“444.5 mm和“311.2 mm井段氣體鉆井非常重要,主要思路是盡可能在“444.5 mm井眼全井段采用氣體鉆井,“311.2 mm井眼盡量延長氣體鉆井井段,采用空氣潛孔錘鉆井技術(shù)提高機(jī)械鉆速,鉆遇地層水后采用霧化(泡沫）鉆井技術(shù),井下條件允許時(shí)“444.5 mm井眼應(yīng)用試驗(yàn)干井條件下“339.7 mm套管的固井技術(shù)。

一開“444.5 mm井段優(yōu)先采用“444.5 mm空氣潛孔錘鉆進(jìn),鉆遇地層水后根據(jù)實(shí)際情況轉(zhuǎn)換為霧化或泡沫鉆井,井下條件不能保證氣體鉆井安全鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)換為低固相鉆井液鉆進(jìn)。

表2 元壩井身結(jié)構(gòu)表(截至目前使用最多的井身結(jié)構(gòu)）

表3 元壩井身結(jié)構(gòu)表(元壩9井、元壩27井）

表4 元壩井身結(jié)構(gòu)表(元壩6井）

表5 元壩井身結(jié)構(gòu)表(元壩22井,特種井眼）

二開“311.2 mm是本井氣體鉆井提速的重點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)資料分析,本開鉆井過程中鉆遇地層為侏羅系沙溪廟組,以棕紫色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖間夾灰紫色粉砂巖及細(xì)砂巖為主,地層不穩(wěn)定性,地層壓力相對較低,承壓能力差,且該組地層發(fā)育有多套含氣層,巖性以砂巖與泥巖互層為主,地層軟硬交錯(cuò),砂巖可鉆性差,泥巖易坍塌。元壩1井、元壩3井均在該段鉆遇復(fù)雜而提前結(jié)束氣體鉆井。針對以上情況,本井段氣體鉆井過程中優(yōu)先采用313系列空氣潛孔錘防斜打快,進(jìn)入沙一底部后采用牙輪鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn),鉆進(jìn)過程中加強(qiáng)對井壁穩(wěn)定性監(jiān)測。若空氣鉆井過程中鉆遇地層水,按照“444.5 mm井眼相同的方法處理,鉆遇氣顯示轉(zhuǎn)換為氮?dú)忏@井,鉆遇地層油或井壁垮塌轉(zhuǎn)換為鉆井液體系鉆井。本開爭取鉆穿上沙溪廟組,在保證安全的前提下盡量延長氣體鉆井井段。

空氣潛孔錘不工作時(shí)改為牙輪鉆頭鐘擺鉆具組合鉆井,霧化鉆井、泡沫鉆井時(shí)采用牙輪鉆頭塔式鉆具組合,考慮到沙一底部可能出現(xiàn)的垮塌,“311.2 mm井眼空氣潛孔錘鉆進(jìn)至2900 m后應(yīng)起鉆換牙輪鉆頭鉆進(jìn)。

2.2 欠平衡鉆井方案

該區(qū)塊侏羅系中統(tǒng)及下統(tǒng)地層發(fā)育有多套含氣層,非本井主要目的層段,巖性以砂巖與泥巖互層為主,地層軟硬交錯(cuò),砂巖可鉆性低,泥巖易坍塌、潛在地層應(yīng)力變化、地層不穩(wěn)定等復(fù)雜情況。

在沙溪廟～自流井組井段出水量過大、地層坍塌壓力較大或出現(xiàn)氣層且產(chǎn)量較大,不能滿足實(shí)施氣體鉆井條件時(shí),改為泥漿欠平衡鉆井,以實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)目的。如欠平衡鉆井出現(xiàn)井下垮塌立即終止欠平衡鉆井,改為平衡地層坍塌壓力鉆進(jìn)。

須家河組以灰～灰白色塊狀細(xì)～粗粒巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、長石巖屑石英砂巖(局部含礫砂巖）為主,夾薄～厚層灰黑、黑灰色泥頁巖,該地層井壁穩(wěn)定,不含硫化氫,滿足欠平衡鉆井的條件。

在須家河組井段泥漿欠平衡鉆井,以實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)目的,每次在起下鉆時(shí)根據(jù)實(shí)際情況提高鉆井液密度,待地層壓穩(wěn)后進(jìn)行常規(guī)起下鉆作業(yè)。須家河層鉆完后,恢復(fù)平衡鉆進(jìn)。

2.3 鉆頭優(yōu)選及鉆井參數(shù)優(yōu)化方案

在中石油龍崗構(gòu)造的鉆井過程中,開展了大量新型鉆頭(包括牙輪鉆頭、PDC鉆頭）以及空氣潛孔錘的試驗(yàn)及優(yōu)選研究,并取得較好成果。元壩構(gòu)造與龍崗相鄰,地層可鉆性基本相同。

氣體鉆進(jìn)井段,盡可能選用空氣潛孔錘。

鉆井液鉆進(jìn)井段,中石油在沙溪廟組～自流井組層段在龍崗構(gòu)造進(jìn)行了大量PDC鉆頭的應(yīng)用試驗(yàn),以貝克休斯的PDC鉆頭HCM505ZX效果最好(見圖1）,目前該鉆頭應(yīng)用已基本成熟,因此本井在該層段以貝克休斯的PDC鉆頭HCM505ZX為主;須家河組以寬齒牙輪鉆頭為主;雷口坡～長興組地層以灰?guī)r為主,可鉆性好,適宜于PDC鉆頭,所以該層段以選用PDC鉆頭為主。

圖1 龍崗構(gòu)造侏羅系地層PDC鉆頭應(yīng)用試驗(yàn)對比圖

在4800～6000 m的海相地層,為提高機(jī)械鉆速,設(shè)計(jì)采用PDC鉆頭+耐高溫螺桿鉆具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn),復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速控制在30 r/min左右。該技術(shù)在龍崗構(gòu)造也取得了非常明顯的效果(見表6）。

表6 龍崗復(fù)合鉆進(jìn)表

2.4 采用進(jìn)口動(dòng)力鉆具鉆須家河地層

采用進(jìn)口動(dòng)力鉆具(例如進(jìn)口渦輪鉆具）鉆須家河地層,提高須家河地層的鉆速,從而達(dá)到提速的目的。

2.5 推廣特種井眼尺寸井身結(jié)構(gòu)[1～3]

這套井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:(1）對上沙溪廟上部與下部的復(fù)雜層均進(jìn)行了封隔;(2）進(jìn)海相鉆完雷口坡組的可能氣層后,對上部的高壓氣層和不穩(wěn)地層進(jìn)行了封隔,為下部安全鉆井和提高鉆速提供了保障;(3）下部海相地層為同一低壓力體系,可采取各種提速措施;(4）預(yù)留了一層套管層次;(5）開次少了一次,有利于提高鉆井時(shí)效;(6）在再次優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)上有優(yōu)勢;(7）在三開及以后的開次中,上部均可使用“139.7 mm鉆桿,解決了目前元壩地區(qū)有的井鉆具負(fù)荷不夠和水馬力消耗大的問題;(8）合理的鉆頭尺寸的井段加長,有利于提高機(jī)械鉆速; (9）能更好地滿足測試和勘探開發(fā)一體化的要求。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1）井身結(jié)構(gòu)層次有限,不能完全有效封隔影響鉆速的必封點(diǎn),造成不能充分利用氣體鉆井和不同壓力系統(tǒng)在同一裸眼內(nèi)打開的問題,影響了機(jī)械鉆速的提高。

(2）須家河組地層可鉆性差,埋深較深,井段較長,不能利用空氣鉆進(jìn)行鉆進(jìn),大大影響了鉆速。

(3）采用特種井眼尺寸的井身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)專打?qū)７?一層套管實(shí)現(xiàn)一個(gè)主要的鉆井目的是實(shí)現(xiàn)元壩地區(qū)優(yōu)快鉆井的一個(gè)重要手段。在須家河地層采用進(jìn)口動(dòng)力鉆具(例如進(jìn)口渦輪鉆具）和高效鉆頭是提高機(jī)械鉆速的另一重要手段。

(4）推薦的井身結(jié)構(gòu)方案,對解決元壩區(qū)塊復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的深井超深井鉆井問題起著一定的指導(dǎo)作用,但沒有一種唯一的、完美無缺的套管程序。對于每一口井來說,每一種套管程序都是暫定的,靈活的,需要根據(jù)實(shí)際鉆井條件不斷進(jìn)行改進(jìn)。

[1] 管志川,鄒德永.深井、超深井套管與鉆頭系列分析研[J].石油鉆探技術(shù),2000,28(1）.

[2] 編寫組.鉆井手冊(甲方）[M].北京:石油工業(yè)出版社,1990.

[3] 胡超.開江區(qū)塊深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].鉆采工藝.1999, 22(2）.

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[5] 唐志軍.井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].西部探礦工程,2005,6: 78-80.

D iscussion on Drilling Technology for I ncreasing ROP in Yuanba Block

ZHOU Yan-jun1,2,CHEN M ing2,YU Cheng-peng2(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Dongying Shandong 257061,China;2.Shen-gliDrilling Technology Research Institute,Dongying Shandong 257017,China）

Based on the summery of previous drilling experience,analysiswasmade on the factorswhich influence ROP in deep well drilling in Yuanba Block from the aspects of geologic factors,complex drilling conditions,rock drillability,for-mation temperature,mud density and casing program.There are -main affecting factors:one is the limit ofwellbore con-figuration stratification,which can not effectively seal the formationswith different pressure system;another is that the gas drilling can not be used because of bad for mation drillabilitywith a deep and long drilling section.Gas drilling,bit selec-tion and dynamic drilling tool coordinatingwith high efficiency bit scheme are presented for Xujiahe formation drilling and casing program with particularwell size are introduced to give technical support for deep well drilling in Yuanba Block.

deep well drilling;casing program;penetration rate;Yuanba block

TE242

:A

:1672-7428(2010）05-0001-04

2010-03-05

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào):2008ZX05017-002）

周延軍(1969-）,男(漢族）,山東濟(jì)陽人,中國石油大學(xué)在讀博士、高級(jí)工程師,鉆井工程專業(yè),主要從事鉆井工程設(shè)計(jì)及研究工作,山東省東營市北一路827號(hào)勝利石油管理局鉆井工藝研究院,yanjunzh@slof.com。