許利輝 胡書寶 蔡軍 王秀影 張彬 吳澤舟 王金帥

1.中國石化集團國際石油工程有限公司 ；2.華北油田公司工程技術研究院；3.華北油田公司勘探事業(yè)部；4.渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院

楊武寨構造帶中深層主力儲層沙河街油藏是華北油田重點產能建設地區(qū)，油藏埋藏深度2 000～3 700 m，受多期斷層控制，油層呈“牙刷狀”分布特征。油藏單層含油厚度薄、油層多、層位跨度大、油藏沿斷層斷棱在高部位聚集，因此直井鉆探儲層鉆遇率低，早期少數探井在斷棱附近鉆遇油層，多數井見不同程度油氣顯示，但未能成藏。油藏含油條帶窄，寬度僅100～200 m，水平井鉆井也不利于該類牙刷富集油藏的勘探和開發(fā)。為提高儲層鉆遇率，采用多靶點沿斷層傾向大斜度定向井鉆探［1］。前期鉆井過程中出現了卡鉆、機械速度慢、鉆井周期長等問題，嚴重制約了該地區(qū)勘探開發(fā)進程，通過分析鉆井技術難點，開展了牙刷狀油藏鉆井技術研究，形成了適合該地區(qū)的長位移大斜度井鉆井配套技術。

1 儲層地質特征

3次資評結果，楊武寨地區(qū)剩余資源量約1.1×108t，仍具有較大的資源潛力。油氣沿斷層在斷塊上傾端富集，在剖面上沿斷層呈“牙刷”狀分布，平面上沿斷棱呈長條狀分布（見圖1）。

圖1 楊武寨構造帶油藏剖面圖Fig.1 Section of oil reservoir in Yangwuzhai structural zone

油藏縱向上存在多套含油層系，Es1～Es3為主要目的層。其中Es2下段儲層巖性為紫紅色、灰色泥巖與淺灰色細砂巖不等厚互層，Es3為灰褐色泥巖、灰色泥巖與淺灰色細砂巖不等厚互層夾黑色碳質泥巖、煤層。Es2孔隙度平均14.6%，滲透率平均6.7 mD；Es3上孔隙度平均9.6%，滲透率平均5.1 mD，為低孔低滲透儲層。

2 鉆井技術難點

（1）大斜度定向井段長。楊武寨構造帶定向井最大井斜介于50～60°，水平位移1 500～2 000 m，位移大造成摩阻扭矩大，普遍存在托壓嚴重［2］、工具面難以控制、定向困難等問題。

（2）機械鉆速慢。東營組以下地層為紫紅色泥巖與淺灰色細砂巖呈不等厚互層，研磨性相對較強，地層可鉆性級值4～6，單只鉆頭進尺少，機械鉆速慢，已鉆定向井平均井深3 634 m，平均機械鉆速僅10.91 m/h，鉆井周期27.25 d。

（3）對鉆井液防塌性能要求高。地區(qū)鉆井均為二開井，二開裸眼段長（3 500～4 000 m），鉆井液浸泡時間長，第三系地層黏土含量高（平均16.9%，最高46.1%），易水化膨脹，縮徑嚴重［3］，實鉆過程中井下頻發(fā)阻卡等復雜情況。

（4）儲層易受傷害。油藏儲層屬低滲透砂巖儲層，具有孔喉半徑小、泥質含量高［4］等特點，鉆井過程中極易受到傷害，應采取保護措施以減輕鉆井液對儲層的傷害。

3 優(yōu)快鉆井技術

結合地層特點，在滿足工具造斜能力的條件下，從利于降低摩阻扭矩出發(fā)，優(yōu)選軌道剖面；優(yōu)選高效PDC鉆頭和水力振蕩器提高機械鉆速；優(yōu)化鉆井液性能，提高體系的抑制性，防磨減扭，強化膠結固壁能力，強化成膜效應，保護儲層。

3.1 優(yōu)選軌道剖面

由于油層主要受斷層控制，在斷層與上傾砂巖組成的墻角分布，形成油水界面各異的沿斷棱呈窄條牙刷狀分布的層狀油藏，且含油層系多、層段跨度大，一般近1 000 m，為確保儲層鉆遇率，需要順斷層鉆進［5］。通過模擬，在靶前距相同的情況下，雙增剖面起鉆摩阻較單增剖面大（見圖2），因此，從控制摩阻扭矩和確保儲層鉆遇率等方面綜合考慮，優(yōu)選單增剖面，油層段穩(wěn)斜鉆進。

圖2 雙增剖面與單增剖面起鉆摩阻對比Fig.2 Comparison of tripping out friction between double-build section and single-build section

3.2 優(yōu)選提速工具

3.2.1 優(yōu)選高效PDC鉆頭 楊武寨構造帶鉆遇地層自上而下依次為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙河街組。采用測井參數反演獲得沙河街組巖石力學參數，地層為中軟～中等硬度，抗剪切強度6～8 MPa，抗壓強度60～190 MPa，內摩擦角32～44°，可鉆性級值6±0.5，適合用五刀翼胎體、短圓形冠部、中密度布齒、短保徑長度可進行井下馬達定向鉆進的鉆頭［6］，根據地層特點及以往的鉆井數據，優(yōu)選了TH1954D鉆頭。

3.2.2 選用水力振蕩器 前期楊武寨牙刷狀油藏定向鉆進時均采用PDC鉆頭加彎螺桿的井底鉆具組合，由于井斜角大、裸眼段長，鉆柱與井壁間摩阻大，滑動鉆進過程托壓嚴重，托壓值達到200～350 kN，且工具面不穩(wěn)定，定向期間需要頻繁活動鉆具，嚴重影響機械鉆速，前期平均滑動機械鉆速僅0.8 m/h。

為解決定向鉆進困難，提高鉆井效率，通過對不同提速工具緩解托壓性能對比，對部分 ?215.9 mm井眼造斜井段使用水力振蕩器，水力振蕩器通過自身產生的縱向振動來提高鉆井過程中鉆壓傳遞的有效性和減少底部鉆具與井眼之間的摩阻，緩解滑動鉆進中托壓，提高機械鉆速［7］。水力振蕩器安放位置與工具本身的性能參數、井眼軌跡、鉆具組合、鉆井參數、鉆井液性能等參數密切相關［8-9］，一般應使工具距鉆頭的距離盡量不大于工具產生的軸向激勵振動在管柱中的傳播距離的一半［10］。

3.3 鉆井液性能優(yōu)化

（1）提高體系的抑制性。針對第三系地層泥巖黏土礦物含量高、極易水化膨脹、造成井眼縮徑等復雜情況，選擇包被劑陰離子聚丙烯酰胺CFB抑制地層造漿［11］；加入抗高溫降濾失劑合成脂LK-2、水解聚丙烯腈復合銨鹽NH4-NPAN-2降濾失［12］，使鉆井液體系具有強抑制性、低濾失量，同時將密度控制在1.15～1.26 kg/L，隨著井深的增加逐漸提高。

（2）復合潤滑。強化液體潤滑劑與固體潤滑劑的共同作用，分別為液體潤滑劑乳化石蠟0.4%～1.0%、防卡潤滑劑改性油0.4%～1.0%、乳化渣油2%～3%，以及固體潤滑劑石墨類0.4%～1.0%、塑料小球0.1%～0.3%，保證濾餅摩擦因數小于0.08［13］，以達到防磨減扭的效果，確保鉆井施工安全。

（3）完善濾餅改善劑。濾餅改善劑以改性油溶性樹脂YDJ為主要材料，與封堵劑PD1、成膜劑YD1搭配使用，改善鉆井液流型，降低濾失（見表1），同時能增強表面吸附，強化成膜效應［14］，強化鉆井液膠結固壁能力［15］，確保井壁穩(wěn)定（見表2）。

實驗結果表明：添加濾餅改善劑后，鉆井液API失水降低，循環(huán)后形成致密的濾餅；動態(tài)損害后，巖心滲透率返排恢復率為88.26%～95.48%，平均91.70%，說明鉆井液具有較好的降低失水及穩(wěn)定井壁作用，同時還可保護油層。

表1 添加濾餅改善劑YDJ前后鉆井液流變性能對比Table 1 Comparison of rheological property of drilling fluid before and after the adding of mud cake improver

表2 添加泥餅改善劑YDJ后鉆井液動態(tài)損害評價實驗結果Table 2 Experimental result of dynamic damage evaluation on drilling fluid after the adding of mud cake improver

4 現場應用

2017—2018年一季度楊武寨構造帶q162x西圈閉共鉆探定向井4口，平均井深4 007.5 m，通過實施優(yōu)快鉆井技術，鉆井過程中實現了無托壓、定向連續(xù)、無卡鉆等復雜事故，平均鉆井周期由前期27 d縮短至17.94 d，機械鉆速平均提高50.5%。

以q163x井為例，該井采用二開井身結構，設計井深4 348.8 m，最大井斜角50.49°，最大水平位移2 046 m，最大托壓350 kN 。采用單增剖面設計，造斜率3（°）/30 m，造斜點為1 461.23 m，造斜終點為1966.13 m，穩(wěn)斜至4 348.8 m（見表3）。

東營組—沙河街組選用廊坊鼎鑫TH1954DPDC鉆頭，應用水力振蕩器安放位置計算程序［8］，水力振蕩器安放在距鉆頭323.74 m處，鉆具組合為：?215.9 mm TH1954D+?172 mm DN×1.25°+浮閥+?165 mm NDC+MWD+?165 mm NDC+轉換接頭+?127 mm WDP+?127 mm DP+?172 mm 水力振蕩器+ ?127 mm DP，應用井段3 044～4 348.8 m。應用水力振蕩器之前，2 940～3 040 m滑動鉆進托壓值為 250～350 kN，鉆具托壓頻繁釋放，導致工具面不穩(wěn)定，由大鉤載荷變化（圖3）可以看出，3 031～3 035 m段定向中，活動鉆具高達16次；應用水力振蕩器之后，未出現托壓及工具面不穩(wěn)定現象，由大鉤載荷變化（圖4）可以看出，3 440～3 444 m段定向4 m，僅活動鉆具2次，實現了連續(xù)定向。

表3 q163x定向井剖面設計表Table 3 Section design parameters of directional well q163x

圖3 使用水力振蕩器之前定向段鉤載變化（3 031～3 035 m井段）Fig.3 Change of hook load in the directional hole section before the application of hydro-oscillator(3 031-3 035 m)

圖4 使用水力振蕩器之后定向段鉤載變化（3 440～3 444 m井段）Fig.4 Change of hook load in the directional hole section after the application of hydro-oscillator (3 440-3 444 m)

通過組合使用高效PDC鉆頭+水力振蕩器提速，滑動鉆進機械鉆速由未使用水力振蕩器前的1.2 m/h提高到 1.68 m/h，造斜段平均機械鉆速較鄰井提高32.5%，定向效率提高2.43倍。

二開鉆進時配伍使用水解聚丙烯腈復合銨鹽NH4-NPAN-2與包被劑陰離子聚丙烯酰胺CFB，根據地層不同，配制不同配比的溶液進行維護：上部地層質量分數1%～5%銨鹽溶液與CFB配比為（1～3）∶1，中深地層質量分數1%～5%銨鹽溶液與CFB配比為（3～5）∶1，深井段地層質量分數1%～5%銨鹽溶液與CFB配比（5～8）∶1。加入濾餅改善劑、降濾失劑、液體潤滑劑乳化石蠟、固體潤滑劑石墨類，改善濾餅質量，降低失水，防磨減扭，穩(wěn)定井壁。

通過綜合應用以上技術，q163x實鉆井深4 360 m，鉆井周期僅19.07 d，整個鉆井過程順利，未出現卡鉆等復雜情況，而且表皮因數測試結果為-2.89，表明儲層保護效果較好。

5 結論與建議

（1）通過優(yōu)選軌道剖面、優(yōu)選高效PDC鉆頭、使用水力振蕩器，形成了軌道優(yōu)化與提速工具相結合的中深層大位移井集成提速技術，解決了楊武寨“牙刷狀”油藏機械鉆速低的難題。

（2）通過提高鉆井液體系的抑制性、應用復合潤滑技術、完善濾餅改善劑，有效實現了第三系長裸眼地層的安全鉆井，避免了低滲儲層傷害。

（3）低滲透“牙刷狀”油藏優(yōu)快鉆井技術研究成果，對于加快楊武寨構造帶以及類似油氣田的勘探開發(fā)具有重要的指導意義。