胡益濤 姜 波

(中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司湛江分公司)

0 引 言

海洋油氣勘探開發(fā)具有高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的顯著特征，鉆井機(jī)械鉆速的快慢直接影響勘探開發(fā)的安全和效益，但影響鉆井機(jī)械鉆速的因素很多，如何有效地識(shí)別和分析這些影響因素，并提出相應(yīng)的改善方案是決定工程成本控制的關(guān)鍵手段。

隨著南海西部樂東區(qū)塊油氣勘探開發(fā)的深入,以高溫高壓地層為勘探目標(biāo)所部署的勘探井、評(píng)價(jià)井及開發(fā)井的數(shù)量日益增多。鉆探實(shí)踐表明,處于鶯歌海盆地底辟帶的樂東區(qū)塊鉆遇地層溫度超過200℃，實(shí)測地層壓力系數(shù)最高達(dá)2.32。與常規(guī)勘探開發(fā)井相比，高溫高壓井的井身結(jié)構(gòu)具有開鉆次數(shù)多、關(guān)鍵井段裸眼段長等特點(diǎn)。目前樂東區(qū)塊關(guān)鍵井段因受鉆井工具、地層壓力和裝備等諸多因素影響,鉆井效率低，事故頻發(fā)。實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，樂東區(qū)塊普遍存在機(jī)械鉆速偏低(鉆速小于10 m/h)的情況，近年鉆探的8口井中有4口鉆井過程中低鉆速占比超過40%，其中LD 13井和LD 8井低鉆速占比超過90%，嚴(yán)重影響了高溫高壓油氣田的勘探開發(fā)效率。為此，充分發(fā)揮錄井作為鉆井過程中“眼睛”的作用，在隨鉆過程中，通過對(duì)鉆頭機(jī)械比能(MSE)、巖性、井筒壓差以及氣測等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從鉆頭、地層及壓差3方面影響因素著手，快速準(zhǔn)確地識(shí)別鉆井效率低的原因，從而為甲方下步提高鉆速提供作業(yè)依據(jù)。

1 鉆頭因素影響

鉆頭作為鉆井工藝中極其重要的組成部分，發(fā)揮著鉆井“拳頭”的作用，其破巖能力的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)鉆井效率的高低，由于鉆頭在入井后隨著井眼環(huán)境的變化，會(huì)出現(xiàn)諸多無法提前預(yù)料的情況，當(dāng)鉆井效率低時(shí)，只能通過機(jī)械參數(shù)的變化進(jìn)行分析和判斷，識(shí)別是否由于鉆頭因素引起鉆速降低。通常，鉆頭磨損或者鉆頭泥包是造成低鉆速的主要原因。隨鉆過程中一般借助于鉆頭機(jī)械比能(MSE)曲線的變化特征來識(shí)別鉆頭影響因素。

鉆頭機(jī)械比能(MSE)即鉆頭在巖石中鉆進(jìn)的比能，為單位時(shí)間內(nèi)鉆壓和扭矩破碎單位體積巖石所需的機(jī)械能[1]。應(yīng)用該參數(shù)可以通過鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)定量分析鉆頭工況，并可實(shí)現(xiàn)通過分析機(jī)械比能趨勢線定性分析鉆頭磨損趨勢。中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司通過Thema工作站實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場鉆井參數(shù)，得到MSE曲線實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井效率，判斷鉆頭磨損情況，及時(shí)提供合理依據(jù)，縮短作業(yè)者決策時(shí)間，大幅降低了由于誤判引起的工程誤工時(shí)間。

1.1 鉆頭磨損造成機(jī)械鉆速降低

隨著PDC鉆頭在油井鉆探中的大量使用，對(duì)PDC鉆頭破巖能力的分析研究越來越多, 但大多是基于無磨損的完好狀態(tài)的力學(xué)分析。實(shí)際上，鉆頭在鉆進(jìn)過程中磨損程度不斷增加，磨損后的齒受力情況與未磨損時(shí)的差別很大，而當(dāng)鉆頭上人造聚晶金剛石薄層出現(xiàn)脫落或者滑移時(shí)，對(duì)鉆井效率將會(huì)產(chǎn)生極大的不良影響[2]。

樂東區(qū)塊采用311.15 mm鉆頭井段主要鉆遇鶯歌海組和黃流組地層，巖性以泥巖為主，夾薄層砂巖，且普遍含灰質(zhì)，易造成鉆頭磨損。鉆頭磨損造成的鉆井效率降低主要表現(xiàn)為，MSE隨井深增加，存在異常遞增趨勢，鉆頭作用在地層的破碎力分散，機(jī)械鉆速隨深度增加逐漸降低。

樂東區(qū)塊LD 13井部署于英東斜坡帶上，采用311.15 mm鉆頭鉆遇黃流組一段地層，鉆至3 200 m后鉆速逐漸變慢，MSE有規(guī)律地快速升高，而且變化趨勢明顯，具有明顯的鉆頭磨損特征，隨鉆過程中判斷為鉆頭磨損引起鉆速降低，遂向作業(yè)者建議起鉆換鉆頭，起鉆后發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損嚴(yán)重(圖1)，更換鉆頭后鉆速恢復(fù)正常。

圖1 LD 13井MSE曲線隨鉆識(shí)別鉆頭磨損示意

1.2 鉆頭泥包導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低

PDC鉆頭能有效提高機(jī)械鉆速、降低鉆井成本，對(duì)鉆井工藝的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。然而，由于泥頁巖黏土礦物含量較高(30%～50%)，當(dāng)使用水基鉆井液時(shí)黏土礦物容易與水發(fā)生反應(yīng)而膨脹，膨脹的黏土具有黏性，易于黏附于切削齒和鉆頭本體上造成鉆頭泥包；由于PDC鉆頭為整體式鉆頭，整個(gè)鉆頭沒有活動(dòng)零部件，其與牙輪鉆頭相比更容易發(fā)生泥包。鉆頭泥包將造成鉆井效率降低，鉆頭力量無法作用于地層起到破巖作用，機(jī)械鉆速急劇降低[3]。

在隨鉆過程中通常通過觀察機(jī)械比能(MSE)的變化，并結(jié)合鉆壓、扭矩等鉆井參數(shù)及泥巖的特性來綜合判斷鉆頭是否處于泥包狀態(tài)。在正常鉆進(jìn)無泥包時(shí)，MSE隨井深增加整體趨勢正常，鉆頭能量點(diǎn)相對(duì)集中，鉆井參數(shù)和地層巖性無明顯變化，但發(fā)生泥包后鉆井扭矩明顯減小，機(jī)械鉆速突然降低，巖性為可塑性泥巖，此時(shí)井眼泵入低密度鉆井液后鉆速提升效果明顯。

樂東區(qū)塊鶯歌海組地層普遍發(fā)育厚層塑性泥巖，極易造成鉆頭泥包。區(qū)內(nèi)LD 6井鉆至3 165 m后，鉆井參數(shù)和地層巖性均無明顯變化，但機(jī)械鉆速明顯下降，MSE曲線突然升高并維持高值不降。從鉆頭能量分析來看，鉆頭仍具備一定的鉆進(jìn)能力，磨損特征并不明顯(圖2)。

本井段所鉆大套泥巖的巖屑特征為：粘手、可塑、性軟-中硬、微含灰質(zhì)，易造成鉆頭泥包。綜合判斷鉆頭存在泥包可能，多次泵入海水，情況稍改善，但鉆井效率仍較低，最終起鉆檢查發(fā)現(xiàn)鉆頭泥包嚴(yán)重，且并無明顯磨損。

圖2 LD 6井MSE曲線和巖屑特征綜合隨鉆識(shí)別鉆頭磨損示意

2 地層因素影響

2.1 地層埋深增加造成機(jī)械鉆速降低

在鉆探過程中，隨著鉆井井深逐漸增加，所鉆巖層的硬度也會(huì)逐漸變大，使得鉆井速度有所降低，無論選擇多么高強(qiáng)度的鉆頭，鉆井速度也都會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降；此外，地層溫度和壓力的增加也會(huì)造成機(jī)械鉆速降低，高溫高壓對(duì)鉆井液性能影響較大，也致使鉆頭保徑齒和切削齒脫落、井下工具密封失效和鎢鋼柱脫落，造成井下復(fù)雜情況增加和固井難度增大[4]。此類因素造成的鉆井效率降低是地層可鉆性的真實(shí)表現(xiàn)，實(shí)鉆中主要表現(xiàn)為MSE曲線出現(xiàn)小幅度逐漸增大趨勢，但鉆頭能量點(diǎn)集中，仍處于同一趨勢上，MSE的變化趨勢與地層壓力的變化存在相關(guān)性。

樂東區(qū)塊目前鉆進(jìn)的8口探井完鉆深度大都在4 000 m左右，普遍發(fā)育異常高壓地層，一般從1 500～1 800 m進(jìn)入壓力過渡帶，實(shí)鉆中鉆頭機(jī)械比能MSE變化趨勢與地層壓力變化趨勢對(duì)應(yīng)關(guān)系良好，目前已成為識(shí)別地層進(jìn)入壓力過渡帶的重要識(shí)別手段之一。

如圖3所示，LD 1井和LD 5井MSE變化趨勢對(duì)應(yīng)的深度和地層進(jìn)入異常高壓井段基本一致。

圖3 MSE與地層壓力隨井深變化對(duì)比

2.2 地層巖性復(fù)雜造成機(jī)械鉆速降低

由于沉積環(huán)境的改變，不同時(shí)期沉積的地層必然會(huì)出現(xiàn)明顯差異化，南海西部鶯歌海盆地地層從上到下由第四系更新統(tǒng)樂東組的淺海相到上第三系中新統(tǒng)三亞組的海陸過渡帶共存在六套沉積體系，樂東區(qū)塊位于鶯歌海盆地中央坳陷鶯歌海凹陷中央底辟帶，主要開發(fā)的是以濱淺海相為主的黃流組峽谷水道，其成因機(jī)制較為復(fù)雜，主要認(rèn)為與當(dāng)時(shí)構(gòu)造背景、海平面升降、快速沉積物供給、科氏力影響甚至氣候環(huán)境有關(guān)，因此其物源相對(duì)復(fù)雜，實(shí)鉆中常鉆遇分選較差，粒度較粗且含灰質(zhì)重的砂體，這類復(fù)雜的巖性特征會(huì)對(duì)鉆頭造成嚴(yán)重磨損，易造成鉆井效率的低下[5]。

如樂東區(qū)塊LD 5井311.15 mm鉆頭井段，錄井過程中“鉆井效率軟件”監(jiān)測到3 788 m后MSE曲線明顯發(fā)生突變，且持續(xù)維持高值不降。X射線衍射礦物含量分析結(jié)果顯示，從3 788 m后地層中石英和碳酸巖含量增大，而泥質(zhì)含量明顯降低，表明地層以砂巖為主，粒度較粗，灰質(zhì)膠結(jié)，且灰質(zhì)較重，易造成鉆頭磨損。

從當(dāng)前MSE的變化趨勢分析，認(rèn)為鉆頭已有一定程度的磨損，造成鉆井效率降低，據(jù)此建議起鉆更換鉆頭，并于井深3 806 m處起鉆，證實(shí)鉆頭磨損較為嚴(yán)重(圖4)。

圖4 LD 5井311.15 mm鉆頭井段鉆遇灰質(zhì)砂巖造成鉆井效率降低

3 壓差因素影響

在油氣鉆探過程中，由于鉆井液密度偏高或地層壓力偏低，以及循環(huán)鉆井液所產(chǎn)生的附加壓力和由巖屑引起的循環(huán)當(dāng)量密度增加，使井底承受較大的附加壓力，即產(chǎn)生井底壓持效應(yīng)。大量的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐都已證明，過平衡鉆井不但會(huì)造成鉆井效率降低，還會(huì)存在油氣發(fā)現(xiàn)遲鈍和儲(chǔ)集層污染等風(fēng)險(xiǎn)，故應(yīng)盡量避免。采取欠平衡鉆井技術(shù)、控壓鉆井技術(shù)等鉆井方式能很好降低井底的壓持效應(yīng)，提高鉆井效率，保護(hù)儲(chǔ)集層[6]。

中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司通過PreVue隨鉆壓力監(jiān)測技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測地層壓力的變化，為作業(yè)者提供準(zhǔn)確的地層壓力信息，指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行鉆井液密度的調(diào)整，實(shí)施平衡鉆井技術(shù)，識(shí)別并解決由于壓差因素帶來的鉆井效率低的風(fēng)險(xiǎn)。如樂東區(qū)塊LD 12井從3 465～3 910 m鉆遇黃流組一段富砂地層，由于砂體泄壓，隨鉆過程中，PreVue工程師監(jiān)測到地層壓力系數(shù)從最初的1.82下降至最低的1.50，并報(bào)告給作業(yè)者，但由于缺乏足夠證據(jù)支撐，作業(yè)者未采納，仍堅(jiān)持以1.72～1.82 g/cm3的鉆井液密度繼續(xù)鉆進(jìn)，實(shí)鉆中可見，3 465 m開始鉆井速度逐漸降低，由25～35 m/h降低至7～10 m/h。鉆后電纜MDT地層測壓表明砂體內(nèi)部壓力存在泄壓特征，最低壓力系數(shù)僅為1.47，遠(yuǎn)低于鉆井液密度，屬于過平衡鉆井，直接造成鉆井效率低，并導(dǎo)致高密度鉆井液侵入污染儲(chǔ)集層(圖5)。

圖5 LD 12井鉆速隨深度變化

4 結(jié) 論

樂東區(qū)塊中深層311.15 mm鉆頭井段普遍存在機(jī)械鉆速偏低的情況，經(jīng)分析，低鉆速影響因素各異，主要為鉆頭因素、地層因素及壓差因素3方面影響，應(yīng)區(qū)別對(duì)待，找出差異化影響因素并實(shí)現(xiàn)隨鉆快速識(shí)別。

(1)鉆頭作為鉆井工藝中最為重要的組成部分，起著鉆井“拳頭”的作用，其破巖能力的好壞將直接影響整個(gè)鉆井效率的高低，通常鉆頭磨損或者鉆頭泥包是造成低鉆速的主要原因。隨鉆過程中一般借助于鉆頭機(jī)械比能MSE曲線的變化特征來識(shí)別鉆頭影響因素。

(2)地層本身特性是造成機(jī)械鉆速差異化的重要因素之一。隨著鉆井井深、溫度、壓力的逐漸增加，所鉆巖層的硬度會(huì)逐漸變大，使得鉆井速度有所降低，在樂東區(qū)塊實(shí)鉆中主要表現(xiàn)為，MSE曲線出現(xiàn)小幅度趨勢變化，但鉆頭能量點(diǎn)集中，仍處于同一趨勢上，MSE的趨勢變化與地層壓力的變化存在相關(guān)性；此外，地層內(nèi)復(fù)雜巖性也會(huì)加快鉆頭的磨損從而對(duì)機(jī)械鉆速產(chǎn)生影響，實(shí)鉆中一般通過結(jié)合MSE變化特征和X衍射資料識(shí)別該影響因素。

(3)壓差也是一個(gè)影響鉆井效率的重要因素。過平衡鉆井易引起鉆頭的壓持效應(yīng)，大量的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，過平衡鉆井不但會(huì)造成鉆井效率降低，還會(huì)存在油氣發(fā)現(xiàn)遲鈍和儲(chǔ)集層污染等風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)鉆過程中一般通過結(jié)合隨鉆壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣測特征判斷井眼的平衡狀況，實(shí)時(shí)計(jì)算出井底壓差，建議采用合適的鉆井液密度進(jìn)行平衡鉆井。