华北油田杨税务潜山优快钻井技术研究

时间：2024-07-28

范永涛，孟振期，邓凤义，钱锋，崔树清，李萍

（1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院，北京 102206；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，天津 300457；3.中国石油集团长城钻探工程有限公司，北京 100101；4.中国石油国际勘探开发有限公司，北京 100034；5.中国石油天然气集团华北油田分公司，河北任丘 062550）

华北油田杨税务潜山岩性复杂，沙三下、沙四—孔店组含杂色砾岩、玄武岩，可钻性差，机械钻速低、单只钻头进尺少，3500m以下井段平均机械钻速在1m/h以下[1-3]；沙四段地层含膏泥岩，垮塌漏失并存；孔店组地层含杂色砾岩，岩石强度低，易吸水膨胀和掉块造成事故复杂；石炭—二叠系地层含煤层易漏失；潜山地层缝洞发育易导致井漏等事故复杂[4]。前期钻井杨税务潜山沙四、石炭—二叠及奥陶系地层均发生了漏失，其中WG 2 井发生四次漏失，漏失量高达820 余方，严重影响了钻井安全，降低了钻井效率。

因此，本文从井身结构[5]、个性化钻头[6-8]、提速工具[9-10]、防漏堵漏[4]技术方面出发，开展了优快钻井技术攻关与现场试验，以期解决杨税务潜山目前存在的钻井难点，加快勘探开发进程。

1 地质特点及钻井难点

1.1 地质特点

杨税务潜山位于廊固凹陷河西务构造带，钻遇地层自上而下：平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组、孔店组、石炭—二叠系、奥陶系。其主要特征为：①岩性复杂。明化镇组含杂色砂砾岩、含砾砂岩，馆陶组含杂色砾岩，东营组含泥岩、砂岩，沙一、沙二段主要为泥岩、砂岩，沙三段上部有含砾砂岩、中部见玄武岩，沙四段含玄武岩、杂色砾岩、含膏泥岩，孔店组含杂色砾岩偶夹泥岩，石炭—二叠系含煤层，奥陶系含灰岩、白云岩，并且不同地层之间含有多种过渡性岩石；②井深、井底温度高。前期杨税务潜山有探井WG 1 井、WG 2 井和WG 4 井，地温梯度大于3℃/100m，井深均超过5000m，井底温度大于170℃；③沙二、沙三段地层压实程度高，物性差，地层渗透率约0.02mD，孔隙度约4%；④奥陶系地层裂缝发育。

1.2 钻井难点

（1）明化镇组、东营组地层成岩性差、胶结疏松，井眼尺寸大，携砂困难易造成钻头泥包和缩径卡钻。

（2）沙二段地层存在异常高压，馆陶组地层含杂色砾岩易发生漏失。

（3）沙三段含玄武岩，沙四段+孔店—石炭二叠地层孔隙压力、坍塌压力较高（沙四段地层孔隙压力系数预测最高1.29），含灰色含砾砂岩、玄武岩及黑色煤层、含膏泥岩等复杂岩性，厚度不均，硬度大、研磨性强，机械钻速慢，易发生漏失、掉块、垮塌、易卡等。

（4）奥陶系地层裂缝发育，易导致井漏等事故复杂；井底温度高，对定向仪器及钻井液抗温性能要求高。

2 优快钻井技术

2.1 井身结构优化

杨税务潜山井WG 1 井1986 年6 月8 日开钻；WG 2井1999年9月9日开钻；WG 4井2010年12月15日开钻。三口井均采用四开井身结构，一开∅444.5mm钻头，钻深400～1205m；二开∅311.2mm 钻头钻至沙四顶，∅244.5mm 套管坐入沙四上地层；三开采用∅215.9mm 钻头钻至奥陶系3～5m，∅177.8mm 套管坐入奥陶系2～3m；四开采用∅152.4mm 钻头钻奥陶系，裸眼或套管完井。

以上3口井的井身结构存在的难点有：①在不同开次，不同工况下均发生了漏失：WG 2井、WG 4井三开、四开发生漏失；WG 1 井二开漏失，在四开发生井涌复杂情况；WG 1井二开固井过程中发生漏失、WG 4井三开下套管漏失。漏失主要原因为地层岩性复杂，漏失类型主要有砂岩、砾岩孔隙型漏失，玄武岩、泥岩裂缝型漏失，奥陶系灰岩裂缝型漏失；漏失地层承压能力低，未能满足下套管、固井的承压能力要求。②井壁稳定问题突出：WG 1 井、WG 2 井三开井段垮塌严重；③井控风险较大，WG 1井在四开发生溢流、井喷；④沙四段的岩石可钻性差，机械钻速低。

根据已钻井的井身结构，杨税务潜山推荐使用四开井身结构，主要优化之处为：①二开选用∅311.1mm钻头钻进，将原来井身结构的钻进至沙四上地层改为钻进至沙四段约500m，下入∅244.5mm套管坐入沙四，这样可以提高上部地层承压能力，同时缩短三开裸眼段长度；②四开选用∅152.4mm钻头钻奥陶系目的层，实现潜山专打，以减少复杂及保护油气层，下入∅114.3mm套管封固目的层，有利于后期酸压改造作业。

2.2 个性化钻头优选

2.2.1 岩石力学实验分析

（1）岩石力学实验条件。室内岩石力学三轴强度实验装置由高温高压三轴室、围压加压系统轴向加压系统、加温恒温系统以及数据采集控制系统等五个主要部分组成。设备参数分别为围压140MPa、孔压140MPa、温度200℃、轴向压力1500kN，测试项目有弹性模量、泊松比、抗压强度等。

（2）岩石力学参数室内实验结果及分析。由表1可知，下第三系地层抗压强度值不高，适于PDC 钻头钻进，沙四段含特殊岩性地层井段采用牙轮钻头钻进。奥陶系地层在选用PDC钻头的基础上，备用牙轮钻头钻进可能遇到的玄武岩、砾岩等。

表1 复杂层段岩芯力学参数测试结果

2.2.2 邻井钻头使用情况分析

WG 4 井三开沙四中部含有玄武岩、凝灰岩、含砾砂岩特殊岩性，可钻性差，导致钻头使用数量达22 只；其中9只PDC，平均进尺99.9m，平均机械钻速2.02m/h；13只牙轮钻头，平均进尺48.9m，平均机械钻速1.14m/h；PDC 钻头指标较好的是TH1364L 钻头(3739～4348m)，进尺609m，机械钻速2.54m/h，在砂泥岩井段使用。

WG 4井四开岩性以灰岩为主夹白云岩，使用效果较好的TH1365A 钻头，进尺277.35m，机械钻速2.58m/h。

2.2.3 形成个性化钻头优选序列

明化镇组、东营组地层：明化镇组、东营组以上地层松软可钻性较好，使用HAT127钻头或PDC 钻头较为合适，一般使用PDC 钻头。调研邻井中，钻头多为19mm复合片，四刀翼，后倾角10°～13°之间。上部地层钻速较快，对于泥岩地层泥浆处理不及时易造成钻头泥包。针对该问题需要优化水力设计，采用钢体设计，增大排屑槽，使钻头水力及井底流场更加合理，提高切削齿冷却及排屑效率。

沙河街组、石炭二叠系地层：沙河街组至石炭二叠系地层相对较硬，有软硬交错地层，使用5 刀翼16mm齿PDC 钻头，有效提高机械钻速；沙四段下部地层含玄武岩、凝灰岩；孔店组地层含砂砾岩、砾岩，地层可钻性差，对PDC钻头磨损很高，推荐使用布齿密度高，穿夹层能力强的PDC钻头或牙轮钻头。

奥陶系地层：优选进口抗研磨性及抗冲击性俱佳的切削齿PDC钻头。

通过对二开、三开、四开井段进行了钻头优选，确定了杨税务潜山钻头优选序列(见表2)。

表2 杨税务潜山钻头优选序列

2.3 提速工具优选

旋扭冲击器属于高频扭转冲击钻井工具。在钻进过程中，能提供高频的（750～1500 次/min)、周期性的机械冲击力（约2kN），类似于周向的冲击钻，降低粘滑效应。该工具结构简单、工作安全可靠、安装使用方便，能满足匹配钻头的使用时间；延长钻头的使用寿命；不影响MWD的信号传输，可与MWD配合使用；工具内部无橡胶活动部件，抗高温性能强，最高可适应200℃温度；可以消除PDC 钻头在深井、超深井难钻地层粘滑问题。

依据杨税务潜山的地层可钻性及地层温度情况，结合旋扭冲击器的性能特点，推荐旋扭冲击器在三开稳斜段使用，同时配合优选的PDC 钻头，以期实现保护钻头，提高机械钻速的效果。

2.4 防漏堵漏方案设计

杨税务潜山3口井均发生了漏失，漏层井段岩性复杂，承压能力低，漏失风险高，特别在四开井段主要目的层漏失时，储层保护难度大，防止堵漏材料对储层造成污染，针对这些特点，制定了杨税务潜山防漏堵漏方案。

（1）三开井段防漏措施。使用强抑制性的复合盐钻井液体系；针对沙四—孔店、石炭—二叠特殊岩性段漏失，满足携岩前提下尽可能控制粘度，避免激动压力过大诱发井漏，在进入沙四下段前，随钻加入2%～3%BZ-ACT+2%超细碳酸钙，可在井壁上形成致密的封堵层，对于砂岩孔隙型漏失或微裂缝均有较好的预防作用。

（2）三开井段堵漏措施。一旦漏速突然加快或失返，则应立刻停钻，使用水化膨胀复合堵漏剂BZ-STAⅠ和BZ-STAⅡ配制堵漏钻井液进行静止堵漏。这两种材料复配后，可对6mm以下的裂缝进行有效封堵。

（3）三开井段提高地层承压能力。三开完钻后，使用10%～15%承压堵漏剂BZ-PRC（该堵漏剂对于0.5～1mm以下的微裂缝有极佳的封堵效果，同时可承受7MPa 以上的压差）配制堵漏钻井液，对发生漏失的井段进行承压堵漏，提高地层承压能力。

（4）四开井段钻井液堵漏措施。四开钻遇漏失后，使用酸溶型堵漏剂BZ-SRCⅠ和BZ-SRCⅡ配制堵漏钻井液，进行静止堵漏。这两种材料复配后，可对5mm以下裂缝进行有效封堵，同时酸溶率在50%以上。

如钻遇大裂缝、甚至溶洞，发生失返型恶性漏失时，可使用酸溶型水泥，采用“BH-CFS 静凝胶溶洞堵漏技术”进行堵漏。

3 现场试验结果及分析

在杨税务潜山完成了AT 1x 井、AT 2x 井和AT 3口井的现场试验，取得了较好的试验效果。

3.1 三开钻井情况

通过表3 可知，试验井AT 1x 井、AT 2x 井、AT 3井与邻井WG 4 井对比，三开机械钻速提高83.1%，提速效果明显；三开单只钻头平均进尺大幅增加，钻头使用量大幅减少；PDC 钻头占比增高，PDC 钻头进尺占比大幅提高，接近100%，说明PDC 钻头在杨税务潜山三开的使用范围大幅扩展，效果良好。

表3 三开钻井情况对比