哈薩克斯坦科扎薩伊油田優(yōu)快鉆井技術(shù)

翁行芳

（中國石化國際石油勘探開發(fā)公司，北京100100）

0 引言

科扎薩伊油田位于哈薩克斯坦濱里海油區(qū)，地質(zhì)儲量豐富，上部地層屬古生代二疊系，下部儲層為石炭系淺海碳酸鹽巖，含油層系主要是石炭系KT-Ⅱ，巖性為灰?guī)r，少量泥巖。主力儲層埋深2900～3500 m，非均質(zhì)性強，屬低孔、中低滲碳酸鹽巖底水油藏，主要開發(fā)井型為直井和定向井。

地層巖性復(fù)雜。上二疊系地層巖性混雜，泥巖、砂巖、灰質(zhì)泥巖、礫巖、石膏等頻繁交替，部分井段夾層多，蹩跳鉆嚴重，嚴重影響鉆頭使用壽命，造成頻繁起下鉆，斷鉆具及鉆頭故障時有發(fā)生，采用降轉(zhuǎn)速、降鉆壓的方法來減輕蹩跳鉆，影響鉆井速度，如K油田某口井在上二疊系地層鉆遇多夾層，導(dǎo)致鉆頭損壞嚴重，單只鉆頭平均進尺僅為24 m，平均機械鉆速僅為1.4 m/h。上部地層易斜，上二疊系地層部分井段存在地層軟硬交錯、地層傾角大、易產(chǎn)生井斜，采用降低鉆壓吊打的方式，機械鉆速低，如A油田某井在上二疊系地層鉆遇井斜控制難度大的問題，多次起鉆換鉆具組合并調(diào)整鉆井參數(shù)，定向鉆井比例達40%，平均機械鉆速低至1.1 m/h，井斜最大達到6°。下二疊系孔谷階、阿爾琴階、阿舍利階和石炭系的KT-1、KT-2為灰泥巖地層，泥板巖蓋層致密堅硬，為粉砂巖和含鈣質(zhì)泥巖、泥板巖，地層可鉆性差，應(yīng)用PDC鉆頭磨損嚴重，平均單只鉆頭進尺僅為18 m，鉆頭起出后幾近完全報廢。部分地層水敏性強，鉆井液潤滑、抑制性不足，產(chǎn)生縮徑等復(fù)雜情況，平均井徑擴大率達到60%。

為進一步促進該地區(qū)鉆井提速提效，在借鑒鄰區(qū)成熟經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過深入分析鉆井中的技術(shù)難題，進行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井斜控制技術(shù)、提速潛力分析、個性化高效鉆頭及提速工具優(yōu)選和鉆井液體系優(yōu)化等方面的技術(shù)研究，形成了適合于科扎薩伊油田的優(yōu)快鉆井技術(shù)。該技術(shù)在K-306井進行了應(yīng)用，平均機械鉆速6.42 m/h，較鄰井提高90%以上，鉆井周期61.54 d，較鄰井平均鉆井周期縮短24.73 d［1-3］。

1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鹽下儲層3600 m左右，鉆井過程中鉆遇地層性質(zhì)差異大。中上地層普通存在漏失，地層坍塌、掉塊等復(fù)雜情況，下部地層鹽膏層發(fā)育，地層易發(fā)生蠕變。油田前期采用的井身結(jié)構(gòu)無法有效應(yīng)對上述地質(zhì)復(fù)雜，導(dǎo)致鉆井過程中與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的漏、塌同存，鹽膏層井段縮徑卡鉆及套管擠毀等復(fù)雜頻發(fā)，嚴重影響油氣田開發(fā)效果，其中K68井因相關(guān)復(fù)雜導(dǎo)致非生產(chǎn)時間占比高達40%，因此在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要考慮工程、地質(zhì)必封點，鹽膏層采用專打?qū)７饧皬?fù)合套管方案以保障安全。

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要依據(jù)地層壓力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如圖1所示，同時確定設(shè)計參數(shù)（抽吸壓力系數(shù)、激動壓力系數(shù)、井涌允值等），根據(jù)地質(zhì)條件和鉆遇復(fù)雜確定必封點位置（垮塌層位和漏失層位），以壓力平衡原理確定套管下深［4-7］。

圖1 KOA油田典型地層壓力剖面Fig.1 Typical formation pressure profile of KOA Oilfield

綜合分析后，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案如下：

導(dǎo)管：地表松散粘土封隔，維護井口區(qū)域的地層穩(wěn)定，下入一定深度的導(dǎo)管（30～40 m左右），封隔地表附近的地層，保持井口穩(wěn)定。

一開：?444.5 mm鉆 頭+?339.7 mm表層套管，下深由原來的1500 m改為800～1000 m，套管鞋設(shè)置在中生代穩(wěn)定地層，封隔淺部地層、水層，安裝井口設(shè)備，在封隔復(fù)雜層位的同時節(jié)省了套管費用。

二開：?311.15 mm鉆頭+?244.5 mm技術(shù)套管，鉆穿并封隔鹽膏層等不穩(wěn)定地層，由原來下入單一套管柱優(yōu)化為復(fù)合套管柱（鹽膏層段套管由N80優(yōu)化為P110鋼級），以實現(xiàn)對鹽膏層的專打?qū)７狻?/p>

三開：?212.7 mm鉆頭+?177.8mm生產(chǎn)套管，下至完鉆井深。

2 高傾角地層井斜控制技術(shù)

上部存在軟硬交互地層和高傾角地層，需要采用合理鉆具組合與鉆井參數(shù)，以控制井斜并提高鉆井速度。

常規(guī)的直井鉆井防斜及糾斜技術(shù)主要包括靜力學(xué)防斜技術(shù)和動力學(xué)防斜技術(shù)2種類型，石油鉆井常用防斜鉆具組合，包括PowerV鉆具組合、常規(guī)塔式鉆具組合和預(yù)彎曲鉆具組合。PowerV鉆具組合使用效果良好，直井段最大井斜1°，機械鉆速高，但費用昂貴。常規(guī)塔式鉆具組合（包括動力鉆具+鐘擺鉆具組合和水力加壓器+鐘擺鉆具組合）在高陡構(gòu)造地層不能有效地施加鉆壓，采用吊打方式，機械鉆速低。預(yù)彎曲鉆具組合通過鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉆井參數(shù)的調(diào)整，用一趟鉆可實現(xiàn)直井段鉆進、造斜、穩(wěn)斜等施工，可實現(xiàn)防斜，同時預(yù)彎曲鉆具組合能夠解放鉆壓，提高機械鉆速。推薦并采用的預(yù)彎曲鉆具組合為：?311 mm鉆頭+?230 mm單彎螺桿+? 307.9 mm扶正器+?240 mm無磁鉆鋌+?203 mm鉆鋌1根+?204mm減震器+?203 mm鉆鋌8根+?203 mm液壓震擊器+?203 mm鉆鋌2根+?127 mm加重鉆桿14根+?127mm鉆桿。

3 二疊系地層減震提速技術(shù)

二疊系地層巖性混雜，泥巖、砂巖、灰質(zhì)泥巖、礫巖、石等頻繁交替，部分井段夾層多，蹩跳鉆嚴重，嚴重影響機械鉆速和鉆頭使用壽命，造成頻繁起下鉆，斷鉆具及鉆頭故障時有發(fā)生。利用測井資料建立了上二疊系地層的巖石力學(xué)參數(shù)剖面，如圖2所示。

圖2 KOA油田典型井巖石力學(xué)參數(shù)曲線Fig.2 Rock mechanics parameters of a typical well in KOA Oilfield

二疊系地層單軸抗壓強度在50～110 MPa，屬于中硬、硬地層，由于地層軟硬交錯，易出現(xiàn)鉆柱粘滑振動。粘滑振動是一種強烈的低頻振動，在振動過程中鉆頭的瞬時轉(zhuǎn)速很高，相關(guān)研究表明最大轉(zhuǎn)速甚至超過了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的幾倍，易造成PDC鉆頭早期沖擊損壞。為了抑制粘滑振動，通過優(yōu)化鉆頭設(shè)計、調(diào)整鉆井參數(shù)、優(yōu)化底部鉆具組合設(shè)計等方法可以減小粘滑振動。

依據(jù)區(qū)域地層特點，設(shè)計并采用混合鉆頭提高破巖效率，如圖3所示。該鉆頭融合了PDC鉆頭和牙輪鉆頭技術(shù)特性，以PDC刮切破巖為主，牙輪沖壓破巖為輔，適應(yīng)礫石層和泥巖交互地層。在硬度大且研磨性高的地層鉆進時，由于牙輪鉆頭的沖擊破巖作用，有效降低混合鉆頭PDC切削齒的熱磨損，在軟、塑性較強的地層鉆進時，PDC部分能有效破碎被牙輪剝離或部分剝離井底的大塊巖屑，彌補牙輪鉆頭破巖效率低的缺陷，從而保證混合鉆頭在軟地層的機械鉆速。在地層由軟變硬時，牙輪切削齒能有效限制PDC切削齒的吃入深度，使鉆頭受到的沖擊載荷和交變應(yīng)力等更低，扭矩低且波動范圍小，降低了PDC切削齒崩齒的概率，避免鉆頭先期破壞，延長鉆頭使用壽命［8-10］。

圖3 牙輪-PDC混合鉆頭Fig.3 Cone-PDC hybrid bit

4 高研磨性地層提速技術(shù)研究

石炭系為海相地層，分為上部、中部和下部。上部（KT-I）地層巖性為灰色灰?guī)r、白云巖，有溶解孔洞和裂縫，灰色的泥質(zhì)板巖、粉砂巖，含有黃鐵礦、石灰石；中部（MKT）地層巖性為灰色泥質(zhì)板巖、粉砂巖、灰色灰質(zhì)砂巖；下部（KT-Ⅱ）地層巖性為灰色白云質(zhì)灰?guī)r，含有機碎屑、魚卵石的灰色泥質(zhì)板巖。石炭系地層研磨性強，可鉆性差，如圖4所示。

圖4 KOA油田石炭系巖石力學(xué)參數(shù)曲線Fig.4 Rock mechanics parameters of Carboniferous formation in KOA Oilfield

從圖中可以看出，石炭系單軸抗壓強度在150～190 MPa，屬于非常堅硬研磨性地層。本文針對KOA石炭系地層特性進行了深入分析研究，為降低PDC鉆頭在強研磨性硬地層中的磨損速度，充分發(fā)揮其高效切削破巖作用，設(shè)計了一種PDC-孕鑲塊復(fù)合鉆頭，如圖5所示。

圖5 PDC-孕鑲塊復(fù)合鉆頭設(shè)計Fig.5 PDC-impregnated block composite bit design

在鉆頭工作初期，PDC切削齒的刃部鋒銳，在鉆壓和扭矩的聯(lián)合作用下，很容易吃入巖石并切削巖石，可充分發(fā)揮PDC切削齒切削破巖效率高的優(yōu)勢。在這一階段，具有一定出露高差的金剛石孕鑲塊起到控制吃入深度的作用，可以避免PDC切削齒因瞬時吃入深度過大而遭受較大的沖擊載荷，造成沖擊損壞。與此同時，金剛石孕鑲塊在井底巖石的摩擦作用下，金剛石顆粒開始出露。當PDC切削齒磨損到一定程度后，吃入巖石難度變大，此時，金剛石孕鑲塊開始承受部分鉆壓，出露的金剛石顆粒則很容易吃入巖石，并犁削巖石，在井底形成“犁溝”?！袄鐪稀钡男纬?，又為PDC齒的切削創(chuàng)造了良好的井底條件，有助于提高磨損PDC齒的切削破巖效率。新型PDC-孕鑲塊復(fù)合鉆頭配合等壁厚大扭矩螺桿，強化鉆井和水力參數(shù)，形成KOA石炭系高研磨性地層提速技術(shù)，實現(xiàn)了KOA鉆井提速提效［11-13］。

5 鉆井液優(yōu)化技術(shù)

一開地層考慮攜巖洗井、潤滑防卡，鉆井液應(yīng)具高粘切，及時將鉆屑從井內(nèi)攜帶出來，并有較好的潤滑性和失水造壁性。針對一開井段的阻卡問題，采用膨潤土-PAC鉆井液體系：淡水+0.2%Ca2CO3+6%膨潤 土+0.5%降 失水 劑+0.2%增 粘劑+1%潤滑劑。性能為：FV50～60 s，密度1.12～1.18 g/cm3，API失水量4～6 mL，鉆井液配方最大的改進表現(xiàn)在鉆井液膨潤土和潤滑劑使用方面，提高了兩者的含量，且不使用無機鹽，改進后的鉆井液性能更有利于攜巖洗井和潤滑防卡。

二開鹽上井段的地層巖性以泥巖、砂巖、灰?guī)r為主，鉆井過程中縮徑和井塌嚴重。在用的氯化鉀聚合物鉆井液中沒有防塌劑，防塌能力差，導(dǎo)致起下鉆阻卡嚴重，并且大量NaCl的加入也提高了鉆井成本。建議使用鉀銨聚合物不分散鉆井液體系，該體系具有較強的抑制能力和防塌封堵能力，適合上部地層快速鉆進。

推薦鉆井液配方為：淡水+0.15%Ca2CO3+0.1%NaOH+3%～4%膨潤土+5%KCl+0.3%鉀基聚合物+1%銨基聚合物+0.6%聚合物降失水劑+2%防塌劑+3%潤滑劑。性能為：FV40～60 s，密度1.35 g/cm3，API失水量3～5 mL［14-16］，如表1所示。

表1 優(yōu)化前后鹽上井段鉆井液配方對比Table 1 Comparison of drilling fluid formulations for the well section above salt before and after optimization

在二開下部的鹽膏層井段，采用飽和鹽水聚合物鉆井液具有較好的效果，鉆井順利，起下鉆、下套管固井均順利。在鹽膏層井段鉆進時，優(yōu)化后的鉆井液密度提高，推薦鉆井液密度提到1.72 g/cm3左右，防止鹽層流動縮徑導(dǎo)致卡鉆，鉆井液配方如表2所示。

表2 優(yōu)化前后鹽膏層井段鉆井液配方對比Table 2 Performance comparison of drilling fluid formulations for the salt-gypsum layers before and after optimization

三開井段以孔隙性灰?guī)r地層為主，鉆井過程中易縮徑阻卡和卡鉆，泥板巖井段坍塌嚴重、滲透性灰?guī)r段縮徑嚴重，易出現(xiàn)大段的“糖葫蘆”井眼。

分析該井段阻卡的原因是在用的鉆井液抗溫能力差、防塌封堵能力差，導(dǎo)致在井底高溫下在滲透性灰?guī)r地層出現(xiàn)厚泥餅、泥巖段出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。在用的鉆井液是鹽水聚合物鉆井液，所用的聚陰離子纖維素、黃原膠均不適用于高溫深井鉆進，特別是高溫性能和防塌封堵能力很差，不適合該地層鉆進。

設(shè)計使用具有強封堵能力和抗高溫能力的KCl聚磺鉆井液體系來解決本井段出現(xiàn)的井眼坍塌、縮徑導(dǎo)致的起下鉆阻卡、卡鉆等復(fù)雜情況。鉆井液配方為：淡水+0.15%Ca2CO3+0.1%NaOH+3%～4%膨潤土+0.3%鉀基聚合物+1%銨基聚合物+2%磺化降失水劑+2%防塌劑+3%潤滑劑。性能為：FV40～60 s，密度1.12 g/cm3，API失水量3～5 mL，如表3所示。配方的主要變化是使用了防塌劑，防止泥板巖地層坍塌掉塊，并使用了磺化處理劑提高鉆井液在井底長時間高溫老化的穩(wěn)定性，防止在滲透性灰?guī)r地層形成厚泥餅導(dǎo)致井眼縮徑，預(yù)防鉆井過程中可能出現(xiàn)的”糖葫蘆”井眼而導(dǎo)致的起下鉆嚴重阻卡，甚至卡鉆。

表3 優(yōu)化前后三開井段鉆井液配方對比Table 3 Performance comparison of drilling fluid formulations for third section before and after optimization

6 現(xiàn)場應(yīng)用

通過以上研究分析形成的科扎薩伊油田的優(yōu)快鉆井技術(shù)系列在K-306井進行了應(yīng)用，完鉆井深3800 m，除去導(dǎo)管深度，鉆井進尺3758 m，井眼縮徑、坍塌問題得到緩解，平均機械鉆速6.42 m/h，較使用優(yōu)化前技術(shù)的K-022井機械鉆速2.84 m/h提高了125.90%，較使用優(yōu)化前技術(shù)的K-021井機械鉆速3.23 m/h提高了99.05%。本井鉆井周期61.54 d，較2口鄰井（K-021、K-022井）平均鉆井周期86.27 d縮短24.73 d（縮短28.67%）。完鉆最大井斜2.37°/3040.33 m，井底水平位移17.94 m（測深3774.29 m），井身質(zhì)量合格，全井安全生產(chǎn)無事故，取得了良好的應(yīng)用效果，如表4所示。

表4 K-306井與鄰井分段機械鉆速對比Tabke 4 Comparison of mechanical penetration between K-306 and the well nearby for each well section

7 結(jié)論

基于地層壓力和設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，充分借鑒已鉆井井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)點和鉆遇復(fù)雜，優(yōu)化形成了科扎薩伊油田井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，具有良好的適應(yīng)性。

高傾角地層易井斜，優(yōu)選出低成本預(yù)彎曲防斜鉆具組合，采用合理鉆井參數(shù)等，有效控制了井斜。

軟硬交互，粘滑、憋跳嚴重，下部地層巖石可鉆性差，研磨性強等鉆井提速難題，通過巖石力學(xué)參數(shù)分析，優(yōu)選混合鉆頭。

鉆井液體系和配方優(yōu)化改進，大幅度減少井下復(fù)雜。該技術(shù)在K-306井進行了應(yīng)用，取得了良好的提速提效應(yīng)用效果，平均機械鉆速6.42 m/h，較鄰井提高90%以上，鉆井周期61.54 d，較鄰井縮短24.73 d。