油田垂直鉆井技術(shù)受限因素評(píng)價(jià)

連世鑫 楊軍義 馬 英 王穎慧

中石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心 新疆巴州 841600

某油田（以下稱XX 油田）自2014 年投入勘探開發(fā)以來(lái)，中下部地層由于受砂泥巖不等厚互層、地層傾角等因素影響，井斜控制難度相對(duì)較大，尤其是O3s 采用單彎螺桿+PDC 鉆進(jìn)普遍井斜出現(xiàn)超設(shè)計(jì)現(xiàn)象，吊打、定向糾斜效果不佳。2020 年先后在Y1（順北53- 1H）井、X3（順北41X）井試驗(yàn)斯倫貝謝Power- V 垂直鉆井技術(shù)：Y1 井在S1t 層位使用PDC+1.25°單彎螺桿鉆進(jìn)過(guò)程中，井斜出現(xiàn)抬頭趨勢(shì)，使用PDC+ 扭沖+Power- V+ 扶正器組合，鉆進(jìn)過(guò)程中頻繁憋停，后通過(guò)短起修整井壁、稠漿段塞攜帶掉塊未得改善結(jié)束試驗(yàn)，共計(jì)進(jìn)尺33.5m，機(jī)械鉆速1.86m/ h；X3 井使用PDC+1.25°單彎螺桿進(jìn)入桑塔木組井斜開始上漲，起鉆更換PDC+Power- V+ 欠尺寸扶正器鉆具組合，共計(jì)施工2 趟鉆，完成進(jìn)尺1249m，機(jī)械鉆速達(dá)到5.47m/ h，實(shí)現(xiàn)了防斜打快，自此拉開了XX 油田O3s 組垂直鉆井防斜打快技術(shù)推廣應(yīng)用的序幕，目前在該油田多個(gè)條帶已經(jīng)成為成熟鉆井工藝，但在個(gè)別條帶、成熟條帶個(gè)別井中應(yīng)用過(guò)程中依然存在受限因素，導(dǎo)致無(wú)法提速、甚至降速。

XX 油田桑塔木垂直鉆井技術(shù)主要采用兩種井身結(jié)構(gòu)，若預(yù)測(cè)桑塔木組未發(fā)育輝綠巖侵入體，則三開采用石炭- 桑塔木組長(zhǎng)裸眼結(jié)構(gòu)，若預(yù)測(cè)桑塔木發(fā)育輝綠巖，則三開采用專打?qū)７饨Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 專打?qū)７饨Y(jié)構(gòu)

1 地層穩(wěn)定性對(duì)垂直鉆井技術(shù)的影響

針對(duì)第一種井身結(jié)構(gòu)，鉆遇地層從上到下跨越石炭系至奧陶系上統(tǒng)桑塔木組，該段地層受家里東、海西運(yùn)動(dòng)在志留系、桑塔木組發(fā)育不同程度的雁列正斷層[1]，目前結(jié)合鄰井資料、地震資料等，井口已避開主干斷裂帶，但受構(gòu)造影響，該段地層發(fā)育不同程度的微裂縫，國(guó)內(nèi)張健根據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則及試驗(yàn)推出了超深裂縫坍塌壓力指數(shù)表達(dá)式[2]。

鉆進(jìn)過(guò)程中由于正壓差作用，導(dǎo)致鉆井液進(jìn)入微裂縫導(dǎo)致不同程度漏失，同時(shí)濾液在尖劈效應(yīng)近井周微裂縫中傳導(dǎo)，同時(shí)前期地層認(rèn)識(shí)不足，鉆井液KCl 加量不足，鉆井液抑制性能無(wú)法與地層配伍，兩者共同作用破壞地層應(yīng)力平衡，坍塌壓力指數(shù)大于0，導(dǎo)致不同程度掉塊垮塌。部分井隨著鉆進(jìn)井眼繼續(xù)延伸下部柯坪塔格組，鉆遇出水，壓力窗口變窄，鉆井液失水難以保證或高壓鹽水倒灌上部裂縫發(fā)育層，加劇尖劈效應(yīng)、鉆井液抑制性破壞加重垮塌，導(dǎo)致垂直鉆井工藝中途頻繁憋停、下鉆遇阻大段劃眼，垂直鉆井由于其較強(qiáng)的剛性，扭矩波動(dòng)量變大，出現(xiàn)憋停，打鉆連續(xù)性降低。

XX53- 1 井在6155- 6188.5 井段使用PDC+ 扭沖+Power- V+ 扶正器鉆具組合，鉆進(jìn)過(guò)程中頻繁憋停，6162m 之后返出巖屑見棱角狀掉塊。進(jìn)尺33.5m 后無(wú)法正常鉆進(jìn)起鉆，更換單彎螺桿+PDC 恢復(fù)正常鉆進(jìn)。分析測(cè)井井徑數(shù)據(jù)，該段井徑平均擴(kuò)大率18.7%，xx53- 1 井井徑數(shù)據(jù)變化見圖2。

圖2 XX53- 1 井井徑數(shù)據(jù)變化

XX- 43X 井鉆至桑塔木組6538m 井斜↑5.95°起鉆，起鉆過(guò)程在志留系遇阻大段倒劃，偶現(xiàn)憋停，更換垂鉆后下鉆至井深4498m 遇阻劃眼，劃眼至4625m，劃眼扭矩波動(dòng)大、頻繁憋停頂驅(qū)，后倒劃起鉆更換鉆具組合，本井垂直鉆井未行程進(jìn)尺。分析測(cè)井井徑數(shù)據(jù)，劃眼井段井徑擴(kuò)大率20.94%，且存在多段大肚子井段。XX- 43X 井井徑數(shù)據(jù)變化見圖3。

圖3 XX- 43X井井徑數(shù)據(jù)變化

通過(guò)分析上述兩個(gè)案例，鉆進(jìn)期間返出掉塊通過(guò)錄井分析無(wú)填充礦物，井眼成形后，鉆進(jìn)過(guò)程中正壓差作用、起下鉆抽吸和激動(dòng)壓力等綜合影響導(dǎo)致志留系裂縫段應(yīng)力平衡改變，地層不斷垮塌，形成大肚子井眼，導(dǎo)致強(qiáng)剛性垂直鉆井工具無(wú)法正常應(yīng)用。

2 特殊巖性及其厚度對(duì)垂鉆技術(shù)的影響

輝綠巖主要有基性斜長(zhǎng)石和輝石組成[3]，元素錄井?dāng)?shù)據(jù)顯示XX 油田輝綠巖二氧化硅含量一般在50%～55%，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆掉塊分析輝綠巖硬度極高，測(cè)試其強(qiáng)度范圍為500～1900MPa[4]，基于此輝綠巖研磨性強(qiáng)，研磨性指數(shù)Af可以用如下公式求取[4]，研磨性指數(shù)與硅質(zhì)含量VSd 成正相關(guān)。

此外輝綠巖由于其成巖環(huán)境，導(dǎo)致其微裂縫十分發(fā)育，導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低于其基巖強(qiáng)度，形成了其獨(dú)特的非均質(zhì)性結(jié)構(gòu)，微裂縫發(fā)育對(duì)輝綠巖坍塌的作用機(jī)理可用弱面理論準(zhǔn)則進(jìn)行表述[6]。當(dāng)鉆孔形成后，由于井周應(yīng)力平衡破壞和鉆井液濾液侵入雙重作用，形成水滑剝落，導(dǎo)致垂直鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭前期或中期磨損嚴(yán)重、垂直鉆井工具推靠翼磨損或脫落。

2.1 輝綠巖對(duì)鉆頭壽命的影響

輝綠巖對(duì)鉆頭壽命的影響如表1 所示。通過(guò)對(duì)比6 口井施工情況，前3 口井鉆遇高純度厚層輝綠巖，垂直鉆井工藝PDC 鉆遇輝綠巖厚鉆時(shí)明顯升高，起出鉆頭壽命中期磨損、崩齒嚴(yán)重，限制了垂直鉆井技術(shù)提速受限。前兩口井鉆井穿輝綠巖期間由于密度高、轉(zhuǎn)速低，垂直鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)期間扭矩相對(duì)平穩(wěn)，鉆頭磨損主要以磨損為主；第3 口井鉆進(jìn)期間鉆井液密度低無(wú)法平衡輝綠巖坍塌掉塊，加之轉(zhuǎn)速較高鉆進(jìn)期間扭矩波動(dòng)較大，導(dǎo)致鉆頭崩齒、磨損均有體現(xiàn)。

表1 輝綠巖對(duì)鉆頭壽命的影響

前3 口井與第4 口井對(duì)比，鉆頭壽命中期，雖然鉆遇高純度輝綠巖，鑒于其厚度較薄，尚未對(duì)鉆頭產(chǎn)生損傷便鉆穿，因此薄層高純度輝綠巖對(duì)鉆進(jìn)鉆頭無(wú)明顯破壞。

低純度輝綠巖基本對(duì)鉆頭損傷無(wú)影響，鉆遇后鉆時(shí)稍微有抬升趨勢(shì)，但鉆穿后鉆時(shí)恢復(fù)正常。

2.2 輝綠巖對(duì)垂直鉆井工具的損傷

目前XX 油田普遍使用PDC+Power- V+ 螺桿+ 欠尺寸扶正器，鉆具剛性較強(qiáng)，以241.3mm 井眼為例，近鉆頭鉆具組合如下：241.3mmPDC+185mmPower- V（推靠臂收縮狀態(tài)235mm）+185mm 螺桿（帶236mm 扶正器）+浮閥+ 坐鍵接頭+177.8mm 無(wú)磁鉆鋌+ 限流短節(jié)+238mm 扶正器，對(duì)比241.3mm 井眼鐘擺鉆具241.3mmPDC+197mm 螺桿+ 單流閥+177.8mm 無(wú)磁鉆鋌×1 根+MWD 懸掛短節(jié)+238mm 扶正器，垂直鉆井工具剛性明顯增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

在微裂縫發(fā)育層段、壓力窗口相窄的裸眼井段，當(dāng)前鉆井液技術(shù)無(wú)法解決失穩(wěn)的層位，失穩(wěn)掉塊將產(chǎn)生頻繁憋跳，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率，不推薦使用垂鉆工具防斜或糾斜，建議使用單彎螺桿、配合優(yōu)選參數(shù)防斜、糾斜。垂直鉆井工具組合剛性相對(duì)較強(qiáng)，組下前充分處理裸眼段，防止大段劃眼影響垂直鉆井工具降斜性能。大段高純度輝綠巖研磨性強(qiáng)，且易失穩(wěn)掉塊，使用垂直鉆井工具組合卡鉆風(fēng)險(xiǎn)較高，建議依據(jù)實(shí)鉆鄰井、設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)厚度優(yōu)化工藝，鉆進(jìn)過(guò)程中密切關(guān)注工程參數(shù)和返出巖性，確認(rèn)鉆遇輝綠巖最好起鉆簡(jiǎn)化鉆具組合過(guò)渡，預(yù)防卡鉆影響。優(yōu)化鉆井液防塌性能，提高防塌能力，為垂直鉆井工具順利施工創(chuàng)造良好井筒環(huán)境。