王孝山，雷新超，賈鳳龍，楊 燾

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

KQT構(gòu)造深層井段鉆井提速技術(shù)研究

王孝山，雷新超，賈鳳龍，楊 燾

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

由于KQT區(qū)塊3 500 ～ 4 500 m以下的地層壓力系統(tǒng)與地質(zhì)巖性趨于復(fù)雜，在深部鉆井施工過程復(fù)雜情況頻發(fā)，嚴(yán)重制約了鉆井效率的提高，影響了獲取地質(zhì)資料的質(zhì)量或者取全取準(zhǔn)地質(zhì)資料。此文以KQT區(qū)塊已鉆探井為基礎(chǔ)，通過整理3 500 m以下的深部鉆井技術(shù)資料，統(tǒng)計(jì)分析地層壓力分布情況，了解復(fù)雜地層所在的層段、巖性及特性，設(shè)計(jì)適合深井探井的井身結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)有鉆井液體系的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出優(yōu)化建議；對(duì)巖性的可鉆性進(jìn)行分析，整理總結(jié)現(xiàn)有鉆頭的使用情況，提出相應(yīng)的改進(jìn)意見；對(duì)KQT構(gòu)造深部地層鉆井中使用鉆井提速工具進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，分析得出深層鉆井中使用何種方法及提速工具對(duì)深層提速最為有效，最終形成該區(qū)塊深層鉆井提速技術(shù)方案，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

深部地層；鉆井提速；井身結(jié)構(gòu)；鉆井液；提速工具

隨著東海鉆井工作量不斷地投入，推動(dòng)了許多鉆井新技術(shù)的應(yīng)用，使得淺部地層的鉆井效率有了明顯提高，但在3 500 ～ 4 500 m以下的深層井段，以往鉆井作業(yè)時(shí)存在著儲(chǔ)集層巖性復(fù)雜，鉆井液護(hù)壁能力不足，易失穩(wěn)，井身結(jié)構(gòu)難以有效封隔特殊地層，深井鉆井提速難度大等難點(diǎn)，導(dǎo)致施工復(fù)雜情況及影響鉆井效率的提高。本文主要對(duì)KQT區(qū)塊深部地層提速技術(shù)進(jìn)行了研究，作為東海油氣田的一部分，該區(qū)塊深部地層同樣存在以上的問題，根據(jù)本區(qū)塊深部地層特點(diǎn)，結(jié)合鉆井發(fā)展的新技術(shù)，尋找適合深部地層的提速增效的協(xié)同技術(shù)方案。

1 深部提速的關(guān)鍵技術(shù)與工藝措施

針對(duì)深部地層作業(yè)難點(diǎn)，提出了適合本構(gòu)造深層的井身結(jié)構(gòu)方案，標(biāo)定了該構(gòu)造深層巖性可鉆性，從而進(jìn)一步優(yōu)化鉆頭的選型，找到了對(duì)深層地層適應(yīng)性強(qiáng)的鉆井液體系，結(jié)合東海油氣田深部地層鉆井新工具、新工藝的發(fā)展應(yīng)用情況，形成了KQT構(gòu)造深層井段鉆井提速、增效的協(xié)同技術(shù)方案。

1.1 KQT構(gòu)造深層地層壓力分析與優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用Eaton法對(duì)KQT構(gòu)造前5口井深部地層壓力進(jìn)行預(yù)測[1]，結(jié)合該構(gòu)造的測井解釋結(jié)果，對(duì)該構(gòu)造深部地層壓力分布規(guī)律進(jìn)行了描述：進(jìn)入花港組下部壓力開始逐漸升高，在P4層開始出現(xiàn)壓力系數(shù)超過1.3的異常高壓層。

根據(jù)深部地層壓力預(yù)測結(jié)果及地質(zhì)巖性分層等，對(duì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化[2]。

（1）針對(duì)井深5 000 m左右的探井，推薦采用四開次的井身結(jié)構(gòu)，各層次井眼尺寸為：36"*17-1/2"*12-1/4"*8-1/2"，套管程序?yàn)椋?0"*13-3/8"*9-5/8"*7"；根據(jù)東海地區(qū)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，30"隔水管入泥深度一般要超過80 m，以防淺部地層漏失。

（2）17-1/2"井眼的鉆入深度，需根據(jù)平臺(tái)設(shè)備能力及地層的埋深，盡量鉆至玉泉組的底部，井深在2 000 ～ 2 500 m之間，下13-3/8"套管封固上部易垮塌地層，縮短下部12-1/4"井眼，減輕油氣層段的鉆井作業(yè)壓力，便于取得地質(zhì)資料。

（3）12-1/4"井眼根據(jù)油層分布情況及地層壓力分布特點(diǎn)，一般鉆至花港組的底部，下9-5/8"套管封住主要油氣層段及隔開下部異常壓力層段，便于本開井段后續(xù)作業(yè)的進(jìn)一步開展。

（4）8-1/2"井眼鉆完剩余的平湖組，根據(jù)該層段實(shí)際厚度及井下情況，適時(shí)提前下入7"尾管封固，而后采用6"鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深。

1.2 KQT構(gòu)造深部地層的可鉆性與鉆頭選型分析

采用Landmark Drillworks軟件根據(jù)Eton法對(duì)KQT區(qū)塊地層巖石的可鉆性進(jìn)行了分析，主要對(duì)PDC鉆頭的可鉆性進(jìn)行分析并給出了對(duì)應(yīng)的鉆頭選型[3]，主要集中在12-1/4"及8-1/2"兩個(gè)井段中。

12-1/4"井眼中主要集中在花港組，該地層巖性以砂巖為主，夾部分泥巖薄層，PDC鉆頭的巖石可鉆性集中在4.5 ～ 6.5之間，屬于軟至中等硬度的地層，但該地層部分層位含礫（礫徑一般在1 ～ 6 mm，最大10 mm），軟硬交錯(cuò)的夾層也較為頻繁，已鉆五口探井在花港組鉆進(jìn)鉆頭表現(xiàn)為磨損較為嚴(yán)重，因此花港組鉆進(jìn)需要鉆頭具備強(qiáng)的攻擊性、強(qiáng)的沖擊性和好的穩(wěn)定性，推薦采用IADC S323/M323（鋼體/胎體、16 mm齒、6刀翼、雙排齒）的PDC鉆頭，見圖1。

圖1 12-1/4"鉆頭選型推薦

8-1/2"井眼鉆遇地層主要集中在平湖組，該地層巖性以泥巖為主，部分層位發(fā)育有砂巖，夾煤層及瀝青質(zhì)煤層，PDC鉆頭的巖石可鉆性集中在4.7 ～ 7之間，屬于軟至中等硬度的地層，夾層頻繁，需要鉆頭具備好的穩(wěn)定性和強(qiáng)的穿夾層能力；因此平湖組鉆進(jìn)需要鉆頭具備強(qiáng)的抗研磨性、抗沖擊性和長的使用壽命，推薦采用IADC S323/M323（鋼體/胎體、16 mm/13 mm齒、6刀翼）的PDC鉆頭，見圖2。

圖2 8-1/2"鉆頭選型推薦

1.3 深部地層的鉆井液分析及優(yōu)選

在KQT構(gòu)造6口勘探井施工中，主要使用了海水聚合物鉆井液以及海水聚磺鉆井液兩大類水基鉆井液。在深層井段面臨鉆井液體系的抑制能力稍欠、抗高溫能力不足與穩(wěn)定煤層的能力不足這三個(gè)問題，促使鉆井施工過程中的復(fù)雜情況增多。針對(duì)上述情況，對(duì)鉆井液體系進(jìn)行了優(yōu)選[1]：

（1）強(qiáng)抑制性水基鉆井液的使用

采用甲酸鹽作為化學(xué)抑制劑，形成強(qiáng)抑制的基礎(chǔ)環(huán)境，可以按需使用當(dāng)前各種性能優(yōu)異的相關(guān)處理劑來與甲酸鹽配制成相應(yīng)的強(qiáng)抑制甲酸鹽鉆井液體系。

以使用抗高溫磺化系列處理劑為主的原則，隨溫度升高而加大SMC、SMP以及SPNH等處理劑的使用量，使鉆井液體系具備良好的抗高溫性能。

加入固壁性材料或者非滲透性材料，來防止煤層掉塊、擴(kuò)徑等現(xiàn)象。

（2）合成基鉆井液的使用

該類鉆井液的基液天然具備對(duì)泥頁巖的抑制性以及較好的抗高溫性能，為了維護(hù)煤層的井壁穩(wěn)定，在合成基鉆井液體系中同樣也要求加入固壁性材料或者非滲透性材料。合成基鉆井液除了基液外，其主要構(gòu)成中還包括了乳化劑、流型調(diào)節(jié)劑、潤濕劑及堿度控制劑等成份。

1.4 深層提速配套鉆井技術(shù)

針對(duì)KQT構(gòu)造深部地層的地質(zhì)巖性特征及區(qū)塊的鉆井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合東海提速應(yīng)用成果和新的石油鉆井技術(shù)，對(duì)KQT區(qū)塊深部地層鉆井提速可能運(yùn)用到的技術(shù)、工具等進(jìn)行了總結(jié)和研究。

1.4.1 水力脈沖鉆井技術(shù)

水力脈沖空化射流復(fù)合鉆井技術(shù)[3]，即水力脈沖空化射流短節(jié)+動(dòng)力鉆具+轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)的鉆井技術(shù)，它是利用水力脈沖空化射流改變井底流場，見圖3，從而改變井底巖石受力狀態(tài)，提高井底清巖效率。

水力脈沖工具安裝在鉆頭上部，位于鉆頭和鉆鋌之間（圖4），將流體的擾動(dòng)作用和自振空化效應(yīng)耦合，使進(jìn)入鉆頭的常規(guī)連續(xù)流動(dòng)調(diào)制成振動(dòng)脈沖流動(dòng)，鉆頭噴嘴出口成脈沖空化射流，產(chǎn)生3種效應(yīng)：

（1）水力脈沖。改善井底流場，提高井底凈化和清巖效率，減少壓持和重復(fù)破碎。

（2）空化沖蝕。輔助破巖，提高破巖效率。

圖3 水力脈沖工具剖面圖

圖4 水力脈沖工具井下組合

（3）瞬時(shí)負(fù)壓。井底瞬時(shí)負(fù)壓脈沖，局部瞬時(shí)欠平衡。

1.4.2 扭沖鉆井技術(shù)

扭力沖擊鉆井是一項(xiàng)新興的鉆井技術(shù)，主要依靠扭力沖擊器配合PDC鉆頭來實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖5、圖6。鉆井過程中，扭力沖擊器連接在鉆頭上方，該工具可以將鉆井液的能量轉(zhuǎn)化為低幅、高頻脈沖扭矩，該扭矩與鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)扭矩同時(shí)傳遞給鉆頭，二者共同作用，不僅可以顯著提高鉆井速度，而且可以有效減少或消除硬地層鉆井過程中鉆頭的有害振動(dòng)，保護(hù)鉆頭，延長鉆頭壽命。扭力沖擊鉆井以沖擊和剪切共同作用破碎巖石，從而有效提高機(jī)械鉆速，提高鉆井速度可達(dá)150 %以上。

1.4.3 控壓鉆井技術(shù)

圖5 液壓式扭力沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 液壓式扭力沖擊器工作原理及結(jié)構(gòu)

控壓鉆井技術(shù)（簡稱MPD）是一種用于精確控制整個(gè)井筒環(huán)空壓力剖面的自適應(yīng)鉆井程序，其目的是避免連續(xù)的地層流體涌出井口，運(yùn)用適當(dāng)?shù)牟僮?，任何井涌事故都?huì)被安全地排除，其作業(yè)流程圖見圖7。

圖7 控壓鉆井技術(shù)施工簡圖

MPD技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]：

（1）MPD技術(shù)可以有效控制整個(gè)井眼環(huán)空壓

力剖面，避免地層流體侵入影響鉆井液性能和造成井涌。

（2）MPD技術(shù)在接單根和起下鉆時(shí)運(yùn)用井口回壓能有效控制井底壓力，使其保持在較小的波動(dòng)范圍之內(nèi)，保持恒定的井底壓力。

（3）MPD技術(shù)通過精確的井底壓力監(jiān)測和水力學(xué)模型能解決窄密度窗口層段的鉆井難題。

（4）MPD技術(shù)能避免井眼壓力超過地層破裂壓力，減少井塌、井漏事故，同時(shí)可以控制和處理鉆井過程中可能引發(fā)的溢流事故，延長事故多發(fā)層段的裸眼井長度，簡化井身結(jié)構(gòu)，縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

1.4.4 抗高溫螺桿鉆具技術(shù)研究

東海深部地層溫度較高[4]，井深5 000 m處地層溫度超過170 ℃，一般的螺桿鉆具抗溫能力不超過150 ℃，因此需要抗溫級(jí)別更高的螺桿鉆具來滿足深部地層的鉆進(jìn)作業(yè)。

抗高溫螺桿鉆具是在常規(guī)螺桿馬達(dá)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)工藝，使定子及其他的密封件的耐高溫能力提升，達(dá)到150 ℃以上，見圖8。該類馬達(dá)使用適用于東海深部地層，與PDC鉆頭配合，見圖9，能夠有效提高機(jī)械鉆速。

圖8 螺桿馬達(dá)定子內(nèi)襯彈性體抗溫能力

圖9 抗高溫螺桿鉆具組合

2 現(xiàn)場應(yīng)用成果分析

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用效果

根據(jù)東海深部探井的實(shí)際鉆井效果分析，采用優(yōu)化過的井身結(jié)構(gòu)，平均單井復(fù)雜情況降低36%，事故時(shí)間降低83%（表1），能夠適用于東海深部復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，縮短了鉆井周期，節(jié)約了材料成本。護(hù)能力強(qiáng)。

表1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后應(yīng)用效果對(duì)比

GS3井井底最高溫度168 ℃，采用該鉆井液體系（抗高溫能力達(dá)到180 ℃），順利鉆完8-1/2″井段，抗高溫性能優(yōu)良。

本文進(jìn)一步分析了出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀中，幀內(nèi)字節(jié)出錯(cuò)的比例以及出錯(cuò)位置.圖3是40MHz帶寬時(shí)數(shù)據(jù)幀內(nèi)字節(jié)出錯(cuò)比例的均值和方差.可以看到對(duì)不同的FA長度，所有MCS 的幀內(nèi)字節(jié)出錯(cuò)比例平均值在10%以下，只有MCS12在FA為32時(shí)稍高一點(diǎn)，不到11%.方差大部分在1左右，最大不過4.5.帶寬20MHz的結(jié)果和此一致.這說明幀內(nèi)出錯(cuò)的字節(jié)數(shù)很少，采用FEC編碼糾錯(cuò)是可行的，而且會(huì)比較高效.

2.3 深層提速配套鉆井技術(shù)應(yīng)用效果

2.3.1 水力脈沖鉆井技術(shù)應(yīng)用效果

在東海海域，TWT-C1井、KQT3井、KQT4井、JG1井、JG2井、CX5井6口井試用了該短節(jié)，TWT-C1井僅使用15 m及JG2井地質(zhì)埋深較淺少于3 500 m，不做對(duì)比，其余4口井均體現(xiàn)了提速效果，下面主要對(duì)KQT區(qū)塊已鉆井的機(jī)械鉆速進(jìn)行對(duì)比分析，見表2，KQT4井相對(duì)KQT5井提高2.87%，提速效果不明顯。

2.2 鉆井液體系優(yōu)選應(yīng)用效果

東海探區(qū)有超過6口井采用了優(yōu)化后的強(qiáng)抑制性鉆井液體系（低自由水鉆井液體系），提高了井壁穩(wěn)定性，有效減少了井下復(fù)雜情況，下面以其中3口井的實(shí)際使用情況為例。

GS2井使用該鉆井液體系，其易垮塌井段，泥頁巖、煤層保持穩(wěn)定，井徑擴(kuò)大率僅3.42%，井壁穩(wěn)定性好。

GZZ1井使用該鉆井液體系，在保護(hù)油氣層方面效果顯著，測試產(chǎn)量超過50×104m3/d，儲(chǔ)層保

表2 KQT4井與KQT5井同井段對(duì)比

2.3.2 扭沖鉆井技術(shù)應(yīng)用效果

從2013年5月至今，扭沖工具在東海海域共應(yīng)用超過15口探井，主要作業(yè)地層在花港組及平湖組，扭沖工具對(duì)于穩(wěn)定鉆進(jìn)過程、提高機(jī)械鉆速、保護(hù)并延長鉆具壽命效果顯著?，F(xiàn)場LWD和錄井?dāng)?shù)據(jù)顯示見圖10、圖11。

圖10 GZZ1井LWD顯示的卡滑指數(shù)對(duì)比

圖11 不帶扭沖工具（左）與帶扭沖工具（右）錄井對(duì)比圖

（1）卡滑指數(shù)大幅下降

通過使用扭沖+PDC鉆頭組合后，卡滑指數(shù)得到了較好的控制，由原先的平均100 r/min降至10 r/min左右，增強(qiáng)了復(fù)合片切削效果，提高了鉆進(jìn)效率。

（2）扭矩平穩(wěn)

采用扭沖工具后，鉆頭能夠更好地吃入地層，一直處于切削巖屑的狀態(tài)，扭矩也更加平穩(wěn)，且處于較高的數(shù)值。

（3）機(jī)械鉆速使用對(duì)比

分別將GZZ1井與KQT5井、KQT4井同層位的機(jī)械鉆速進(jìn)行了對(duì)比，GZZ1井使用扭沖鉆具效果明顯，相對(duì)鄰井KQT5井及KQT4井機(jī)械鉆速分別提高20.6%及29.5%，見表3。

表3 GZZ1井、KQT4井與KQT5井同井段機(jī)械鉆速對(duì)比

2.3.3 控壓鉆井技術(shù)應(yīng)用效果

東海油氣田至目前為止一共實(shí)施了2口井，分別為YY4井及YY5井，在保護(hù)了油氣層的同時(shí)，深部地層機(jī)械鉆速得到了較大的提升，對(duì)比該區(qū)塊相同層位、巖性及相似深度的鄰井鉆井資料，YY4井較鄰井機(jī)械鉆速提高了45.1% ～ 92%，YY5井較鄰井機(jī)械鉆速提高了10.7% ～ 46.4%，見表4。

表4 深部地層機(jī)械鉆速對(duì)比

2.3.4 抗高溫螺桿鉆具應(yīng)用效果

在東海油氣田，目前只有YY2井試用了斯倫貝謝公司提供的vortex抗高溫螺桿鉆具[5]，該井試用該工具層段在花港組下段，井眼尺寸為8-3/8"，井深4 000 m左右，井下溫度超過150℃，屬于高溫井的范疇。該趟鉆具組合純鉆時(shí)21.63 h，進(jìn)尺91.2 m，平均機(jī)械鉆速4.22 m/h，跟自身鄰近相似地層、井深和井眼尺寸的機(jī)械鉆速相比，速度偏低，沒有達(dá)到預(yù)期的效果，見表5。最終因機(jī)械鉆速太慢，專業(yè)工程師判斷馬達(dá)失效起鉆，分析認(rèn)為：機(jī)械鉆速低的主要原因是馬達(dá)定子內(nèi)橡膠在大的井下溫差下提前失效，橡膠脫落，馬達(dá)損壞。

表5 YY2井深部地層機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）綜合考慮地層壓力分布、鉆井地質(zhì)目的和安全作業(yè)的要求，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)可滿足KQT區(qū)塊深部地層的鉆井作業(yè)需求。

（2）強(qiáng)抑制性的鉆井液體系能夠有效保護(hù)儲(chǔ)層、提高井壁穩(wěn)定性，減少了鉆井復(fù)雜情況。

（3）扭沖鉆具使用效果非常好，不僅有效地降低了卡滑效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速，而且改善了鉆頭井底工作環(huán)境，延長鉆頭使用壽命，大大提高了鉆井效率。建議在12-1/4"、8-1/2"井段使用扭沖鉆具。

（4）控壓鉆進(jìn)技術(shù)通過兩口井的使用效果對(duì)比，較常規(guī)采用加重鉆井液在深部地層鉆進(jìn)機(jī)械鉆速有較大幅度的提高，而且能切實(shí)有效的保護(hù)油氣層，建議進(jìn)行推廣使用。

（5）抗高溫螺桿鉆具可以有效地提升鉆頭切削破巖速度，盡管本次試驗(yàn)未能成功，但這可以作為未來該區(qū)塊主流的鉆井提速工具使用。

[1]陳庭根， 管志川. 鉆井工程理論與技術(shù)[M]. 山東東營： 石油大學(xué)出版社， 2000： 166-211.

[2]唐志軍．井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]．西部探礦工程，2005．17（6）：78-80．

[3]唐志軍， 梁希魁. 勝利油田淺海優(yōu)快鉆井技術(shù)探討[J]. 石油鉆探技術(shù)， 1999， 27（5）： 32-33.

[4]張海山. 東海深井高溫高壓低孔滲儲(chǔ)層鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 海洋石油， 2014， 34（2）： 88-92.

[5]李廣，郭辛陽，李娟．提高鉆速新技術(shù)研究進(jìn)展[J]．鉆采工藝，2010，33（6）：31-35．

Study on the Technology for Increasing Drilling Rate in Deep Well at KQT Structure

WANG Xiaoshan, LEI Xinchao, JIA Fenglong, YANG Tao
（SINOPEC Shanghai Offshore Oil & Gas Company, Shanghai 200120, China）

Due to the complex situations of formation pressure systems and geological lithology below 3 500 ～ 4 500 m well section at KQT Structure, complex situations occurred frequently during drilling, affecting seriously on drilling efficiency and the acquisition quality of geological data. In this paper, based on the data from wells drilled in KQT structure, the deep well drilling data below 3 500 m has been analyzed, statistical analysis on the formation pressure distribution has been conducted. In addition, the location of complex reservoirs and the reservoir characteristics have been made clear, and the well structure has been designed for deep wells. Based on the study results, further analysis of the advantages and disadvantages of the existing drilling fluid has been conducted and suggestion on optimization has been put forward. In addition, analysis on rock drillability has been conducted, the usage situation of the existing drill bit has been summarized, and some improvement suggestions have been put forward. Finally, statistical analysis has been conducted on the drilling tools for improving drilling rate in KQT structure, and the most effective drilling tools has been found. Based on the results, the technology scheme for increasing deep drilling rate has been made, which can be used for guiding the field operation.

Deep stratum; increasing drilling rate; well structure; drilling fluid; drilling tools for increasing drilling rate

TE242

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.081

1008-2336（2016）04-0081-07

2016-07-18；改回日期：2016-09-30

王孝山，男，1981年生，高級(jí)工程師，2004年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)勘查技術(shù)與工程系，主要從事海上石油技術(shù)服務(wù)及研究工作。

E-mail：wangxsh.shhy@sinopec.com。