張俊成 蔣貴智 國林帥 王富偉 王露 王家強 李江

1. 長江大學石油工程學院；2. 新疆貝肯能源工程股份有限公司；3. 中石化新疆新春石油開發(fā)有限責任公司

我國準噶爾盆地存在油氣資源巨大的火成巖油藏，是新疆近30年來的重點勘探開發(fā)區(qū)域。P區(qū)塊構(gòu)造上位于準噶爾盆地西部隆起，自下而上鉆遇石炭系、侏羅系、白堊系，新近系、第四系，中上部新近系為沙灣組、塔西河組、獨山子組，第四系為西域組。其中P區(qū)塊石炭系為主要含油層系，其石炭系火成巖油藏屬于常溫常壓斷層-裂縫性油藏，油藏埋深820～1 200 m。該區(qū)塊火成巖儲層非均質(zhì)性嚴重，巖石致密，巖性復雜，易發(fā)生井斜、井漏，嚴重制約著該區(qū)塊的油氣鉆采開發(fā)［1-5］。筆者針對石炭系火成巖油藏特點，參考國內(nèi)相同、類似鉆井地質(zhì)特點的區(qū)塊，探索形成了適用于該區(qū)塊火成巖油藏的系列鉆井提速提效技術。

1 鉆井技術難點

1.1 安全密度窗口窄，鉆井溢漏同存，地層承壓能力弱，固井漏失嚴重

P區(qū)塊石炭系火成巖油藏，初始認為是塊狀油藏，后期深入分析，地質(zhì)認識上向斷層-裂縫控制性油藏轉(zhuǎn)變。在此基礎上水平井軌跡也轉(zhuǎn)變?yōu)楸M可能地穿越斷層、裂縫富集區(qū)。斷裂發(fā)育區(qū)油氣顯示活躍，安全密度窗口窄，存在井漏和溢流的雙重風險［6］。P-P16井(2018年)三開鉆進至1 375 m石炭系時發(fā)生裂縫性漏失，鉆井液密度為1.07 g/cm3，漏失速度為24.0 m3/h，密度降為1.04 g/cm3，發(fā)生溢流，停泵井涌，開泵井漏，被迫提前完鉆，漏失鉆井液130 m3，溢出原油110 m3。

該區(qū)塊侏羅系地層巖性為灰黑色角礫巖、灰色砂礫巖，上、下分別與白堊系、石炭系呈角度不整合接觸，石炭系地層頂部發(fā)育一層風化殼，地層承壓能力弱，鉆井和固井過程中呈現(xiàn)不同程度的漏失現(xiàn)象。P-P38井在井深881 m時發(fā)生失返性漏失，損失周期42 h。據(jù)統(tǒng)計，該區(qū)塊固井過程中發(fā)生漏失的井占比高達70%，井口水泥返高嚴重不足，固井質(zhì)量大多不合格，給油井壽命造成較大隱患。

1.2 火成巖巖石硬度高，可鉆性差，研磨性強

石炭系火成巖巖石硬度高，可鉆性差，研磨性強［7-8］，地層巖石硬度在1 103～1 827 MPa之間，可鉆性級值為5～7級，牙輪鉆頭使用壽命短，單只鉆頭進尺少。2016年前，以直井開發(fā)為主，在?215.9 mm井眼鉆進中，牙輪鉆頭平均鉆速僅為2.88 m/h，如表1所示。若采用水平井開發(fā)，機械鉆速低會導致鉆井周期長、投資大，無法實現(xiàn)效益開發(fā)。

表1 P區(qū)塊石炭系牙輪鉆頭使用統(tǒng)計Table 1 Statistical use of cone bit in the Carboniferous of P Block

1.3 火成巖巖性復雜、非均質(zhì)性較強，水平段穩(wěn)斜效果差

石炭系火成巖巖性復雜、非均質(zhì)性較強，水平段鉆具穩(wěn)斜效果不佳，復合鉆進增斜趨勢明顯，增斜率為4～10(°)/100 m，導致頻繁調(diào)整井眼軌跡?；旧厦裤@進30～45 m，需進行定向降井斜4～5°；水平段鉆進期間，平均滑動進尺47 m，滑動鉆進比例達10.51%，如表2、表3所示。

表2 水平段造斜率Table 2 Buildup rate of horizontal section

表3 水平井水平段滑動鉆進情況統(tǒng)計Table 3 Statistical sliding drilling in horizontal section of horizontal well

1.4 上部地層造漿嚴重，易擴徑；石炭系儲層微裂縫發(fā)育，油層易污染

該區(qū)塊上部地層以砂泥巖為主，泥質(zhì)含量高，易對鉆井液造成污染；鉆遇砂、礫巖層時，易糊篩網(wǎng)造成跑漿。處理不及時存在擴徑風險。而石炭系儲層經(jīng)歷了海西期、印支期、燕山期和喜山期運動，發(fā)育多條南北向、北東向、北西向和近東西向的斷裂，形成了大量的構(gòu)造裂縫，儲層非均質(zhì)性非常嚴重。研究發(fā)現(xiàn)石炭系儲層敏感性不強，主要污染途徑為固相侵害，鉆井液中的固相顆粒進入微裂縫中，造成滲透率急劇下降［9-12］。如早期施工的P-P1井，鉆井過程發(fā)生井涌，使用20 t重晶石加重鉆井液壓井，油層遭受污染，試采效果差。

2 高效鉆井及提速提效技術對策

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對上部地層造漿嚴重，下部石炭系地層安全密度窗口窄、油層保護難度大的問題，該區(qū)塊優(yōu)化為三開井身結(jié)構(gòu)。表層套管下深80～100 m，封固上部松散地層，為井口控制和后續(xù)鉆井創(chuàng)造條件；二開技術套管下至石炭系頂部10～15 m；三開石炭系采用低固相復合鹽鉆井液鉆進。2017年前施工的P-P1～P-P8井，各井鉆遇深度不同，但均采用三開井身結(jié)構(gòu)：?444.7 mm井眼(?339.7 mm套管) + ?311.2 mm井眼(?244.5 mm套管) + ?215.9 mm井眼(?139.7 mm套管)，鉆井周期長、投資大，鉆井平均周期19.5 d。經(jīng)過優(yōu)化論證，縮小各開次井眼和套管尺寸，形成了新三開井身結(jié)構(gòu)設計方案：?346.1 mm井眼( ?273.1 mm套管×81 m)+ ?241.3 mm井眼(?177.8 mm套管×969 m)+?152.4 mm井眼(?114.3 mm尾管×1 643 m)，其中尾管段含打孔篩管200 m。此結(jié)構(gòu)更有利于提速，平均鉆井周期13.3 d。

2.2 高效破巖鉆頭優(yōu)選

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡理論，通過建立鉆頭類型與鉆井參數(shù)優(yōu)選數(shù)學模型，開發(fā)了一套鉆頭類型與鉆井參數(shù)智能優(yōu)化分析系統(tǒng)。在不同機械鉆速和鉆頭進尺權重下，推薦出火成巖高效鉆頭優(yōu)選方案：一開鉆進新生界第四系西域組或新近系獨山子組時，直井推薦采用P2型牙輪鉆頭，水平井推薦采用MP2型牙輪鉆頭；二開由新近系塔河西組開始，依次鉆遇新近系沙灣組、中生界白堊系、中生界侏羅系，鉆進直井時推薦HAT127牙輪鉆頭，鉆進水平井時推薦采用HAT127牙輪鉆頭和HJT517G牙輪鉆頭；三開鉆進上古生界石炭系地層，直井和水平井都推薦采用高效PDC鉆頭?，F(xiàn)場應用表明，一開、二開牙輪鉆頭可滿足要求，平均機械鉆速30 m/h左右。

針對火成巖地層，收集13口井22塊石炭系火成巖巖心，開展室內(nèi)巖石力學實驗205組次，獲取了火成巖可鉆性、硬度、抗壓強度等巖石特性參數(shù)(表4)，為石炭系高效PDC鉆頭優(yōu)選提供了依據(jù)。水平井采用PK6145MH鉆頭，該鉆頭具有直徑為13.4 mm的耐沖復合片，六刀翼雙排切削結(jié)構(gòu)，中高密度布齒，中排屑槽水力結(jié)構(gòu)倒劃眼切削結(jié)構(gòu)，定向造斜工具面穩(wěn)定、造斜率高、機械鉆速高。直井采用PK5234SJ鉆頭，該鉆頭具有直徑為16 mm的耐沖復合片、五刀翼雙排切削結(jié)構(gòu)，中高密度布齒，中排屑槽水力結(jié)構(gòu)倒劃眼切削結(jié)構(gòu)。三開采用PDC鉆頭+螺桿鉆進，機械鉆速達到12～16 m/h。

表4 P區(qū)塊火成巖巖心力學實驗數(shù)據(jù)Table 4 Mechanical experimental data of igneous rock core in P Block

2.3 水平段穩(wěn)斜鉆具優(yōu)化設計

水平井技術是實現(xiàn)準噶爾盆地致密油開發(fā)的重要途徑［13-14］?？紤]到石炭系儲層主要以鉆遇斷層-裂縫為主，斷層和裂縫的精細刻畫在室內(nèi)已經(jīng)完成，不需要在砂泥巖儲層水平段鉆進時頻繁調(diào)整軌跡，設計軌跡即為最優(yōu)軌跡。井底鉆具組合(BHA)在井下鉆進時的受力示意圖如圖1所示。其中地層造斜力是被動力，即Ff，鉆頭側(cè)向力與鉆壓沿垂直井眼軸線方向分量的合力是主動力，即F1+p1。當鉆頭上的主動力合力為降斜力時(降斜力用負值表示)，就具備了降斜的可能性。但實際情況如何，還應看其是否大于地層造斜力(被動力)。當具有降斜特征的主動力大于地層造斜力時，就能起到降斜作用，否則井斜角將繼續(xù)增加。

考慮鉆頭在地層中的造斜過程實為鉆頭與地層相互作用并逐漸趨于平衡的過程理論，如圖2所示，圖中x為實際鉆進方向；Er、Ef、Ea、Ed分別為鉆進趨勢方向、鉆頭合力方向、鉆頭軸線方向及地層法線方向的單位矢量；αr為鉆進趨勢方向與實際鉆進方向之間的夾角，稱為鉆進趨勢角。鉆進過程中αr初始不為0，隨著鉆進，在井下力學作用下，會逐漸趨于0，鉆進方向逐步與實際鉆進方向重合，實際造斜率與設計造斜率最終相等，達到平衡。為保證軌跡更好地按照設計要求鉆進，綜合考慮鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)、鉆頭特性及石炭系裂縫油藏地層特點等因素影響。基于BHA井下鉆進受力原理和平衡趨勢理論，建立了適用于目標區(qū)塊的底部鉆具造斜率定量預測方法。針對目標區(qū)塊地層特性及不同鉆具結(jié)構(gòu)，進行關鍵參數(shù)影響規(guī)律分析，優(yōu)化設計了底部鉆具組合、優(yōu)選了鉆進參數(shù)，成功指導水平段高效穩(wěn)斜鉆進。

圖1 井下鉆具組合受力圖Fig. 1 Stress diagram of bottom hole assembly

圖2 平衡趨勢法Fig. 2 Equilibrium trend method

分析BHA關鍵參數(shù)對復合鉆進造斜率影響規(guī)律，推薦螺桿本體扶正塊外徑為154～158 mm，本體扶正塊與鉆頭距離0.6～0.95 m，螺桿頂端與本體扶正塊距離6.0～7.2 m。當控制鉆壓在40～80 kN之間變化時，可以實現(xiàn)螺桿鉆具組合復合鉆進的增斜、穩(wěn)斜和降斜的控制。通過實時調(diào)整鉆壓等鉆進參數(shù)，基本實現(xiàn)了水平段穩(wěn)斜快速鉆進。如該區(qū)塊P673-P1井在水平段僅滑動鉆進31 m，與前期實施的8口水平井平均滑動進尺(47 m)相比，減少了34.04%，水平段機械鉆速達12.11 m/h，相比該區(qū)塊P-P1～P-P8井，在石炭系提速40.16%，后期施工井的機械鉆速逐步提高。

以俠義、狂肆、極辣之語論說少陵，雖然似乎與常規(guī)性地采取中庸寬厚等話語描述君子大相徑庭，但是細究起來，卻絲毫不顯突兀。 俠、狂、辣的特質(zhì)歸根結(jié)底為一個“勇”字。 《論語·陽貨》曰：“子路曰：‘君子尚勇乎？’子曰：‘君子義以為上，君子有勇而無義為亂，小人有勇而無義為盜。 ’”勇者之為君子，須有義作為支撐，“君子以義為質(zhì)”(《論語·衛(wèi)靈公》)，從而外化出俠、狂、辣的特質(zhì)，君子為義而勇則俠，因勇而生狂，性勇則辣，所以賦予杜甫以更為完備的君子人格，符合儒家文化的要求。

2.4 基于鉆井液體系優(yōu)化的儲層保護

P區(qū)塊上部地層巖性以砂泥巖為主，膠結(jié)疏松，必須控制好鉆井液流變性和水力參數(shù)，防止井徑擴大，保證井眼質(zhì)量，同時考慮鉆井液的潤滑性，防止鉆具阻卡，因此選用聚合物潤滑防塌鉆井液體系，配合低黏、低切、低固相、高失水、高聚合物含量的維護工藝，保證井下安全。

通過巖心浸泡實驗、膨脹實驗及回收率實驗(圖3)，發(fā)現(xiàn)胺基聚醇抑制性能最強，浸泡48 h后巖心崩散最弱，膨脹率較低，一次回收率最高，因此選用胺基聚醇作為上部地層主要抑制劑。圖3中從左到右：1號為清水，2號為3%氯化鉀，3號為2%聚合醇，4號為1%胺基聚醇。

圖3 不同處理劑耐崩散性能對比Fig. 3 Comparison of slake durability between different treatment agents

在鉆井液中重晶石、青石粉等加重劑的混入對儲層傷害較大。對于低固相復合鹽鉆井液體系［15］，使用工業(yè)鹽作為加重劑、CaCl2鹽水作為輔助礦化度調(diào)節(jié)劑，對儲層無傷害。體系組成：(2～3)%膨潤土+(0.2～0.3)%Na2CO3+(0.2～0.3)%PAM+(0.5～1)%HV-PAC+(3～4)%NaCl+(1.5～2)%CaCl2+(2～3)%油基潤滑劑-2+(1～1.5)%磺酸鹽共聚物。對比了不同介質(zhì)驅(qū)替壓力與滲透率恢復值趨勢(圖4)，可以看出低固相鉆井液啟動壓力低、滲透率恢復值高，能夠有效地減輕固相侵入對儲層的傷害。

已完鉆的30口水平井中，該區(qū)塊P-P1～P-P8共8口井使用青石粉作為加重劑的低固相聚合物鉆井液體系，其中P-P3井初期日產(chǎn)油13.5 t/d，P-P2井日產(chǎn)油8.6 t/d，剩余6口井不足5 t/d，后期完鉆的24口井使用低固相復合鹽鉆井液體系(表5)，采油效果明顯好轉(zhuǎn)，除5口井鉆遇裂縫不發(fā)育區(qū)域，日產(chǎn)不足5 t/d，其余井平均日產(chǎn)油14.7 t/d。

2.5 固完井優(yōu)化技術

P區(qū)塊侏羅系上、下存在兩個不整合面，其中白堊系、侏羅系界面是最主要漏失層位，?177.8 mm技術套管封至石炭系頂10～15 m，此時井斜大，超過53°，套管貼邊，頂替效率低，固井漏失井占比較大。為解決固井漏失問題，前期嘗試采用分級固井工藝，并沒有取得效果，固井二界面固井質(zhì)量多數(shù)較差。為此，對施工工藝進行了優(yōu)化：(1)完井后雙扶正器結(jié)構(gòu)通井，清除虛濾餅；(2)下套管到底，小排量開泵循環(huán)，確認井底稠漿返出，無漏失后再提高排量；(3)使用驅(qū)油+沖洗型的雙效前置液，并根據(jù)井身情況適時加大使用量，延長接觸時間，提高沖洗效果；(4)優(yōu)化水泥漿柱設計，使用雙凝水泥漿體系，領漿采用堵漏漂珠水泥漿體系，尾漿使用晶格膨脹早強水泥漿體系，既實現(xiàn)了有效壓穩(wěn)，又能保證尾漿固井不漏，保證尾漿井段固井質(zhì)量；(5)采用大排量替漿及稠漿慢替相結(jié)合的方法，合理控制替漿排量，保證頂替效果；若出現(xiàn)漏失井，井口及時回擠水泥，保證井口固井質(zhì)量。通過優(yōu)化，固井質(zhì)量得到明顯改善。

圖4 在不同鉆井液情況下滲透率恢復值隨驅(qū)替壓力梯度的變化Fig. 4 Variation of permeability recovery with displacement pressure gradient under the conditions with different

表5 低固相復合鹽鉆井液體系性能參數(shù)Table 5 Property parameters of low-solid compound salt drilling fluid

對該區(qū)塊完井方式進行優(yōu)選，適合該油藏的完井方式有裸眼完井、篩管完井和固井射孔完井［16］，通過建立三維兩相流動數(shù)學模型，考慮不同完井方式條件下的采液指數(shù)發(fā)現(xiàn)，當油藏壓力為11.7 MPa、井底壓力為9.07 MPa時，裸眼完井、篩管完井和固井射孔完井的采液指數(shù)分別6.17 m3/(d · MPa)、2.2 m3/(d · MPa)、1.0 m3/(d · MPa)。同時，對石炭系井壁穩(wěn)定性進行分析計算，當井筒內(nèi)液柱壓力不大于3.41 MPa時，水平段A靶點處存在坍塌失穩(wěn)的風險，考慮生產(chǎn)過程中A靶點附近存在的井壁不穩(wěn)定風險，水平井選用打孔篩管完井方式，但裸眼完井的采液指數(shù)約為打孔篩管完井采液指數(shù)的3倍。綜合考慮，為最大限度地提高采液量，同時降低A靶點坍塌風險，水平段采用打孔篩管下至A靶點以下200 m，后面采用300 m裸眼完井的管串結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可滿足采液和井壁穩(wěn)定兩方面要求，并大幅度減少完井管材等完井投資。

2.6 “漏、溢”處理技術

傳統(tǒng)鉆井觀念認為，井漏、溢流均為復雜情況，遇漏要堵，遇溢要壓，否則無法實現(xiàn)安全鉆井，但石炭系裂縫性油藏開發(fā)顛覆了這一觀點，石炭系油藏非均質(zhì)性嚴重，斷層-裂縫是成藏的最佳存儲空間，鉆井軌跡找尋的就是斷層-裂縫區(qū)，遇漏說明斷層發(fā)育，遇溢說明油氣活躍。吸取該區(qū)塊已鉆井堵漏、壓井的失敗經(jīng)驗，分析認為該區(qū)塊為常壓地層，井控風險低，提出“漏而不堵，溢而不壓”的鉆井新理念。當鉆井發(fā)生井漏時，只要能建立起循環(huán)攜砂，就配漿繼續(xù)鉆進，當發(fā)生溢流時，循環(huán)排氣，提高鉆井液密度堅持鉆進，禁止混入青石粉或重晶石粉，當鉆井液失返、溢流油氣量大或者鉆井液密度大于1.1 g/cm3時，綜合考慮油層保護、井下安全，提前完鉆，快速投產(chǎn)。如該區(qū)塊P-P22井三開在平均漏速15 m3/h的困難情況下邊漏邊鉆245 m水平段，此類井(數(shù)據(jù)見表6)投產(chǎn)均為高產(chǎn)。

表6 “漏、溢”處理效果Table 6 Leakage and overflow treatment effect

3 應用效果

2017年，在該區(qū)塊前期鉆探評價認識的基礎上，綜合運用斷層-裂縫成藏理論、鉆井提速提效技術，部署了P區(qū)塊產(chǎn)能建設方案，設計水平井22口、2019年和2020年又分別在該區(qū)塊東側(cè)、西南側(cè)部署水平井8口，取得了石炭系火成巖油藏開發(fā)的重大突破。原設計鉆井周期19.5 d；三開實鉆平均機械鉆速達到12～16 m/h，見表7，平均鉆井周期13.3 d，平均單井鉆井投資由597萬元降至435萬元，提速效果顯著，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

表7 P-P39井鉆井施工參數(shù)和施工效果Table 7 Drilling construction parameters and effect of Well P-P39

4 結(jié)論

(1) P區(qū)塊火成巖油藏開發(fā)的最適宜井型為三開水平井，采用?346.1 mm井眼(?273.1 mm套管)+?241.3 mm井眼(?177.8 mm套管)+ ?152.4 mm井眼(?114.3 mm套管)的井身結(jié)構(gòu)，最優(yōu)完井生產(chǎn)管柱管串結(jié)構(gòu)為水平段采用打孔篩管+裸眼完井的方式。

(2)通過高效PDC鉆頭優(yōu)選和穩(wěn)斜鉆具優(yōu)化設計，石炭系火成巖地層鉆頭進尺、機械鉆速和軌跡控制效率均得到了明顯提高。

(3)低固相復合鹽鉆井液啟動壓力低、滲透率恢復值高，能夠避免固相及濾液造成的儲層傷害，具有良好的火成巖儲層保護效果。

(4)“漏而不堵，溢而不壓”的鉆井新理念可滿足該區(qū)塊石炭系的開發(fā)需求，提高了單井產(chǎn)油量。