克拉美丽山前地区石炭系钻井提速配套技术

申延晴 牛罡 张媛 朱雪华 宋波凯

摘      要： 克拉美麗山前地区石炭系火山岩油气藏，钻井纵向上存在压力系统复杂、地层易漏易塌、钻头选型困难，机械钻速慢，钻井工期长等问题。针对以上问题，通过优化井身结构，建立多因素的钻头优选方法，优选合理的钻头型号和个性化PDC钻头;优选钾钙基钻井液体系;采用复合钻井技术。最终形成了适合该地区石炭系的钻井提速配套技术。通过10口井现场试验表明，井下复杂时率由4.5%降低至1.5%，石炭系火山岩机械钻速由2.87 m/h提高至5.05 m/h，单井钻井工期缩短了10～15 d。这表明，钻井提速配套技术可以降低复杂时率，提高机械钻速，缩短钻井工期，为该地区资源规模有效开发和钻井提速提供了技术支撑，具有较好的实用性和推广应用价值。

关  键  词：钻井提速;井身结构;钻头优选;PDC钻头;复合钻井技术;石炭系;火山岩

中图分类号：TE 22       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）11-2634-05

Matching Technology of Drilling Speed Increase for Carboniferous

Reservoirs in Kelameili Mountain Front Area

   SHEN Yan-qing¹， NIU Gang¹， ZHANG Yuan¹， ZHU Xue-hua¹， SONG Bo-kai²

（1. Exploration Utility Department， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Xinjiang Karamay 834000， China;

2. College of Petroleum Engineering， Yangtze University， Hubei Wuhan430100， China）

Abstract： There were many drilling problems in carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area， such as complicated pressure system， easy to leak and collapse in the formation， difficult type selection of bit， slow drilling speed， long drilling time and so on. In view of above problems，by optimizing the well structure and selecting the scientific and reasonable bit model， a multi-factor bit selection method was established， and the personalized PDC bit was optimized as well as potassium calcium based drilling fluid system， and compound drilling technology was used to form a matching technology for the drilling speed increase of carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area of Xinjiang oil field. The field tests of 10 wells showed that the underground time rate was reduced from 4.5% to 1.5%， the mechanical drilling speed of the carboniferous volcanic rock was increased from 2.87 m/h to 5.05 m/h， and the single well drilling time was shortened 10～15 days. It shows that the technology to increase drilling speed for carboniferous reservoir in Kelameili mountain front area can reduce the complex time rate， improve the mechanical drilling speed， shorten the drilling time， which can provide the technical support for the effective exploitation of the resources and the speed increase of the drilling in this area， so the matching technology has good practicability and the value of popularization and application.

Key words： Drilling speed increase; Well structure; Bit optimization; PDC bit; Compound drilling technology; Carboniferous; Volcanic rock

近年来，克拉美丽山前石炭系火山岩油气藏成为新疆油田重点天然气勘探领域。探井钻井情况表明：该区石炭系埋深度达3 500～5 000 m，厚度为300～1 200 m，岩性为泥岩、凝灰岩、安山岩、玄武岩、火山角砾岩等，纵向岩性变化频繁，夹层多，岩石可钻性级值高达7～9，单轴抗强度150 MPa以上，钻头选型困难，机械钻速慢，钻井工期长。上部三叠系和二叠系砂泥岩夹层发育，井壁稳定差，井径不规则，下部石炭系天然裂缝发育，易发生漏失，安全钻井密度窗口窄，深层石炭系钻井风险大，井身结构优化困难^[1]。因此，围绕克拉美丽石炭系火山岩气藏开发钻井技术需求，开展井身结构优化及快速钻井技术研究，形成适合克拉美丽石炭系火山岩气藏钻井提速配套技术。研究成果在现场取得了良好的实施效果。

1  钻井提速难点分析及主要问题

1.1  提速难点分析

（1）地层压力系统复杂。地层压力系统纵向上呈上低、中高、下不确定的复杂情况，上部地层（K1tg～J1b）正常压实，地层压力系数1.00左右;中下部地层（T3b～T1b）为压力过渡带，P3wt～C为异常压力段，压力系数0.7～1.4;M6井石炭系实测压力系数：1.254～1.33，M10井石炭系实测压力系数：1.057～1.216。

（2）漏失压力低、漏层发育，防漏堵漏难度大，普遍存在漏失现象^[2]。地层压力与漏失压力接近，安全钻井密度窗口窄;漏失频率高、漏失量大;全区域、各层位均有漏层发育，渗透型、裂缝型并存^[3]。

（3）中下部地层不稳定，石炭系顶部存在碳质泥岩，易坍塌。侏罗系以上地层坍塌压力较低（0.5～1.0），侏罗系底部至石炭系顶部地层坍塌压力系数较高（1.1～1.4）^[4]。

（4）二叠系砂砾岩、石炭系火山岩岩石强度高，岩性变化大，钻头选型难，钻速低。二叠系牙轮钻头可钻性5级～6级，石炭系牙轮钻头可钻性6级～7级^[5]。

1.2  主要问题

（1）井漏频繁、漏失量大。

（2）阻卡事故多。

（3）钻井速度低，钻井周期长，钻井成本高。由于该区复杂的钻井地质特点，造成钻井周期长达3台月～4台月，钻井成本高。

2  钻井提速配套技术

2.1  井身结构优化

2.1.1  设计依据

（1）有利于减少井下复杂，保证钻井施工安全。要防止浅层流砂层渗漏，白垩系、侏罗系、三叠系地层渗漏、二叠系、石炭系裂缝漏失。要有利于防止浅部地层垮塌，胜金口组（K1s）大套褐色泥岩垮塌，八道湾组煤层及及灰黑色碳质泥岩垮塌，三叠系克拉玛依组褐色泥岩垮塌，梧桐沟组褐色泥岩垮塌。防止石炭系井漏与井喷。

（2）根据压力系统的分布规律，确定套管层次和下深。根据地质录井资料、试气资料统计，克拉美丽地层压力可以分为三个压力分布区域：正常压力带，压力过渡带和异常压力带。在区域分布上，也存在较为明显的变化规律，如白垩系呼图壁组自东向西地层压力逐渐升高（0.8～0.9）;侏罗系三工河组自东偏南方向向西偏北方向压力升高（0.8～1.0），侏罗系八道湾自东北向西南抬升，压力系数为0.9～1.1，局部地方高达1.2;石炭系地层压力自东偏南方向向西偏北方向压力升高（0.8～1.3）。

（3）考虑有利于采用钻井提速和安全钻进需求。二叠系地层硬，地层易垮塌，存在大尺寸钻进钻速慢问题^[6]。为防止该段泥岩坍塌，提高密度又带来上部地层的漏失问题。

（4）符合行业规范与标准。

2.1.2  井身结构优化方案

克拉美丽山前构造井身结构优化方案见表1。

采用Φ444.5 mm钻头钻至井深500 m，下入F339.7 mm表层套管，采用内管注水泥工艺固井，水泥浆返至地面。封隔地表流沙层，为井口控制和后续安全钻井创造条件。

2.2  地层岩石力学特性分析及钻头优选

2.2.1  地层岩石力学特性分析

M8井钻井岩石力学强度剖面见图1。

M8井各层段钻井岩石力学强度具有以下特点：

（1）白垩系地层强度24 MPa，内摩擦角34°。连木沁组下部（～1 200 m）存在4～5段夹层，整体硬度不高，在60 MPa左右，相对平均硬度变化幅度较大，钻头从软地层进入硬夹层容易导致冲击断齿，在该段注意钻井参数的控制。

（2）侏罗系地层强度70 MPa，内摩擦角37°。地层软硬交互频繁，容易掉块、漏失，进入侏罗系地层硬度整体提升近50%，地层软硬夹层增多且强度变化幅度达到90%。同时该段存在8～10段砾石夹层，厚度达到22～24 m，對PDC钻头影响较大，因此在八道湾组要根据地层变化，及时调整钻井参数，减少夹层对钻头的破坏。

（3）三叠系地层强度64 MPa，内摩擦角36°。夹层多易漏失、垮塌。三叠系地层强度有所下降，其白碱滩下部、克拉玛依上部强度仅为21 MPa，但是地层软硬变换频率较高，应注意井眼质量。

（4）二叠系梧桐沟组及石炭系岩石强度75～97 MPa，内摩擦角41°。泥岩段水敏性强，易剥落，石炭系上部泥岩、安山岩及凝灰岩交错分布，软硬变化频繁且地层研磨性高，应选用抗冲击性钻头。

2.2.2  PDC钻头优选

随着PDC钻头的广泛使用，PDC钻头的性能有了很大的提高，从软底层到硬地层都已经可以使用，而且使用寿命长，钻进速度快，起下钻次数少，从而达到了缩短钻井周期的目的。上部白垩系、侏罗系地层，实现二开两趟钻工程，选用窄刀翼大排泄槽，提高钻头防泥包能力;砾石夹层，选用优质H3复合片，提高钻头抗冲击性;选用5刀翼19 mm齿，提高机械钻速;因此，笔者建议选用DBS钻头SF55H3。通过PDC钻头优选，达到了预期的现场应用效果：二开段成功实现两趟钻，二开段机械钻速提高51%，单趟钻进尺提高1.6倍，二开段钻井工期节约17.5 d。

2.2.3  Ф215.9 mm尺寸钻头优选

M8井石炭系地层研磨性相对较高、岩石内摩擦角在40°以上，岩石平均抗压强度在90 MPa左右。钻进过程中，容易造成钻头外排齿及掌尖磨损，降低钻头的可靠性。基于现有钻头使用分析，本文建议选用阿特拉U513S高效PDC钻头，增长钻头进尺，以减少起下钻次数，提高钻井效率。Ф215.9 mm尺寸钻头使用效果对比见表2，可以看出，在M6井、M8井使用阿特拉U513S高效PDC钻头时，钻井机械钻速明显提高。

2.2.4  钻头优选序列

二开先设计一致三牙轮钻穿白垩系底部砂砾岩后，再下入4刀翼或5刀翼PDC钻头钻至侏罗系八道湾组中下部，再设计一只牙轮钻头钻穿八道湾组砂砾岩到白碱滩稳定泥岩;三开先设计一只阿特拉高效PDC钻头钻穿三叠系克拉玛依组中部，钻至石炭系目的层，最后设计一只牙轮钻头钻至设计完钻井深^[7]。钻头方案设计见表3。

2.3  钾钙基钻井液体系优选

克拉美丽地区地层层系多、经历地质变动大、不整合接触、断裂系统发育、物源充足、沉积快速、欠压实、孔隙度高、裂缝发育、井漏等问题突出。根据实际钻井情况和对地层属性的分析，为了避免和减少钻井过程中井下复杂情况的发生以及减少钻井液对储层造成的损害，根据该地区钻井、地质及储层保护的要求优选确定钻井液体系及配方。二开、三开选择钾钙基钻井液体系，钾钙基钻井液体系是以有机盐钻井液体系为基础，进一步强化钻井液抑制能力，强化K⁺、Ca²⁺离子增效抑制作用，优选与之配套的处理剂及防漏堵漏材料，完善重泥浆流变控制技术。因此，笔者建议钻井液体系及配方：

一开采用普通坂土CMC钻井液体系，配方为10%坂土+0.4%Na₂CO₃+0.4%CMC（中）+堵漏剂+重晶石。

二开采用钾钙基钻井液体系，配方为4%坂土+0.2%Na₂CO₃+0.2%KOH+0.5%～0.7%SP-8+0.5%～0.7%PMHA-2+5%～7%KCl+0.5%～0.6%NPAN+2%SHY-2+3%阳离子乳化瀝青+1%润滑剂+0.2%～0.5%CaO+1%～2%ZL+3%JCM-12+堵漏剂+0.2%消泡剂+重晶石。

三开采用钾钙基钻井液体系，配方为4%坂土+0.2%Na₂CO₃+0.2%KOH+0.5%～0.7%SP-8+0.5%～0.7%PMHA-2+5%～7%KCl+0.5%～0.6%NPAN+2%SHY-2+3%阳离子乳化沥青+1%～2%润滑剂+0.2%～0.5%CaO+1%～2%ZL+3%JCM-12+堵漏剂+0.2%消泡剂+重晶石。

根据上述配方对体系优化后的抗温性能、抑制性、润滑性等进行了室内实验评价。经过优化后的体系性能稳定，抗温性可达140 ℃以上，一次二次滚动回收率高，抑制性强，能有效稳定井壁;润滑性优良，有效降低扭矩和摩阻，预防卡钻等复杂;在漏失量和次数等方面明显降低，确保了顺利、安全、快速钻井施工，满足克拉美丽山前区块的钻井工程需要。2017年，克拉美丽山前地区钻井工程中均使用了优化后的钾钙基钻井液体系，井下复杂时率由4.5%降低至1.5%，较攻关前明显降低。

2.4  复合钻井技术

2.4.1  螺杆钻具+PDC钻头

螺杆钻具+PDC钻头复合钻井技术已被国内外所公认为可以显著提高机械钻速^[8]：在钻柱强度不受影响的情况下，可大幅度提高钻头转速，增加单位时间内钻头对地层的切削次数，充分发挥PDC钻头低钻压高转速的破岩优势;在此种钻井方式下，由于转盘以低转速转动，可以减小整个钻柱与井壁或套管壁间的摩擦扭矩，有效改善了钻柱的受力状况，提高钻具的使用寿命;利用螺杆+转盘复合钻井，可以给钻头提供稳定的扭矩，延长钻头使用寿命，增加单只钻头的进尺。PDC钻头适应的转速在120～300 r/min，通常复合钻井的转盘转速为50～65 r/min，加上螺杆的转速120～150 r/min，钻头转速在170～215 r/min，充分发挥PDC高转速的特点来提高钻井速度^[9]。

M8井采用复合钻，由表4钻速对比可以看出，二开采用Φ311.2 mm钻头复合钻井，平均钻速为12.74 m/h，是转盘转的1.58倍;三开采用Φ215.9 mm钻头复合钻井，平均钻速为4.80 m/h，是转盘转的1.79倍，复合钻井的钻速以及平均进尺得到了极大的提高。

2.4.2  提速工具+PDC钻头

通过现场试验，二开段二叠系、三叠系借助提速工具（多维扭力冲击器3DXC）+PDC钻头提速，机械钻速大幅提升，平均提速1倍以上，大大缩短了施工周期，效果明显。三开段目的层石炭系天然裂缝发育，易发生漏失，机械钻速偏低。通过首轮实施井DT1井试验，在石炭系中上部采用提速工具+PDC钻头进行提速，机械钻速获得突破，平均机械钻速达到4.4 m/h，较往年邻井提速1.2倍^[10]。因此，笔者建议后续实施井采用石炭系中上部采用提速工具+PDC钻头，中下部采用长寿命高效牙轮的提速技术方案。2015年，邻井石炭系中上部平均机械钻速为1.96 m/h，2016-2017年，石炭系中上部采用提速工具+PDC钻头提速，平均机械钻速为3.09 m/h，较2015年有明显提高。

3  现场应用

通过2年的技术攻关和试验，在克拉美丽山前地区石炭系火山岩气藏钻井10口，实现了三叠系、二叠系和石炭系地层同裸眼钻进，减少了套管下入深度，井下复杂时率由4.5%降低至1.5%，石炭系火山岩机械钻速由2.87 m/h提高至5.05 m/h，单井钻井工期缩短了10～15 d，并取得经济效益9 394.02万元。

4  结 论

（1）针对克拉美丽山前地区石炭系火山岩气藏井身结构进行了优化设计，形成了一套适合的井身结构，实现了三叠系、二叠系和石炭系地层同裸眼钻进，减少了套管下入深度，该结构满足气井钻井井控安全条件，最大限度地保护油气层、避免井下复杂事故发生，达到安全快速钻进的目的。

（2）根据地层岩石力学特性、优选了以PDC钻头为主的钻头序列，强化钻井参数和水力参数，通过对比优化筛选，形成了较好的适应当地地层的钻头系列。

（3）2017年，钻井工程中均使用了优化后的钾钙基钻井液体系，从现场使用情况來看，钾钙基体系能够满足钻井工程的需要，有效控制和减少了井下复杂的发生。

（4）采用“螺杆钻具+高效PDC钻头”复合钻井技术，提速效果明显，M8井二开试验Φ311.2 mm钻头复合钻井，平均钻速为12.74 m/h，是转盘转的1.58倍;三开试验Φ215.9 mm钻头复合钻井，平均钻速为4.80 m/h，是转盘转的1.79倍，钻井的钻速及平均进尺得到了极大的提高;石炭系中上部采用“提速工具+PDC钻头”提速，提速效果明显，2016-2017年，石炭系中上部钻井平均机械钻速达3.09 m/h，提速效果显著。

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