顺北石炭系以浅地层关键提速技术研究

张晨开

摘要：随着顺北油气田勘探开发的持续推进，不断研发、改进、优选提速工具，优化提速方案，攻克提速技术瓶颈，顺北区块提速提效工作取得了较好的指标。但顺北区块在石炭系以浅地层，依然存在诸多技术难题，导致施工周期长，钻井成本高，严重制约提速提效。为加快顺北区块勘探开发进度，加快产能建设，深入开展本课题的专项研究，从钻头螺杆优选、钻井液性能优化、钻井参数强化、防泥包技术措施制定等方面，形成一套石炭系以浅地层钻井提速工艺技术，并进行现场应用，取得良好的应用效果。

关键词：砂砾岩;玄武岩;高抗冲;异型齿;混合钻头

顺北油气田经过近几年的勘探开发，油气产量逐年递增，将打造千万吨级大油气田，已成为中国石化勘探开发的主战场。顺北区块地层复杂，且呈现由北向南施工难度逐渐增大的情况，经过不断地突破技术瓶颈，攻克了诸多技术难题，但仍然存在提速瓶颈。通过收集施工井资料，对顺北区块石炭系以浅地层的发育、岩石物理特性、分布规律及可钻性进行深入研究，从钻头研选、提速工具优选、钻井液技术优化、技术措施改善等方面开展技术攻关，形成针对性的技术方案，进行现场应用，并对应用效果进行评价，对技术方案进行优化升级，最后形成一套完善的顺北区块石炭系以浅地层优快钻进提速提效关键技术。

1    石炭系以浅地层调研，地层可钻性对比分析

基于岩石力学特性测试，获取了石炭系以浅地层弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗压强度、压入硬度、可钻性级值等参数[1]，建立了岩石主要力学参数的计算模型，计算得到了8种岩石力学参数剖面，确定了各参数的分层分布特征。

从岩石力学参数与地层可钻性剖面可知，二叠系以浅地层，以砂泥岩互层为主，单轴抗压强度20～65 MPa，地层可钻性极值2～4.5，属于中软地层。二叠系地层火成岩发育，单轴抗压强度50～150 MPa，地层可钻性极值5～7.2，属于中硬-硬地层。地层可钻性：二叠系上部砂泥岩<二叠系凝灰岩<二叠系英安岩<二叠系玄武岩。

2    顺北5条带石炭系以浅地层施工井数据

顺北5条带北部311.2 mm井眼石炭系以浅地层平均施工周期63.35天，平均施工趟数9.28趟，平均机速7.4 m/h。顺北5条带中部311.2 mm井眼石炭系以浅地层平均施工周期48.88天，平均施工趟数7.6趟，平均机速9.19 m/h。顺北5区南部石炭系以浅地层333.38 mm尺寸的井眼，包括整个顺北5号断裂带，只有顺北53X和顺北53-2H两口井是该井眼尺寸的井，且顺北53-2H井二开在二叠系提前申请完钻，后续施工井眼为250.88 mm井眼，二叠系地层施工数据无对比性。顺北53X井石炭系以浅地层333.38 mm井眼，施工周期87.6天。其中在二开施工期间，因二叠系发生失返性漏失，导致钻具被埋，处理故障耗时14.95天，扣除故障时效后施工周期为72.65天。施工趟数10趟，平均机速5.74 m/h。

顺北5区北部石炭系以浅地层施工指标最优井是顺北5-12H井，该井石炭系以浅地层共施工4趟钻，平均机械钻速9.26 m/h，刷新顺北5区北部石炭系以浅地层机械钻速最快指标。见表2。

针对二叠系火成岩地层，施工指标最好的是顺北5-11H井，采用江钻产混合钻头，2趟钻完成二叠系火成岩及以下地层施工进尺任务。

3    石炭系以浅地层提速难点技术分析

（1）三叠系阿克库勒组、柯吐尔组含杂色砂砾岩，难以实现一趟钻完成二叠以上地层进尺。

（2）二叠系层段火成岩发育且厚度大，英安岩、玄武岩可钻性差，常规PDC钻头易崩齿、进尺短。

（3）石炭系以浅致密泥岩地层易造成钻头泥包。

钻头泥包的原因分析：

①地质因素：泥岩含量高，易于水化分散，导致有害固相含量高，形成厚泥饼，造成钻头泥包。

②泥浆因素：抑制性差，无法控制泥岩水化分散;润滑性差，劣质固相易吸附在钻头上。

③工程技术因素：排量小，不能有效清洗井底及钻头;长裸眼下钻未中途循环，及时清洗钻头上剐蹭的泥饼。

④操作水平因素：下钻时遇阻未开泵冲洗钻头;下钻到底盲目钻进，未清洗钻头，造成钻头泥包。

4    提速技术方案制定

4.1 钻头研选

（1）二叠系以浅地层钻头研选  针对三叠系施工难点，对传统钻头进行改造升级，升级复合片性能，提高复合片的抗冲击能力;对导流槽进行水力优化设计，确保岩屑运移顺畅。研选型号为KS1952DGR双排齿高抗冲击PDC钻头。

（2）二叠系地层钻头研选  二叠系碎屑岩地层：优选复合片进行升级后的KS1652DGRX异型齿钻头。采用尖形齿、斧型齿等异形齿混布技术，降低地层破岩强度，提高破岩效率。匹配大扭矩等壁厚螺杆钻具，增强钻头破岩能量。

（3）二叠系玄武岩地层：优选高性能混合钻头KPM1342DST。采用梯度和处理的硬质合金齿，控制钴含量，提高其抗断性能;4刀翼2牙轮结构，牙轮齿覆盖内锥;第四代高抗冲复合片，性能提升27%。

4.2 螺杆优选

根据不同的地层，不同岩性特性，优选江钻等壁厚螺杆。该螺杆钻具采用等壁厚马达技术，同等规格在相同排量下，功率和输出扭矩更大，辅助提高钻头破岩效果;等壁厚螺杆定子橡胶在螺杆井下作业时受力更加均匀，有效减少了应力，可以延长螺杆马达使用寿命;同时优选耐高温胶粘剂，研制出耐高温（205 ℃）马达橡胶材料，提高了螺杆的耐高温能力，延长螺杆的使用寿命。

二叠系以浅地层优选高转速大扭矩等壁厚螺杆，二叠系为减少对地层的碰撞，优选低转速等壁厚螺杆。

4.3 钻井参數强化

（1）钻压强化  二叠系以浅地层比较松软，钻时快，钻压基本保证60～80 kN;二叠系地层可钻性差，钻压保持120～160 kN;采用MWD直井监测系统监测井身质量，充分释放钻压，实现防斜打直提速。

（2）转速强化  二叠系以浅地层可钻性较好，施工扭矩较小，转速保证60～80转/分，提高钻头的破岩效率;二叠系地层防止人为井壁碰撞，转速保证45～55转/分;严格设定扭矩上限，正常钻进扭矩基础上附加3 kN·m。

（3）排量强化  二叠系以浅地层不易漏失，在设备承受的情况下使用180 mm缸套，保证最大排量70 L/s，增大环空返速;二叠系易漏地层，在强化钻井液封堵能力，确保无漏失的情况下，保障排量不低于35 L/s;井深增加泵压升高，缸套直径180→170→160→150，确保设备承压能力满足大排量施工要求。

4.4 钻井液性能优化

（1）固相控制  机械控制：使用好四级固控设备，第一时间清除劣质固相;快速钻井期间勤排放锥形罐沉砂，及时清除循环罐内沉砂、絮凝物[2]。化学控制：坚持使用大分子包被抑制剂PMHC、K-PAM等，减小钻屑分散，包被絮凝成颗粒形态便于被固控设备第一时间除去。控制坂含25～30 g/L、固相≤13%、含砂≤0.1%。

（2）性能指标优化  流变性能。控制塑性黏度15～25 mPa·s，动切力4～6 Pa，静切力0-2/1-5，保持良好的钻井液流型。失水造壁性。坚持使用超细碳酸钙、沥青等材料，保持泥饼质量致密、坚韧。防塌抑制性能。三叠系以深钻井液滚动回收率≥90%，线性膨胀率降低60%。随钻封堵性能。使用1～2%竹纤维、1～2%聚合物凝胶、2～4%不同目数石灰石填充地层裂缝、孔隙，随钻封堵。

4.5 防泥包技术措施

（1）增强钻井液的抑制性和润滑性，降低钻井液失水;

（2）全面使用好四級固控设备，及时清除有害固相;

（3）采用大排量钻进，增大环空返速，及时携带岩屑;

（4）长裸眼段下钻必须进行分段循环，清洗钻头剐蹭的泥饼，降低环空岩屑浓度;

（5）遇阻及时开泵循环，清洗钻头;下钻到底后首先大排量清洗钻头，不急于钻进，加压时由小到大缓慢加压，循序渐进。

4.6 配套技术方案形成

对影响提速的因素进行了分析，通过开展钻头研选、螺杆优选、钻具组合和钻井参数优化工作，结合现场应用数据，完善了技术方案，形成了顺北区块石炭系以浅地层关键提速配套技术，可以在工区内进行推广应用。见表4。

5    现场应用情况

5.1 技术指标

（1）二叠系以浅地层  顺北5-16H井二开第一趟钻采用KS1952DGR高抗冲长寿命PDC钻头，配合244 mm等壁厚大扭矩螺杆，钻进井段1583～4877 m，进尺3294 m，纯钻173 h，机速19.04 m/h，一趟钻钻进至二叠系31 m。

（2）二叠系碎屑岩地层  顺北5-17H井二叠系上部碎屑岩段，采用KS1652DGRX异型齿钻头，配合244 mm等壁厚大扭矩螺杆，碎屑岩井段4570～4744 m，进尺174 m，纯钻45 h，机速3.87 m/h，较设计机速2.5 m/h提高了54.8%。

（3）二叠系玄武岩地层  顺北5-16H井二开二叠系火成岩段，优选江钻混合钻头KPM1342DST，钻进井段4877～5130 m，进尺253 m，纯钻116 h，机速2.18 m/h，刷新顺北5号条带北部区块二叠系火成岩段单趟钻最长进尺、机速最快两项指标。

5.2 周期节约及机械钻速提高情况  顺北5-16H井石炭系以浅地层311.2 mm井眼施工共6趟钻，进尺3797.64m，纯钻时间405h，机械钻速9.38m/h，较平均机速7.4m/h提高26.76%;施工周期45天，较平均周期63.35天节约28.97%。

顺北5-17H井石炭系以浅地层333.38 mm井眼施工共7趟钻，进尺3669.5 m，纯钻时间510.5 h，机械钻速7.19 m/h，较平均机速5.74 m/h提高26.26%;施工周期53.92天，较平均周期72.65天节约25.78%。

6    结论及建议

6.1 结论

通过对顺北区块石炭系以浅地层开展关键提速技术研究，形成了完善配套的顺北区块石炭系以浅地层关键提速配套技术方案，同时针对二叠系高风险地层施工，形成了二叠系安全优快钻进体系，具有较高的推广价值。

6.2 建议

顺北区块口井差异性强，地层复杂多变，针对二叠系玄武岩可钻性差、研磨性强的岩性特点，较高纯度的玄武岩仍不能实现PDC钻头钻进，还需牙轮钻头进行过渡，后续仍需进行高纯度玄武岩的可钻性研究，攻克技术瓶颈，实现顺北工区石炭系以浅地层全面提速提效。针对顺北区块非常规四级结构井（333.38 mm及以上井眼）石炭系以浅地层提速仍有较大的提速空间，在钻头优选、提速工具优选等方面，仍需持续开展技术研究，实现进一步提速。

参考文献

[1] 杜宇，潘遥.基于GA-BP神经网络岩石可钻性预测模型[J].科学技术创新，2020（25）：57-59.

[2] 施凤.浅地层剖面数据精处理关键技术研究[D].武汉：武汉大学，2017.