渤海油田火成岩发育区钻井技术研究

霍宏博，张晓诚，李 进，李金泽，陈 卓

(1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500;2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

目前，火成岩油气田的勘探开发受到各大石油公司的重视[1-4]，但由于火成岩结构复杂、横向变化剧烈，火成岩发育区受岩性影响钻井期间坍塌掉块、漏失、钻具及测井仪器阻卡、钻头严重磨损等复杂现象时有发生[5-6]。

渤海油田的垦利区域、秦皇岛区域、南堡区域、渤中区域、锦州区域等都存在不同程度的火成岩发育[7-9]。渤海A油田是我国开发的首个海上火成岩发育区油气藏，已证实渤海A油田储量丰富，但该区域发育火成岩，目前对火成岩发育区的海上油气田开发毫无经验，尚未形成对海上火成岩发育区钻井技术的系统研究。

渤海A油田前3口探井钻井期间，东营组和沙河街组火成岩地层易漏失，且机械钻速低，通井、划眼过程中发生大量火成岩掉块，多种复杂情况影响了该区块的勘探开发[10-11]，钻头磨损严重。

该研究通过对该区域火成岩岩样的研究，明确复杂情况发生的机理，在此基础上有针对性地解决钻井难题，为后期该区域钻井提供了有利的技术保证，降低了火成岩发育区钻井复杂发生的概率，极大地提高了机械钻速，也为今后海洋火成岩发育区油田的勘探开发积累了技术经验。

1 火成岩区域钻进复杂机理分析

火成岩发育是造成渤海A油田钻井复杂频发的主要原因，在前3口探井钻井中，坍塌严重，火成岩掉块最大尺寸达到60 mm×30 mm×10 mm，火成岩井段平均机械钻速仅2.3 m/h。从火成岩形成、力学特性、矿物组分入手，通过实验室研究分析复杂成因，用于指导火成岩钻井技术优化。

1.1 火山喷发影响

渤海A油田区带中部东营组火山活动强烈，广泛发育火成岩；南部缓坡带，溢流相火成岩连片分布，主要为中心式喷发[12]。该区域存在多期次火山活动，具有多层系发育，累计厚度大等特点，沙一、二段火山作用较弱，东营组火山作用较强。

受火山岩影响的岩性多样，岩性的不同主要受火山喷发相态的影响，以中心式喷发火山为例，大致可分为通道相、溢流相、侵入相、喷出相等[13-14]。其中溢流相主要岩性为玄武岩，以层状发育，溢流相岩浆结晶速度慢，岩性致密，可钻性差；溢流相上部覆盖有由火山灰沉积形成的凝灰岩、沉凝灰岩，以及凝灰质砂、泥岩。受单一火山喷发影响的区域，在地层中呈一定序列，中心式喷发示意图如图1所示。

图1 中心式火山喷发示意图

1.2 火成岩岩石力学特性

对渤海A油田29块岩心进行了强度测试，其中单轴试验18块，三轴试验11块，得到地层单轴抗压强度剖面，如图2所示。

图2 渤海A油田单轴抗压强度

井壁取芯的实验单轴抗压强度及井壁掉块的点载荷与计算单轴抗压强度对比，吻合度较好。火成岩掉块中凝灰岩岩、沉凝灰岩单轴抗压强度低，玄武岩单轴抗压强度高。

火成岩发育的东营组和沙河街组地层单轴抗压强度波动剧烈，单轴抗压强度为6～77 MPa，局部层位单轴抗压强度较高。由测井资料计算岩石的可钻性级值并根据尹洪锦教授提出的通用钻速方程回归岩石可钻性级值，根据钻井现场资料综合分析火成岩发育地层岩石可钻性波动大，尤其是玄武岩地层岩石可钻性差。

由库仑-摩尔强度准则计算火成岩地层的坍塌压力[15]，计算出保持井壁稳定所需的钻井液密度，并求得非均匀地应力作用下井壁产生拉伸破裂时的井内泥浆柱压力[16]，即破裂压力，得到渤海A油田三压力剖面。该区域火成岩地层坍塌压力偏高，破裂压力低，钻井液密度窗口较窄，尤其是凝灰岩、沉凝灰岩发育的地层，发生井壁失稳的风险增加。

1.3 火成岩水理特性

水化性能对井壁稳定影响较大[17]，对掉块进行岩屑滚动回收实验评价火成岩的水化特性，滚动回收率见表1。

表1 火成岩滚动回收率

沉凝灰岩岩屑滚动回收率最低为6.20%，低于实验中泥岩的回收率，易于水化，实钻时存在较大井壁失稳风险；凝灰岩、凝灰质泥岩岩屑回收率平均值为11.62%，低于实验中泥岩的回收率，易于水化；玄武岩岩屑回收率为31.18%，高于泥岩、凝灰岩的回收率平均值，不容易水化。

火成岩的全岩矿物分析结果见表2。

表2 全岩含量

火成岩的黏土矿物分析结果见表3。

表3 黏土矿物含量

据此分析渤海A油田某井火成岩特性如下:①凝灰岩中的黏土含量较大，易发生水化作用；②凝灰岩、沉凝灰岩更容易引起井壁失稳问题，玄武岩失稳风险不大。凝灰岩、沉凝灰岩、玄武岩的特性差异是引起机械钻速低、易漏失、易垮塌的原因。

2 火成岩区域钻井技术研究

通过对渤海A油田前期3口探井的复杂原因分析，对后续几口探井施工过程做出优化。

2.1 提速工具优化

渤海A油田勘探开发初期对地层不熟悉，第一口探井使用PDC钻头(G605K)，火成岩地层机械钻速极低，钻遇玄武岩或辉绿岩的机械钻速仅1.2～2.4 m/h，钻头磨损严重。起钻换新钻头机械钻速仍未改善，后改用牙轮钻头钻进，机械钻速无改善，且切削齿磨损严重，如图3所示。其原因主要在于火成岩地层单轴抗压强度高，可钻性差，PDC钻头切削齿难以吃入地层。

图3 A1井出井牙轮、PDC钻头

通过技术调研，引入一体化复合冲击器，该提速工具可将钻井液流体动能转化为钻头的脉冲冲击，为钻头提供低幅高频机械冲击，通过改变破岩机理提高机械钻速； 所选择的钻头为6刀翼13 mm齿径专用钻头，该钻头在后排设计锥形切削齿，可使载荷集中以增加钻头稳定性，减少钻头的有害振动，增加钻头寿命。在A4井的应用中，机械钻速由1.4 m/h提高到2.7 m/h，效果明显。提速工具配合专用PDC钻头解决了火成岩地层钻头早期破坏，出井钻头仅轻微磨损，如图4所示。在实际应用中，同井段扭冲工具的机械钻速较普通钻头提高78.9%～258%，单只钻头进尺达到724 m。

图4 提速工具外形及钻头出井照片

2.2 钻井液体系改进

该油田钻探初期沿用渤海中深层常规的PEM钻井液体系，但是探井钻井过程中曾发生大量井壁垮塌掉块现象， 如图5所示。 振动筛返出的掉块直径最大达到13 cm，严重影响钻井安全。原钻井液体系的配方为[10]:3%海水搬土浆+0.2%氢氧化钠+0.3%碳酸钠+0.3%PAC-LV+0.5%包被剂PLH+2.0%降滤失剂RS+2.0%降滤失剂TEMP+2.0%封堵剂DYFT-Ⅱ+2.0%封堵剂LPF(W)+1.0%封堵剂EPF+3.0%聚合醇+5.0%氯化钾+1.0%增黏剂XC+重晶石。原钻井液体系主要缺点是对凝灰岩的水化膨胀作用的抑制性不够，凝灰岩遇水强度降低，导致井壁失稳。

图5 火成岩地层井壁坍塌掉块

PEM钻井液体系的实验室研究优化思路为提高抑制性和防塌性，通过实验室研究，对降滤失剂、封堵剂的单剂及复配后效果，并调整单剂加量研究防塌性和抑制性效果。

对SMPC，TEMP以及RS三种降滤失剂单剂的对比显示，RS最有利于降低高温高压滤矢量，将该材料作为主要降滤失材料。3种降滤失材料复配结果显示，2.0 %的RS复配2.0 %的TEMP后，滤失量由6.2 mL降至3.0 mL

包被抑制剂选择了常用的KPAM,EPF,PAC-LV进行对比，实验结果显示加入单剂1.0% EPF抑制性最好，动切力由7.2 Pa提高至13.1 Pa，岩心膨胀率由16.2%降低至5.3%，最终选择1.0% EPF作为抑制剂。

通过实验室对PEM钻井液体系的性能优化，最终形成了一套针对渤海火成岩地层的钻井液体系，配方如下:3.0%海水搬土浆+0.2%氢氧化钠+0.3%碳酸钠+0.3%PAC-LV+1.0%包被剂EPF+2.0%降滤失剂RS+2.0%降滤失剂TEMP+2.0%封堵剂DYFT-Ⅱ+2.0%封堵剂LPF(W)+1.0%封堵剂EPF+3.0%聚合醇+5.0%氯化钾+1.0%增黏剂XC+重晶石。

钻井液体系优化有效缓解了地层孔隙压力与漏失压力当量密度窗口窄的难题，钻进中钻井液沿三压力剖面下限钻进，在保证安全的前提下做好储层保护，有效提高了钻速。

2.3 钻井工序优化

钻遇火成岩后显著的另一个复杂情况为钻具、测井工具电缆阻卡。渤海A油田前期探井开发时前三口探井钻井中，发生了3次钻具阻卡，2次电缆阻卡，其中一口井对测井仪器进行了穿心打捞，导致工时损失124 h，反映出井眼极不规则。前三口井中，钻进过程中每800 m短起下一次，起钻遇阻则倒划眼起出。

受火山喷发及沉积影响，渤海A油田火成岩在地层剖面上存在多种岩性[18]，由于强度和易水化程度差异，含黏土矿物成分高的凝灰岩容易水化而造成扩径，玄武岩地层由于其强度较高，井径不会缩小，交错分布的地层会导致井眼内形成台阶，引起起下钻阻卡以及测井阻卡。短起下的频率越低，则井壁受冲击时间越长。倒划眼过程中钻具剐蹭台阶会加剧井壁失稳，导致井眼内台阶形成，因此必须提高短起下频率，控制起钻速度，降低倒划眼的转速。

在A4井钻井中增加短程起下钻，每500 m进行一次短起下钻，及时破坏井壁键槽和台阶；短起下钻井变径部位通过火成岩井段时控制起钻速度小于0.5 m/s，如需转动钻具控制低转速，不超过25 r/min，防止由于钻具磕碰引起井壁剥落垮塌；另外，杜绝长时间定点循环。钻井参数优化使该井钻井过程中未发生卡钻具、卡电缆等事故，也减少了坍塌掉块的发生。

3 现场应用

据统计，引入旋冲马达后，平均机械钻速较邻井同层位大幅提高，在火成岩井段平均机械钻速达到13.6 m/h，相比传统的 “PDC+马达”钻具组合优势明显。

渤海A油田各井机械钻速统计数据见表4。

表4 渤海A油田215.9 mm(8 in)井眼钻速统计

Table 4 ROP of Bohai A Oilfield 215.9 mm(8 in)interveral

表4 渤海A油田215.9 mm(8 in)井眼钻速统计

井名钻头个数井段长度/m纯钻时间/h平均机械钻速/(m·h-1)1井3920.0120.87.62井4577.6152.03.83井2758.655.813.6

在该区域钻井过程中优化钻井参数，有效减少了起下钻阻卡和电测阻卡的发生。对火成岩发育区钻井技术进行改进提高了钻井速度，钻井液体系优化降低了钻井过程中漏、塌等技术难题。该技术应用后钻井周期大大缩短，由26.8 d缩短到20.6 d，缩短了23.01%。

4 结论

火成岩受火山喷出和沉积作用影响成分复杂，岩性多样，因此显示出不同的钻井复杂成因。通过火成岩发育区钻井技术研究，使钻井机械钻速提高78.9%～258%，缩短钻井工期23.01%，效果显著。后续作业中有以下建议。

1)火成岩地层钻进应区分岩性[19-20]，快速通过火成岩发育地层，减少浸泡时间，降低井下复杂情况发生的概率。

2)通过对包被剂和降失水剂的调整，优化了PEM钻井液体系在火成岩地层的适应性。1.0%包被剂EPF可有效控制岩心膨胀；PEM钻井液体系复配2.0%的RS复配2.0%的TEMP后抗温降失水材料可降低体系失水，减少复杂情况发生。

3)玄武岩地层研磨性强，钻头不易吃入地层，需从考虑改变破岩机理入手提高机械钻速。