黃洪林 李軍,2 高熱雨 楊宏偉 劉楷 蔣振新

1.中國石油大學(xué)(北京)；2.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)；3.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院；4.中海油海南分公司；5.中國石油新疆油田分公司

新疆油田公司在準噶爾盆地瑪湖凹陷中心區(qū)發(fā)現(xiàn)了目前世界上最大的最大礫巖油藏，石油地質(zhì)儲量高達12.4億t，目前已經(jīng)探明儲量為5.2億t，相當于中國擁有了第2個克拉瑪依油田［1-2］?，敽[巖油藏作為新疆油田近年獲批的最大稀油產(chǎn)能建設(shè)區(qū)塊，符合中國石油天然氣集團有限公司建設(shè)西部5 000×104t級大油區(qū)戰(zhàn)略部署。根據(jù)中國石油新疆油田公司規(guī)劃，2019?2025年瑪湖油田將年均新建產(chǎn)能 165×104t，2026?2030 年年均新建產(chǎn)能 110×104t，2025 年瑪湖油田年產(chǎn)量將達到 500×104t，并穩(wěn)產(chǎn)6年。但瑪湖凹陷地質(zhì)條件復(fù)雜，八道灣組發(fā)育多套煤巖，且下至下克拉瑪依組裂縫較發(fā)育，承壓能力低，容易導(dǎo)致漏失；上烏爾禾組地層硬脆性泥巖夾層發(fā)育，非均質(zhì)性強，容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問題［3］；佳木河組地層可鉆性差，且裂縫發(fā)育，井漏頻發(fā)，容易進一步導(dǎo)致井下復(fù)雜事故發(fā)生，增加施工工期，提升鉆井成本［4］。

因此，對制約瑪湖礫巖油藏安全、高效鉆井的技術(shù)難點進行系統(tǒng)分析和總結(jié)，并以瑪湖凹陷金龍2井區(qū)為例，研究、探討相應(yīng)的技術(shù)對策，對提高該地區(qū)鉆井速度，縮短鉆井周期，加快勘探開發(fā)步伐具有重要意義。

1 鉆井技術(shù)難點

瑪湖凹陷自上而下鉆遇吐谷魯群組、頭屯河組、三工河組、八道灣組、白堿灘組、克拉瑪依組、百口泉組、上烏爾禾組和佳木河組。其中，克拉瑪依組分為上克拉瑪依組和下克拉瑪依，上烏爾禾組自上而下分為烏三段、烏二段和烏一段。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，鉆井復(fù)雜事故發(fā)生層位集中在八道灣組?上克拉瑪依組(承壓能力低，易漏失)、上烏爾禾組烏三段(泥巖夾層發(fā)育，極易坍塌)以及佳木河組(巖石可鉆性差、研磨性強，鉆頭磨損嚴重)。

1.1 微裂縫發(fā)育，井漏頻繁

在鉆進過程中，發(fā)現(xiàn)八道灣組?下克拉瑪依組承壓能力均較低，容易產(chǎn)生漏失。佳木河組儲層裂縫異常發(fā)育，其裂縫長度主要分布在 0.12~4.47 m，寬度主要分布在 0.01~0.19 mm，即以小-微縫為主；其傾角普遍大于45°，以高角度縫為主。由于佳木河組地層裂縫密度高，在鉆進時極易發(fā)生漏失。如金龍2井區(qū)佳木河組油藏部署的6口水平井均發(fā)生復(fù)雜事故，其中卡鉆2次，漏失28井次，且82.1%的漏失發(fā)生在佳木河組，平均漏速為14.36 m3/h，平均單井處理漏失時間達59.01 h?，敽?井區(qū)的16口井中有11口井發(fā)生復(fù)雜事故35次，損失時間3 474 h，平均單井2.2次，損失9 d，嚴重降低鉆井時效。

1.2 井壁穩(wěn)定性差，易坍塌

上烏爾禾組非均質(zhì)性較強，其中烏一段以砂礫巖和礫巖為主，烏二段以巖屑砂巖為主，烏三段以泥巖、粉砂巖為主。在鉆進過程中，受鉆柱碰撞和井筒內(nèi)壓力波動影響，且黏土膠結(jié)物易水化溶解，礫石容易從含砂礫巖上脫落，形成大肚子井段；烏三段泥巖易發(fā)生力化耦合失穩(wěn)，造成井眼垮塌，掉塊卡鉆。長水平段鉆井施工周期長，地層浸泡時間長，導(dǎo)致近井壁巖石孔隙壓力升高，強度降低，受井壁坍塌周期的影響，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險進一步加大。

對已鉆井的上烏爾禾組井段浸泡時間與擴徑情況進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)上烏爾禾組平均擴徑率基本在5%~65%之間，最大擴徑率高達203.58%，而且擴徑率與浸泡時間形成明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖1)，這是典型的化學(xué)失穩(wěn)特征［5-6］。

圖1 部分井上烏爾禾組井段浸泡時間與擴徑率關(guān)系Fig.1 Soaking time vs.reaming ratio of some wells in Upper Wuerhe Formation

1.3 可鉆性差，機械鉆速慢

烏一段以礫巖為主，佳木河組以灰色安山巖、熔結(jié)角礫巖、玄武巖、火山角礫巖為主。根據(jù)史氏硬度測試結(jié)果，其巖石硬度等級為7~8級，屬于硬地層。地層巖石PDC鉆頭可鉆性級值為8~10，牙輪鉆頭可鉆性級值為9~10，研磨性強。對瑪湖已鉆井的機械鉆速進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，上烏爾禾組油藏水平井使用“常規(guī)PDC鉆頭/牙輪鉆頭+螺桿鉆具組合”的鉆井方案，在造斜段鉆頭的平均進尺為122 m，平均機械鉆速僅為1.06 m/h；在水平段鉆頭的平均進尺為143 m，平均機械鉆速為1.6 m/h。佳木河組水平段平均機械鉆速僅為2.18 m/h。

觀察佳木河組水平段PDC鉆頭磨損情況，發(fā)現(xiàn)PDC鉆頭鼻部、肩部磨損嚴重，甚至出現(xiàn)肩鼻部環(huán)槽(圖2)，表明佳木河組地層具有較強的研磨性和沖擊性。

圖2 佳木河組水平段PDC鉆頭磨損情況Fig.2 PDC bit wear in the horizontal section in Jiamuhe Formation

1.4 井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜

瑪湖礫巖油藏已鉆井采用的四開井身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且固完井周期長、經(jīng)濟性低，井下復(fù)雜頻發(fā)，已不能滿足現(xiàn)場需求。上烏爾禾組油藏水平井三開鉆至上烏爾禾組A點(造斜段)，下入技術(shù)套管，封固克拉瑪依組至上烏爾禾組地層。但鉆進過程中，發(fā)現(xiàn)上克拉瑪依組裂縫發(fā)育，承壓能力低，使用高密度鉆井液時極易造成漏失；而使用低密度水基鉆井液時，由于烏三段泥巖夾層發(fā)育，井壁容易產(chǎn)生力-化耦合失穩(wěn)，導(dǎo)致井壁垮塌、掉塊卡鉆等復(fù)雜事故頻發(fā)。佳木河組油藏水平井三開鉆至上佳木河組(A點)，下入技術(shù)套管，封固上克拉瑪依組?佳木河組(A點)井段，同樣出現(xiàn)了“上漏下塌”的情況(上克拉瑪依組漏失、烏三段坍塌)，且佳木河組地層巖性差異較大，起下鉆更換鉆具產(chǎn)生的非生產(chǎn)時間較長，鉆頭磨損嚴重。

為了解決以上難題，亟需建立鉆井工程綜合提速提效一體化理論與方法，形成瑪湖礫巖油田安全、高效的鉆井技術(shù)。通過開展防塌堵漏技術(shù)、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效破巖與提速技術(shù)等研究，實現(xiàn)油田的經(jīng)濟、高效開發(fā)，已成為油田的共識。

2 技術(shù)對策

截至2020年，新疆油田公司已在瑪湖凹陷金龍2井區(qū)部署水平井110口，總進尺60.3×104m，鉆完井過程中面臨井壁失穩(wěn)、漏失嚴重和機械鉆速慢等難題。針對此，以瑪湖凹陷金龍2井區(qū)為例，通過地層壓力預(yù)測、鉆井液性能優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鉆頭類型優(yōu)選研究，為金龍區(qū)塊鉆井工程技術(shù)水平的提升提供有效保障，進而為瑪湖礫巖油藏水平井安全、高效完鉆提供理論支撐，實現(xiàn)新疆油田“增儲上產(chǎn)”的目標。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 地層壓力體系及安全密度窗口

以測錄資料、現(xiàn)場漏失數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算瑪湖凹陷金龍2井區(qū)的四壓力剖面。其中，孔隙壓力采用Eaton法［7-8］進行預(yù)測，坍塌壓力使用摩爾-庫倫強度準則［9］進行計算，漏失壓力利用壓差與漏速之間的相關(guān)性［10］進行確定，破裂壓力則采用黃榮樽法［11］進行預(yù)測。以孔隙壓力和坍塌壓力的最大值作為安全密度窗口的下限，以漏失壓力和破裂壓力的最小值為上限，建立不同層位的安全密度窗口。各壓力范圍及安全密度窗口見表1。

表1 不同層位的安全密度窗口Table 1 Mud windows for horizons

2.1.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

綜合考慮地層四壓力剖面、巖性特征和鉆井復(fù)雜情況等因素［12-15］，分別對不同的目標油藏水平井井身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過分析發(fā)現(xiàn)，八道灣組?上克拉瑪依組均為易漏地層，安全密度窗口接近，可以將其作為同一開次封固；而上烏爾禾組與佳木河組巖性差異大，安全密度窗口基本無重合，將其分開鉆完井，可以有效降低烏三段垮塌程度和佳木河組漏失情況，并減少起下鉆更換鉆具產(chǎn)生的非生產(chǎn)時間。對此，提出了以下井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

(1)上烏爾禾組油藏水平井。將上烏爾禾組油藏水平井復(fù)雜的四開井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三開(圖3a)：一開不變，二開鉆至下克拉瑪依組中下部，并下技術(shù)套管封固，三開直接完鉆(造斜段+水平段)，下入油層套管封固。主要優(yōu)點在于將漏失層位一同封固，并避免“上漏下塌”的問題，且降低了套管層次，減少了固井時間，降低了成本。

(2)佳木河組油藏水平井。佳木河組和上烏爾禾組安全密度窗口基本無重合，應(yīng)分開鉆完井；且因巖性差異大，應(yīng)選用不同的鉆頭。因此，佳木河組油藏水平井一開不變，二開同樣鉆至下克拉瑪依組，三開鉆至上烏爾禾組下部，四開直接完鉆(圖3b)。這樣既能夠有效封隔易漏、易塌等復(fù)雜地層，也保證了目的層專封專打。

圖3 優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimized casing program

2.2 “多元協(xié)同”防塌堵漏技術(shù)

瑪湖油藏井壁失穩(wěn)機制主要是泥巖的水化膨脹，漏失機制主要為裂縫性漏失。邱正松等提出了一種通過“多元協(xié)同”防塌堵漏的理論［16］，其核心為“物化封固-密度支撐-水化抑制-化學(xué)平衡-隨鉆堵漏”。根據(jù)“多元協(xié)同”防塌堵漏理論，結(jié)合瑪湖油藏垮塌、漏失機理，從以下幾個方面進行鉆井液配方優(yōu)選：(1)利用胺基聚合物可以有效吸附在井壁和巖層或黏土礦物表面，形成高分子吸附膜的特性，將胺基抑制劑加入鉆井液配方，阻止黏土與水的接觸，防止吸水膨脹造成縮徑或垮塌；優(yōu)選質(zhì)量好的抑制劑，抑制地層吸水膨脹造成井壁垮塌；(2)利用鉀離子與泥頁巖表面離子進行離子交換，改變黏土礦物活度，抑制黏土膨脹；(3)由于鉆屑、黏土顆粒的水化應(yīng)力在有機鹽鉆井液中比在其他鉆井液中小得多，鉆井液中的水相活度遠比巖石中的要低，這將導(dǎo)致地層中的水滲入井筒，而鉆井液中的水不會滲流入地層，有利于保持井壁穩(wěn)定；(4)金龍2井區(qū)孔隙度大致在9.66%~12.76%之間，加入封堵劑封堵泥頁巖微裂縫，防止鉆井液中的水沿著微裂縫進入地層中，防止地層垮塌。

對此，在瑪湖區(qū)塊前期使用的鉀鈣基鉆井液中添加有機鹽及胺基抑制劑，研制了聚胺有機鹽鉆井液(配方：4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.5%KOH+7%KCl+0.2%~0.5%CaO+15%有機鹽+0.8%抗高溫抗鹽鈣抑制型降濾失劑+0.5%G型包被劑+0.5%羧甲基纖維素鈉+3%磺化酚醛樹脂(粉)+2%褐煤樹脂+0.6%水解銨鹽+4%磺化瀝青粉+3%天然瀝青+1.5%胺基抑制劑+1%低熒光潤滑劑+隨鉆堵漏劑+1%膠凝劑+儲層保護劑+重晶石)。與普通鉆井液相比，聚胺有機鹽鉆井液具有以下優(yōu)點：(1)體系中含有有機鹽，體系濾液具有較低活度，抑制性強，有利于井壁穩(wěn)定及鉆屑、黏土的不分散；(2)固相含量低，流變性好；(3)體系配伍性好，加入堵漏劑及其他處理劑后鉆井液性能穩(wěn)定；(4)抗污染能力強；(5)保護儲層效果好。

八道灣組?下克拉瑪依組承壓能力低，要嚴格控制鉆井液密度(安全密度窗口1.25~1.35 g/cm3)。在鉆至吐谷魯群底界時，加足隨鉆堵漏劑，并隨著井深的增加和堵漏劑的消耗及時補充，凝膠堵漏劑含量不低于0.2%，隨鉆堵漏劑含量不低于2%，瀝青類含量不低于2%。鉆至侏羅系八道灣組前100 m，補足瀝青材料，加強封堵作用，含量保持在3%以上。佳木河組裂縫發(fā)育，漏失壓力較低，但儲層巖石含易水化礦物較低，發(fā)生水化損傷的程度較小。結(jié)合安全密度窗口大小，推薦鉆井液密度1.3~1.32 g/cm3，并在鉆進時及時加入隨鉆堵漏劑。開鉆前，配制8%堵漏漿(配方：1.5%蛭石+1.5%細核桃殼+l%鋸末+l%QCX-l+l%瀝青(0.5 t)+0.2%凝膠)，封堵裸眼段做承壓合格后篩除堵漏劑，確保下套管和固井過程中不發(fā)生漏失，保證固井質(zhì)量。

2.3 鉆頭類型優(yōu)選

針對佳木河組可鉆性級值高、地層研磨性強等特點，進行鉆頭優(yōu)選時，既要保證鉆頭牙齒對地層的有效切削，提高機械鉆速，又要保證牙齒及保徑的強度，延長鉆頭使用壽命。因此，采用PDC系列鉆頭，是提速的第一選擇［17-20］。

在強研磨性硬地層中，常規(guī)PDC鉆頭切削齒吃入深度大，破巖效率高，但磨損速度快，導(dǎo)致機械鉆速低、壽命短。孕鑲金剛石鉆頭是一種研磨型鉆頭，耐磨性好，在強研磨性硬地層中的工作壽命較長，但因金剛石顆粒較小，出露高度低，限制了每轉(zhuǎn)切削的深度，故機械鉆速較低。因此，針對這兩種鉆頭的優(yōu)缺點，引入了孕鑲PDC混合鉆頭［21］。

孕鑲PDC混合鉆頭以PDC切削齒作為主要工作元件，以金剛石孕鑲齒作為次要工作元件，二者同軌布置在鉆頭刀翼上，形成混合切削結(jié)構(gòu)［22］。在鉆頭工作初期，以刃部鋒銳的PDC切削齒切削破巖，充分發(fā)揮PDC切削齒切削破巖效率高的優(yōu)勢；具有一定出露高差的金剛石孕鑲齒可起到控制吃入深度的作用，可以避免PDC切削齒因瞬時吃入深度過大而受到較大的沖擊載荷，造成沖擊損壞。當PDC切削齒磨損到一定程度而難以吃入地層時，金剛石孕鑲齒開始工作，磨削巖石，并提高PDC切削齒磨損后的破巖效率。因此，孕鑲PDC混合鉆頭具有PDC鉆頭破巖效率高和孕鑲金剛石鉆頭工作壽命長的雙重優(yōu)勢(圖4)。結(jié)合現(xiàn)場鉆具使用情況，提出孕鑲PDC混合鉆頭+高速螺桿鉆具的提速方案。

圖4 孕鑲PDC混合鉆頭結(jié)構(gòu)及其破巖機理Fig.4 Structure and rock-breaking mechanism of the impregnated PDC hybrid bit

3 現(xiàn)場應(yīng)用

通過采取鉆井液性能優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、優(yōu)選孕鑲PDC混合鉆頭技術(shù)等方案，已完鉆9口水平井(上烏爾禾組油藏水平井6口，佳木河組油藏水平井3口)?，F(xiàn)場實踐表明，上烏爾禾組泥巖段井眼質(zhì)量得到大幅度提高，佳木河組漏失得到明顯改善，鉆完井周期顯著縮短，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

優(yōu)化后，上烏爾禾組油藏水平井鉆完井周期較優(yōu)化前縮短了58.99%。以瑪湖凹陷金龍2井區(qū)的JLHW-1井(優(yōu)化前)和JLHW-2井(優(yōu)化后)為例進行對比(表2)。JLHW-1 井使用四開的井身結(jié)構(gòu)，在上烏爾禾組鉆進時使用密度為1.3~1.38 g/cm3的鉀鈣基鉆井液，泥巖段擴徑嚴重，最大擴徑率高達203.5%，對后期固井質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。而JLHW-2井使用三開井身結(jié)構(gòu)，烏三段使用密度為1.43~1.45 g/cm3的聚胺有機鹽鉆井液，平均擴徑率為13.8%，最大擴徑率僅為 19.6%，井眼質(zhì)量得到明顯改善。根據(jù)鉆井時效統(tǒng)計，優(yōu)化后的JLHW-2井固井時間較JLHW-1井減少 64.3%，沒有發(fā)生井下復(fù)雜情況，鉆完井周期縮短50.5%，優(yōu)化效果顯著，經(jīng)濟效益明顯提高。

表2 JLHW-1 井、JLHW-2 井完鉆情況對比Table 2 Drilling/completion comparison between Wells JLHW-1 and JLHW-2

佳木河組水平段鉆進時根據(jù)安全密度窗口嚴格控制鉆井液密度，并使用隨鉆堵漏劑和堵漏漿，漏失情況得到明顯改善。優(yōu)化前，6口佳木河組油藏水平井水平段使用密度1.33~1.35 g/cm3的鉀鈣基鉆井液，共發(fā)生19次井漏，平均單井漏失量達267.9 m3，最大單井漏失量高達1 128 m3，產(chǎn)生非生產(chǎn)時間高達420.7 h。優(yōu)化后，3口佳木河組油藏水平井水平段使用密度1.30~1.33 g/cm3的聚胺有機鹽鉆井液，僅發(fā)生5次井漏，平均單井漏失量15.2 m3，最大單井漏失量 22 m3，產(chǎn)生非生產(chǎn)時間 31.1 h(表3)，鉆井液成本和非生產(chǎn)時間成本都顯著降低。

表3 佳木河組水平段漏失情況對比Table 3 Lost circulations in horizontal section in Jimuhe Formation

使用優(yōu)化后的孕鑲PDC混合鉆頭，瑪湖凹陷金龍2井區(qū)佳木河組水平段機械鉆速得到明顯提高。以JLHW-3井 (應(yīng)用井)和 JLHW-4井 (對比井)為例進行效果對比，從表4可看出，JLHW-3井應(yīng)用孕鑲PDC混合鉆頭后，平均機械鉆速提高至4.32 m/h，鉆井周期縮短至125 d，比JLHW-4井機械鉆速提高 55.4%，鉆井周期縮短 31 d；JLHW-4 井 4 552~5 272 m應(yīng)用PDC和牙輪鉆頭共6只，而JLHW-3井4530~5266 m 井段僅使用 1 只孕鑲 PDC 混合鉆頭，且應(yīng)用出井后鉆頭結(jié)構(gòu)完整，僅主切削齒出現(xiàn)輕微磨損。應(yīng)用結(jié)果表明，孕鑲PDC混合鉆頭在佳木河組水平段地層適用性高，提速效果明顯。

表4 孕鑲PDC混合鉆頭提速方案應(yīng)用效果對比Table 4 Application results of ROP improvement plans based on the impregnated PDC hybrid bit

4 結(jié)論

(1)制約瑪湖礫巖油藏安全、高效鉆井的技術(shù)難點主要表現(xiàn)為：八道灣組?下克拉瑪依組承壓能力低，易漏失；上烏爾禾組井段泥巖段易坍塌；佳木河組層段可鉆性差，且微裂縫發(fā)育，井漏頻繁；鉆速時效相對較慢，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆完井周期長。

(2)對易塌易漏地層，需綜合考慮地層特性和垮塌、漏失機理，對防塌堵漏進行“多元協(xié)同”處理。

(3)孕鑲PDC混合鉆頭在研磨性強地層的適用性較強，能明顯降低鉆頭磨損，提高機械鉆速，降低鉆完井成本。

(4)通過對鉆井液性能、井身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和鉆頭優(yōu)選后，井眼質(zhì)量得到大幅度提高，漏失得到明顯改善，固井時間和鉆完井周期明顯縮短，取得了顯著的經(jīng)濟效益，對瑪湖礫巖油藏的安全、高效開發(fā)具有很大的參考意義。