2. 中国石油勘探开发研究院;
3. 中国石油天然气勘探开发公司
2. Research Institute of Petroleum Exploration & Development, CNPC;
3. CNODC
0 引言
乍得作业区块位于非洲中部乍得共和国境内。乍得潜山油藏是乍得项目Bongor盆地主力油藏之一，但由于潜山地层硬脆性花岗岩的地质特点，钻速慢、钻井周期长以及井控风险高是潜山油藏高效开发的主要技术瓶颈[1-4]。乍得潜山目前主要采用牙轮钻头钻进，钻速低、进尺短，钻进中经常出现断齿、掉齿及掉牙轮等情况。由于潜山地层裂缝发育，导致钻井过程中钻井液漏失，井底压力不能平衡地层压力，大量油气进入井筒，钻井液漏失和溢流现象并存，井下复杂情况频发，影响下部地层钻井作业，同时井控风险、环保风险和地面火灾风险非常高。
针对乍得潜山地层机械钻速低、钻井周期长、漏喷频发、井控与环保风险高的特点，中油国际(乍得)有限责任公司作业部联合中国石油勘探开发研究院工程所，通过室内研究、软件模拟和现场应用形成了一系列潜山钻井配套技术，包括优化钻具组合、优选钻头、RCD控压装备配套和潜山裸眼电缆测井等工艺技术[5]，为乍得潜山地层安全、环保、高效地完成钻井作业提供了有力保障，掀开了乍得潜山绿色、安全、环保钻井作业的新篇章。
1 乍得潜山地层特性及钻井现状 1.1 乍得潜山地层特性潜山地层岩性属硬质花岗岩，通过岩芯取样，进行岩石力学特性及矿物组分测定，所含矿物主要以石英、斜长石和钾长石等为主(质量分数80%~96%)。石英莫氏硬度7，斜长石及钾长石莫氏硬度6，属造岩矿物中最硬的几种矿物，这几种矿物的含量决定了潜山地层岩石的可钻性和研磨性。
通过室内可钻性试验，乍得潜山地层可钻性级值最小5.20级，最高达10级，莫氏硬度6~7，塑性系数1.3左右，反映乍得潜山属硬脆性花岗岩。单轴抗压强度50~175 MPa，属中硬-硬地层；内摩擦角36.7°~69.0°，研磨性属强-极强。
此外，潜山地层裂缝和溶洞发育、压力系统复杂，易导致钻进中溢漏频发等复杂情况发生。近几年潜山地层测试结果显示，潜山内有油、气、水层，油气层压力系数0.96~1.16，钻遇部分低压水层、干层，压力系数最低为0.35(干层未见漏失)，上、下存在不同压力系统，钻井密度窗口较窄。
1.2 潜山地层钻井现状目前乍得潜山地层主要采用牙轮钻头钻进。2013年至2015年，牙轮钻头在Bongor盆地潜山地层中平均机械钻速2.0 m/h，单只平均进尺150 m，钻进中经常出现断齿、掉齿及掉牙轮等现象(见图 1)。300 m潜山段平均需要7~10 d的钻井周期，钻井成本高，经济效益较低。
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| 图 1 牙轮钻头出井照片 Fig.1 Photos of tri-cone bits out of hole |
近年来，乍得项目作业部针对潜山地层进行了常规PDC钻头可钻性现场试验。试验结果表明：常规PDC钻头进尺短，出现崩齿后快速磨损(见图 2)，不适合本地区潜山地层的钻井作业。
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| 图 2 常规PDC钻头试验照片 Fig.2 Test photos of conventional PDC bits |
潜山地层裂缝溶洞发育，压力系统复杂，钻进中漏喷频发的现象始终困扰着乍得钻井工作者。2013年BaobabC-2井563~2 200 m基岩段，采用钻井液密度0.95 g/cm3钻进溢流，提高密度至1.01 g/cm3钻井，发生漏、溢并存，后采用1.01~1.02 g/cm3密度强钻，开泵后出现漏失，停泵出现溢流。PhoenixS-3和LaneaE-2等潜山井同样显示密度窗口窄，折算潜山密度窗口在0.01~0.02 g/cm3之间。2015年BaobabC1-4井潜山钻进中以清水钻井液为主(密度1.01~1.09 g/cm3)，钻遇大缝洞，出现多次放空现象，自1 360至1 633 m，多次发生井漏和溢流复杂情况，其中溢流17次，采用压回法进行压井，从井场转运原油共520 m3，钻井液漏失约670 m3。
2 个性化PDC+双摆钻具组合中油国际(乍得)有限责任公司作业部联合中国石油勘探开发研究院工程所，研制出针对乍得潜山地层的个性化PDC钻头+双摆钻具组合[6-9]，以提高花岗岩潜山钻井速度，减少钻头事故，提高经济效益。
2.1 个性化PDC钻头根据乍得潜山花岗岩特性，结合国内外硬地层PDC钻头设计经验，围绕延长钻头寿命和提高钻头攻击性这2个钻头设计重点，研制出适合乍得基岩的个性化PDC钻头(见图 3)，主要特点如下：① 使用TridentⅣ切削齿，该齿研磨性是目前常规钻头使用的TridentⅢ切削齿的1.5倍。② 采用八刀翼、短抛物线剖面高密度布齿，能延长钻头寿命，减少每个齿受到的扭矩。③ 后倾角在芯部19°，向外锥逐步变为23°，控制切削深度，降低钻头破岩扭矩，能够减轻钻头振动，特别是减轻黏滑振动所带来的影响，延长了钻头使用寿命。④ 切削齿尺寸选择。10、13 mm主切削齿，13 mm后排孕镶柱，13 mm保径齿。小齿抗冲击能力较大齿高，同时小齿在相同条件下更易于吃入地层。⑤ 采用双排布齿方式，40个主切削齿，38个后排孕镶柱，12个保径齿。前排PDC切削齿、后排金刚石孕镶柱，高差0.5 mm，孕镶柱起到载荷限控的作用，防止齿入太深引起黏滑振动，加速切削齿的损坏，增强钻头的耐用性，保持切削齿结构更加锋利，使得机械钻速更高、钻头使用寿命更长。另外，当主切削齿磨损至无法正常破岩时，孕镶柱可继续磨削破岩。为了保证钻头高速旋转时的稳定性，采用力平衡方法布齿，模拟结果不平衡指数为0.39%。⑥ 边部4个固定水眼+中心4个可更换水眼，这样可充分确保井底清洁和钻头冷却。上述设计特点提高了PDC钻头的抗冲击能力，延长了钻头使用寿命，同时加强了钻头的攻击性，提高了机械钻速。
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| 图 3 乍得花岗岩个性化PDC钻头 Fig.3 Specified PDC bit for granite formation in Chad |
2.2 双摆钻具
钻头在工作时，受复杂地下条件及施工参数的影响，钻头并非处于稳定均匀切削地层，由于振动的存在，导致钻头局部接触点瞬间受到高强度冲击载荷而发生破坏，从而使钻头快速失效。双摆提速钻具以钻井液为动力，利用陀螺稳定的原理实现主动抑制钻头或钻具轴向和径向(涡动)双向摆动，使钻头保持稳定切削，提高机械钻速，延长寿命，进而实现综合提速。
双摆工具的陀螺稳定特性对PDC钻头的黏滑振动及其他形式的振动具有很强的抑制作用。PDC钻头在硬地层中钻进时，产生黏滑振动和其他形式振动，双摆以陀螺自稳力主动抑制，以此抑制或消除钻头切削地层时产生的黏滑振动，避免高速运动对钻头和钻具的损坏，可大幅度提高钻井速度并且保护钻头，延长钻头使用寿命。
PDC钻头+双摆钻具组合(贝克休斯公司的产品)在四川、塔里木、华北、辽河和大庆等油田均有使用，钻头运转更加平稳，取得较好效果。在辽河油田10口井配合PDC应用，单只钻头进尺提高2.5倍以上，机械钻速提高56%~280%；个性化PDC钻头在大庆莺深6井流纹岩极硬地层(可钻性比乍得潜山更差)钻进时，配合双摆工具，进尺是牙轮钻头的2倍以上，钻速略有提高。
3 RCD控压钻井技术乍得潜山地层裂缝溶洞发育，导致钻井过程中出现不同程度的漏失，严重的甚至钻井液失返，井底压力难以平衡地层压力，大量油气涌入井筒，钻井液漏失和溢流现象同存，井下复杂情况频发，影响下部地层钻井作业，同时井控风险、环保风险以及地面火灾风险非常高。2013年至2015年，在Baobab地区数口井的潜山地层钻进过程中，井漏溢流频发，原油从井口喷至转盘面，最终因井控风险和环保风险大而提前完钻。
为切实有效地对井内油气进行控制，满足乍得严苛的环保要求，降低井控风险，乍得项目作业部自2016年潜山井开钻以来，引入控压钻井技术，通过利用旋转防喷器(RCD)实现闭环钻井作业，在钻进过程中井内流体得到了有效控制。此外，控压钻井技术可以实现在较小的压力窗口内，确保整个钻井过程中井底压力平衡，控制地层漏失速度，同时减少地层油气进入井筒，降低井控风险。
RCD控压钻井装备主要包括旋转防喷器和液压站2部分。旋转防喷器包括旋转总成和壳体总成，主要作用是密封钻杆外环空，静密封压力可达35.0 MPa，动密封压力可达17.5 MPa，在溢流情况发生时能够继续进行正常钻井和起下钻作业，消除井控风险，满足现场安全和环保要求；液压站主要用于旋转总成的卡封及旋转部分的冷却和润滑，以保证旋转防喷器良好的工作状态。
4 潜山电缆测井工艺技术乍得潜山油藏是主力油藏之一，目前正处于开发评价阶段，对该地层的认识急需更多有效的地质数据作为依托，因此潜山完钻后的电测数据显得尤为重要[10-13]。但是，潜山地层裂缝溶洞发育，钻井液漏失和溢流现象同存，井控风险高，常规电缆测井作业无法安全有效控制井口，2013年至2015年多口潜山井因为井漏溢流频发，井控风险大而临时取消测井作业。为了获取宝贵的潜山地层地质数据，乍得作业现场引进电缆防喷器设备。利用废旧套管加工连接短节，上部连接电缆防喷器，下部坐入半封闸板内，在电测过程中若有溢流情况发生能够实现快速关井，待压井作业完成后继续进行电测作业。电缆防喷器主要参数如表 1所示。
| 名称 | 型号 | 公称通径/mm | 工作压力/MPa | 工作温度/℃ | 质量/kg |
| 电缆防喷控制头 | DFK12-35 | 120 | 35 | -29~121 | 65 |
| 单闸板防喷器 | SFZ16-35 | 160 | 35 | -15~121 | 250 |
电缆防喷器的使用，为乍得潜山地层电缆测井作业的顺利施工以及成功获取宝贵的地质资料提供了安全可靠的设备和技术保障。
5 应用实例2016年8月18日BaobabA井开钻，8月23日21:30三开进入潜山地层，单只PDC钻头钻至869.65 m完钻，潜山段进尺239.65 m，进尺时间2.35 d，纯钻时间54 h，平均机械钻速4.44 m/h，与邻井使用的3只PDC钻头相比，钻头指标大幅度提高。与相邻37口井中使用的43只牙轮钻头相比，平均机械钻速提高97.33%，平均单只钻头进尺提高54.19%，239 m潜山井段可钻井成本节约14.6万美元。全井建井周期9.58 d，比原钻井计划提前3.42 d，比计划钻井成本节约35万美元。个性化PDC钻头+双摆钻具组合提速试验取得初步成功，实现了提速降本的目标[14-16]。该项技术打破了PDC钻头不能钻潜山花岗岩的传统认识，取得了单只钻头潜山段最长进尺和最高平均机械钻速2项纪录，与邻井钻速对比曲线如图 4所示。
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| 图 4 牙轮与PDC双摆钻具钻速对比曲线 Fig.4 Comparison of drilling speed of tri-cone bit and PDC bit with double pendulum BHA WOB—钻压；RPM—转速；SPM—泵冲；SPP—立压。 |
2016年9月7日BaobabB井开钻，该井设计井深1 600 m，潜山段1 300~1 600 m，9月15日9:45三开潜山钻进，钻至1 308 m发生漏失，漏速10 m3/h，至1 313 m，漏速60 m3/h，至1 321 m失返，在RCD控压设备保障下，继续进行潜山钻井作业，9月18日22:45钻至目的井深，全井漏失3 199 m3。在无法建立钻井液循环的复杂情况下，RCD控压设备为安全、环保、高效地完成潜山钻井任务提供了设备和技术保障。
9月19日安装电缆防喷器组进行潜山裸眼段测井作业，历时8 h，电测一次性成功，井口设备工作状态良好，为漏喷频发的潜山地层测井作业积累了宝贵的施工经验。潜山钻井现场施工照片如图 5所示。
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| 图 5 潜山钻井现场施工照片 Fig.5 Field operation photo of buried hill drilling |
6 结束语
自2015年钻井复工以来，乍得项目就没有停止对潜山油藏的勘探开发工作，而中油国际(乍得)有限责任公司作业部也一直将潜山地层安全高效钻井技术研究作为主要工作内容之一。通过不断的实践摸索，联合科研机构进行室内试验、软件模拟及现场试验等研究工作，最终形成了一系列潜山地层钻井配套技术，并于2016年8月潜山井开钻以来进行现场应用。通过强化作业管理，完善现场组织协调，提高现场作业效率，达到降低安全环保风险，降低作业成本的目的，潜山钻井指标优异，取得良好应用效果，为低油价条件下潜山油藏安全高效钻井作业提供了有力的技术支撑，为海外基岩地层勘探开发积累了宝贵的实践经验。
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