莺歌海盆地位于海南岛西南方海域, 属于南海西部油田作业区块, 该海域深部地层存在高温高压, 主要存在于黄流组、梅山组、三亚组、陵水组, 是目前已知的三大海上高温高压井作业区块之一^[1]。莺歌海盆地的高温高压储层上方的泥岩盖层特点明显, 整体厚度大, 泥岩的塑性强, 渗透能力极差, 在高温高压井钻井作业时, 由于使用的高密度钻井液对井底产生压持作用, 造成该段井段机械钻速非常低, 从而极大地影响钻井周期和作业时效。

1 机械钻速低原因分析

莺歌海盆地泥岩盖层下基本上是地层压力系数超过1.80的高温高压层, 根据钻井实际作业情况该处的井底温度也都是在150℃以上。根据对现场岩样的分析发现, 该处的泥岩盖层比较厚, 容易水化, 但含钙质较低。在实际作业中, 由于该段机械钻速不高直接影响作业时效, 导致整口井的投资成本大幅增加; 在遇到复杂天气和海况时, 造成现场作业被动, 即会影响整口井的钻井周期。长期以来莺歌海盆地高温高压井作业中, 对如何提高针对盖层钻进的机械钻速一直是现场努力的方向。为了能够找到提高该段泥岩机械钻速的有效方法, 对影响因素进行分析。

1.1 地层岩性的方面

影响钻井作业机械钻速的因素多种多样, 地层岩性的影响是最客观和不可改变的。由于钻进速度受岩石的矿物质成分和物理学特性的影响, 我们只有加强对相应地层岩性的认识, 通过采用合理的钻具组合和钻井参数来进行作业。位于莺歌海盆地的高温高压井储层上部的泥岩泥质纯, 渗透性极低、塑性强, 实际作业中, 即使地层强度不高, 机械钻速也非常低^[2]。

1.2 高温的影响

良好的钻井液性能是保持井眼干净的关键因素, 但是由于地层高温, 对钻井液的热稳定性产生影响, 形成高温降解、高温交联等作用从而影响其高温下的性能。在使用热稳定性强、对粘土表面吸附能力强、亲水性强等特性的处理剂后, 仍需要不时进行性能的调整以延缓高温带来钻井液性能的降低。由于岩屑的长时间切削和破碎, 形成了不宜从循环系统中被清除的细小岩屑颗粒, 从而进一步影响到钻井液的性能, 对循环系统内的密封件也造成损伤; 高温下大负荷高强度长时间的钻进, 会影响钻头后期的破岩效率; 套管鞋以下的裸眼井段在钻井中一直浸泡在钻井液内, 时间长了会影响井眼通畅和井壁稳定。

1.3 “压持效应”的影响

在实际作业时, 由于泥岩下部为高压层, 因此为了安全起见, 一般会在该压力过渡带采用高于泥岩孔隙压力当量密度的钻井液进行作业。钻井液形成的静液柱压力会超过地层孔隙压力, 由此产生的压差往往很大以确保井控安全, 但会造成整个钻井作业过程中一直存在压持作用, 压差越大“压持效应”越明显。井底产生的压差会造成机械钻速降低:一方面是压差会将已经破碎的岩屑继续压持在钻头下方的井底, 从而引起岩屑的重复破碎和切削; 另一方面是由于压差作用使岩石强度增加, 造成钻头破岩困难, 影响钻进速度。整个过程中机械钻速一般不超过2 m/h, 通过调整排量、钻压、转速等参数也无法达到满意的效果, 现场也曾使用井下动力钻具, 效果也不明显。

对于低渗透性地层, 钻头破碎岩石以后, 井筒内的钻井液不能及时进入裂纹, 造成岩屑两侧的压差较大, 这种情况引起的压持效应较为明显, 直接影响到泥岩地层钻进的机械钻速。现场实际作业中, 由于钻井液在井底的静液柱压力高于地层的孔隙压力, 井底岩石在离开井壁前一直处于受压的状态, 造成井壁上的微裂缝内的压力无法与井筒内压力连通, 从而影响钻头对岩石的破碎效率, 降低了机械钻速。从钻头喷嘴出来的高压钻井液, 需要先将紧贴井底的岩屑冲离井底才能继续向前侵入地层裂缝进行破岩, 降低了通过钻井液水功率来破岩的能力, 造成机械钻速低。

1.4 岩石强度受围压影响

莺歌海盆地的高温高压井作业时需要的钻井液密度较高, 在作业期间, 井底泥岩周围的压力都比较高。根据岩石力学特性, 当围压达到30 MPa时, 岩石的强度会翻一番; 当相同岩石的围压提高到50 MPa时, 岩石的强度又会继续提高一至两倍; 随着岩石所处位置围压的增加, 该处地层强度随之增加, 围压越大强度增加也越大, 因此围压大也是该区域泥岩盖层难以破碎的原因^[1]。

2 现场钻井提速实践

现场在进行目的层上部盖层钻进时, 较低的机械钻速一直困扰着作业人员, 现场钻井作业人员尝试使用了多种提速方法, 通过相互比较, 找寻能够提高莺歌海盆地高温高压井储层上部泥岩地层机械钻速的方法。

2.1 使用低密度钻井液钻进

当岩石围压降低后, 岩石强度会降低, 因此降低钻井液密度后, 井底岩石更易于被破碎, 使用低密度钻井液是有利于提高机械钻速, 但对于海上高温高压井钻进存在极大的作业风险, 必须时刻保持静液柱压力大于等于地层孔隙压力, 防止因高压气体进入井筒而产生井涌或井喷的风险^[3]。在莺歌海盆地的高温高压井就出现过通过尝试降低钻井液密度而导致井涌的发生, 但是机械钻速提高不明显。根据现场实际作业情况分析, 通过适当降低钻井液密度来提速的方法在该海域的高温高压井作业中效果不理想^[4]。

2.2 优化钻井参数

现场钻进作业中当遇到机械钻速低的情况时, 在确保钻具和钻头状态可靠的情况下, 一般会通过调整钻井参数的方法尝试提高机械钻速。莺歌海盆地高温高压井泥岩井段在出现机械钻速缓慢后, 最常用的方法是增加钻压, 但是这样会造成钻头磨损加快, 影响钻头的使用寿命; 提高顶驱转速后机械钻速变化也不明显; 由于压力窗口比较窄, 通过提高排量来提高泵压也行不通; 也尝试使用增加划眼次数等方式, 实践证明通过优化钻井参数效果也不明显。

2.3 钻头型号优选

针对性的钻头设计是常用来提高某一类或特定岩性层位机械钻速的方法, 一般来说效果还是比较明显的。为了应对莺歌海盆地盖层泥岩井段钻速慢的现象, 钻头厂方设计出强攻击性的新型钻头^[5]。小复合片更容易吃入地层, 16 mm复合片较19 mm复合片有着更高机械钻速ROP, 采取了调小复合片切角、优化井底流场的流动参数、优化刀翼与水眼的配合, 使得钻头有着更强的破岩能力, 从设计上提高钻头的破岩性能。通过多口高温高压井215.9 mm井段的使用情况, 可以将机械钻速从2 m/h最高提高到3.4 m/h, 但是效果还不够理想。

除了以上措施, 现场作业时还尝试利用动力钻具增加转速, 该种方法与直接增加顶驱转速的效果相当; 现场也尝试使用不同钻井液服务商配方, 希望通过改变钻井液性能来提高机械钻速, 但效果均不够理想。

3 提速工具的应用

提速是钻井工程永恒的主题, 同时也是中深井钻井工程的主要瓶颈。一方面, 随着钻井深度的不断增加, 钻遇地层日益复杂, 深井难钻地层的机械钻速有待提高; 另一方面, 钻进过程中的卡滑现象也降低钻具、钻头寿命。液力提速工具的出现, 使得上述问题得到解决, 该工具安装在钻头上端, 可有效提高机械钻速。相比普通PDC钻头, 能极大地提高机械钻速ROP和钻头使用寿命。

3.1 水力脉冲空化射流发生器结构与工作原理

莺歌海盆地高温高压井主要使用水力脉冲工具来提高机械钻速(图 1), 该工具也称为水力脉冲空化射流发生器。

在作业时, 安装在钻头上部的水力脉冲工具会对连续平稳流动的钻井液进行调节, 通过自身的自振空化效应在井底钻头喷嘴处产生脉冲空化射流, 提高机械钻速效果显著。主要通过水力脉冲、负压作用、空化作用共同达到清理井底岩屑、改变岩石受力状态、冲击辅助破岩的作业效果。

钻头喷嘴出来的钻井液会在井底形成有规律的高压低压流动区域, 高压时可以提高水力破碎井底岩石的能力, 低压时可以降低作用在井底岩屑上的压持效应和降低岩石的围压, 以此提高机械钻速^[6]。

3.2 水力脉冲工具的应用情况

南海西部公司自2010年的DF-X井开始使用水力脉冲工具, 在最初的设计中并未考虑使用水力脉冲, 但是在实际钻进至泥岩盖层后, 机械钻速仅为2 m/h, 现场通过对钻井参数进行调整和多种参数的配合使用, 均没有明显的提速效果。现场启用水力脉冲工具后, 机械钻速提高效果显著, 提高到近3倍。后经录井取样分析, 该段为黄流组, 在2 641~3 252 m存在大段泥岩盖层, 厚度很大, 岩性为含有泥质粉砂岩的层状灰色泥岩。随后在DF-K项目钻井作业中均使用水力脉冲工具, 优化了井底钻具组合(表 1)。

水力脉冲工具通过在现场使用取得了比较好的效果, 但是在现场作业中需要注意以下几个方面的问题:(1)使用前需对工具进行全面的检查, 确保状况良好功能正常; (2)吊运及接甩工具时需小心, 防止碰撞等外部原因造成工具损坏; (3)对钻井液的固相控制要求高, 防止在钻进时有较大的固相进入循环系统堵塞水力脉冲工具的通道; (4)整个作业过程中对水力脉冲工具的稳定性、可靠性要求比较高; (5)对现场作业人员的经验和技能要求高, 以便于能够随时掌握其工作状况。

3.3 应用效果

在莺歌海盆地作业的DF-K项目多口井的311.2 mm井段和215.9 mm井段均使用水力脉冲工具, 现场实验证明泥岩盖层的机械钻速成倍提高, 提速效果显著, 与该区域未使用水力脉冲工具的前期探井相比, 311.2 mm井段的机械钻速为2.86倍, 215.9 mm井段的机械钻速为2.56倍(图 2、图 3)。

4 结论与建议

(1) 在莺歌海盆地高温高压井作业时, 使用的高密度钻井液对储层上部大段泥岩的钻进速度影响大, 易造成机械钻速低, 也易因井眼浸泡时间长等原因引起多种井下复杂情况。

(2) 莺歌海盆地高压储层上部的泥岩机械钻速低主要由岩性和压持作用引起。渗透性不高、泥质纯, 造成破岩效率不高; 重复破碎和因其影响的钻井液性能是机械钻速低的主要原因; 盖层厚度大对作业时效影响较大。

(3) 通过选取强攻击性的钻头, 能够在一定程度上提高莺歌海盆地高温高压井高压储层上部泥岩盖层的机械钻速, 但不能作为提高机械钻速的首选方法。

(4) 钻进过程中脉冲工具产生高、低压脉冲, 低压脉冲会间歇性地降低井底岩石受到的压持效应, 有规律地减少与地层孔隙压力的差值, 降低井底岩石的破碎强度, 使岩石更易被破碎, 以达到提高机械钻速的效果。

(5) 利用水力脉冲工具的高压脉冲, 可以对井底的泥岩及岩石微裂缝形成强力冲击, 最大限度地利用水功率破碎井底岩石。

(6) 使用水力脉冲工具进行作业时, 对现场作业条件和操作人员都有比较高的要求。