2. 中国石油渤海钻探工程有限公司第三钻井分公司;
3. 中国石油大港油田滩海开发公司;
4. 中国石油渤海钻探工程有限公司
2. The Third Drilling Company of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited;
3. Shallow Sea Development Company of PetroChina Dagang Oilfield Company;
4. CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited
0 引言
大港油田埕海2-2人工岛采用丛式井实现海油陆采，钻探目的层主要为沙河街组地层，受地面条件和地质靶点制约，以定向井、大斜度井、水平井及大位移井等复杂结构井作为开发手段。近年来，随着开发的不断深入，定向井和大位移井等复杂结构井占比逐渐增加，实钻中出现了井眼轨迹控制难度大、防碰要求高、摩阻扭矩大和区域性漏失等难题，严重制约钻井进度。为此，笔者开展了埕海2-2人工岛钻井提速提效关键技术研究，从井眼轨迹控制、减摩减扭、防漏堵漏、井眼清洁及井壁稳定等方面入手，通过理论研究和新工具、新工艺的应用，有效提高了机械钻速，缩短了钻井周期，为加快埕海油田勘探开发步伐提供了技术支撑。
1 钻井技术难点分析(1) 防碰难度大。埕海2-2人工岛共布井口槽82个，行列间距为2.5 m，井口间距小且密集，地下井眼轨迹交错，碰撞风险大。已完钻井采用了多种剖面类型，新设计井靶点方位比较集中，设计井之间、设计井与老井之间的防碰难度大。
(2) 轨迹控制难度大。受防碰等问题的困扰，多采用浅部造斜，定向井段长，浅部地层岩性疏松，井眼扩大率大，造斜率不易控制[1-7]；部分井稳斜井段井斜角偏小，稳斜段长，井眼轨迹控制难度大；大位移井和三维绕障井滑动钻进摩阻大，定向托压严重，使得轨迹控制难度加大。
(3) 区域性漏失问题突出。该区块小断层发育，构造复杂，漏失严重。近3年，有12口井发生漏失，有10口井漏失发生在馆陶组底部砾岩层段、明化组过断层井段及馆陶组过断层井段。东营组地层承压能力差，渗透性漏失严重。
(4) 摩阻、扭矩大，对设备要求高。为了实现地质目标，需要布置大位移井、大斜度井和三维绕障井，有井斜角大、裸眼段长和水平位移大的特点，钻井过程中摩阻、扭矩大，对设备要求高[8-10]。
2 钻井提速提效关键技术为了加快大港油田埕海2-2人工岛海油陆采步伐，开展了钻井提速提效关键技术研究，从井眼轨迹控制技术、减摩减扭及防漏堵漏等方面进行了研究，形成了一系列安全高效的钻井关键技术。
2.1 井眼轨迹控制技术复杂结构井井眼轨迹控制既要考虑提高浅部松软地层大井眼造斜率、下部大井斜长稳斜段定向托压问题，又要考虑密三维防碰绕障问题。
2.1.1 浅部松软地层大井眼轨迹控制浅部松软地层大尺寸井眼定向技术是密集丛式井组成功实施的关键技术之一。为了保证下部井段顺利施工，需要确保大尺寸井眼定向成功率。该井段采用牙轮钻头和1.5°大弯角螺杆钻具，螺杆上部不加稳定器，以提高造斜能力。钻具组合为：ø444.5或ø311.1 mm牙轮钻头+ø244.0 mm螺杆(1.5°)+ø203.0 mm无磁钻铤1根+ø203.0 mm MWD短节+ø203.0 mm无磁钻铤1根+ø203.0 mm钻铤1柱+ø127.0 mm加重钻杆6柱+ø127.0 mm钻杆。定向过程中不冲划、不定点循环，尽量不活动钻具，保证连续定向，提高造斜效率。
2.1.2 下部长稳斜段井眼轨迹控制长稳斜段是提高全井机械钻速的主要井段，也是轨迹控制的重点井段。长稳斜段存在的最大问题是后期需要调整轨迹滑动钻进，由于托压导致施加钻压困难，工具面不稳定，定向效率低。
采用动力钻具实现该井段的轨迹控制，优化钻具组合为：ø215.9 mm钻头+ø172.0 mm螺杆钻具(1.25°)+ø203.0 mm稳定器+ø172.0 mm无磁钻铤1根+ø172.0 mm MWD短节+ø172.0 mm无磁钻铤1根+ø127.0 mm加重钻杆6柱+ø127.0 mm钻杆若干。钻进过程中以复合钻进方式为主，通过调整钻进参数控制井斜增降情况。若通过调整钻进参数达不到轨迹控制要求，则采取滑动钻进方式，采取“勤调微调”方式，原则上调整幅度每30 m井深在±2°以内，保持井眼光滑。
为了解决定向托压问题，提高定向效率，使用了水力振荡器。水力振荡器主要包括脉冲短节和振荡短节，结构如图 1所示。
|
| 图 1 水力振荡器结构示意图 Fig.1 Hydraulic oscillator structure |
脉冲短节是产生压力波动的工具，主要由动力总成、阀盘和轴承系统组成；振荡短节是产生激励的工具，由弹簧及密封总成组成。该工具主要是通过自身产生的轴向蠕动，将钻柱与井壁之间的静摩擦转变为动摩擦，减小钻柱与井壁之间的摩擦阻力，提高滑动钻进过程中的钻压传递效率。综合考虑井斜角、裸眼段长度、钻具组合、钻井液性能及工具振荡力等因素，水力振荡器一般安放在距离钻头180~240 m之间，随着井斜角的增大，安放位置距离钻头越近[11-12]。
2.1.3 三维防碰绕障技术密集丛式井顺利施工最关键的工作是井眼防碰，面对“蜘蛛网”一样的地下井眼轨迹，全方位加强三维防碰绕障工作。对每一口井的设计井眼轨道与其他已钻井实钻轨迹和待钻井设计轨道进行防碰扫描，既考虑完钻井轨迹绕障，又要为后续井留有充分的防碰余地，确保三维空间中每一口井都有最安全的通道，做到整体防碰。采取表层深度和造斜点深度错开法，利用椭圆锥形理论优化防碰总体设计，做好防碰预案。对于直井段，坚持边测斜、边监控、边扫描和边记录的措施，确保直井段防斜打直；对于斜井段，缩短测斜间距加密监测；对防碰危险井段，采取绕障措施提前进行避让，重点防碰井加测陀螺，与MWD测量数据比对，防止出现较大偏差。严格按设计井斜方位定向，施工时必须严格控制钻速，密切观察，发现异常立即停钻检查，首先考虑是否与邻井相碰，防止出现钻穿邻井套管的恶性事故[1-7]。
2.2 减摩减扭技术复杂结构井井斜角大、裸眼段长，导致摩阻大、钻井设备载荷大，造成极大的安全隐患。目前，降低摩阻扭矩可以通过减少钻柱与井壁的接触面积和降低钻柱与井壁间的摩阻系数等方法来实现。大港油田埕海2-2人工岛采用了如下减摩减扭技术措施。
2.2.1 应用减摩减扭接箍减摩减扭接箍主要由上接头、下接头、防磨支撑环和耐磨外套组成，结构如图 2所示。防磨支撑环分为上、下两个，耐磨外套位于两个支撑环之间，且在支撑环之间有足够的空间允许耐磨外套自由转动。该工具通过减小钻柱与井壁间的接触面积降低摩阻，使用该工具能有效降低扭矩，但是不能降低轴向摩阻。该工具一般安放在套管段，具体安放位置和数量需要综合考虑侧向力、井斜角、轨迹类型和每趟钻的进尺等因素确定。一般直井段每3柱钻具加1只，造斜段每1柱钻具加1只，稳斜段每2柱钻具加1只。现场应用效果表明，使用该工具后，扭矩降低10%~15%。
|
| 1—上接头；2—防磨支撑环；3—耐磨外套；4—下接头。 图 2 减摩减扭接箍结构图 Fig.2 Structure of the friction reducing coupling |
2.2.2 提高钻井液润滑性
稳斜段、增斜段和三维绕障井段，采用原油、极压润滑剂等化学润滑和塑料小球等物理润滑相结合的方法来提高润滑性能，控制钻井液摩阻系数在0.06左右，从而降低了摩阻扭矩。
2.3 防漏、堵漏技术针对埕海2-2人工岛的漏失特点，研发了基于“成膜封堵”理论的超低渗随钻堵漏剂BZ-ACT。室内试验评价结果表明，BZ-ACT防漏堵漏效果显著，且对钻井性能无影响。表 1为加入堵漏剂BZ-ACT后的钻井液性能指标。该堵漏剂在钻井液中利用封堵粒子和特殊有机聚合物，在井壁岩石表面浓集形成胶束，依靠胶束或胶粒界面吸力及其可变形性，吸附交联，粘结在井壁岩石表面形成低渗透致密的封堵膜，有效封堵不同渗透性地层和微裂缝灰岩地层，在井壁的外围形成保护层，增强内泥饼封堵强度，将钻井液与地层隔离，达到随钻封堵的目的。
| 钻井液 | 塑性黏度/ (mPa·s) | 屈服强度/ Pa | 密度/ (g·cm-3) | API失 水/mL | 侵入深 度/cm |
| 不加堵漏剂 | 11.5 | 2.5 | 1.2 | 全漏失 | 全浸湿 |
| 加堵漏剂 | 12.5 | 2.5 | 1.2 | 0 | 4.0 |
2.3.1 防漏措施
钻井工程设计过程中，尽量避开在馆陶组穿越张东西断层方位97°~108°、205°、260°，井斜在20°~35°的漏失风险较大区域；避开在明化镇组穿越张东西断层方位在100°、井斜在25°~35°的漏失风险较大区域。
钻进至明化镇组底部前，在钻井液中加入体积分数2%的BZ-ACT堵漏剂，并配合体积分数1%~2%超细碳酸钙，振动筛换80目或80目以下筛布。钻穿馆陶组后，建议在馆陶组做一次承压试验，避免下步提高钻井液密度时，馆陶组发生漏失。钻井液中提高成膜类封堵剂体积分数，降低钻井液中劣质固相，改善泥饼质量。
2.3.2 堵漏措施一旦在馆陶组、东营组发生漏失，首先停止钻进，降低排量，观察漏失情况，同时判断漏层位置和漏层特点，为配制堵漏浆做准备。如果漏速＜10 m3/h，继续钻进的同时提高随钻堵漏材料(BZ-ACT)体积分数至3%~5%，并配合体积分数1%~2%超细碳酸钙进行随钻封堵。如果漏速仍然较大，按如下措施配制堵漏浆堵漏：①当漏速大于30 m3/h或发生失返性漏失时，以井浆为基础，堵漏浆以体积分数30%的BZ-PRC配制，封堵漏层，静止堵漏；②当漏速为10~30 m3/h时，以井浆为基础，堵漏浆以BZ-PRC和BZ-ACT按1:1配置，堵漏剂体积分数约为25%，封堵漏层，静止堵漏；③当漏速为5~10 m3/h时，以井浆为基础，用BZ-ACT配制堵漏浆，堵漏剂体积分数为25%左右，封堵漏层，静止堵漏；④当漏速小于5 m3/h时，随钻加入体积分数2%~3%的BZ-ACT堵漏剂；如果漏速不降，BZ-PRC和BZ-ACT按1:1配制堵漏浆，堵漏剂体积分数为20%左右。
2.4 井眼清洁技术随着井斜角的增大，裸眼段的延长，携岩越来越困难，尤其是井斜角在45°~65°时，更容易形成岩屑床[13-16]。除了采取提高转速、加大排量和短起下划眼等常规措施外，还采用了以下措施。
2.4.1 井眼清洁工具井眼清洁工具主要由硬质合金齿、上螺旋棱、下螺旋棱、导流槽及叶轮等组成，结构如图 3所示。螺旋棱用来在旋转过程中刮削井壁上的虚泥饼或岩屑床，使其从压实状态变为自由状态；导流槽和叶轮可在钻井液流过时产生涡流作用，将井眼中自由状态的虚泥饼或岩屑床向上推移，携带出井口。该工具可以利用机械力将附着在井壁上的岩屑床破坏，使岩屑床处于自由状态；然后利用水力旋流力将悬浮在钻井液中的岩屑向上推举，携带出井眼。井眼清洁工具要求安放在裸眼段，一般要求在加重钻杆中每3根加1只，钻杆中每4根加1只，最下端一只安放在距离钻头60 m位置处，最上端一只安放在井斜角40°位置处。
|
| 1—硬质合金齿；2—上螺旋棱；3—叶轮；4—下螺旋棱；5—耐磨带。 图 3 井眼清洁工具结构图 Fig.3 Wellbore cleaning tool structure |
2.4.2 提高钻井液携岩性能
维持钻井液具有良好的流变性以保证井眼净化，钻井液漏斗黏度控制在45~55 s之间，黏度计转速3 r/min时读数控制在4~6，6 r/min时读数控制在5~8，动塑比控制在0.5以上[3]。
2.5 井壁稳定技术 2.5.1 提高封堵防塌能力采用BH-WEI钻井液体系，防塌性能强。钻井过程中及时补充BH-WEI钻井液胶液，增强钻井液的封堵防塌能力；沙河街地层易垮塌，在加强钻井液抑制性的同时，加入体积分数2%~3%的BZ-YFT和BZ-YRH等封堵防塌材料，在井壁形成致密的泥饼，从而提高钻井液的封堵防塌能力。
2.5.2 平稳起下钻在起下钻过程中，严格控制速度，防止因抽吸压力或激动压力而导致的井壁失稳，下钻到底后缓慢开泵，防止憋漏地层。
2.5.3 缩短裸眼段浸泡时间优化钻井参数和钻具组合，应用新工具和新工艺，全方位综合提高机械钻速，缩短钻井周期，缩短裸眼段浸泡时间，防止周期性坍塌。
3 现场应用 3.1 总体应用情况2016—2018年，大港油田埕海2-2人工岛钻井提速关键技术现场应用23口井，应用水力振荡器12口井、应用减摩减扭接箍1口井、超低渗随钻堵漏剂BZ-ACT应用15口井，平均机械钻速达到20.85 m/h，同比提高19.75%，平均钻井周期缩短5.23 d，同比缩短25.76%。下面以张海17101井为例，详细介绍应用情况。
3.2 张海17101井应用情况张海17101井是大港油田滩海井深最深、位移最大的评价井，四开井身结构(见图 4)、三段制剖面类型，完钻井深5 779.00 m，水平位移为4 272.24 m，最大井斜角59.34°，稳斜段长4 971.31 m，平均机械钻速21.85 m/h，钻井周期90.54 d。
|
| 图 4 张海17101井井身结构 Fig.4 Wellbore schematic of Well Zhanghai 17101 |
针对浅部地层大井眼定向效率低、长稳斜段轨迹控制难、长稳斜段摩阻扭矩大及馆陶组易漏等技术难题，为了提高机械钻速，缩短钻井周期，应用了大港油田埕海2-2人工岛钻井提速提效关键技术，取得以下成果：
(1) 提高ø444.5 mm大井眼造斜效率。二开ø444.5 mm井眼自150.00 m开始造斜至造斜终点817.69 m，井斜角达到53.41°。为了提高大井眼、上部松软地层造斜效率，选用了1.5°弯角、外径244.5 mm螺杆钻具，造斜期间未冲划、未定点循环。
(2) 降低长稳斜段摩阻，缓解定向托压。二开钻进至2 113.00 m定向开始出现托压现象，为了提高长稳斜段调整井斜的效率，在ø444.5和ø311.1 mm井眼中应用了ø203.0 mm水力振荡器，在ø215.9 mm井眼中采用了ø178.0 mm水力振荡器，水力振荡器距离钻头220 m。同时定向前随时加入原油或液体润滑剂，使钻井液润滑系数小于0.06，每钻进200 m短起下一次，及时清除井壁上的虚泥饼和岩屑床，综合措施保证了定向钻时在10~15 min。
(3) 降低长稳斜段扭矩。三开ø311.1 mm井眼钻进至4 007.00 m，扭矩达到50~60 kN·m，瞬间最大扭矩达到66 kN·m。随着井深的增加，扭矩持续增大，钻井设备负载过大，地面设备和井下安全风险急剧增大。为了有效降低扭矩，同时减轻对上层套管的磨损，下入了ø198.0 mm减摩减扭接头，造斜段每1柱钻具加1只，稳斜段每2柱钻具加1只，共使用53只，入井期间扭矩平均降低12.4%，至钻完最大扭矩未超过60 kN·m，保证了钻井设备和钻具的安全。
(4) 馆陶组防漏堵漏。三开井段2 769.00~3 534.00 m馆陶组为重点防漏井段，钻进至2 750.00 m短起下清除上部井眼的岩屑床，降低钻井液循环当量密度，随钻加入ACT堵漏材料，钻进过程中未发生井漏。
4 结论及认识(1) 牙轮钻头和1.5°大弯角螺杆钻具保证了大井眼浅部地层定向效率；水力振荡器有效缓解了长稳斜段调整井斜和三维绕障井段调整方位定向托压问题，水力振荡器合理安防位置的确定是保证其应用效果的根本。
(2) 钻井液高效润滑性能和减摩减扭接箍的合理应用有效降低了钻井过程中的摩阻扭矩，保证了钻井设备和钻具安全运转，减摩减扭接箍的合理安防位置和数量的确定是其有效降低扭矩的基础，扭矩降低比例一般在10%~15%。
(3) 基于“成膜封堵”理论的超低渗随钻堵漏剂BZ-ACT防漏堵漏效果显著，且对钻井性能无影响，有效解决了大港油田埕海2-2人工岛区域性漏失问题，为该区块的安全高效钻井提供了有力保障。
| [1] |
边瑞超, 周洪林, 曹华庆. 冀东油田人工岛丛式井钻井防碰技术[J]. 石油钻探技术, 2017, 45(5): 19-22. BIAN R C, ZHOU H L, CAO H Q. Anti-collision technology for drilling clusters wells in the artificial island of Jidong Oilfield[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(5): 19-22. |
| [2] |
李云峰, 胡中志, 徐吉, 等. 南堡1-3人工岛大斜度定向井钻井技术[J]. 石油钻探技术, 2014, 42(1): 61-65. LI Y F, HU Z Z, XU J, et al. High-inclination directional drilling technology in Nanpu 1-3 artificial island[J]. Petroleum Drilling Technioques, 2014, 42(1): 61-65. DOI:10.3969/j.issn.1001-0890.2014.01.012 |
| [3] |
刘茂森, 付建红, 白璟. 页岩气"井工厂"水平井组防碰技术研究[J]. 石油机械, 2016, 44(6): 14-18, 23. LIU M S, FU J H, BAI J. Anti-collision technology of horizontal well groups in shale gas "well factory"[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(6): 14-18, 23. |
| [4] |
刘刚, 杨超, 蔡鹏, 等. 海上多平台井眼防碰监测系统设计[J]. 石油机械, 2014, 42(8): 68-70, 78. LIU G, YANG C, CAI P, et al. Design of multi-platform borehole anti-collision monitoring system[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(8): 68-70, 78. DOI:10.3969/j.issn.1001-4578.2014.08.016 |
| [5] |
许军富, 徐文浩, 耿应春. 渤海人工岛大型丛式井组加密防碰优化设计技术[J]. 石油钻探技术, 2018, 46(2): 24-29. XU J F, XU W H, GENG Y C. Anti-collision optimization design technology for large-scale infill drilling for cluster well groups in the artificial island of the Bohai sea[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(2): 24-29. |
| [6] |
李翠, 高丽萍, 李佳, 等. 邻井随钻电磁测距防碰工具模拟试验研究[J]. 石油钻探技术, 2017, 45(6): 110-115. LI C, GAO L P, LI J, et al. Experiment research on an electromagnetic anti-collision detection tool while drilling adjacent wells[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(6): 110-115. |
| [7] |
黄贵生, 李林, 罗朝东, 等. 中江气田致密砂岩气藏"井工厂"钻井井眼轨迹控制技术[J]. 石油钻采工艺, 2017, 39(6): 697-701. HUANG G S, LI L, LUO C D, et al. Well path control technology of "Well Factory" in Zhongjiang Gasfield tight sandstone gas reservoir[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(6): 697-701. |
| [8] |
王波, 王旭, 邢志谦, 等. 冀东油田人工端岛大位移井钻井完井技术[J]. 石油钻探技术, 2018, 46(4): 42-46. WANG B, WANG X, XING Z Q, et al. Drilling and completion technologies of extended-reach wells in the artificial island of the Jidong Oilfield[J]. Petroleum Drilling Technioques, 2018, 46(4): 42-46. |
| [9] |
李云峰, 徐吉, 徐小峰, 等. 南堡2号构造深层潜山水平井钻井完井技术[J]. 石油钻探技术, 2018, 46(2): 10-16. LI Y F, XU J, XU X F, et al. Drilling and completion for horizontal wells in the deep buried hills of the Nanpu No.2 structure[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(2): 10-16. |
| [10] |
张志财, 赵怀珍, 慈国良, 等. 桩1291HF大位移井钻井液技术[J]. 石油钻探技术, 2014, 42(6): 34-39. ZHANG Z C, ZHAO H Z, CI G L, et al. Drilling fluid in Zhuang 1291HF extended reach well drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2014, 42(6): 34-39. |
| [11] |
冯强, 陈世春, 王建龙, 等. 振动减摩阻工具振动参数及安放位置研究[J]. 石油钻探技术, 2018, 46(4): 78-83. FENG Q, CHEN S C, WANG J L. Research on vibration parameters and determining the position of a vibration friction reducing tool[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(4): 78-83. |
| [12] |
王建龙, 张展豪, 冯强, 等. 水力振荡器与液力推力器集成应用研究[J]. 石油机械, 2017, 45(4): 44-47. WANG J L, ZHANG Z H, FENG Q, et al. Study on the integrated application of hydraulic oscillator and hydraulic thruster[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(4): 44-47. |
| [13] |
王建龙, 郑锋, 刘学松, 等. 井眼清洁工具研究进展及展望[J]. 石油机械, 2018, 46(9): 18-23. WANG J L, ZHENG F, LIU X S, et al. Advances and prospects of well cleaning tools[J]. China Petroleum Machinery, 2018, 46(9): 18-23. |
| [14] |
NWAGU C, NIGERIA A P. Application of mechanical cleaning device: hole cleaning tubulars, to improve hole cleanig[R]. SPE 172403-MS, 2014.
|
| [15] |
许京国, 霍如军, 陶瑞东, 等. 旋转导向钻井系统在张海29-36L井的应用[J]. 钻采工艺, 2016, 39(2): 113-115. XU J G, HUO R J, TAO R D, et al. Application of rotary steerable drilling system in ZH29-36L well[J]. Drilling & Production Technology, 2016, 39(2): 113-115. DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2016.02.33 |
| [16] |
PUYMBROCK L V. Increasing drilling performance using hydro-mechanical hole cleaning devices[R].SPE 164005, 2013.
|