大庆外围探井钻井速度的影响因素分析

    摘要:对影响大庆外围探井钻井速度的地质因素及钻井工程技术因素(井身结构、钻井设备和钻井液)进行了分析,制定了合理的设计方案和井身优化结构。通过合理降低上部大井眼岩屑切削面积及合理增加中下部复杂井段井身结构,采用先进的钻井工艺技术,进一步优选了钻头,试验和推广了低压和负压钻井等新工艺新技术,加强了对固控技术的研究,改进了现有钻井工艺。这些技术措施的实施提高了大庆外围地区深探井的钻井速度。
 
  关键词:大庆油田;深井;探井;钻井工艺;钻井速度;影响因素;打地热井
 
  大庆外围深井钻井过程中,常常遇到高硬度、可钻性极差的岩石及受到深层高温高压的影响,井壁不稳定,有易剥落的砾岩层,而发生钻具失效、井斜和卡钻等各种复杂情况。为了安全高效、快速、优质地钻深井,在综合分析了国内深井钻井技术现状以及制约深井钻井速度的基础上[1O7],笔者根据区块的特点,研究了影响大庆外围探井钻井速度的主要因素。针对不同的影响因素,在井身结构优化、设备配套方案、钻井参数设计、钻头选择、钻井工艺技术、钻井液、井下钻具组合设计、钻具防失效等方面进行了分析和探讨。
 
  1 外围深探井钻井速度的主要影响因素
 
  地质因素
 
  影响外围深探井钻井速度的地质因素包括以下方面:
 
  (1)所钻地质年代较多,地层岩性复杂。大庆外围地区深井所钻地层跨越的地质年代较多,地质条件变化大,岩性复杂,特别是在新的探区尤为严重。深井钻遇的地层自上到下依次为第四系、第三系、白垩系、侏罗系、基岩。其中,白垩系地层含有地层复杂的四方台组、嫩江组、青山口组、泉头组、登娄库组、营城组和沙河子组;侏罗系地层由浅到深依次是火石岭组、洮南组、白城组。
 
  (2)深部地层硬度大,岩石可钻性差,在纵向上砂泥岩互层且存在砾石层。井深超过2 700m(登娄库组)地层的可钻性级值为6~10级,其中砾石层可钻性级值高达10138级;井深在3 000~4 100m的营城组和沙河子组的地层可钻性级值为7~9级。对于该区块深部井段,在高温高压的作用下,岩石可钻性变差。
 
  一些泥岩、泥质砂岩也由常压下的脆性向塑性或弹塑性转化,破碎这种地层特别困难。在纵向上砂泥岩互层且存在砾石层,钻进困难且跳钻严重,降低了钻头和钻具使用寿命。
 
  (3)深层地层孔隙压力低,常规钻井压差大。城组和沙河子组地层当量密度一般约为110g/cm3,储层保护难度大。由于井筒和地层孔隙流体的压差作用使岩石强化,塑性和硬度增加,破碎方式也相应有了变化。在低压差下易破碎的岩石,在高压差下则塑性增大,难于破碎。另外,由于压差对刚破碎的岩屑有压持作用,阻碍岩屑的及时清除,造成重复破碎,使钻速下降。
 
  (4)存在多套压力系统,制约了井身结构的优化。在上部井段有黑帝庙、萨尔图、葡萄花、高台子、扶余、杨大城子等六大油层;下部井段有泉头组一、二段、登娄库组、营城组、沙河子组等天然气储层。压力层系多而压力系数不一致,用同一种钻井液体系很难使所有的储层都得到保护。青山口组的当量密度为1125g/cm3,基底的当量密度为110g/cm3左右,增加了复杂情况发生的几率。
 
  (5)深部地层岩性不均质,常发生砾石块剥落,井下复杂情况发生几率增多。深部地层不但宏观上岩性复杂,而且同一岩性结构复杂。在钻井过程中,常有剥落坍塌的砾石块,致使钻头先期损坏。对于营城组流纹岩、角砾岩、凝灰岩地层,钻头的平均进尺不足60m,起、下钻频繁。
 
  (6)地层温度高。大庆外围地区平均地温梯度为(316~4)e/100m左右,而徐家围子地区平均达到411e/100m,肇州地区高达4119e/100m。高温高压对钻井液性能影响较大,也致使钻头保径齿和切削齿脱落、井下工具密封失效和钨钢柱脱落,造成井下复杂情况增加和固井难度增大。
 
  (7)地层倾角大。登娄库组以下地层倾角大约为20~60b,为了控制井身质量,常常需要轻压吊打,这就严重影响了深井的机械钻速。
 
  钻井工程因素
 
  影响外围深探井钻井速度的钻井工程因素包括以下方面:
 
  (1)井身结构 由于深探井钻遇的地层特性复杂,需要采用多层套管的井身结构。目前比较普遍的是采用3层套管。但是对于深层探井来说,由于地质情况不明确,3个压力预测存在很大误差,易漏、易坍塌层位及多套压力体系等问题都严重制约着井身结构的选择,制约着每层套管的合理下入深度。另外,由于大尺寸井眼钻头切削面积很大,效率很低,也严重影响了深井钻井速度。因此,合理选择适合本地区的井身结构和优化井身结构设计是提高深井钻井速度的关键问题。
 
  (2)钻井方式 在井身结构确定以后,对于每个井段来说,优选钻井方式是提高单位井段钻井速度、进而提高整个深井钻井速度的关键因素。以往对于钻井工程来说,在上部松软地层大多是采用喷射钻井方式,则主要是水力破岩为主、机械破岩为辅;在中深部井段的中硬地层采用机械破岩为主、水力破岩为辅的钻井方式;在深部硬地层,由于管内压力损失较大,主要采用机械破岩为主的原则。但是这种钻井方式机械钻速很低,周期较长,一般井深为4 300m的井平均建井周期为140d左右,不能满足加快深井勘探开发的需要。
 
  (3)钻井设备 在深井钻井过程中,现有的钻井装备(包括钻机、泥浆泵、泥浆净化的固控设备、钻杆钻铤等井下钻具等)也制约着钻井速度的提高。由于上部大直径井段要求排量较大,必须保证双泵打钻,同时没有大尺寸外径的钻杆钻铤,使上部井段钻井的井下钻压的机械能量不足;泥浆净化的固控设备不能保证泥浆中固相含量尽可能的少,目前只有部分特殊工艺(包括水平井和欠平衡钻井等)才能实现四级固控净化设备的功能,这使得泥浆中固相含量及井下泥浆密度的增加,增大了井下压差,造成重复破碎。同时,由于钻杆钻铤内径较小,使下部井段水力能量损失过大,钻头压降较小,对井底清洗存在一定影响。深井钻机顶部驱动系统及活动基础方面的问题同样也制约大庆外围深探井钻井速度的提高。
 
  (4)钻井液 外围深层钻井液应该具有防井塌、防缩径和抗高温的能力。在钻井过程中,使用的钻井液密度应该尽可能地降低,以减少井底压差及提高钻速。作用于井底的压差是影响钻速的重要因素之一,随着井底压差的增加,钻速会大幅度降低。因此在保证正常安全钻进的前提下,使作用于井底的压差降低到最小是提高钻井速度的关键。另外,钻头型号优选、钻井参数优化、钻具组合以及完井方式的确定都是影响深探井钻井速度的因素。
 
  2 提高大庆外围深探井钻井速度的策略
 
  优化井身结构
 
  在深井钻井过程中,优化井身结构、在上部大尺寸井段、合理缩短岩屑切削面积、提高大井眼钻井速度、在中下部复杂井段合理增加井身结构、采用先进的钻井工艺技术及进一步优选钻头是提高深探井钻井速度的关键性技术。从国内外钻井技术发展来看,大庆外围探井钻井速度的影响因素分析115以从3个方面入手:
 
  (1)减少套管下入层次,简化井身结构,降低辅助钻井和中间完井时间及提高钻井速度。将套管层次减少,减化不同尺寸结构的套管,根据地质特点合理布置不同层次套管的下入深度。在大庆外围地区,2003)2004年已经采用了这种方式。将原有的4层套管改为3层套管,改变各层套管的下入深度,将表层下入到200m左右深度;采用近平衡和普通钻井施工的深探井工艺,技术套管封至泉三段(2 500m左右)底部;采用欠平衡施工的深井工艺,技术套管封至登二段(3600m左右)。实施以上工艺减少了4层套管,使一开周期缩短了314d。
 
  (2)缩小套管下入的直径,减少钻头的切削面积,提高机械钻速。国外深井超深井钻井中采用的套管与钻头系列的种类很多,随地区、井深、钻井目的及钻井工艺技术水平的不同而不同,套管层次有3层、4层、5层、6层、7层等。国外实践证明,在较大井眼内下入较大尺寸的导管和表层套管,通常不会明显增加费用。
 
  膨胀管、扩眼技术等一些先进技术使美国井身结构的优化方式从20世纪后期开始发生明显变化。2003年以来,套管外径已经从表层的55188cm降低到35156cm,上部大井眼降低切削面积60%左右,大大提高了深井钻进速度。
 
  (3)根据地质特点合理设计套管层次,减少套管下入深度,在不同井段实施不同的钻井工艺,大幅度提高钻井速度。在中国石油长城钻井公司中标的伊朗项目中,地质条件十分复杂。在地表位于海平面以上1200m左右的TABNAK山顶上,地下裂缝、溶洞发育,全井都遇到完全漏失,而且存在大段水敏性页岩,垮塌严重。1998年伊朗国家钻井公司曾在该地区打过一口井深为3345m的TO1井,因漏失和垮塌问题严重,主要靠盲钻、油基钻井液和水泥段塞堵漏完成钻井进尺,建井周期为402d。中国石油公司在该地区所钻的第一口井TO2井,井深为3 300m。虽然采用了空气、泡沫等先进的钻井技术,但是由于套管层次和下入深度以及工艺技术不完善,钻井周期为193d。中国石油公司在该地区合理设计套管层次,确定了6层井身结构。将上部大尺寸套管的下入深度进一步缩短,简化了钻井工艺流程,在不同井段实施不同的钻井工艺。TO15井的深度为3120m,钻井周期仅为50d。
 
  采用低压或负压钻井工艺
 
  深井钻速低的一个很重要的原因是:由于深井压差大,钻井液对井底的岩石和对钻头破碎产生的岩屑压持作用大。地层越深,压持程度越大,岩石强度也逐渐增大,而且巨大的液柱压力会压住即将脱离母体的岩屑。液柱压力和地层孔隙压力的差值越大,这种情形会更加严重,岩屑在井底被重复破碎的次数会更多。
 
  传统的钻井工艺方式已经不能满足现代勘探开发钻井的需要,从20世纪90年代以来,以降低井底压力、减少压持效应的流钻欠平衡、充气、泡沫、气体等钻井方式相继发展并逐渐完善。截至目前,在四川油田已经进行了35口井的气体钻井试验。其中,天然气欠平衡钻井8口,空气钻井27口。长庆油田在陕242井、苏35O18井、苏39O14O1井、苏39O14O4等井进行了天然气钻井现场试验,分别在西峰油田和苏里格气田镇206井、苏33O8井、苏38O19井进行了空气钻井试验,大幅度提高了钻井速度。大庆油田在外围地区的升深2O17井进行了充气钻井技术试验,机械钻速提高了30%以上;在徐深21井进行了空气钻井和充气钻井的现场实验,其机械钻速比同区块的普通钻井方式相比提高了4~6倍,取得较好的效果。因此,在大庆外围地区采用充气、泡沫、雾化和气体钻井钻井技术,可以大幅度提高深探井钻井速度。
 
  井下动力钻具复合钻进
 
  随着聚晶金刚石复合钻头(PDC)的开发和发展,给井下动力钻具的应用提供了巨大的潜力,现已成为提高钻速的一项重要技术。在2004年大庆深井提速现场试验中,在徐深601井采用E517G牙轮钻头和螺杆进行了复合钻井试验,使单只牙轮钻头机械钻速提高1419%。但由于牙轮钻头对高转速适应性较差,未完全达到目的。在升深202井采用DSX259型PDC钻头和螺杆进行了复合钻井试验,使PDC钻头钻速提高了41%。试验证明,引进PDC钻头、采用复合钻井技术是提高深井泉二段至登娄库组地层钻速的主要技术手段之一。同时,应该加大涡轮钻具在大庆外围深层的应用研究,进一步提高复合钻进技术的应用效果。
 
  固相控制技术
 
  在提高机械钻速的综合配套技术中,固相控制技术是国内发展较晚、发展速度较慢的技术之一[12]。实践表明,固相控制技术中的关键是固控设备,应该开展超级振动筛(筛网为150~200目)、大功率除砂清洁器、除泥清洁器、离心式砂泵、离心真空除气器、灌注泵、414型离心机、518型大排量离心机及钻井循环罐等固控设备的研究,同时还应对固相化学清洁剂进行研究。实验结果表明,清洁剂具有较强的抑制性,可以有效地抑制粘土水化分散、絮凝结屑,保证钻井液清洁,在钻井液体系中可很好地与阴离子型、阳离子型和两性复合离子型处理剂配伍,同时具有较好的抑制增效作用,在有效的剂量范围内对钻井液的滤失量和流变性的影响较小。中原油田加大了对固相控制技术的投入,既提高了机械钻速及井身质量,又延长了钻井设备的寿命,减少了井下复杂情况的发生,大大降低了钻井的综合成本。因此,对深井来说,固相控制技术的研究和综合应用可以极大地提高生产时效。
 
  抗高温钻井液技术
 
  随着世界各国深井和超深井钻井数量的不断增加,深井钻井液也得到了发展。新型抗高温钻井液在高温、高压条件下应具有良好的热稳定性,不发生降解作用和由活性粘土引起的高度分散。大庆钻井工程技术研究院与中国石油大学(北京)合作研制了抗高温油基和水基钻井液体系。1999年在葡深1井井底温度为220e的高温下进行了抗高温油基钻井液体系的现场应用,2002年又在徐深1井200e左右的高温条件进行了现场应用,均取得了较好的效果。目前抗220e高温的水基钻井液体系正在现场应用,具备了抗220e高温的性能。但是,随着深井数量和钻井深度的增加,井底最高温度已经超过220e,甚至达到了240e以上。大庆钻井工程技术研究院研制了油基和水基两种抗高温钻井液,室内研究抗高温指标均已超过240e,满足了深探井钻井的要求。
 
  另外,针对目前钻井投入少的特点,应该试验以机械破岩为主的冲击、振动以及以水力破岩为主的超高压水射流和水力脉动钻井技术,力争寻找一条提高大庆外围深探井速度的新途径。
 
  3 结 论
 
  (1)根据地质特点合理设计和优化井身结构,适当改变套管结构,在不同井段采用不同钻井工艺技术是大幅度提高大庆外围深探井钻井速度的主要手段。
 
  (2)试验负压钻井工艺技术,将气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井和充气钻井技术有机结合,在大庆外围深探井大幅度提高机械钻速。
 
  (3)积极试验地面固控设备、井下机械破岩及水力脉冲破岩等钻井工艺技术,为提高大庆外围深探井钻井速度提供新的途径。