塔河油田托普台区块超深井快速钻井技术

2022-09-10

一、概况

塔河油田托普台区块位于塔河油田西南部, 与塔河油田主体区块有相近的油气成藏地质条件, 是油气运移聚集的有利地区。目前, 托普台区块开发已经取得了良好的油气产量, 是塔河油田实现油气勘探开发战略接替的重点区块。托普台地层发育比较完全, 由第四系、第三系、白垩系下统、侏罗系下统、三叠系、二叠系、石炭系下统、泥盆系上统、志留系下统和奥陶系上、中统组成。目前托普台区块油藏埋藏深, 钻井周期长, 机械钻速低、钻井成本高是制约托普台勘探开发的瓶颈。

二、塔河油田托普台区块施工难点分析

(1) 托普台地区奥陶系油藏埋深6400-7100m, 普遍深于塔河油田主体区块600m。施工钻井周期普遍较长 (TP17井钻井周期150.44d, TP22钻井周期137.8d, TP303钻井周期145.61d) 。

(2) Ф311.2mm阶段侏罗系、三叠系阿克库勒、柯吐尔组底部地层可钻性差, PDC钻头平均机械钻速低, 钻头磨损严重。Ф215.9mm井眼钻至三叠系哈拉哈塘、阿克库勒、石炭系卡拉沙依组灰、深灰、褐色泥岩 (胶粘性很强) , 易造成PDC钻头泥包, 个别井甚至连续发生泥包现象, 严重影响了机械钻速。特别是石炭系卡拉沙依、巴楚组泥岩段地层质硬性脆, PDC牙齿不易吃入, TP7-4井钻至井深5455m后钻进速度较慢, 钻时50-80min/m;TP22井该段地层最高钻时达260min/m。

(3) 二叠系上部为灰白色凝灰岩、浅灰色火山角砾岩, 中部为浅灰色英安岩, 下部为玄武岩, 属于裂缝性地层, 地层承压能力差, 该井段钻进时机械钻速低, 钻井液消耗量较大, 地质结构复杂, 极易发生井漏及井壁坍塌等井下复杂情况。一旦二叠系发生漏失, 漏失速度快, 堵漏时间耗时长 (TP22井二叠系两次挤水泥时间长达14d, TP303井二叠系堵漏施工长达22.89d) 。

(4) 三叠系柯吐尔组、石炭系下统巴楚组、泥盆系、志留系地层以泥页岩、砂岩和灰岩为主。志留系柯坪塔格组中部为脆性泥页岩发育, 易发生井壁掉快、坍塌 (TP303、TP17井井径扩大率都在20%-40%, TP17井在4875-4925m井径扩大率高达88%) , 起下钻及其困难。

三、塔河油田托普台区块超深井快速钻井工艺技术

311.2mm井段

1.311.2mm井段上部地层砂泥岩交错, 易发生井斜。为确保井身质量, 常用防斜钻具组合:Φ311.15mm钻头+Φ228.6mm钻铤×2根+310mm扶正器+Φ228.6mm钻铤×1根+Φ203.2mm钻铤×6根+Φ177.8mm钻铤×9根+Φ127mm加重钻杆+Φ127mm钻杆;Φ311.15mm钻头+244.5mm直螺杆+Φ228.6mm钻铤×1根+12 1/4"扶正器+Φ228.6mm钻铤×1根+Φ203.2mm钻铤×9根+Φ177.8mm钻铤×6根+Φ127mm钻杆;扶正器选用外径308-310mm的螺旋扶正器防斜效果较好。

2.311.2mm井段康村组底部和吉迪克组石膏发育良好, 污染钻井液, 易发生井眼缩径, 造成短起下钻困难。在钻进过程中进入前50米将钻井液密度上提至1.16g/cm3, 每钻进150-200m进行短程起下钻和每钻进600m进行一次长短起下钻作业, 确保井眼稳定。

3.上白垩系砂岩发育, 地层渗透性好, 泥饼厚, 容易发生卡钻。在施工过程中, 加入适量的SMP-1、SPNH, 控制合适的失水, 形成薄而韧的泥饼。工程上每钻进300m进行一次短程起下钻, 及时修整井壁, 同时加入1%的润滑剂, 增强钻井液的润滑性, 防止钻头泥包和卡钻事故的发生。

4.吉迪克组大套泥岩、侏罗系、三叠系阿克库勒、柯吐尔组等地层大套泥岩夹砾质砂岩。地层可钻性差, PDC钻头平均机械钻速低, 钻头磨损严重。PDC钻头使用19mm齿以提高机械钻速。通过下述几口井的实践对比分析得出:1) 为保证一只PDC钻头能够钻至二开终完井深, 建议在不影响机械钻速的情况下尽量使用牙轮钻头钻至井深2000米以上。2) 型号M5363L和MS1952SS PDC钻头在311.2mm的井眼在吉迪克组、侏罗系、三叠系阿克库勒、柯吐尔组钻进中的机械钻速和进尺都比较高;而GP19256LT和EM1915S机械钻速相对偏低。3) 在相同类型的钻头使用中, 螺杆+PDC钻具组合对机械钻速无明显提高, 但减轻了钻具的疲劳损伤和保证了井身质量。建议侏罗系、三叠系阿克库勒、柯吐尔组等含砾质砂岩地层使用不带螺杆的常规钻具, 以防止砾石提前损坏钻头。

5.该井段是本井钻井液维护重点, 该井的钻井液转型工作也是在这一井段完成的, 在井深4000米钻井液转型的现场过程中, 现场严格按照钻井液设计要求及时的将钻井液体系转化为聚磺防塌钻井液体系, 重点是抓好白垩系、侏罗系、三叠系的防塌和防粘卡工作。在4000米时加入磺化材料、沥青类防塌剂, 将钻井液体系逐步转化为聚磺防塌体系, 提高钻井液的抗高温和防塌性能。在转聚磺钻井液体系之前要严格控制钻井液中的固相含量, 防止转成聚磺体系后, 随着温度的提高, 造成粘土过度分散。坚持使用聚合物, 聚合物浓度维持在0.5-0.8%。在施工中通过适当提高钻井液的动切力、静切力和动塑比, 使泥浆具有良好的携岩能力和悬浮能力。保持钻井液中防塌剂和降失水剂的有效含量在3%以上, 控制钻井液的中压失水小于5ml, 高温高压失水小于15ml, 以确保井壁稳定, 井眼规则, 防止掉块跨塌。在满足钻井液有足够携岩能力的前提下, 保持低粘切钻进, 提高了清洁井眼的效果。在钻进过程中, 保持润滑剂的有效含量5%, 使摩擦系数小于0.07, 钻井液具有良好的润滑性能, 防止了粘卡。钻进过程中, 每150m进行一次短起下, 保证了井眼清洁与畅通。在本段施工中, 钻井液以维护为主, 泥浆性能稳定, 润滑防卡能力好, 防止了因泥浆性能大幅度变化引起的井下复杂情况。钻井时及时测量钻井液性能, 根据泥浆性能的变化随时调整泥浆性能, 保证了井下安全。在进入白垩系系前50米, 按设计浓度加足各类防塌剂, 将钻井液密度提至1.22g/cm3, 将粘度控制在50秒左右, 高温高压失水控制在15ml以下, 保证钻井液的防塌能力。钻过白垩系后, 将钻井液密度提至1.25g/cm3。

215.9mm井段

1.螺杆+PDC钻具组合:在三开井段, 地层主要是二叠系, 石炭系, 泥盆系, 志留系和奥陶系地层。地层压实性好, 地层可钻性差, 常规钻井工艺机械钻速较低, 螺杆+PDC工艺的推行, 比常规钻进工艺机械钻速提高明显:在地层、埋深、钻头型号和钻进参数相同的情况下使用螺杆情况下比不使用螺杆其机械钻速提高了61.79%-167.89%。螺杆的使用也大大减轻了钻具的疲劳损伤, 保证了井下安全。但唯一不足的是螺杆的工作寿命和安全系数仍然是制约螺杆+PDC工艺大面积推广的主要因素。

2.钻头的选型:在二叠系地层, 主要采用牙轮钻头进行钻进, 穿透二叠系地层后更换PDC钻头。在石炭系泥岩段, 以及志留系柯坪塔格组地层磨性强, 可钻性差, 建议使用抗研磨性强的PDC钻头 (如DBS、迪普、BEST钻头等) , 并适时调整钻井参数, 当地层硬度大, 牙齿难以吃入地层时, 要适当加大钻压, 同时要降低转速, 达到既保护好钻头又能提高钻速的目的。DBS生产的FMX553Z单只钻头钻进1082m和FMX545Z机械钻速达9.59m/h的好成绩, DS653AB、M1955SS和M1952SS也取得较好的机械钻速。

3.钻具组合及参数:1) 二叠系:由于托普台地区二叠系厚度在100-300m, 地层易破碎掉快, 所以二叠系钻进时采用常规钻具组合:215.9mm牙轮+158.75mm钻铤2根+214mm扶正器+158.75mm钻铤19根+127mm钻杆;钻进参数:W:140-180KN;N:80r/min;Q:30L/s;P:20Mpa。2) 石炭系、志留系、泥盆系:地层研磨性强, 采用PDC+螺杆钻具组合:215.9mm PDC+172mm螺杆+61/4″钻铤1根+214mm扶正器+61/钻铤*20根+5″钻杆;钻进参数:W:60-100KN;N:80r/min;Q:27-30L/s;P:20-22Mpa。钻铤长度的选择以保证钻头在最大钻压下时应力中和点在钻铤上为原则。215.9mm井段选用欠尺寸扶正器, 外径一般在213-215mm之间。采用小钟摆钻具组合, 扶正器距钻头距离在21-22m时钟摆力防斜最为理想。钻进过程中钻遇砾岩、砾质砂岩前20m时及时下调钻速和钻压, 防止提前损坏钻头。扭力发生器、涡轮钻具等新工艺可以在托普台地区进行尝试。

4.二叠系井漏预防及处理:1) 钻开二叠系地层前, 复配使用各类防塌剂GLA、WFT-666和聚合醇, 确保钻井液具有良好的防塌能力。同时, 钻井液中加入QS-2和PB-1、单封等随钻堵漏材料, 提高钻井液的堵漏性能和地层的承压能力, 钻进过程中及时补充防塌、堵漏材料, 封堵诱导性裂缝的形成。2) 钻井液密度在设计范围内和确保井壁稳定的前提下尽量走下限, 并始终保持钻井液密度均匀, 以防较大的压差压漏地层。3) 若漏失速度小于5m3/h, 则继续进行随钻堵漏;如钻进过程中发生严重漏失 (大于10m3/h) , 直接进行挤水泥堵漏。钻穿二叠系后挤水泥 (含一定纤维) 封堵二叠系, 确保二叠系的承压能力能达到后期下套管固井的要求。

5.钻头泥包预防:1) 针对下部地层易水化分散造成钻头泥包, 进而影响机械钻速等复杂情况, 结合下部地层钻井液返速较低的特性, 将钻头水眼变小, 提高钻头水眼对流道的冲刷, 清洁钻头切割齿表面, 从而提高钻头机械钻速。2) 钻至易泥包地层前, 加足聚合物絮凝剂, 确保钻井液具有较强的抑制性, 保持钻井液性能处于最佳状态, 同时使用好固控设备, 保持钻井液低的固相含量和含砂量;3) 在满足井下携砂的前提下, 尽量降低钻井液粘度切力 (粘度45S, 切力4-6/7-12Pa) , 钻井液具有较强的冲刷性能;保持大排量 (30-32 L/S) 、高返速, 最大限度的提高钻井液对钻头的冲刷力;4) 钻井液中保持清洁剂 (RH-4) 含量达到0.4-0.6%, 以渗透、分散PDC水槽内的黏附物, 并加足润滑剂含量, 降低泥岩对钻头的黏附能力;5) 在钻头泥包高发地层中钻进, 起钻前先充分循环钻井液, 清洗井眼;下钻时将PDC排屑槽用筛网包裹好, 确保下钻时钻头水眼和排屑槽通畅。6) 钻头的泥包的根源是水眼射流冲击力无法有效清洁钻头排屑槽的岩屑。水眼的选择可能对泥包有一定的影响。建议在以泥包的地层, 在不影响排量的情况下尽量使用小水眼, 最好保持水眼压力降在2Mpa左右。

6.井壁失稳的预防[1]:三叠系、二叠系地层的防塌工作重点在物理防塌、化学防塌辅助。也就是采用合理的泥浆密度, 保持井眼内基本的力学平衡, 所谓的平衡是钻井液柱压力和地层坍塌压力平衡。同时钻进时在能满足携带岩屑的条件下尽量降低钻进排量, 以减少泥浆对井壁的冲刷。在此基础上, 选择合适的防塌剂并控制一定的失水, 基本就能达到明显的效果。对于石炭系下统巴楚组、志留系、泥盆系及奥陶系上统防塌重点放到化学防塌和有效封堵上。要选择2-3种防塌材料, 最好要有变形微粒类和成膜类复合使用, 以封堵泥岩地层的微裂缝, API失水和高温高压失水达到设计要求的下限, 同时要保持钻井液合适的矿化度, 尽量与地层矿化度匹配, 密度也要根据地层压力系数, 达到微过平衡的程度。但防塌材料的加入时要注意考虑是否影响地质荧光。

四、现场运用

1.TP222设计井深6530m, 完钻井深6551m。全井设计钻井周期127天, 实际钻井周期70.58天, 纯钻时间:593:30h, 平均机械钻速11.04m/h。全井井身质量优秀。

2.TP119设计完钻井深6370m, 实际完钻井深6360m。全井设计钻井周期120天, 实际钻井周期64.5天, 纯钻时间:603.5h, 平均机械钻速10.54m/h。全井井身质量优秀。

五、结论及总结

1.螺杆+PDC小钟摆钻具组合的推广, 大幅度提高了塔河油田托普台区块311.2mm和215.9mm井段的机械钻速和井身质量, 缩短了钻井周期。但螺杆的使用时间和安全系数已是一个值得深究考虑的问题。

2.在311.2mm井段, M5363L、MS1952SS和FS2563BGPDC型号的PDC钻头, 在215.9mm井段的FMX553Z、FMX545Z、DS653AB、M1955SS和M1952SS的PDC钻头都显示了比较好地层切削能力。但PDC钻头和螺杆的匹配性一个值得探讨的课题。

3.二叠系的漏失, 挤水泥堵漏是一个比较快捷有效的提高地层承压能力的方式。三叠系、二叠系坍塌掉快采用物理方法封堵为主, 石炭系、志留系和泥盆系的坍塌掉快以化学封堵为主。

4.钻头泥包重在前期对泥浆的净化处理和工程预防。钻头水眼的选择在一定程度上也对钻头泥包有一定影响, 易泥包地层可更换为小水眼。若在钻头上能形成一层纳米涂层, 泥包将有可能成为历史。

摘要：托普台地区位于塔河油田西南部, 与塔河油田主体区块具有相近的油气成藏地质条件, 是油气运移聚集的有利地区。针对该地区在钻井施工中出现的钻井周期长, 机械钻速低、起下钻困难、井漏、井壁失稳、钻头易泥包等难点, 结合该地区地质资料, 分析了该地区施工的重点和难点的根本原因, 经过不断摸索, 总结了一些钻井工艺工程技术措施和钻井液工艺技术措施, 大大提高了钻井施工的效率和节约了钻井成本。

关键词：塔河油田,超深井,托普台区块,机械钻速低,井漏,井壁失稳、钻头泥包