南海东部深层钻井提速技术应用

游尧 田峥

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司深水工程技术中心 广东深圳 518067）

随着勘探方向逐步向深层迈进，勘探井平均作业井深逐步加深。南海东部油田地层自上而下主要包括浅部海相沉积地层、深层陆相古近系地层及前古近系古潜山地层，古近系、古潜山地层地层抗压强度高，可钻性差，造成深层探井钻井周期普遍较长、作业成本较高，井控、卡钻等井下复杂情况风险大。通过开展井身结构优化、钻头切屑齿技术优选、钻头保护技术、钻井液体系等方面的技术研究，在南海东部油田探井提速提效方面取得了显著的应用效果［1］。

1 地层特点及钻井提速难点

南海东部油田中浅部地层主要发育厚层泥岩、细砂岩、泥质粉砂岩，局部地区砾岩发育，埋藏深度分布于500～2500m，地层强度低，岩性均质性强；中深层主要为古近系地层陆相发育，埋藏深度分布于2500～4500m，主要岩性为砂岩与泥岩不等厚互层、含砾砂岩、褐灰—灰黑色泥岩，局部发育煤层，岩性复杂，地层强度分布于50～175MPa，岩性不均质性，硬质夹层发育，地层冲击性强、研磨性较高，该地层为主要的油气储集层，地层孔隙压力为1.03～1.20，局部地层存在异常压力体系。深层主要为前古近系古潜山地层，埋藏深度分布于4500m 以上，主要岩性为闪长岩、花岗岩、火山角砾岩、安山岩等，地层强度分布于150～420MPa，内摩擦角分布于37°～45°，地层岩性致密坚硬，研磨性强，可钻性差，同时，潜山岩性预测误差大，岩性复杂，层位变化大，常规PDC 钻井技术效率极低，容易发生早期崩齿，造成单只钻头进尺少、机械钻速低、钻井效率低等问题，严重影响勘探开发的进程。

2 提速技术研究

笔者通过调研国内外深层复杂井段的钻井技术，分析对比南海东部深井钻井提速技术的难点，开展了针对南海东部油田探井全井段提速提效技术的研究，通过浅部优化瘦身井身结构，分析古近系钻头破坏机理，优选钻头保护技术；分析潜山地层中PDC钻头破岩机理，优选钻头技术和钻头保护技术。同时，综合分析钻前地质岩性资料和邻井资料，优化评价抗高温钻井液体系，并通过精细控压设备实时监制井底压力变化，保证钻井井控安全，避免井下复杂情况的出现，同时还能减少对储层的污染。

2.1 井身结构瘦身技术

南海东部经过多年的实践，浅水探井已经形成成熟的常用井身结构程序：36″井眼/30″导管+17-1/2″井眼/13-3/8″套管+12-1/4″井眼/9-5/8″套管+8-1/2″井眼/7″尾管+6″井眼。

井身结构优化在降低钻井作业成本中起着至关重要的作用。在保证钻井安全的前提下，减少套管层次，缩小井眼尺寸，优化套管钢级和壁厚。（1）二开井眼瘦身为16″井眼，同时，采用PDC 钻头+马达的钻具组合作为提速手段。（2）在勘探地质目标比较明确、地层压力清楚（地层孔隙、坍塌和破裂压力预测准确）、无试油计划的前提下，对于井深小于4000m的探井，优化井身结构为：36″井眼/30″导管+12-1/4″井眼/9-5/8″套管+8-1/2″井眼。

井身结构瘦身技术可减少建井周期，降低作业成本，提高作业效率，同时达到节能减排的效果。

2.2 水力减震钻头保护技术

2016年以来，南海东部油田通过现场实际应用对比分析，评价了两类水力减震钻头保护技术对于南海东部深井的适用性。

2.2.1 扭力冲击器

钻进作业过程中，钻井液带动内部涡轮叶片旋转，产生高频稳定的扭冲能量，均匀地将扭矩传递到钻头上，如图1所示。扭力冲击器可产生750～1500 次/min的高频稳定的扭冲力，并持续稳定作用于钻头上，使得钻头可获得同样的750～1500次/min 能量切削地层，有效提升钻头切削效率，从而有效提升钻井效率。

图1 水力减震钻头保护工作原理

扭力冲击器可有效降低井下有害振动，为钻头提供平衡稳定的切削环境，提升钻头工作效率，提高钻井机械钻速及钻头进尺。

2.2.2 复合冲击器

复合冲击器是通过其内部的能量发生装置、频率发生装置将钻井液的水力能量转化为高频、稳定的机械脉冲能量，再经过其内部的能量分配装置，在钻头上增加一个额外的旋转方向和轴向均匀稳定的高频冲击力，缓解聚集在钻头上的反冲扭力，减轻或避免夹层段应用常规PDC 钻头钻进易出现憋跳或黏滑现象，提升剪切效率，提高机械钻速［2-4］。

复合冲击器集成了扭力冲击器与轴向冲击两类功能，属于一种复合冲击的钻井提速技术。

2.3 高效破岩钻头技术

采用PDC 钻头旋转齿技术及异型齿面钻头设计，结合地层特点优化钻头布齿、抛面设计，综合利用“剪切+犁削”组合破岩方式提高钻进效率，南海东部油田通过对不同类型难钻地层分析，评价了旋转齿PDC 钻头技术、牙轮-PDC 复合钻头技术、异型齿PDC 钻头技术3类高效破岩钻头技术，如表1所示。

表1 高效破岩钻头技术适应性分析

2.3.1 旋转齿PDC钻头

旋转齿钻头PDC 切削片通过轴承与套筒密封相连，二者之间保持一定间隙，以保证切削片可以自由旋转，如图2所示。以部分360°旋转切削齿取代常规PDC 钻头鼻、肩部高磨损区域，当切削齿剪切地层时，在切削片边缘会由于侧倾角而产生一个侧向切力，而使得切削齿能够完全旋转，使得切削齿具备更长的切削边缘，增加切削齿的利用率，避免出现局部严重磨损，降低钻头切削效率［5］。

图2 旋转齿的组成

2.3.2 牙轮-PDC复合钻头

牙轮-PDC 复合齿钻头技术通过将PDC 钻头剪切破岩和牙轮钻头冲击破岩两种切削结构有机结合，形成一种新复合破岩结构，牙轮齿的预破碎作用降低了PDC 齿对井底岩石的破岩能量，提高了PDC 齿的破岩效率，可适应多种复杂地层和特殊钻井工况；同时，牙轮滚动部件取代固定刀翼结构，工作扭矩对钻压的敏感性降低。牙轮齿破岩时产生纵振，降低粘附发生率，缓解托压，提高定向效率，如图3所示。

图3 牙轮-P D C 混合钻头

2.3.3 异型齿钻头

异型齿钻头技术通过改变PDC 钻头切削齿形状，结合剪切破岩与挤压破岩两种方式，提高吃入能力和使用寿命（如图4所示），配合水力减震钻头保护技术充分发挥保护钻头的作用，延长钻头寿命［6］。目前，较多使用的异型齿包括特殊的“尖/圆”齿交替布置、斧形齿、三棱齿、屋脊齿，忍者齿等。

图4 异型齿工作原理

异型齿钻头与水力减震钻头保护技术相融合，形成异型齿钻头+扭冲工具/复合冲击器一体化提速技术，综合两大技术的优势，在深层抗研磨性强的地层中，既能保证钻头吃入能力，又可大幅提升钻头寿命，并大大提升钻井效率。

2.4 抗高温钻井液体系

南海东部深部地层由于地质情况复杂、地温梯度高等原因，易出现钻井液处理剂高温降解、钻井液流变性恶化等复杂情况。聚磺钻井液［7-8］既保留了聚合物钻井液的优点，又对其在高温高压下的泥饼质量和流变性进行了改进，从而有利于深井钻速的提高和井壁的稳定。抗高温钻井液的抗温能力可达220℃，密度最大可达2.4g/cm3。

2.5 精细控压钻井提速辅助技术

通过精细控压溢流漏失预警系统，精密监测返出流量，第一时间发现溢流，迅速控制井口，避免地层流体过多进入井内造成套压过高，降低压井风险；通过精细控压溢流漏失预警系统，精密监测返出流量，第一时间发现井漏，通过对比返出钻井液密度，分析发生井漏的原因，最大限度地减少钻井液损失，降低井漏复杂风险；降低钻井液密度，最大限度地保护和发现油气层；通过控制井眼环空，解决钻井期间频繁的溢漏转换问题，控制井控风险，提高钻井效率；保持近平衡或者微过平衡钻进，减小井底压持效应，辅助提高机械钻速［9］。精细控压钻井地面流程图如图5所示。

图5 精细控压钻井地面流程图

3 现场应用

A 区块为南海东部深部勘探开发重点区域，该油田产层主要分布于为古近系的恩平组、文昌组（3500mTVD以下）及古潜山（4000mTVD以下），油气埋藏深，地质与构造条件复杂，纵向上恩平组、文昌组和古潜山地层花岗岩、闪长岩、火山角砾岩、石英、砾石广泛分布，非均质性和研磨性强，强度高。

A7 井井身结构：36″井眼/30″导管+16″井眼/13-3/8″套管+12-1/4″井眼/9-5/8″套管+8-1/2″井眼，中浅层作业机械钻速得到充分释放，A7井平均机械钻速提升至78.2m/h，较A1～A5 井平均机械钻速提升32.9%。如表2所示。

表2 A区块表层钻井机械钻速对比图

A7井中深层古近系地层使用12-1/4井眼作业，采用水力减震钻头保护技术，同时配合采用斧形齿钻头技术设计，A7井12-1/4”井段仅使用2只钻头完成12-1/4”井段3105.66m的进尺，A1～A5五口井平均4.2只钻头完成12-1/4”井段，平均减少2～3趟钻趟起下钻，大大提升了中深层古近系地层钻井效率。如表3所示。

表3 A区块12-1/4 井段钻井情况对比

本区块共3 口井钻入古潜山花岗岩地层，其中A7井深层古潜山地层采用混合钻头技术、配合抗高温钻井液体系、精细控压钻井技术，A7 井采用1.05g/cm³钻井液密度近平衡钻井作业古潜山地层，机械钻速为3.88m/h，较A1～A5井古潜山平均钻井机械钻速2.83m/h提升27.1%。如表4所示。

表4 A区块8-1/2井段钻井情况对比

4 结论

（1）本文从中浅层、中深层、深层全面分析了南海东部地区地层特点，浅部地层地层强度低，岩性均质性强，中深部地层抗压强度中—高，岩石不均质性强，硬质夹层发育，地层冲击器强，研磨性中—高，深部地层主要以花岗岩发育，地层抗压强度高，抗研磨性强，岩性预测误差大，岩性变化无规律。

（2）本文针对南海东部地层特点，总结评价了5项提速技术，涵盖井身结构、工具钻头技术、钻井液安全技术等方面，并通过A 区块的现场应用，分别在浅层、中深层、深层钻井中取得了显著的提速效果。

（3）本文中5项提速技术的评价及规模化应用，大大提升了南海东部古近系、古潜山深层安全高效钻井效率，大幅降低了深井钻井费用，解决了深层勘探成本“瓶颈”问题。