查干钻井技术研讨.docx
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查干钻井技术研讨
查干地区钻井技术应用与探索
内蒙探区主要包括查干区块、白音查干区块和二连盆地，白音查干区块及二连盆地埋藏较浅，岩性变化不大，钻井施工难度相对查干区块要简单一些，因此，内蒙探区钻井工作重点是查干区块。
2010年,内蒙探区勘探开发指挥部成立，油田明确提出“扩大内蒙探明储量，实现油田资源有序接替”的目标，对钻井系统提出内蒙探区钻井周期由3个月缩短至1个月的具体要求。
在查干区块探索出提高钻井速度、井壁稳定、保护油气层的配套技术，必将对加快内蒙探区的勘探开发具有重要的意义。
5年来，石油工程项目管理部一直在和石油院校、钻井液研究单位、钻头厂家、钻井施工单位等一起进行技术攻关，通过尝试气体钻井、试验新型钻井液体系、试用涡轮+孕镶钻头、螺杆+PDC钻头或高效牙轮钻头、液力冲击器等工艺技术，平均机械钻速由2010年的2.53m/h提高到了2014年的4.89m/h，但还未达到井壁稳定情况下钻井液密度降低至1.15g/cm³以内，从而减少储层损害以及大幅度缩减钻井周期的目标。
一、查干地区地质特征
1.层序及岩性特征
查干凹陷地处内蒙古巴彦淖尔盟乌拉特后旗，位于银额盆地东部查干德勒苏坳陷中部。
查干凹陷自上而下沉积了新生界第四系、第三系、中生界上白垩统乌兰苏海组、下白垩统银根组、苏红图组、巴音戈壁组地层，其中苏红图组和巴音戈壁组又细分为苏二段、苏一段和巴二段、巴一段。
其岩性特征分别为：
乌兰苏海组：
上部以巨厚层状棕红色泥岩夹浅灰色薄～中层状粉砂质泥岩为主，下部为棕黄色中～厚层状砂砾岩、砾状砂岩与薄～中层状棕红色泥岩不等厚互层。
银根组：
上中部岩性为中～厚层状棕黄色砾状砂岩与棕红色泥岩不等厚互层，中下部为中～厚层状灰白色砂砾岩与浅灰色泥岩夹暗紫色泥岩。
苏红图组：
苏红图组又分为苏二段和苏一段。
苏二段顶部为中～巨厚层状暗紫色、浅灰色泥岩与中～厚层状灰白色砾状砂岩不等厚互层，中上部为一套厚层状灰绿色与暗紫色泥岩夹少量薄层浅灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，中下部以灰黑色、深灰色玄武岩为主夹薄层灰色、暗紫色玄武质泥岩；苏一段顶底部为灰色、灰褐色玄武岩，中上部为一套巨厚层状褐灰色凝灰岩和灰色泥岩、砂泥岩与灰白色砂砾岩不等厚互层，中下部为一套厚层状浅灰色砂、泥岩互层和巨厚层状灰褐色玄武岩及厚层状砾状砂岩、含砾泥质砂岩。
巴音戈壁组：
巴音戈壁组又分为巴二段和巴一段，巴二段主要为深灰色、黑色、褐色泥岩、页岩、白云质泥岩与灰色砂砾岩互层；巴一段主要为深灰色砂砾岩夹泥岩。
2.查干地区钻井技术难点
查干地区目的层主要在苏红图组、巴音戈壁组，苏红图组有大量火成岩，以玄武岩、凝灰岩为主，中间夹杂着粉砂岩、砂泥岩，埋深在1000～3000m左右。
玄武岩裂隙和气孔发育，一旦被钻开后，砂泥岩的吸水膨胀，钻井液滤液会进入玄武岩的裂隙和气孔，改变地层原有的压力平衡，裸眼井段极易发生井壁失稳、掉块垮塌现象。
为平衡火成岩地层的坍塌，φ311.15mm井眼钻井液密度需提至1.45g/cm³左右，φ215.9mm井眼钻井液密度需提至1.35g/cm³左右，较高的钻井液密度又对机械钻速产生了负面影响，同时不利于保护油气层。
地层硬度高、研磨性强、非均质性严重、可钻性差、井间差异性大、钻头选型困难、玄武岩地层井段长易坍塌等技术难点，造成了查干区块钻井速度低、钻井成本高。
如何提高钻井速度、使用较低密度的钻井液体系抑制火成岩地层井壁垮塌一直是制约查干地区的技术难题。
二、查干区块完成井主要技术指标
表1：
2010-2014年查干凹陷完成井技术指标统计表
年份
（年）
完井
（口）
累计进尺
（m）
平均井深
（m）
平均机械钻速（m/h）
平均钻井
周期（天）
平均完井周期（天）
火成岩井段钻井液
密度（g/cm³）
2010
10
32983.89
3298.39
2.53
110.82
124.37
1.35-1.45
2011
1
2820.00
2820.00
3.28
56.88
69.88
1.35-1.49
2012
5
13027.70
2605.54
3.67
52.13
63.08
1.32-1.38
2013
6
16394.50
2732.42
4.11
54.76
60.84
1.25-1.38
2014
9
21381.64
2375.74
4.89
38.38
44.08
1.30-1.35
说明：
2010-2014年，查干凹陷钻遇火成岩井，共开钻31口，完井31口。
三、围绕钻井提速所做的主要工作
（一）2010年
为了加快钻井速度，5口井尝试了空气钻井、1口井使用涡轮+孕镶钻头、4口井运用高效牙轮钻头+螺杆复合钻进等技术工艺，年平均机械钻速2.53m/h，与2009年的2.17m/h对比，提高了16.59%。
1.空气钻井的现场应用
借鉴川东北空气钻井的成功经验，根据查干凹陷的地层特征，先后在意3井、意2井、意1井、祥1井和意5井进行空气钻井的探索性试验。
其中，意3井和意5井效果比较显著，进尺分别为582m和843.92m。
表2：
查干区块空气钻井数据表
井号
地层
钻进井段（m）
进尺（m）
纯钻时间（h）
机械钻速（m/h）
意1
苏一
2242.21-2335.19
92.98
12.17
7.64
意2
苏一
2680.22-2689.60
9.38
0.66
14.21
意3
苏二、苏一
2204.00-2786.00
582.00
79.99
7.27
意5
苏一、巴二
2572.00-3415.92
843.92
128.00
6.59
祥1
苏一
2013.00-2111.58
98.58
19.60
5.03
说明：
空气钻井平均机械钻速在5.03-14.21m/h，而该区苏二段、苏一段地层钻进平均机械钻速为1.71m/h，空气钻速度是常规钻井的3-8倍，但因地层出油、水，达不到继续使用空气钻的条件而终止。
2.高效牙轮钻头+螺杆复合钻进提速
通过引进高效牙轮钻头配套螺杆双驱钻井方式在意1井、意2井、意5井、祥4井开展提速试验，在祥4井取得了成功，与江汉HJT547GY对比，单只MX-44GDX进尺相当于5只HJT547GY，机械钻速是HJT547GY的3倍，在高效钻头选用方面取得了一定效果。
表3：
高效牙轮钻头使用数据统计表
井号
钻头型号
使用井段（m）
地层
进尺（m）
纯钻时间（h）
机械钻速（m/h）
意1井
DS55DX2
3623.00-3675.00
巴二
96.5
52.00
0.54
意2井
MXL-DS55DX
4013.39-4100.52
巴二
143.5
87.13
0.61
意5井
DS55DX25
3459.97-3464.34
巴二
9.83
4.37
0.44
祥4井
MX-44GDX
2404.69-2692.92
巴二
134.0
288.23
2.15
说明：
祥4井在井段2692.92-2749.54m，使用江汉HJT547GY牙轮钻头，纯钻时间81h，进尺56.62m，机械钻速0.70m/h。
3.孕镶钻头配套高速涡轮提速
在意2井引进SMITH孕镶钻头配套SMITH高速涡轮开展提速试验，采用3只SMITH孕镶金刚石钻头配套SMITH涡轮使用，累计钻进进尺477.72m，纯钻进时间为227.74h，平均机械钻速为2.10m/h。
表4：
SMITH孕镶钻头配合高速涡轮使用数据统计表
井号
孕镶
钻头
使用井段（m）
地层
进尺
（m）
纯钻时间
（h）
机械钻速（m/h）
意2井
K507
2884.28-3069.54
苏一
185.26
86.9
2.13
3082.13-3116.89
苏一
34.76
20.0
1.74
K705
3169.49-3427.19
巴二
257.70
120.84
2.13
合计
477.72
227.74
2.10
说明：
该井3126.83-3169.49m使用的PDC钻头机械钻速只有0.74m/h，涡轮+K705孕镶钻头机械钻速提高近3倍，但与期望值5m/h有较大差距。
（二）2011年
在总结分析2010年提速工作的基础上，制定了2011年查干深层钻井提速方案，年平均机械钻速3.28m/h，与2010年对比提高了29.64%。
围绕钻井提速，主要开展了以下几方面的工作。
1.优化井身结构
通过对同区块完成井的地层岩性、油气水层纵向分布、储层压力系数综合研究，将意6井优化为二开井身结构，使得二开第一只φ215.9mm钻头从井深307.00m钻至1115.00m，钻头进尺808.00m，平均机械钻速19.24m/h。
同年，创查干区块单只钻头进尺最多，机械钻速最快的记录。
2.国产孕镶钻头与涡轮配套应用提速
意6井，在2418-2583m、2644-2753m井段配合涡轮试验国产孕镶钻头，累计进尺274m，纯钻时间102.09h，机械钻速2.68m/h。
表5：
国产孕镶钻头配套涡轮与牙轮使用情况对比表
序号
型号
厂家
层位
使用井段（m）
进尺（m）
纯钻时间
（h）
机械钻速
（m/h）
1
WHX061
地大
巴一
2418.00
2514.00
96.00
38.00
2.53（涡轮）
2
WHX061
地大
巴一
2514.00
2583.00
69.00
20.00
3.45（涡轮）
3
HJT537GK
江汉
巴一
2583.00
2644.00
61.00
41.75
1.46（螺杆）
4
WHX061
地大
巴一
2644.00
2718.00
74.00
27.42
2.68（涡轮）
5
WHX061
地大
巴一
2718.00
2753.00
35.00
16.67
2.12（涡轮）
6
HJT547GY
江汉
巴一
2753.00
2756.00
3.00
6.67
0.45（转盘）
7
HJT537GK
江汉
巴一
2756.00
2820.00
54.00
50.50
1.07（转盘）
说明：
同层位的3只牙轮钻头平均机械钻为1.19m/h，高速涡轮+孕镶钻头的平均机械钻速为2.68m/h。
3.休斯牙轮钻头与高速螺杆配套双驱提速
在意6井1485-1753.78m、1777.65-1827.56m、1835.64-2151.61m、2196-2248m、2315-2418m井段应用高速螺杆与牙轮钻头配合使用，累计进尺789.46m、纯钻时间358.54h、机械钻速2.20m/h。
表6：
BakerHughes与江汉牙轮钻头使用情况表
序号
型号
厂家
层位
使用井段
（m）
进尺
（m）
纯钻时间
（h）
机械钻速
（m/h）
1
MX-S30GDX0
（第一只）
休斯
苏二
1485．00
1753.78
268.78
101.33
2.65
（转盘）
2
MX-44GDX
（第二只）
休斯
苏一
1777.65
1827.56
49.91
18.53
2.69
（复合钻进）
3
MX-44GDX
（第二只）
休斯
苏一
1835.64
1856.63
20.79
28.25
0.74
（复合钻进）
4
MX-44GDX
（第三只）
休斯
巴二
1856.63
2151.61
294.98
109.43
2.70
（复合钻进）
5
HJT547GY
江汉
巴二
2151.61
2196.00
44.39
26.00
1.71
（转盘）
6
MX-44GDX
（第二只）
休斯
巴二
2196.00
2248.00
52.00
58.15
0.89
（复合钻进）
7
HJT537GK
江汉
巴二
2248.00
2315.00
67.00
55.92
1.20
（转盘）
8
MX-44GDX（第四只）
休斯
巴一
2315.00
2418.00
103.00
101.00
1.02
（复合钻进）
说明：
休斯单只钻头平均进尺197.37m，江汉钻头平均进尺55.70m，休斯单只钻头平均进尺是江汉的3.54倍。
从井深2151.61-2418.00m井段共使用4只钻头，休斯和江汉钻头各2只，休斯钻头配套高速螺杆平均机械钻速0.97m/h，江汉钻头转盘钻进平均机械钻速1.36m/h。
（三）2012年
2012年完井5口，通过优选PDC钻头、优化井身结构进行提速，年平均机械钻速3.67m/h，与2011年对比提高了11.89%。
1.优化井身结构，在总结分析2011年意6井二开井身结构安全钻进的基础上，5口井全部采用二开井身结构，以利于二开上部井段提高机械钻速；减少中完作业时间，缩短钻井周期。
2.通过优选PDC钻头配合直螺杆复合钻进，PDC钻头使用取得新突破。
①意11井在巴二段使用PDC钻头配合直螺杆复合钻进，进尺265.99m，纯钻时间128.75h、机械钻速2.07m/h，创查干区块巴二段地层单只PDC钻头进尺最多、纯钻时间最长、机械钻速最高等三项指标。
②意9井在苏二段地层优选PDC钻头，进尺542.93m，平均机械钻速4.54m/h，创查干区块单只PDC钻头进尺最高纪录。
（四）2013年
2013年，该区块完井6口，平均机械钻速4.11m/h，与2012年对比提高了11.99%。
1.2013年，查干区块完成井累计进尺16274.50m，其中PDC钻头钻井进尺10902.35m，占总进尺的66.99%,PDC钻头平均机械钻速5.27m/h。
通过积极搜集邻井资料，查看邻井实钻剖面，分析岩性特征，确定PDC钻头使用井段，在意10井、祥11井等6口井的应用，取得了一定突破，刷新8项该区块PDC钻头的使用纪录。
①意12井单只PDC钻头进尺1218.00m、纯钻时间142.67h，创查干区块苏宏图组单只PDC钻头使用时间最长纪录。
②祥11井单只PDC钻头进尺1274.90m、纯钻时间68.08h、平均机械钻速18.73m/h,创查干区块苏宏图组单只PDC钻头进尺最多、平均机械钻速最高纪录。
③祥7井单只PDC钻头进尺947.21m，创查干区块银根组单只PDC钻头进尺最多纪录；单只PDC钻头入井5次，累计进尺404.65m、累计纯钻时间131.75h，创查干区块巴音戈壁组单只PDC钻头入井次数最多、使用时间最长纪录。
④意10井二开使用PDC钻头，钻穿乌兰苏海组、银根组、苏宏图组，钻达巴音戈壁组一段，进尺2202.14m，平均机械钻速6.64m/h，该井是查干区块二开全部井段使用PDC钻头钻达设计井深的首创。
⑤海2井单只PDC钻头进尺813.33m、平均机械钻速13.22m/h,创查干区块银根组单只PDC钻头平均机械钻速最高纪录。
2.根据邻井资料及实钻地层分析，在不适用PDC钻头的巴二段继续尝试贝克休斯牙轮钻头，在意12井、祥9井、祥11井等3口井成功试用，同井同层位相邻钻头对比使用效果明显。
①祥9井：
使用MX-44GDX钻头1只，入井3次，累计进尺221.70m，纯钻时间182.49h,平均机械钻速1.21m/h。
与同井江汉牙轮钻头对比：
进尺是牙轮钻头的1.75倍；纯钻时间是牙轮钻头的1.87倍；与斯诺克PDC钻头对比：
平均机械钻速提高了34.44%；进尺是PDC钻头的3.85倍，纯钻时间是PDC钻头的2.85倍。
②意12井：
使用MX-44GDX钻头1只，入井1次，进尺139.05m，纯钻时间92.42h,平均机械钻速1.50m/h。
与江汉牙轮钻头对比：
平均机械钻速提高了38.89%；进尺是牙轮钻头的2.39倍；纯钻时间是牙轮钻头的1.71倍。
与格锐特PDC钻头对比：
平均机械钻速提高了18.11%；进尺是PDC钻头的2.20倍，纯钻时间是PDC钻头的1.85倍。
③祥11井：
使用MX-44GDX钻头1只，入井2次，进尺121.22m，纯钻时间87.67h,平均机械钻速1.38m/h。
与江汉牙轮钻头对比：
进尺是江汉牙轮钻头的2.71倍，纯钻时间是牙轮钻头的2.70倍；与格锐特PDC钻头对比：
平均机械钻速提高了16.95%，进尺是PDC钻头的2.38倍，纯钻时间是PDC钻头的2.04倍。
（五）2014年
2014年查干区块完井9口，平均机械钻速4.89m/h比2013年的4.11m/h提高了18.98%。
2013年，查干区块PDC钻头使用比较2012年有一定的进展，但是仅仅局限于2300米以内的井段；2014年，根据邻井实钻资料总结分析，在查干区块乌兰苏海组、银根组等层段PDC钻头成功应用的基础上，在苏红图组、巴音戈壁组等层段使用PDC钻头有所突破。
1.加强PDC钻头的优选与应用。
2014年，查干区块完成井累计进尺21381.64米，其中PDC钻头钻井进尺16860.21米，占总进尺的78.85%,PDC钻头平均机械钻速5.85m/h。
意14井，二开自井深609.70米选用型号GM1904TZD的PDC钻头配合钟摆钻具组合，优选钻井参数、调整良好的钻井液性能、细化技术措施，实现了单只PDC钻头钻穿乌兰苏海组、银根组，顺利钻达苏红图组至1999.00米的新突破，单只钻头进尺1389.30米，纯钻进时间96.5小时，平均机械钻速14.40米/小时，创查干区块单只φ215.9mmPDC钻头进尺最多纪录。
2.强化钻井新技术、新工艺、新工具的推广应用工作。
查干区块意14井试验液力推进器，有效避免了砾石层蹩跳钻影响，钻头寿命由原来的50h提高到了80h以上，从而减少了起下钻次数，缩短了钻井周期。
意17井二开井段使用等壁厚螺杆，全井平均机械钻速5.98m/h，是2014年查干区块平均机械钻速4.89m/h的1.22倍。
四、火成岩地层井壁稳定技术的新尝试
（一）2010年
在意3井、意2井、意1井、祥1井和意5井等5口井成功试用气体钻井技术。
其中意3井、意5井钻穿玄武岩，但由于后期出水严重，终止了空气钻的继续应用。
实钻过程安全顺利，给查干区块探索空气钻井打开玄武岩段提供了可靠的依据。
（二）2011年
与中原油田钻井技术研究院合作，在意6井试验高钙盐钻井液体系钻井情况。
该井设计井深2703.20m，完钻井深2820m，该区块苏二段-巴一段地层玄武岩、凝灰岩发育。
为了提高井壁稳定性，配合查干凹陷钻井提速技术的开展，该井二开使用聚合物钻井液钻进，进入苏二段后采用高钙盐强抑制钻井液体系。
进入火成岩井段前钻井液密度1.13g/cm3，1419m钻遇玄武岩、凝灰岩井段后由于陆续出现掉块现象，钻井液密度由1.13g/cm3逐步提高至1.35g/cm3，井下情况趋于正常，钻至2160～2180m因地层缩径，划眼时钻井液密度提至1.49g/cm3，井下正常后降低密度至1.43g/cm3，钻井、完井过程顺利。
高钙盐钻井液因具有较强的抑制封堵能力、较低的滤液活度和较好的抗CO32-、HCO3-污染特点，但由于玄武岩、凝灰岩地层对钻井液的密度支撑具有较强的敏感性，井壁稳定应以钻井液密度为基础。
（三）2012年
与中原油田钻井技术研究院合作，在意7井、意11井完成集团公司查干深层低固相钻井液体系先导试验项目。
钻井液密度按照计划得到有所降低，由邻井的1.35g/cm3控制在了1.32g/cm3左右。
1．意7井完钻井深2298.4m，硅酸盐钻井液体系试验井段860m～2298.4m，火山岩地层1128m～2038m，其中玄武岩井段85m，凝灰岩井段96米。
钻井液密度1.20～1.35g/cm3，钻穿火山岩后降至1.32g/cm3，完井作业顺利。
2.意11井完钻井深3504.3m，硅酸盐钻井液体系试验井段509.5～3504.3m，钻进至853m开始钻遇玄武岩，钻井液密度由1.05g/cm3逐步提高到1.32g/cm3，共钻遇玄武岩、凝灰岩等火山岩井段314m，其中玄武岩井段201m，凝灰岩井段113m，完井作业顺利。
通过两口井的现场试验，可以看到：
使用硅酸盐钻井液体系一是井壁稳定性好。
两口井井径扩大率在6%左右，且起下钻较通畅，测井、下套管均一次成功。
二是维护处理简便。
硅酸盐钻井液pH值保持在11.5～12.0，对CO32-、HCO3-污染具有预防能力，较好地控制了钻井液流变性。
但是，其钻井液密度没有达到降低至1.15g/cm3目标。
（四）2013年
在对2011年高钙盐钻井液体系、2012年硅酸盐钻井液体系钻穿火成岩认真分析总结之后，尝试使用低固相聚合物钻井液体系，主要通过控制钻井液密度、降滤失量等技术措施钻穿火成岩。
1.祥7井完钻井深2449m，邻井实钻密度1.27～1.30g/cm3。
实钻过程中，钻遇玄武岩前，密度一直控制在1.20g/cm3以下，钻遇玄武岩后，提高至1.25g/cm3，而后根据转盘负荷以及掉块情况，多次尝试降低密度，由于玄武岩地层以及垮塌，依据井下情况，密度控制在1.25g/cm3左右直至完井，完井电测顺利。
该井的钻井液密度是查干区块钻穿苏宏图组、巴音戈壁组的所有井中钻井液密度最低的一口井。
2.意12井完钻井深3184m，自950m后开始钻遇玄武岩，在井深900m，提高钻井液密度至1.30g/cm3。
钻至2448.29m时，起钻取心，取心钻具下钻至2332m时遇阻，提钻井液密度至1.35g/cm3，下钻至2405m再次遇阻，循环过程中出现大量掉块，提钻井液密度至1.38g/cm3，井下恢复正常，维持钻井液密度不变至完钻，完井作业顺利。
因此，取得了一定的经验，为2014年该区块钻井液密度的设计提供了有利技术支撑。
（五）2014年
继续加强钻井液流变性能管理。
一是加强中压失水量的控制，目的层层段由原来的标准＜5ml提高到＜4ml，要求力争控制在3.5ml以内。
二是加强钻井液密度控制，查干区块火成岩井段在有效抑制井壁掉块的情况下钻井液密度尽量走下限，由原来的1.38-1.49g/cm3降至1.30-1.35g/cm3。
三是尝试使用新型钻井液体系以及改变井身结构降密度。
1.硅铝防塌钻井液在意15井应用情况
意15井设计井深2249.5m，试验井段298m～1717.69m，钻进至845m时，钻遇黑色玄武岩，钻井液密度一直控制在1.20g/cm3以内，钻进正常；钻至井深1450m时，出现憋泵、活动钻具困难现象，振动筛返出大量的玄武岩掉块，提高钻井液密度至1.30g/cm3，增加井壁应力支撑，加入XC、PAC-LV、铝盐等处理剂提高钻井液粘切，井下恢复正常；钻进至1516m时出现接单根困难，逐步将提高密度至1.35g/cm3后井下恢复正常钻进。
钻至井深1534.79m开始取心，为保证取芯时井壁稳定，将钻井液密度由1.35g/cm3提高至1.38g/cm3。
维持钻井液密度1.38g/cm3至井深1717.69m完钻。
硅铝防塌钻井液低密度成功钻穿火成岩以后，如能解决后期井壁稳定性差的问题，值得进一步的探索与应用。
2.意18井低固相低密度聚合物钻井液体系的试用情况
意18井完钻井深2480m，二开井深1510m，套管下深1507.24m。
三开在1510.00m-1612.00m井段，
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