提高冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井的機械鉆速

中國石油集團長城鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 求實QC小組

（遼寧 盤錦 124010）

側(cè)鉆水平井技術(shù)是20世紀90年代初國際石油界迅速發(fā)展并日臻完善的一項綜合性配套技術(shù)。2009年末，中國石油長城鉆探井下作業(yè)公司冀東項目部進駐冀東油田鉆修井市場，立足開發(fā)側(cè)鉆水平井服務(wù)項目。并把提高目的層油藏鉆井機械鉆速，縮短建井周期，作為小組活動的攻關(guān)方向，積極開展質(zhì)量攻關(guān)和質(zhì)量改進活動。

1 小組簡介及成員概況

表1為小組概況。

2 選題理由

（1）對2009年度渤鉆某公司在冀東側(cè)鉆水平井施工情況進行調(diào)查，平均機械鉆速為5.68m/h。

表1 小組簡介及成員概況

（2）長城井下冀東項目部2009年度下半年工程統(tǒng)計16口井次,現(xiàn)平均機械鉆速4.77m/h,普遍偏低。

（3）確定課題是提高冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井機械鉆速。

3 現(xiàn)狀調(diào)查與分析

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查

2009年度，對公司完成側(cè)鉆井16井次進行調(diào)查分析，由“井下工具配置、鉆井參數(shù)、泥漿選型、鉆井設(shè)備、地層可鉆性、氣候因素、其它”7項影響機械鉆速因素進行問題總結(jié)，如表2所示。

3.2 歸類統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計情況，對冀東油區(qū)側(cè)鉆井水平井中影響機械鉆速問題做以分析,見表3。

由表3可以看出，因“井下工具動力釋放弱、鉆井水力效應(yīng)欠佳及泥漿性能差”3個問題導(dǎo)致影響平均機械鉆速低的累積頻率占總頻率的76.8%。要提高冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井機械鉆速，必須解決這3個主要問題。

3.3 調(diào)查結(jié)論與目標值推算

小組成員為保守起見，同一條件下，把目標值設(shè)在問題只解決80%的基礎(chǔ)上,可提高的機械鉆速為：（4.77/2）×76.8%×80%=1.47（m/h）；項目部C12294隊與渤鉆差距為5.68-4.77=0.91（m/h）；可提機械鉆速（1.47m/h）＞與渤鉆機械鉆速差距（0.91m/h）；故此，提高機械鉆速目標6.24m/h(4.77+1.47)設(shè)在渤鉆機械鉆速(5.68m/h)之上切實可行。

表2 2009年度影響側(cè)鉆水平井機械鉆速因素統(tǒng)計表

表 3“機械鉆速影響因素”頻次、頻率調(diào)查表

4 設(shè)定目標

冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井機械鉆速由目前的4.77m/h提高到6.24m/h以上。

5 原因分析

采用關(guān)聯(lián)圖法，對影響冀東CP井機械鉆速低的問題進行分析，見圖1。

6 要因確認

從關(guān)聯(lián)圖可以看出，末端因素共有8項，小組成員針對此末端因素進行逐一排查的方法來進一步確定是否為主要因素。

6.1 鉆頭選擇不當(dāng)與底部組合不匹配

經(jīng)現(xiàn)場認證4口井底部鉆具組合的鉆井效能調(diào)查（表4）和起出鉆頭情況分析（圖2）可看出，鉆井效能低，鉆頭磨損嚴重，直接影響井下工具的釋放與鉆進效率。結(jié)論：要因。

6.2 井眼穩(wěn)定性差

經(jīng)小組成員研究認證，冀東油區(qū)以高尚堡作業(yè)區(qū)為代表的Ng6、Ng8、NmⅢ等主要產(chǎn)層，具有壓實緊密、不易坍塌、掉快和井漏的特點。故此側(cè)鉆水平井井眼穩(wěn)定性相對較好。結(jié)論：非要因。

6.3 鉆井水力參數(shù)不合理

鉆井過程中，鉆壓的不合理，導(dǎo)致牙齒受到地層的磨損過快。況且，CP井應(yīng)用螺桿鉆具組合，直接受水功率的影響，導(dǎo)致機械鉆速低的主要因素。結(jié)論：要因，見圖3～圖5。

6.4 泥漿固相含量高

通過調(diào)查在2009年度5口施工井中，采用4級固控設(shè)備凈化。平均控制含砂量在0.45%，見表5。符合中石油行業(yè) 《“細分散低固相泥漿應(yīng)用體系”規(guī)定辦法》要求的0.5%的標準。結(jié)論：非要因。

表4 鉆井效能調(diào)查表

6.5 摩阻系數(shù)高

由《鉆井液常規(guī)性能與摩阻系數(shù)統(tǒng)計表》得出的平均摩阻系數(shù)Kf=0.085 2，均高于中石油行業(yè)《“細分散低固相泥漿應(yīng)用體系”規(guī)定辦法》與工程設(shè)計Kf≤0.08的標準，見表6。結(jié)論：要因。

6.6 鉆井、固控設(shè)備配置低

結(jié)合設(shè)備資質(zhì)并對現(xiàn)場設(shè)備逐一核對，由小組成員繪制鉆井、固控設(shè)備配置情況統(tǒng)計表，見表7。

該套鉆井、固控設(shè)備符合冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井鉆機選型及鉆井主要設(shè)備的配置要求。結(jié)論：非要因。

6.7 三維繞障與油藏導(dǎo)向偏差

表5 鉆井液平均含砂量調(diào)查表

表6 鉆井液常規(guī)性能與摩阻系數(shù)統(tǒng)計表

表7 鉆井、固控設(shè)備配置情況統(tǒng)計表

三維繞障與油藏導(dǎo)向偏差總會造成水平井實鉆軌道偏離其設(shè)計軌道。主要表現(xiàn)為地質(zhì)誤差；工具能力誤差；軌道預(yù)測誤差；要求嚴格控制精度，達到較穩(wěn)、較快的施工水平。故此“三維繞障與油藏導(dǎo)向”技術(shù)是追求“成功”、“成本”目標在水平井中的具體表現(xiàn)。結(jié)論：要因。

6.8 崗位技能培訓(xùn)差

2010年3月期間經(jīng)調(diào)查，崗位工人通過崗前培訓(xùn)、參觀和技術(shù)交流的方式，對冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井的施工工藝、技術(shù)措施進行普及與推廣，均能勝任本職工作。結(jié)論：非要因。

7 制定對策

對影響“冀東油區(qū)機械鉆速”的4個重要因素進行分析和評價，通過“5W 1H”的方法制定實施方案對策表,見表8。

表8 對策實施方案表

8 對策實施

8.1 確定鉆頭選型與優(yōu)化鉆具組合

8.1.1 優(yōu)選鉆頭

針對山前構(gòu)造地層軟硬交錯夾層研磨性強等特點，采用短保徑鉆頭，中拋冠部形狀，五刀翼弧形結(jié)構(gòu)，19mm加厚環(huán)爪，增高了鉆頭的攻擊力，即提高機械鉆速，又能使鉆頭具有較長的使用壽命，見圖6。

8.1.2 優(yōu)選螺桿動力鉆具

螺桿動力鉆具是多級模諾泵的逆用。螺桿動力鉆具是正排量動力鉆具，與鉆壓、排量、泵壓有直接關(guān)系,見圖7、圖8。

通過上下活動鉆具求出摩擦阻力的大小，指重表顯示鉆壓減去摩擦阻力確定實際鉆壓。并從泵壓的變化可以較準確的掌握鉆頭在井底工作狀況。單線螺桿動力鉆具的效率達80%左右。進而確定底部鉆具優(yōu)化的最終方案,見表9。

8.1.3 優(yōu)化鉆具組合

根據(jù)側(cè)鉆水平井鉆具配伍的要求，采用倒裝鉆具組合模式,見表10。

8.1.4案例與實施

高104-5平63側(cè)平1井是布在高淺北區(qū)局部較高部位的一口開發(fā)側(cè)鉆水平井。設(shè)計井深2 142m,總進尺為952m，見表11。

8.1.5 應(yīng)用效果

（1）鉆頭磨損情況及鉆頭使用驗證

由于本井鉆遇地層為明化鎮(zhèn)，巖性為泥砂巖和細砂巖，地層比較復(fù)雜，鉆頭表現(xiàn)為輕度磨損。故多半井段全井采用PDC（型號G1353DS）鉆頭鉆井，擬定其工程技術(shù)參數(shù),見表12。

該井最大機械鉆速15.38m/h，平均機械鉆速為7.5m/h，實現(xiàn)了鉆頭水功率優(yōu)化，有效消減井下工具動力釋放不良的后果。

（2）鉆井水力效能分析及認定（表13）

表9 YL型螺桿鉆具技術(shù)性能表（現(xiàn)場通用）

表10 側(cè)鉆水平井鉆具組合模式表

表11 G104-5P63CP1鉆具組合結(jié)構(gòu)表

表12 鉆頭使用情況統(tǒng)計表

根據(jù)表13鉆井效率、鉆頭使用和水功率變化的情況可以看出，采用YL型螺桿、G1353DS型PDC鉆頭與倒裝鉆具組合模式，使機械鉆速同2009年度平均值提高30%，見到明顯效果。

8.2 鉆井參數(shù)、水力參數(shù)優(yōu)化

G104-5P15CP1井構(gòu)造位置位于高淺北區(qū)高104區(qū)塊Ng8小層構(gòu)造較高部位，設(shè)計垂深1 767m（海拔），井深2 381m，井型為側(cè)鉆水平井。

8.2.1 提高鉆頭水功率

運用高效破巖及鉆井參數(shù)優(yōu)選技術(shù)，并根據(jù)鉆頭水功率的計算模式（Qopt=(Pr/2.8KL)1/1.8=[Pr/2.8(n+md)]1/1.8），獲得最大鉆頭水功率、水力參數(shù)計算統(tǒng)計。其結(jié)果見表14。

優(yōu)選各種水功率參數(shù)后，所呈現(xiàn)的該井機械鉆速的統(tǒng)計情況，見圖9。

8.2.2 優(yōu)化鉆井、水力參數(shù)

（1）鉆井參數(shù)、技術(shù)參數(shù)優(yōu)化。依據(jù)鉆井工程軟件（鉆壓轉(zhuǎn)速優(yōu)選軟件、鉆井水力參數(shù)計算及優(yōu)化軟件）預(yù)優(yōu)選鉆井、水力參數(shù)。確定鉆井過程中與鉆井、水力因素有關(guān)的各變量關(guān)系，見圖10、圖11。

表13 鉆進效率確認表

表14 G104-5P15CP1井各水功率參數(shù)計算應(yīng)用情況統(tǒng)計表

（2）采用正交實驗法確定鉆井水力參數(shù)工程技術(shù)指標施工簡況。高59-12側(cè)平1井是布在高59-35斷塊構(gòu)造較高的開發(fā)側(cè)鉆水平井。

試驗?zāi)康模翰捎谩罢粚嶒灧ā边M行評價，找出提高鉆井參數(shù)、水力參數(shù)的優(yōu)化指標，達到提高鉆井“機械鉆速”的目的。

①確定因素位級 。高59-12CP1井現(xiàn)場改變“鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)、泵壓、排量”4個因數(shù)變化，確定4個因數(shù)做為參考對象，如表15所示。

表15 因素設(shè)定表

②實驗方案的設(shè)計與實施。根據(jù)正交實驗原理對鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)、泵壓、排量與“機械鉆速”之間的實驗數(shù)據(jù)，建立正交實驗L9(34)模式統(tǒng)計表,見表16。

③實驗結(jié)果分析。直接比較9次試驗的“機械鉆速”，第5號試驗的“機械鉆速”為10.2m/h。表明當(dāng)鉆壓20～35kN、轉(zhuǎn)數(shù)60～70r/min、泵壓11～13MPa、排量12L/s時提高“機械鉆速”效果最佳。

④現(xiàn)場應(yīng)用效果。該井總進尺為692m，平均機械鉆速6.7m/h。通過提高“鉆頭水功率”和優(yōu)化“鉆井、水力參數(shù)”完全地改善鉆井、水力效應(yīng)弱的現(xiàn)象，完成提高機械鉆速的預(yù)期目標,見表17。

8.3 完善KCL有機正電膠鉆井液的配比參數(shù) （正交試驗）

8.3.1 MC15-2CP1井現(xiàn)場應(yīng)用情況

工程技術(shù)狀況:開窗1 528m、完鉆井深:2 032m。

（1）鉆井液的選擇主要的目的是改善鉆井液流變性、降低摩阻。

（2）通過正交試驗法調(diào)整KCL-有機正電膠鉆井液中“正電膠、NH4-HPAN、原油和極壓潤滑劑”的含量配方，確定正4個因素的參數(shù)比,見表18。

（3）部署設(shè)計試驗方案。實施正交試驗，對“正電膠、NH4-HPAN、原油和極壓潤滑劑”的含量與鉆井液摩阻系數(shù)的試驗數(shù)據(jù)進行匯總，建立正交實驗L9(34)統(tǒng)計模型,如表19所示。

由正交實驗統(tǒng)計模型，可以計算出來諸因數(shù)在每個水平下的平均機械效率?；烊胝娔z后3次實驗“機械鉆速”之和CP（ZD0.5-1.0）=0.078+0.065+ 0.058=0.723,其平均值CP30/3=0.049,CP（ZD1.5-2.5）和 CP（ZD2.5-3.5）時“平均機械鉆速”分別為 CP（ZD1.5-2.5）/3=0.071,CP（ZD2.5-3.5）/3=0.072。

3個平均值的極差：R=max{0.067,0.071,0.072}-min{0.067，0.071，0.072}=0.072-0.067=0.005，類似地可以計算應(yīng)用因素NH4-HPAN含量、原油含量和極壓潤滑劑含量的極差分別為0.015；0.008；0.003。將3個因素的4個平均“機械鉆速”數(shù)值作圖，如圖12所示。

表16 提高“機械鉆速”正交試驗統(tǒng)計表

表17 鉆進效能評價表

表18 降低摩阻系數(shù)因素確定表

表19 鉆井液摩阻系數(shù)正交試驗統(tǒng)計表

（4）確定KCL-有機正電膠鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用的最佳配方。由圖12應(yīng)用因素數(shù)值對照評價分析圖可以看出，得出KCL-有機正電膠鉆井液基礎(chǔ)配方的最佳組合。

6%膨潤土+1.5%～2.5%有機正電膠+1%～2% NH4-HPAN+8%～10%原油+2%～3%極壓潤滑劑+ 0.2%～0.5%KCl+0.2%～0.3%PMHA-Ⅱ+2%～3%SAS+ 0.2%～0.3%乳化劑+2%～3%單向壓力封閉劑+NaOH +……

（5）現(xiàn)場應(yīng)用效果。MC15-2CP1井現(xiàn)場錄取泥漿性能參數(shù)，通過調(diào)整鉆井液性能，使鉆井液摩阻系數(shù)遠低于設(shè)計Kf≤0.008的技術(shù)標準,見表20。

8.4 地質(zhì)導(dǎo)向與三維繞障技術(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用MWD井下隨鉆測量控制技術(shù)及定向鉆井實際需求，地層評估與井下鉆井工況綜合影響著整體鉆進的機械鉆速。

8.4.1 NP1-7CP1井地質(zhì)導(dǎo)向與三維繞障技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)地層巖性描述和鄰近井身數(shù)據(jù)確定地質(zhì)導(dǎo)向與三維繞障數(shù)據(jù)，制定施工方案與工藝措施，完善并修正井深軌跡，縮短鉆進時的判斷等停時間。依據(jù)地層構(gòu)造圖13和表21設(shè)計井眼軌跡。

表20 MC15-2CP1井鉆井液班報表

表21 NP1-7CP1井地層及巖性描述表

優(yōu)化井眼方向控制方案設(shè)計時，需要計算出井眼軌跡的特征參數(shù)，現(xiàn)場羅列出井眼軌道的分點數(shù)據(jù)，現(xiàn)場優(yōu)化見表22。

8.4.2 效果驗證

通過合理控制井眼軌跡走向，及時準確判斷油氣藏深度、地層傾角及層間地質(zhì)特性，提出合理決策，縮短整體的純鉆進時間，完成單井三維繞障與地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)現(xiàn)場執(zhí)行準確率,見表23。

9 效果檢驗

9.1 工程指標評價與總結(jié)

9.1.1 對策實施后機械鉆速低于6.24m/h的影響因素發(fā)生頻次

（1）在2010年度6口側(cè)鉆井水平井施工中，機械鉆速低于6.24m/h的影響因素發(fā)生頻次調(diào)查表和頻次、頻率分析統(tǒng)計表，見表24與表25。

（2）由此可知：“地層可鉆性差、氣候因素惡劣”是客觀存在的，已成為影響機械鉆速的主要問題，“鉆井水力效應(yīng)欠佳、井下工具動力釋放弱、泥漿性能差”3個問題均的到有效控制。

9.1.2 采取措施前后同一條件下側(cè)鉆水平井機械鉆速對比

為檢驗是否達到了活動目標,小組進行同期的統(tǒng)計對比，見表26。

從表26可以看出，活動前機械鉆速為4.77m/h,活動后機械鉆速為7.58m/h，超出目標值1.34m/h，達到并超過預(yù)期目標。

表23 三維繞障與地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)現(xiàn)場執(zhí)行情況統(tǒng)計表

表24 對策實施后機械鉆速低于6.24m/h的影響因素發(fā)生頻次調(diào)查表

表25 “機械鉆速”影響因素頻次、頻率分析統(tǒng)計表

9.2 經(jīng)濟效益評價

根據(jù)完成6口井的實際情況，依據(jù)每米鉆井成本計算模式C=Cb+(Cr+CP)(T+T1)/F，進行統(tǒng)計因提高機械鉆速而節(jié)約的施工周期及日成本耗費，建立應(yīng)用情況評價表，見表27。

9.3 鞏固期效果檢驗

在2010年10月的鞏固期期間，成功地進行了G105-5CP1井與G104-6P11CP1井施工，機械鉆速分別提高到9.1m/h和8.7m/h，見到了明顯的實施效果。

9.4 社會評價

通過技術(shù)的推廣與應(yīng)用，冀東項目部C12294隊先后完成了3口小井眼、大位移、中長半徑的側(cè)鉆水平井業(yè)務(wù)，躋身于長城鉆探公司小井眼側(cè)鉆水平井的先進行列。

10 鞏固措施

（1）將“鉆井及水力參數(shù)優(yōu)化、地質(zhì)導(dǎo)向與三維繞障技術(shù)”等工藝編入中石油長城鉆探井下作業(yè)公司《冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井工程實施方案》，并在冀東項目部推廣應(yīng)用。

（2）將成果中“KCL-有機正電膠鉆井液基礎(chǔ)配方”的最佳組合：6%膨潤土+1.5%～2.5%有機正電膠+1%～2%NH4-HPAN+8%～10%原油+2%～3%極壓潤滑劑+……編入 《提高冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井的機械鉆速主要技術(shù)措施》；并納入長城鉆探井下作業(yè)公司冀東項目部《教育培訓(xùn)管理規(guī)定》予以執(zhí)行。文件編號：Q/GWDS.G.10.01-R-JD01

表26 對策實施前后基本數(shù)據(jù)對照表

表27 提高機械鉆速效益評價表

11 總結(jié)與今后打算

（1）在小組成員的共同努力，使長城井下冀東項目部在冀東油區(qū)側(cè)鉆水平井施工中機械鉆速有了大幅度的提高，實現(xiàn)了預(yù)期目標。小組成員的質(zhì)量意識、技術(shù)水平、攻關(guān)能力均得以提高。

（2）通過采用PDCA管理運作模式，有效的優(yōu)化技術(shù)與革新觀念，為今后實施套管內(nèi)分支井技術(shù)、裸眼導(dǎo)向與三維繞障技術(shù)提供經(jīng)驗和指導(dǎo)作用。使其側(cè)鉆水平井工程更有效地用于薄層油藏、斷塊油藏和邊界油藏的開采需求，進一步完善側(cè)鉆水平井在完井工藝上技術(shù)難題，把“提高礫砂篩管完井一次成功率”作為下次攻關(guān)課題，不斷拓展側(cè)鉆水平井在鉆修井市場的廣闊領(lǐng)域。