腰英臺(tái)地區(qū)深井鉆井提速技術(shù)

朱軍，高英強(qiáng)，任杭洲，劉炳運(yùn)

（中國(guó)石化中原石油勘探局鉆井二公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

腰英臺(tái)地區(qū)深井鉆井提速技術(shù)

朱軍，高英強(qiáng)，任杭洲，劉炳運(yùn)

（中國(guó)石化中原石油勘探局鉆井二公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

腰英臺(tái)地區(qū)深井地層具有巖石可鉆性差、井壁穩(wěn)定性差、井底溫度高等特點(diǎn)，因此鉆速較慢，鉆井周期較長(zhǎng)。為加快該地區(qū)的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)度，降低鉆井成本，在該地區(qū)進(jìn)行了深井鉆井提速技術(shù)研究。通過(guò)針對(duì)不同地層的多種PDC和牙輪鉆頭優(yōu)選、井底動(dòng)力鉆具和復(fù)合鉆井試驗(yàn)、新型射流式?jīng)_擊鉆井工具試驗(yàn)及深井抗高溫防塌鉆井液研究應(yīng)用等方面的攻關(guān)研究，最終形成了一套適合腰英臺(tái)深井的鉆井提速技術(shù)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)3口井的應(yīng)用，取得了顯著的提速效果，平均機(jī)械鉆速提高13.7%，平均鉆井周期縮短27.1%。新型鉆井液體系的應(yīng)用有效降低了鉆井復(fù)雜時(shí)效，提高了井身質(zhì)量，為鉆井提速創(chuàng)造了有利條件。建議在該地區(qū)繼續(xù)進(jìn)行新工具新工藝的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終形成一套完善的深井鉆井提速技術(shù)。

鉆頭優(yōu)選；高溫鉆井液；動(dòng)力鉆具；深井提速；腰英臺(tái)地區(qū)

腰英臺(tái)地區(qū)屬松遼盆地南部長(zhǎng)嶺凹陷，是中國(guó)石化東北油氣分公司增儲(chǔ)上產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)塊之一。2005年以來(lái)，該區(qū)先后完成了腰南1井、腰深1井、腰深2井等10余口深井鉆探，平均完鉆井深4 800 m左右。腰英臺(tái)地區(qū)深井主要鉆遇地層包括第四系、第三系、白堊系等，具有巖石可鉆性差、井壁不穩(wěn)定和井底溫度高等特點(diǎn)，導(dǎo)致鉆井速度慢、周期長(zhǎng)，因此亟需開(kāi)展深井鉆井提速技術(shù)攻關(guān)研究，以加快勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。在分析腰英臺(tái)地區(qū)鉆井施工面臨難題的基礎(chǔ)上，參考國(guó)內(nèi)其他地區(qū)深井鉆井提速技術(shù)［1-7］，從本地區(qū)實(shí)際出發(fā)，通過(guò)不斷完善深井鉆井提速技術(shù)，形成了一套腰英臺(tái)地區(qū)深井鉆井提速技術(shù)，為本區(qū)塊的深層勘探開(kāi)發(fā)提供了重要的技術(shù)支持。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

通過(guò)對(duì)前期已鉆深井情況的總結(jié)分析，腰英臺(tái)地區(qū)深井主要存在以下鉆井技術(shù)難點(diǎn)。

1.1 巖石可鉆性差，機(jī)械鉆速低

該地區(qū)地層巖性復(fù)雜，礫石含量高，地層可鉆性級(jí)值高，鉆探難度很大，全井平均機(jī)械鉆速僅為1.7～2.0 m/h。在青山口組及以下地層曾多次進(jìn)行國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭試驗(yàn)，但未取得實(shí)質(zhì)性突破。如腰深4井二開(kāi)進(jìn)入青山口組后，先后進(jìn)行了7次PDC鉆頭試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速僅為1.09 m/h，使用情況不理想，進(jìn)尺、使用時(shí)間、機(jī)械鉆速基本接近或低于牙輪鉆頭，火山巖地層單只牙輪鉆頭進(jìn)尺僅26～50 m，純鉆時(shí)間15～40 h，行程鉆速極低。在前期鉆探施工過(guò)程中，還曾對(duì)液動(dòng)沖擊錘和孕鑲PDC鉆頭+高速渦輪等鉆井技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，但由于地層可鉆性差，提速效果很不理想。

1.2 井壁穩(wěn)定性差，對(duì)鉆井液性能要求高

由于嫩江組、姚家組、青山口組等地層水敏性強(qiáng)，裂縫、微裂縫發(fā)育，井壁失穩(wěn)嚴(yán)重，存在著周期性垮塌、井漏現(xiàn)象，復(fù)雜情況時(shí)有發(fā)生。針對(duì)該地區(qū)易塌地層巖樣，分別進(jìn)行了射線衍射分析、掃描電鏡分析及泥頁(yè)巖理化性能分析。結(jié)果表明，腰英臺(tái)地區(qū)全井段都有較高含量的蒙脫石和伊利石，腰中、腰北區(qū)塊全井段都有較高含量的伊利石和少量的伊蒙混層，易發(fā)生水化膨脹。因此，要求鉆井液具備強(qiáng)抑制能力，以滿足井壁穩(wěn)定的需要。

同時(shí)由于火山巖裂縫發(fā)育，對(duì)鉆井液密度極其敏感，鉆井液安全密度窗口窄，極易發(fā)生井漏和井塌（腰深5井最大掉塊直徑達(dá)到80 mm），在欠平衡鉆進(jìn)時(shí)尤為嚴(yán)重［8］。

可見(jiàn)，常規(guī)鉆井液已無(wú)法滿足腰英臺(tái)地區(qū)鉆井工程的要求。必須結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)，在參考國(guó)內(nèi)其他地區(qū)井壁穩(wěn)定技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選深井鉆井液體系，研發(fā)抗高溫防塌鉆井液，以滿足深井施工的需要［9-13］。

1.3 井底溫度高，對(duì)動(dòng)力鉆具要求高

腰英臺(tái)地區(qū)地溫梯度為3.5～3.7℃/100 m，深井井底溫度高達(dá)150℃左右，對(duì)儀器和井底動(dòng)力鉆具的耐溫能力要求高。由于井底高溫和鉆頭難以承受復(fù)雜地質(zhì)條件下的高轉(zhuǎn)速，深井大尺寸井眼動(dòng)力鉆具的應(yīng)用受到極大的限制，使得復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)施困難，機(jī)械鉆速提高難度較大。

2 鉆井工藝技術(shù)

2.1 鉆頭優(yōu)選

在統(tǒng)計(jì)分析腰英臺(tái)地區(qū)地層巖性及鄰井鉆頭使用情況的基礎(chǔ)上，在腰深5井和腰深9井分別試驗(yàn)應(yīng)用了BTM115，BTM116E，M1365SS，M1951SGU，HC407ZX，HC506ZX，HC506ZX，HC407ZX，HCM407ZX等多種型號(hào)的PDC鉆頭及貝克休斯MXL-DS55DX牙輪鉆頭。

2.1.1 PDC鉆頭

2.1.1.1 二開(kāi)四方臺(tái)組—青山口組地層

此段地層主要為砂泥巖互層，泥巖含量高，在鉆頭的選用上應(yīng)從鉆頭的自銳性、流道設(shè)計(jì)、復(fù)合片傾角等方面入手，在保持較高機(jī)械鉆速的條件下，防止鉆頭泥包，對(duì)砂泥巖夾層具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

通過(guò)在腰深9井應(yīng)用新型PDC鉆頭，在青山口組1 990 m以上井段機(jī)械鉆速高達(dá)20.61 m/h，與鄰井平均機(jī)械鉆速14.2 m/h相比，提高了45.14%；與鄰井最高機(jī)械鉆速15.6 m/h相比，提高了32.1%，創(chuàng)同區(qū)塊上部井段最高機(jī)械鉆速記錄，青山口組平均機(jī)械鉆速僅為3.96 m/h。腰深5井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，PDC鉆頭的自銳性和適應(yīng)交錯(cuò)性地層的能力還有待改進(jìn)，其進(jìn)尺和鄰井相當(dāng)，但平均機(jī)械鉆速高達(dá)13.23 m/h，比鄰井高出59.2%。

2.1.1.2 二開(kāi)青山口組及以下地層

青山口組以下地層特性極其復(fù)雜，鉆頭鉆遇環(huán)境復(fù)雜，必須具有較強(qiáng)的抗沖擊性和研磨性。鉆頭應(yīng)有較大的復(fù)合片傾角，以保證鉆頭運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定；使用小尺寸復(fù)合片，以保證鉆頭中心部位抗沖擊能力強(qiáng)；且應(yīng)具有備齒保護(hù)設(shè)計(jì)，從而有效提高鉆頭使用壽命，維持較高的機(jī)械鉆速，減少起下鉆次數(shù)，有效縮短鉆井周期。

在腰深9井試驗(yàn)了2只國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭。試驗(yàn)結(jié)果表明，2只鉆頭在青山口組試驗(yàn)井段的進(jìn)尺、機(jī)械鉆速與牙輪鉆頭相當(dāng)，主要原因是鉆頭的抗沖擊和抗研磨性不足，無(wú)法適應(yīng)地層特性，造成鉆頭在短時(shí)間內(nèi)早期破壞，鉆時(shí)逐漸增加。在腰深5井試驗(yàn)了4只不同型號(hào)的貝克休斯PDC鉆頭，使用井段為1 942.74～3 369.44 m，進(jìn)尺1 426.70 m，純鉆時(shí)間838.91 h，機(jī)械鉆速1.92 m/h；與腰深4井牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速0.9 m/h相比，提高了113%，節(jié)約鉆井周期10.6 d。

實(shí)際使用情況表明：該區(qū)塊青山口組地層適合HC506和HC505系列的16 mm復(fù)合片PDC鉆頭，青山口以下的泉頭組地層使用13 mm混合復(fù)合片多刀翼鉆頭，可有效切入地層，抵抗地層沖擊。

2.1.2 進(jìn)口牙輪鉆頭

鑒于腰英臺(tái)白堊系下統(tǒng)營(yíng)城組火山巖以及泉頭組、登婁庫(kù)組、沙河子組、火石嶺組碎屑巖可鉆性極差，鉆頭機(jī)械鉆速低，單只進(jìn)尺少，磨損嚴(yán)重，跳鉆引起斷齒等情況，先后在腰深5井三開(kāi)井段試驗(yàn)了8只貝克休斯牙輪鉆頭。

通過(guò)對(duì)牙輪鉆頭的使用情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在營(yíng)城組火成巖鉆進(jìn)中，單只貝克休斯牙輪鉆頭的平均進(jìn)尺比國(guó)產(chǎn)鉆頭多37.29～57.43 m，單只鉆頭相當(dāng)于2～3只國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速提高了0.62～1.12 m/h。同時(shí)，還減少了起下鉆次數(shù)，大大縮短了鉆井周期。因此，使用抗沖擊能力強(qiáng)的進(jìn)口牙輪鉆頭，是提高火山巖地層機(jī)械鉆速和縮短鉆井周期的有效途徑。

2.2 動(dòng)力鉆具及復(fù)合鉆井技術(shù)

2.2.1 進(jìn)口PDC鉆頭+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)

在腰深5井3 142～3 369 m（泉頭組二段）井段進(jìn)行了進(jìn)口PDC鉆頭+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)。該段地層上部為灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與紫紅色泥巖等厚互層，中部為灰色白云質(zhì)粉砂巖與紫紅色泥巖等厚互層，下部為灰色細(xì)砂巖與紫紅色泥巖等厚互層。由于地層砂泥巖互層情況普遍，在該井段鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭扭矩面臨幅度較大的周期性變化，所以螺桿的質(zhì)量和使用壽命非常關(guān)鍵，應(yīng)保守使用，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速控制在30 r/min以下，防止螺桿和鉆具出現(xiàn)問(wèn)題?？刂坪勉@井液性能，防止井壁掉塊引起的復(fù)雜情況和事故。應(yīng)處理好井下攜砂與鉆井液排量及鉆井液性能之間的關(guān)系，一般情況下，鉆井液排量不宜過(guò)大，保持在40 L/s左右，保證鉆頭和螺桿安全。

試驗(yàn)中使用了1只HC505ZX貝克休斯PDC鉆頭和立林φ244.5 mm 7/8頭5級(jí)深井型螺桿，該螺桿具有大功率、低轉(zhuǎn)速、抗高溫的特性。通過(guò)雙驅(qū)復(fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)，鉆頭進(jìn)尺為227 m，機(jī)械鉆速達(dá)到1.58 m/h。與上井段轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)相比，機(jī)械鉆速提高了13%。

2.2.2 進(jìn)口孕鑲PDC鉆頭+渦輪復(fù)合鉆進(jìn)

在腰深7井3 235.55～3 277.67 m井段進(jìn)行了進(jìn)口孕鑲PDC鉆頭+渦輪鉆具試驗(yàn)，使用了貝克休斯HH676G89Y鉆頭。起初按照渦輪廠家提供的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)，但效果不佳，鉆速較慢；隨后逐步增加鉆壓至100 kN，排量29 L/s，鉆時(shí)變化不明顯；最后鉆時(shí)達(dá)到150 min/m，決定起鉆。最終該趟鉆進(jìn)尺42.12 m，純鉆46.17 h，機(jī)械鉆速0.91 m/h。鉆頭取出后，長(zhǎng)度減少了1.6 cm，胎體磨損嚴(yán)重，平均磨損2 cm左右，但保徑基本完好。

在渦輪鉆具復(fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)失敗之后，下入三牙輪鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆頭平均純鉆時(shí)間為35 h，平均機(jī)械鉆速1.20 m/h，比使用渦輪鉆進(jìn)提高了31.9%。試驗(yàn)結(jié)果表明，孕鑲PDC鉆頭+渦輪復(fù)合鉆進(jìn)對(duì)營(yíng)城組火成巖地層的適應(yīng)性較差，還需進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.3 射流式?jīng)_擊器

在腰深7井3 557.20～3 589.92 m井段進(jìn)行了射流式?jīng)_擊器旋沖鉆井試驗(yàn)，鉆遇地層為營(yíng)城組底部凝灰?guī)r和沙河子組灰黑色泥巖、粉砂巖和礫巖。試驗(yàn)中使用了2套液動(dòng)射流式?jīng)_擊器（YSC-178A和YSC-178B），入井時(shí)間共計(jì)120 h，純鉆時(shí)間57.71 h，進(jìn)尺66.87 m，平均機(jī)械鉆速1.16 m/h。

試驗(yàn)結(jié)果表明，與同一地層同一鉆頭不使用沖擊器的鉆進(jìn)效果相比，旋沖鉆井的機(jī)械鉆速略有提高，但提速效果不明顯，且沖擊器工作不穩(wěn)定。其中，第1套沖擊器出井試沖不能啟動(dòng)，而第2套沖擊器出井試沖可正常啟動(dòng)，但內(nèi)部密封損壞。

2.4 耐高溫防塌鉆井液

該地區(qū)一般要求直井鉆井液密度為1.05 g/cm3左右，采用欠平衡鉆進(jìn)；水平井鉆井液密度為1.25 g/cm3左右，采用正常壓力鉆進(jìn)。深井井段對(duì)鉆井液具有如下要求：

1）該地區(qū)井底溫度高達(dá)150℃，鉆井液在高溫高壓下易發(fā)生變化，特別是直井，由于要求鉆井液密度低，導(dǎo)致鉆井液固相含量少，極易在高溫下稀釋，流變性變差。因此，鉆井液應(yīng)具有較強(qiáng)的抗溫能力，在高溫下保持良好的穩(wěn)定性。

2）腰英臺(tái)地區(qū)上部地層泥巖中蒙皂石含量高，鉆井過(guò)程中易水化分散，引起縮徑。下部地層普遍含砂泥巖互層，坍塌掉塊現(xiàn)象比較突出，因此，深井鉆井液應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制性，以滿足井壁穩(wěn)定的需要。

3）氣田天然氣高含CO2（體積分?jǐn)?shù)一般在20%以上），要求鉆井液具有強(qiáng)抗污染能力，以解決CO2及其他化學(xué)離子污染問(wèn)題。

4）由于高溫高壓的作用，深井鉆井液對(duì)深部油層的損害更加嚴(yán)重，因此，要求打開(kāi)氣層的鉆井液完井液應(yīng)具有較強(qiáng)的油氣層保護(hù)能力。

根據(jù)以上對(duì)腰英臺(tái)地區(qū)鉆井液性能要求的分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)其他地區(qū)深井不穩(wěn)定地層鉆進(jìn)時(shí)鉆井液的使用經(jīng)驗(yàn)［14-17］，研制了有機(jī)硅防塌抗溫鉆井液，并在腰深5井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。鉆井液配方為0.2%NaOH+0.2% Na2CO3+3%膨潤(rùn)土+0.5%LV-CMC+1%FT-1+1%SMP-2+ 1%KFT+0.5%GWJ+0.5%YGT+1%K-OSAM+1%SF260+ 0.2%PAC-HV，性能參數(shù)指標(biāo)如下：漏斗黏度60 s，密度1.05 g/cm3，塑性黏度14 mPa·s，動(dòng)切力7 Pa，API失水量3.2 mL，HTHP失水量11 mL。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，主要補(bǔ)充膨潤(rùn)土漿膠液，其配方為（3%～4%）土粉+（1.5%～2.0%）KFT+（1.5%～2.0%）SMP-2+（1.5%～2.0%）YGT+（0.15%～0.20%）PAC-HV。另外，每天補(bǔ)充200 kg的GWJ或SF260，以保證鉆井液性能穩(wěn)定。

從腰深5井的實(shí)際應(yīng)用效果看，鉆進(jìn)時(shí)該鉆井液體系性能穩(wěn)定，起下鉆順利，無(wú)阻卡顯示。三開(kāi)段井徑平均擴(kuò)大率為6.1%，比腰深4井降低39.1%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。有機(jī)硅防塌抗溫鉆井液體系具有性能穩(wěn)定、處理維護(hù)簡(jiǎn)便、環(huán)保、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，較好地滿足了鉆井施工的需要，有效避免了井下復(fù)雜情況的發(fā)生，保證了鉆井及完井等各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行。

3 結(jié)論

1）通過(guò)鉆頭優(yōu)選、動(dòng)力鉆具優(yōu)選、新型射流式?jīng)_擊器試驗(yàn)，形成了一套適合腰英臺(tái)地區(qū)的深井鉆井提速技術(shù)。同時(shí)研制并試驗(yàn)了新型耐高溫防塌鉆井液，為鉆井提速提供了有力保障。

2）通過(guò)3口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，機(jī)械鉆速提高13.7%，鉆井周期縮短27.1%，達(dá)到了鉆井事故復(fù)雜時(shí)效為0、井身質(zhì)量合格率100%、井徑擴(kuò)大率降低59%的目標(biāo)。

3）建議繼續(xù)在腰英臺(tái)地區(qū)開(kāi)展深井鉆井提速技術(shù)研究，最終形成一套鉆頭和動(dòng)力鉆具使用模版和鉆井液使用圖版，為進(jìn)一步鉆井提速提供技術(shù)指導(dǎo)。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Technology to improve drilling speed of deep well in Yaoyingtai Area

Zhu Jun,Gao Yingqiang,Ren Hangzhou,Liu Bingyun
(No.2 Drilling Company,Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau,SINOPEC,Puyang 457001,China)

Deep wells are characterized by poor rock drillability,instable borehole wall and high bottom temperature in Yaoyingtai Area,resulting in a slow drilling speed and long drilling period.In order to accerlerate the pace of exploration and development and to reduce the drilling cost in this area,the study on improving drilling speed of deep well was conducted.Through the optimization of PDC and roller bits that are suitable for different strata,test of downhole dynamic drilling tool and combined drilling,test of newtype water jetting drilling tool and research on resistance to high temperature and anti-sloughing drilling fluid,a set of improved techniques of drilling speed for deep well in Yaoyingtai Area are formed at last.Obvious improved result has been achived through the field applilcation in three wells.The average ROP is increased by 13.7%,and the average period of drilling is decreased by 27.1%.With the application of new drilling fluid system,complex outage time is reduced and the quality of wellbore is enhanced efficiently,which contribute to fast drilling operation.It is suggested that the field test of new drilling tools and new techniques should be continued in the area,and finally a set of improved techniques of drilling speed will be formed.

drilling bit optimization;high-temperature drilling fluid;dynamic drilling tool;improvement of drlling speed of deep well;Yaoyingtai Area

TE245

A

10.6056/dkyqt201204031

2012-03-20；改回日期：2012-05-13。

朱軍，男，1971年生，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），主要從事鉆井工程技術(shù)管理工作。電話：（0393）4827340，E-mail：zpebzj02@sina.com。

朱軍，高英強(qiáng)，任杭洲，等.腰英臺(tái)地區(qū)深井鉆井提速技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：533-536.

Zhu Jun，Gao Yingqiang，Ren Hangzhou，et al.Technology to improve drilling speed of deep well in Yaoyingtai Area［J］.Fault-Block Oil& Gas Field，2012，19（4）：533-536.