大牛地氣田水平井鉆完井工藝技術(shù)

常興浩，秦玉英，王錦昌

(中石化華北分公司，河南 鄭州 450006)

引 言

1 前期水平井鉆井遇到的問(wèn)題

鉆遇二疊系延長(zhǎng)組砂礫巖滲漏性強(qiáng)地層，易縮徑卡鉆，且礫石容易使鉆頭蹩跳;和尚溝組、石千峰組泥巖堅(jiān)硬，細(xì)砂巖、粉砂巖研磨性強(qiáng)，并且含少量礫石［2－3］，可鉆性差，PDC 鉆頭憋跳鉆嚴(yán)重，牙輪鉆頭易發(fā)生牙齒剝落，掉牙輪事故。

以山西組為目的層的水平井，斜井段鉆遇煤層易發(fā)生垮塌，垮塌原因主要是煤層的層理結(jié)構(gòu)和裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，煤層應(yīng)力敏感性高，尤其是大斜度井段容易發(fā)生井壁垮塌［1］。DF1井目的層為下二疊統(tǒng)山西組氣層，造斜段鉆遇43 m厚煤層，施工中發(fā)生煤層垮塌，填井側(cè)鉆［4］。DPS－1井，在山西組造斜井段鉆遇煤層，發(fā)生垮塌，劃眼無(wú)法通過(guò)，被迫打水泥塞回填側(cè)鉆。DPS－2井在山西組鉆遇3套煤層，多次發(fā)生起下鉆遇阻情況，由于煤層垮塌，2次打水泥塞回填側(cè)鉆［1］。

下石盒子目的層非均質(zhì)性強(qiáng)，泥巖夾層不等厚分布，鉆遇長(zhǎng)段泥巖易泥包、卡鉆，因此需要進(jìn)行回填側(cè)鉆或懸空側(cè)鉆，并且往往側(cè)鉆軌跡垂深調(diào)整較大，井眼軌跡控制難度增大。例如，DP1井水平段3次回填側(cè)鉆，1次懸空側(cè)鉆。DP35－1井設(shè)計(jì)A靶點(diǎn)巖性發(fā)生變化，深度較預(yù)測(cè)深度上提14.1 m。為了準(zhǔn)確中靶被迫加大造斜率，最大造斜率達(dá)0.48°/m［4］，工程施工風(fēng)險(xiǎn)加大。

2 優(yōu)快鉆井技術(shù)

2.1 小井眼井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水平井試驗(yàn)早期采用的井身結(jié)構(gòu)水平段為?215.9 mm井眼，如DF2井，井身結(jié)構(gòu)詳見表1所示。當(dāng)時(shí)水平段選用?215.9 mm井眼主要原因是:①井眼尺寸大，鉆柱的環(huán)空間隙相對(duì)較大，鉆柱的起下相對(duì)安全，對(duì)鉆井出現(xiàn)的復(fù)雜情況處理手段相對(duì)較多［5－6］;②低滲砂巖儲(chǔ)層必須壓裂改造才能有效建產(chǎn)，而當(dāng)時(shí)的壓裂工具不夠成熟，壓裂工具在?215.9 mm井眼作業(yè)相對(duì)安全。

水平段?215.9 mm大井眼井身結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢的主要原因:①由于井眼尺寸大，單位進(jìn)尺鉆頭切削巖石體積多［5］;②鉆頭尺寸切削巖石表面積大，鉆機(jī)功率在鉆頭處的消耗就大;③鉆柱尺寸大，扭矩大，鉆機(jī)余量相對(duì)較小。以上因素直接導(dǎo)致了機(jī)械鉆速慢，鉆井指標(biāo)低。2009年開始試驗(yàn)水平段?152.4 mm井眼的井身結(jié)構(gòu)(表1)。該井身結(jié)構(gòu)較優(yōu)化前井眼尺寸整體縮小一級(jí)，井眼尺寸的縮小，改善了大井眼井身結(jié)構(gòu)的不足，在同等鉆機(jī)能力情況下大大提高了機(jī)械鉆速，同時(shí)也能夠滿足目前的壓裂技術(shù)要求。

表1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比

2.2 井眼軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化

水平井試驗(yàn)初期井眼軌道采用五段制(直—增—穩(wěn)—增—平)或七段制(直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)—增—平)剖面設(shè)計(jì)。例如DP1井、DP35－1井設(shè)計(jì)靶前距為230 m，采用七段制剖面設(shè)計(jì)，最大增斜率為0.28°/m，又如DP5井，采用五段制剖面設(shè)計(jì)，造斜段增斜率分別為0.21°/m、0.14°/m。設(shè)計(jì)靶前距短，增斜率大，是導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢［7－9］、指標(biāo)低的又一重要原因:①該區(qū)造斜段最大采用1.5°單彎螺桿工具造斜，1.5°單彎螺桿滑動(dòng)增斜能力為0.33～1.17°/m，要滿足設(shè)計(jì)0.28°/m的增斜要求，就要求鉆具鉆進(jìn)1個(gè)單根(9 m)，必須滑動(dòng)鉆進(jìn)7～8 m，而滑動(dòng)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速較復(fù)合鉆進(jìn)低，就導(dǎo)致了斜井段機(jī)械鉆速低，進(jìn)而影響全井的鉆井指標(biāo);②斜井段機(jī)械鉆速慢，在鉆遇煤層、泥巖地層時(shí)容易發(fā)生井壁垮塌、失穩(wěn)，一旦發(fā)生井壁失穩(wěn)，鉆井指標(biāo)勢(shì)必大大降低，因此斜井段機(jī)械鉆速低是制約鉆井提速的一大因素。

在總結(jié)前期問(wèn)題的基礎(chǔ)上進(jìn)行了井眼軌道剖面優(yōu)化，優(yōu)化后靶前距為350～400 m，采用三段制剖面設(shè)計(jì)，造斜率為0.14～0.16°/m，采用該軌道設(shè)計(jì)后，造斜段進(jìn)尺1個(gè)單根(9 m)，滑動(dòng)鉆進(jìn)4～5 m，復(fù)合鉆進(jìn)4～5 m，復(fù)合鉆進(jìn)比例的提高，提高了該井段的機(jī)械鉆速，提高了鉆井指標(biāo)。優(yōu)化前后的造斜率見表2。

2.3 煤層安全鉆進(jìn)技術(shù)

以山西組為目的層的水平井鉆遇煤層發(fā)生井壁垮塌是制約鉆井指標(biāo)提升的又一重要因素?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)煤層取樣、機(jī)理分析表明，山西組煤層層理性較強(qiáng)，塊狀結(jié)構(gòu)不明顯，煤層的層狀結(jié)構(gòu)決定了煤層在垂直方向上膠結(jié)力薄弱，表現(xiàn)為層與層之間膠結(jié)力較層內(nèi)膠結(jié)力小，并且膠結(jié)物易吸水釋放粘貼力，導(dǎo)致煤層更容易沿層理成片狀剝落掉塊，在井斜越大的井段，煤層的層狀結(jié)構(gòu)更大面積的暴露于井筒中，在水平段，煤層的層理直接與井筒平行。煤層的層狀結(jié)構(gòu)越大面積的暴露于井筒，就越容易垮塌掉塊［1］。

《城市綠線管理辦法》《城市規(guī)劃編制辦法》等一系列部門規(guī)章，覆蓋了風(fēng)景園林行業(yè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、組織管理、景觀保護(hù)等方面，通過(guò)行政介入與政府引導(dǎo)的方式有效地加強(qiáng)了風(fēng)景園林規(guī)劃建設(shè)的運(yùn)行與管理。

在對(duì)煤層垮塌機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)對(duì)策。

(1)確定合理的鉆井液密度維持適當(dāng)?shù)撵o液柱壓力，以保持煤巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，盡可能降低鉆井液濾失量。對(duì)比分析了13口水平井進(jìn)入煤層后鉆井液密度情況，密度為1.17 g/mL的DP8井，1.18 g/mL的DPS－1井，1.20 g/mL的DP7井都發(fā)生了嚴(yán)重的煤層垮塌事故，劃眼不能通過(guò)，只能采取回填側(cè)鉆的方式處理垮塌;密度為1.25 g/mL的DP11井、DP12井、DP17井、DPS－3井，密度為1.23 g/mL的DP6井，都順利鉆過(guò)了煤層。

(2)維持鉆井液具有良好的流變性，保持鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性。對(duì)比研究14口井的的漏斗黏度和動(dòng)朔比，順利穿過(guò)煤層的井，如DP9井、DP6井、DP11井、DP15井、DP10井、DP12井、DP17井和DPS－3井，鉆井液漏斗黏度為60～95 s。

(3)嚴(yán)格控制鉆井液的含砂量和濾失量。

(4)在進(jìn)入煤層前50 m開始降低轉(zhuǎn)速，控制起下鉆速度，減少旋轉(zhuǎn)鉆具和壓力激動(dòng)對(duì)煤層井壁的影響。對(duì)比了13口水平井進(jìn)入煤層后的起下鉆速度，起下鉆速度越快，越容易發(fā)生煤層垮塌事故。最典型的是DP7井，煤層垮塌前的1趟起下鉆均速高達(dá)18.18 m/min。DPS－1井煤層垮塌前的1趟起下鉆均速為12.9 m/min，DPS－2井煤層垮塌前的1趟起下均速為14.21 m/min。進(jìn)入煤層起下鉆速度較小的井發(fā)生煤層垮塌的風(fēng)險(xiǎn)較小，如DP9井、DP6井、DP15井和DP13井煤層段起下鉆均速分別為5.7、7.3、5.5 和7.8 m/min。

(5)鉆進(jìn)煤層時(shí)應(yīng)采用大水眼鉆頭，減少射流對(duì)井壁的沖蝕，同時(shí)加大排量，保證攜巖;進(jìn)入煤層前要簡(jiǎn)化鉆具組合，不帶穩(wěn)定器、扶正器，盡量減少鉆鋌數(shù)量，配接加重鉆桿［1］。

安全鉆進(jìn)煤層技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后取得了良好的效果。例如DPS－7井造斜段穿越102 m煤層，井壁無(wú)垮塌，后續(xù)管柱下入安全。

2.4 二開上部直井段復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)

針對(duì)二開上部井段(直羅組—延長(zhǎng)組)地層膠結(jié)性差，可鉆性高，但易井斜的特點(diǎn)，優(yōu)化采用“PDC+螺桿”的復(fù)合鉆具組合:?215.9 mm鉆頭+?172 mm直螺桿 +?214 mm扶正器 +?177.8 mm鉆鋌6根+?158.8 mm鉆鋌7根+?127 mm鉆桿串。該鉆具組合的優(yōu)點(diǎn)是:①防斜效果好，由于螺桿的轉(zhuǎn)速較高，在相同進(jìn)尺下切削下井壁的轉(zhuǎn)數(shù)比常規(guī)組合高出幾倍，只要鉆頭緊貼下井壁，其防斜效果非常好，特別是在傾斜地層，效果明顯［10］;②機(jī)械鉆速快，由于螺桿的鉆速高，機(jī)械鉆速明顯提高，對(duì)于軟—中軟地層，機(jī)械鉆速可提高50% ～100%。

該鉆具組合的本質(zhì)是鐘擺+螺桿，其機(jī)理是直螺桿上部的?214 mm扶正器使下部螺桿鉆具具有鐘擺效應(yīng)，螺桿的高速旋轉(zhuǎn)增加了橫向切屑力和橫向切削頻率，從而具有一般鐘擺鉆具組合所不及的防斜能力，螺桿的高轉(zhuǎn)速配合高效鉆頭也使得機(jī)械鉆速大大提高。自推廣該鉆具組合后，大牛地地層上部直井段的機(jī)械鉆速得到了很大提高。取得了良好的應(yīng)用效果。表3為2012年上半年使用PDC+螺桿的復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)與2011年使用普通鉆具組合的對(duì)比表。由表3可知，2012年復(fù)合鉆進(jìn)二開第1趟鉆進(jìn)平均進(jìn)尺為1 023.73 m，較2011年增長(zhǎng)263.59 m，其中平均機(jī)械鉆速為36.09 m/h，較2011年二開第1趟鉆進(jìn)機(jī)械鉆速(22.44 m/h)提高60.82%。

表3 2012年二開第1趟復(fù)合鉆進(jìn)與2011年普通鉆進(jìn)方式對(duì)比情況

3 應(yīng)用效果

截至2012年7月底，經(jīng)過(guò)逾100口水平井的實(shí)踐，逐步形成了大牛地氣田水平井關(guān)鍵鉆完井工藝技術(shù)，鉆井指標(biāo)得到了很大提升。平均鉆井周期從2002年DP1井的139.0 d，縮短到2012上半年的61 d，平均機(jī)械鉆速?gòu)腄P1井的3.02 m/h提高到2012上半年的6.75 m/h。其中無(wú)導(dǎo)眼水平井DPH－10井(水平段長(zhǎng)度為1 200 m)以鉆井周期31.71 d創(chuàng)造了工區(qū)水平井鉆井周期最短紀(jì)錄，有導(dǎo)眼水平井DPH－14井(水平段長(zhǎng)度為1 200 m)以鉆井周期39.17 d，創(chuàng)造了工區(qū)有導(dǎo)眼水平井最短周期紀(jì)錄，DPH－17井(水平段長(zhǎng)長(zhǎng)度為1 200 m)全井平均機(jī)械鉆速為11.68 m/h，創(chuàng)造了工區(qū)水平井平均機(jī)械鉆速最高紀(jì)錄。

DPH－10井是大牛地氣田在鄂爾多斯盆地部署的1口開發(fā)井，設(shè)計(jì)井深為4 097.39 m，水平段長(zhǎng)為1 200 m，目的層為下石盒子盒1氣層。該井設(shè)計(jì)水平段采用?152.4 mm井眼井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軌道剖面采用三段制單增剖面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)造斜率為0.16°/m。二開直井段為396～2 322 m，采用PDC+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)方式，二開第1趟鉆采用鉆頭GD1605T復(fù)合鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速高達(dá)68.68 m/h，進(jìn)尺440.95 m，二開第2趟鉆為復(fù)合鉆進(jìn)，采用鉆頭M1655FC，一趟鉆進(jìn)尺為1 000.03 m，機(jī)械鉆速為24.5 m/h，大斜度井段著陸前1只HJ517G鉆頭機(jī)械鉆速為4.84 m/h，進(jìn)尺為261.61 m。三開水平段第1只 P5235MJH鉆頭機(jī)械鉆速最高，達(dá)到16.11 m/h，水平段第2只PDC鉆頭M1652C鉆進(jìn)井段為3 266.91～3 605.00 m，進(jìn)尺為338.09 m，機(jī)械鉆速為12.64 m/h。該井鉆井周期為31.71 d，全井平均機(jī)械鉆速為11.38 m/h，創(chuàng)大牛地氣田水平井鉆井周期最短紀(jì)錄［10］。

DPH－14井是位于鄂爾多斯盆地的1口開發(fā)井，設(shè)計(jì)井深為3 864.09 m，水平段長(zhǎng)為1 200 m。采用水平段?152.4 mm井眼的三級(jí)井身結(jié)構(gòu)，主井眼軌道剖面采用三段制單增剖面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)造斜率為0.16°/m，該井實(shí)施導(dǎo)眼。二開上部直井段采用PDC+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)模式，第1只鉆頭為M1655FC鉆頭，在延安組、延長(zhǎng)組、二馬營(yíng)組井段進(jìn)尺為868.29 m，平均機(jī)械鉆速為26.11 m/h;第2只仍采用M1655FC鉆頭，進(jìn)尺為800.09 m，平均機(jī)械鉆速為14.00 m/h;導(dǎo)眼段使用1只PDC鉆頭，進(jìn)尺為240.81，機(jī)械鉆速高達(dá)8.12 m/h。水平段第1只鉆頭為P5335MJ鉆頭，進(jìn)尺達(dá)671.16 m，機(jī)械鉆速高達(dá)17.43 m/h。該井在實(shí)施導(dǎo)眼的情況下，鉆井周期縮短為39.17 d，取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，井眼尺寸的有效縮小，是機(jī)械鉆速大大提高、鉆井周期大幅縮短的重要前提和保障。

(2)二開上部直井段復(fù)合鉆進(jìn)方式的采用，大大提高了PDC鉆頭的轉(zhuǎn)速和切削巖石的效率，是機(jī)械鉆速提高的又一重要因素。

(3)井眼軌道的優(yōu)化，造斜段造斜率的降低，提高了復(fù)合鉆進(jìn)的比例，提高了斜井段的機(jī)械鉆速，大大提高了鉆井指標(biāo)。

(4)煤層安全鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，降低了鉆遇煤層的風(fēng)險(xiǎn)，安全鉆過(guò)煤層是鉆井指標(biāo)提升的又一重要保證。

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