張店油田南38區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用

尉富平，馮小科，伍虹宇 （中石化河南石油勘探局鉆井工程公司，河南 南陽(yáng)473132）

黃磊 （中石化河南油田分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 南陽(yáng)473132）

王濤，王卓 （中石化河南石油勘探局鉆井工程公司，河南 南陽(yáng)473132）

張店油田南38區(qū)塊位于河南省唐河縣張店鎮(zhèn)，構(gòu)造上位于南陽(yáng)凹陷張店鼻狀構(gòu)造帶。南38區(qū)塊構(gòu)造軸向近南北走向，含油面積1.5km2，含油高度150m。北部的3＃斷層為該區(qū)塊的油氣主力斷層，含油氣目的層段斷層傾角20～28°。該區(qū)儲(chǔ)層巖性以灰色細(xì)砂巖和粉砂巖為主，少量中－粗砂巖和含礫砂巖；巖石成分以石英為主，長(zhǎng)石次之；分選性中－好；磨圓度次棱－次圓；膠結(jié)物以泥質(zhì)和灰質(zhì)為主。為動(dòng)用該區(qū)的儲(chǔ)量，盡早建成新的產(chǎn)能，進(jìn)一步加大開(kāi)發(fā)力度，2012年在該區(qū)塊部署多口生產(chǎn)井。但由于該區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井施工難點(diǎn)多，而且是新開(kāi)發(fā)區(qū)塊，缺乏完善的鉆井施工方案，導(dǎo)致鉆井施工周期較長(zhǎng)，鉆井速度較低；為此，研究出了一套優(yōu)快鉆井技術(shù)，提高了鉆井速度，為油田增儲(chǔ)上產(chǎn)起到了積極作用，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 鉆井主要難點(diǎn)

張店油田南38區(qū)塊由于地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井施工過(guò)程中易出現(xiàn)鉆頭故障，井斜難以控制，井壁垮塌、電測(cè)遇阻等情況時(shí)有發(fā)生，是河南油田井下故障頻發(fā)區(qū)塊，導(dǎo)致該區(qū)塊機(jī)械鉆速低，建井周期長(zhǎng)。鉆井施工中主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：①鉆頭選型不適合該區(qū)塊地層特點(diǎn)，制約了鉆井機(jī)械鉆速的提高，造成鉆井周期長(zhǎng)，成本高。②鉆井參數(shù)選擇只憑現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，選用不合理，未得到優(yōu)化。③地層傾角較大，直井段井眼難以控制，經(jīng)常由于直井段井斜過(guò)大，需要提前下螺桿定向。④鉆井液性能不能滿(mǎn)足該區(qū)塊的鉆井施工。中部地層泥巖、頁(yè)巖較多，易吸水膨脹，井壁掉塊嚴(yán)重，造成起下鉆困難等井下復(fù)雜。

2 優(yōu)快鉆井技術(shù)研究

2.1 優(yōu)化鉆頭選型

2.1.1 鉆頭選型方法

鉆井實(shí)踐表明，鉆頭的使用效果如何，對(duì)一口井的鉆井速度、鉆井成本等效益指標(biāo)影響很大，而鉆頭的使用效果又首先取決于鉆頭選型是否合理[1]。

2.1.2 鉆頭優(yōu)選方案

通過(guò)對(duì)張店油田南38區(qū)塊以往施工的多口井地層特性和實(shí)鉆情況進(jìn)行綜合分析，對(duì)該地區(qū)各層段地層可鉆性進(jìn)行詳細(xì)研究，初步選定各井段的鉆頭型號(hào)。對(duì)初選出的鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆頭試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鉆頭的適應(yīng)性進(jìn)行進(jìn)一步篩選，最終選定該地區(qū)分井段鉆頭類(lèi)型，做出分區(qū)塊分井段鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）南38區(qū)塊上部地層 （垂深0～1000m）地層松軟，軟泥巖較多，地層可鉆性較強(qiáng)。由于上部地層含有小段礫石夾層，對(duì)PDC鉆頭復(fù)合片損傷較大，不適合該井段使用；上部地層松軟，鋼齒鉆頭機(jī)械鉆速較高，可有效抵抗礫石層的破壞，且牙輪鉆頭的 “自洗”功能可有效防止鉆頭泥包；因而上部地層選用鋼齒鉆頭，配以適當(dāng)?shù)你@具組合。通過(guò)鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，優(yōu)選出的鉆頭適應(yīng)南38區(qū)塊的地層特點(diǎn)，對(duì)提高鉆井速度起到了重要作用。

2）中部地層 （垂深1000～1900m）泥巖發(fā)育，地層水敏性強(qiáng)，泥巖易吸水膨脹，發(fā)生剝落掉塊，鉆進(jìn)該井段經(jīng)常出現(xiàn)掉塊、井垮現(xiàn)象。地層傾向180°、傾角13～18°，鉆進(jìn)時(shí)井眼易斜，方位通常向正北方向漂移，由于直井段井斜增長(zhǎng)過(guò)快，導(dǎo)致需要提前使用螺桿定向。在該井段優(yōu)選了PDC鉆頭，配以適當(dāng)?shù)你@具組合和優(yōu)化的鉆井參數(shù)，既能提高機(jī)械鉆速又能滿(mǎn)足井深質(zhì)量要求，取得了較好的效果。

3）下部地層 （垂深1900～2600m）泥巖、油頁(yè)巖夾層較多，且?guī)r性致密，可鉆性差。以往使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速低。由于地層較為致密，需多只牙輪鉆頭，起下鉆次多延長(zhǎng)了鉆井周期，牙輪鉆頭成本導(dǎo)致單井成本增加。通過(guò)對(duì)地層可鉆性分析，選擇復(fù)合片尺寸小、5刀翼的PDC鉆頭鉆進(jìn)，使機(jī)械鉆速明顯提高，并減少了起下鉆次數(shù)，大大節(jié)約了鉆井成本，取得了良好的應(yīng)用效果。

2.2 優(yōu)化鉆井參數(shù)

2.2.1 鉆井參數(shù)優(yōu)選方法

從鉆速方程[2]可以看出，鉆速與鉆壓成線性關(guān)系，與轉(zhuǎn)速成指數(shù)關(guān)系。不同的地層需要不同的破巖的機(jī)械能量，而鉆壓和轉(zhuǎn)速在鉆速的總變異中所占權(quán)重分別為21.84%和41.66%，這兩項(xiàng)共占63.5%，從鉆速的角度來(lái)講，當(dāng)一口井井位確定后，鉆壓、轉(zhuǎn)速是影響機(jī)械鉆速的最主要因素，且鉆壓和轉(zhuǎn)速在不同井深對(duì)鉆速的影響程度亦不同。為確定鉆壓和轉(zhuǎn)速的合理匹配，優(yōu)選鉆井參數(shù)，在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了鉆壓和轉(zhuǎn)速優(yōu)選試驗(yàn)：①根據(jù)各鉆機(jī)特性，在不同井深各擋轉(zhuǎn)速分別尋找與最快鉆速相匹配的鉆壓為該轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)鉆壓；②按廠家推薦的鉆壓轉(zhuǎn)速值，轉(zhuǎn)速鉆壓組合的鉆速最快就成為該井段的優(yōu)選鉆壓、轉(zhuǎn)速；③通過(guò)試驗(yàn)應(yīng)用效果來(lái)確定優(yōu)選出的轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速，校驗(yàn)最優(yōu)鉆壓及轉(zhuǎn)速；④用鉆速的增加和鉆井成本的大小來(lái)衡量鉆井參數(shù)優(yōu)選的效果。

2.2.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化方案

南38區(qū)塊，中上部地層泥巖較多，易發(fā)生泥包，PDC鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆壓不易加太大，防止鉆頭泥包。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)以較小的鉆壓即可達(dá)到理想效果，盲目增大鉆壓，不僅機(jī)械鉆速提高不多，而且易發(fā)生泥包鉆頭起鉆，增加鉆井周期。

通過(guò)各井段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制定出了南38區(qū)塊分井段鉆井參數(shù)優(yōu)化方案 （見(jiàn)表1）。

表1 南38區(qū)塊鉆井參數(shù)優(yōu)選方案

2.3 井身質(zhì)量控制技術(shù)

該區(qū)塊上部地層由于傾角較大，井眼易斜，井眼軌跡控制困難。在南38區(qū)塊施工的張1123井二開(kāi)使用滿(mǎn)眼鉆具鉆至1573m，井斜達(dá)到13°，給后期定向增加了難度。

2.3.1 直井段井斜控制

目前，國(guó)內(nèi)外防斜打直技術(shù)歸納起來(lái)主要有剛性滿(mǎn)眼防斜技術(shù)、鐘擺力糾斜防斜技術(shù)、離心力防斜糾斜技術(shù)、利用鉆具彎曲防斜糾斜技術(shù)、導(dǎo)向鉆井防斜糾斜技術(shù)及井下專(zhuān)用工具防斜糾斜技術(shù)等。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為剛性滿(mǎn)眼防斜技術(shù)、鐘擺力糾斜防斜技術(shù)適合該區(qū)塊的井身質(zhì)量控制[3]。

根據(jù)以往施工井總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，1000m以?xún)?nèi)井斜增長(zhǎng)較小，井斜變化幅度較大的主要集中在1000m以下井段，因此綜合考慮施工機(jī)械鉆速和施工難易程度，上部地層使用了雙扶鐘擺鉆具組合，如果井斜較大，也可通過(guò)控制鉆壓和轉(zhuǎn)速來(lái)控制井斜。中部地層，井斜易突增且地層壓實(shí)程度高，為控制井斜和保證機(jī)械鉆速，選用了三扶滿(mǎn)眼鉆具組合。

由于地層具有傾角大、易傾斜的特點(diǎn)，在操作方面要處理好地層交接面及斷層問(wèn)題。劃眼時(shí)，控制好劃眼速度，并根據(jù)井斜情況及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)。

2.3.2 定向段井身質(zhì)量控制技術(shù)

在定向段應(yīng)根據(jù)井眼軌跡情況決定下部鉆具組合并確定鉆進(jìn)參數(shù)，進(jìn)入穩(wěn)斜井段后應(yīng)盡可能采取PDC鉆頭配合螺桿＋轉(zhuǎn)盤(pán)復(fù)合鉆進(jìn)。一方面可以及時(shí)監(jiān)測(cè)井眼軌跡，適時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保井眼軌跡平滑，有利于后續(xù)作業(yè)的施工安全；另一方面由于PDC鉆頭要求鉆壓小，可有效減少鉆鋌的使用數(shù)量，減輕了鉆具負(fù)荷，有利于減小黏吸卡鉆等井下故障發(fā)生[4]，有效提高機(jī)械鉆速。特別是對(duì)一些控制段較長(zhǎng)的井其效果更為突出。

2.4 井壁穩(wěn)定技術(shù)

針對(duì)井壁失穩(wěn)的現(xiàn)象，分析主要是由于鉆井時(shí)間長(zhǎng)，泥頁(yè)巖膨脹、水化造成井壁垮塌掉塊[5]。根據(jù)該區(qū)塊井壁垮塌周期、壓力，一是優(yōu)化鉆井液性能，提高鉆井液密度，根據(jù)該區(qū)塊地層測(cè)壓計(jì)算和施工現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)，在垂深1700m以后要將鉆井液密度提高至1.18～1.22g/cm3，增加液柱壓力，同時(shí)提高鉆井液的抑制能力，可有效地抑制井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能維護(hù)和處理，加足大分子包被劑、防塌劑，嚴(yán)格控制失水，可減少鉆頭泥包保持井眼穩(wěn)定；二是嚴(yán)格控制鉆井過(guò)程中及完鉆后空井時(shí)間，及時(shí)下鉆通井，減少停等時(shí)間，防止空井時(shí)間長(zhǎng)鉆井液浸泡導(dǎo)致井眼失穩(wěn)，保障井眼暢通和穩(wěn)定。

3 應(yīng)用效果

表2是近5年來(lái)在張店南38區(qū)塊所鉆開(kāi)發(fā)井的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。從表2可以看出，張1307井、張1113井平均井深2392.5m，平均鉆井周期22.6d，平均鉆井速度2248m/（臺(tái)·月），平均機(jī)械鉆速7.33m/h，2012年通過(guò)研究張店南38區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用于張1121井、張1124井，平均井深2493m，較之前增 加4.2%；平均鉆井周期 15.67d，較之前降低30.6%；平 均鉆機(jī)速度3504.09m/（臺(tái)·月），較之前提高35.8%；平均機(jī)械鉆速11.89m/h，較之前提高38.3%，大大提高了機(jī)械鉆速，縮短了建井周期，節(jié)約了鉆井成本。

表2 南38區(qū)塊鉆井技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）通過(guò)張店油田南38區(qū)塊分井段優(yōu)化鉆頭選型、鉆進(jìn)參數(shù)及鉆具組合，大大提高了機(jī)械鉆速；同時(shí)也有效地控制了井斜，確保了井身質(zhì)量。

2）針對(duì)井壁失穩(wěn)井段，通過(guò)提高鉆井液的抑制性，嚴(yán)格控制失水量，提高鉆井液密度，增加井筒液柱壓力，減小空井時(shí)間等系列措施，有效解決了南38區(qū)塊井壁垮塌掉塊問(wèn)題，保證了鉆井順利施工。

[1]趙金洲 ，張桂林 .鉆井工具技術(shù)手冊(cè) [M].北京：中國(guó)石化出版社，2008.

[2]陳庭根，管志川 .鉆井工程理論與技術(shù) [M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.

[3]劉希圣 .鉆井工藝原理 [M].北京：石油工業(yè)出版社，1998.

[4]蔣希文 .鉆井事故與復(fù)雜問(wèn)題 [M].北京：石油工業(yè)出版社，2002.

[5]鄢捷年 .鉆井液工藝學(xué) [M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.