大慶深層鉆井提速技術(shù)

李瑞營， 王 峰， 陳紹云， 劉金瑋

(1.中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413；2.中國石油大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部，黑龍江大慶 163411)

大慶深層鉆井提速技術(shù)

李瑞營1， 王 峰2， 陳紹云1， 劉金瑋1

(1.中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413；2.中國石油大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部，黑龍江大慶 163411)

為提高大慶深層鉆井速度,加快勘探開發(fā)進(jìn)程,開展了大慶深層鉆井提速技術(shù)研究。借鑒國內(nèi)外深層提速技術(shù)成果，分開次、分層段制定了不同的提速對(duì)策,建立了大慶深層自上而下的鉆井技術(shù)序列。二開井段優(yōu)選應(yīng)用T1951DB型、CK506型、CK606型等PDC鉆頭，全部實(shí)現(xiàn)PDC鉆進(jìn)，施工周期控制在25.00 d以內(nèi)；三開井段分析對(duì)比了液動(dòng)旋沖工具、渦輪鉆具、氣體鉆井3種提速技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，確定了氣體鉆井適用井段最短長度為900.00 m，液動(dòng)旋沖提速工具適用于巖石可鉆性級(jí)值小于7的井段，渦輪鉆具主要用于巖石可鉆性級(jí)值大于7的硬地層。大慶深層提速技術(shù)在19口井進(jìn)行了應(yīng)用，平均鉆井周期縮短48.60 d。研究結(jié)果表明，大慶深層鉆井技術(shù)序列的建立，解決了大慶深井鉆井提速技術(shù)單一、集成應(yīng)用少、整體提速效果不明顯的問題。

深井鉆井 渦輪鉆具 氣體鉆井 大慶油田

大慶深層勘探目的層主要位于埋藏深度大于2500.00 m的白堊系下統(tǒng)和侏羅系上統(tǒng)火石嶺組及基底，多為砂巖、泥巖、火山巖、變質(zhì)巖及砂礫巖等致密性巖石，可鉆性差，單只鉆頭進(jìn)尺短、機(jī)械鉆速低[1-3]。針對(duì)該問題，2011年以前，大慶油田開展了欠平衡/氣體鉆井技術(shù)、水力脈沖鉆井技術(shù)、扭力沖擊鉆井技術(shù)、渦輪鉆井技術(shù)等單項(xiàng)鉆井提速技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的效果;但多項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用井段存在重疊，且缺乏明確有效的方法來劃分各項(xiàng)技術(shù)使用界限，存在提速技術(shù)單一、集成應(yīng)用少、整體提速效果不明顯、試驗(yàn)費(fèi)用高等問題。

為了提高大慶深層整體鉆井速度，筆者從鉆井頂層優(yōu)化設(shè)計(jì)、自主研發(fā)提速工具、完善氣體鉆井配套技術(shù)等方面出發(fā)，開展了科研攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，加快了大慶深層天然氣藏的勘探與開發(fā)。

1 地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特點(diǎn)

大慶深層氣藏巖性復(fù)雜，主要有砂巖、泥巖、熔巖、碎屑巖、砂礫巖及其過渡性巖石，并具有多套儲(chǔ)集類型。其典型特征為：1)縱向上分布井段長，埋藏深，最深達(dá)到6 300.00 m；2)井溫高，平均地溫梯度在4.0 ℃/100m左右；3)巖性致密，密度最高可達(dá)2.75 g/cm3；4)物性差，火山巖儲(chǔ)層滲透率最低僅有0.02 mD，孔隙度4.0%；5)儲(chǔ)集空間復(fù)雜，主要有原生氣孔和裂縫組合、純裂縫儲(chǔ)層、溶孔與裂縫組合等[3]。

1.2 鉆井難點(diǎn)

1) 深層巖石硬度大，巖石可鉆性級(jí)值最高達(dá)10.38，強(qiáng)度超過5 000 MPa，鉆進(jìn)火山巖、礫巖地層時(shí)鉆頭磨損嚴(yán)重、鉆速低。

2) 平均地溫梯度高達(dá)4.0 ℃/100 m，4 000.00～5 500.00 m井段的溫度為160～220 ℃，對(duì)鉆井工具、儀器、助劑的耐溫性能要求高，易發(fā)生井下故障，固井施工難度大。

3) 深部地層壓實(shí)程度高，孔隙度和滲透率低。徐家圍子斷陷帶主力氣層孔隙度2.0%～10.0%，滲透率0.040～2.574 mD，一般地層壓力系數(shù)為0.90～1.10，局部存在異常壓力層系。

4) 部分區(qū)塊裂縫發(fā)育，存在膠結(jié)性差的破碎性地層，易發(fā)生井壁剝落、坍塌和惡性漏失等井下故障。

2 鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化有利于深層鉆井提速提效，需綜合考慮設(shè)計(jì)井深、層位、巖性、地層壓力、三開裸眼段長度和各開次固井施工難度等多種因素。直井技術(shù)套管下深以PDC鉆頭實(shí)現(xiàn)二開井段完鉆為優(yōu)化原則；三開井段設(shè)計(jì)應(yīng)用高效PDC鉆頭復(fù)合鉆井、氣體鉆井、液動(dòng)旋沖鉆井以及渦輪鉆井等配套技術(shù)，以提高鉆井速度，縮短鉆井周期，降低鉆井成本[4-7]。統(tǒng)計(jì)分析表明，古龍等區(qū)塊四開井段僅完井時(shí)間就長達(dá)69.14 d，因此開展了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，明確各開次完鉆層位，深層直井全部采用三開井身結(jié)構(gòu)。以古深3井為例，說明深層直井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程：1)表層套管下深優(yōu)化為352.00 m，封固地表松散地層；2)氣體鉆井地層出水預(yù)測(cè)軟件結(jié)果顯示，3 180.00～4 388.00 m井段地層出水量少，適合應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)，因此將技術(shù)套管下深優(yōu)化為3 180.00 m(泉一底)，封固泉頭組上部水層，并優(yōu)選高效PDC鉆頭，采用復(fù)合鉆井技術(shù)，提高二開井段機(jī)械鉆速，實(shí)現(xiàn)二開井段PDC鉆頭完鉆；3)三開井段設(shè)計(jì)應(yīng)用氣體鉆井、渦輪鉆井等綜合配套提速技術(shù)，完成鉆井施工(見圖1)。

古深3井完鉆井深4 920.00 m，與采用四開井身結(jié)構(gòu)的古深1井和古深2井相比井，僅完井時(shí)間就縮短了19.37 d。

2.2 高效鉆頭優(yōu)選

大慶深層氣井利用綜合定量選型方法，根據(jù)所鉆遇地層的巖性、測(cè)井資料等確定所鉆井段的巖石可鉆性級(jí)值及其匹配的鉆頭類型，利用已鉆井的實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，用最優(yōu)化理論和模糊數(shù)學(xué)中的聚類分析方法，對(duì)二開、三開井段進(jìn)行了鉆頭優(yōu)選[8]，確定了大慶深層鉆頭適用范圍(見表2)，形成大慶深井鉆頭序列，2013年基本實(shí)現(xiàn)二開井段1～2只PDC鉆頭完鉆，鉆進(jìn)周期控制在25.00 d以內(nèi)。

古深3井技術(shù)套管下至3 180.00 m，砂泥巖抗壓強(qiáng)度大于137.9 MPa，在2 503.90～3 180.00 m井段優(yōu)選并試驗(yàn)應(yīng)用哈里伯頓MM64DH型鉆頭，進(jìn)尺676.10 m，純鉆時(shí)間287.7 h，機(jī)械鉆速達(dá)2.35 m/h，相比常規(guī)鉆頭節(jié)省5趟鉆，鉆進(jìn)時(shí)間縮短12.00 d，突破了泉頭組下部地層無法應(yīng)用PDC鉆頭的技術(shù)瓶頸。

注：登二段至沙河子組地層采用特殊工具或工藝鉆進(jìn)時(shí)，可考慮采用PDC鉆頭。

3 提速工具的研制

針對(duì)深層機(jī)械鉆速低，起下鉆頻繁等問題，根據(jù)井史資料和巖石力學(xué)分析結(jié)果，分析了深層天然氣井的提速潛力和破巖機(jī)理，研制了抗高溫提速工具并進(jìn)行了應(yīng)用，深井鉆井速度不斷提高。

3.1 液動(dòng)旋沖提速工具

液動(dòng)旋沖工具是將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使PDC鉆頭受到周向周期性沖擊和軸向水力脈沖，優(yōu)化了PDC鉆頭的破巖方式，提高了鉆頭的破巖效率，減緩了鉆頭磨損，進(jìn)而提高了機(jī)械鉆速[9-11]。該工具的特點(diǎn)：1)提供額外的周向高頻沖擊力，消除黏滑現(xiàn)象，輔助PDC鉆頭剪切破巖；2)提高PDC鉆頭的適用性和耐久性；3)液動(dòng)脈沖輔助破巖；4)純機(jī)械構(gòu)造，適用溫度高；5)現(xiàn)場(chǎng)操作簡單、安全可靠[9]。

3.2 渦輪鉆具

渦輪鉆具是利用高壓鉆井液沖擊反向彎曲的渦輪定子、轉(zhuǎn)子葉片，將鉆井液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，研磨地層實(shí)現(xiàn)破巖[12]。該工具的主要特點(diǎn)：1)全金屬結(jié)構(gòu)，抗溫性能良好；2)輸出扭矩平穩(wěn)，鉆具震動(dòng)小，不易損傷鉆具和失速；3)渦輪鉆具驅(qū)動(dòng)孕鑲金剛石鉆頭高速旋轉(zhuǎn)(800～1 100 r/min)研磨地層，所鉆井眼規(guī)則，井徑變化??；4)配合孕鑲金剛石鉆頭，可以提高硬或極硬地層單只鉆頭的進(jìn)尺和行程鉆速[13]。

4 氣體鉆井配套技術(shù)

2010年前，大慶油田23口井應(yīng)用了氣體鉆井技術(shù)，平均單井進(jìn)尺668.86 m，平均機(jī)械鉆速6.08 m/h，與常規(guī)鉆井相比，機(jī)械鉆速提高4～5倍，深層提速見到良好效果，但存在地層出水卡鉆、井斜角超標(biāo)、斷鉆具等問題。2011年,完善了地層出水預(yù)測(cè)技術(shù)、改進(jìn)了配套設(shè)備、優(yōu)化了現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，累計(jì)應(yīng)用6口井，在大幅提高鉆速的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了零井下故障。

4.1 完善地層出水預(yù)測(cè)技術(shù)

原有地層出水預(yù)測(cè)方法精度較低，無法滿足氣體鉆井技術(shù)推廣應(yīng)用的需求。對(duì)預(yù)測(cè)參數(shù)進(jìn)行了重新識(shí)別，建立了不同滲透率條件下地層出水判別公式，以及不同流動(dòng)方式和天然水域外邊界條件下的地層出水量計(jì)算公式，預(yù)測(cè)精度提高至80%以上[2，14-15]。

4.2 改進(jìn)配套設(shè)備

1) 開展鉆具受力和攜巖效果分析，優(yōu)化并設(shè)計(jì)了方接頭小鐘擺鉆具組合，在提高鉆速的同時(shí)，保證了井身質(zhì)量。

2) 在原有注氣參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件基礎(chǔ)上，增加了存儲(chǔ)、回放、曲線分析及報(bào)警功能，同時(shí)利用視頻遠(yuǎn)距離傳輸同顯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆臺(tái)直接監(jiān)測(cè)注氣參數(shù)，并在排砂管線加裝濕度傳感器和配套降塵裝置等地面設(shè)備，保證了監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，提高了識(shí)別地層出水的及時(shí)性和準(zhǔn)確性[16-17]。

3) 應(yīng)用內(nèi)噴外侵注白油施工工藝，保證了氣液轉(zhuǎn)化時(shí)井壁的穩(wěn)定，降低了卡鉆概率。

5 提速技術(shù)集成應(yīng)用

2011年起，通過對(duì)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效鉆頭優(yōu)選、液動(dòng)旋沖工具、渦輪鉆井和氣體鉆井等技術(shù)進(jìn)行集成，深井鉆井速度得到進(jìn)一步提高，并制定了以下提速技術(shù)應(yīng)用原則，實(shí)現(xiàn)了深層直井提速技術(shù)集成配套：

1) 一開選用B535E型鉆頭(機(jī)械鉆速大于20.00 m/h，防泥包)。

2) 二開井深2 100.00 m以淺，采用T1951-DB型鉆頭，機(jī)械鉆速大于12.00 m/h；二開2 100.00～2 500.00 m井段，采用T1951DB型鉆頭+CK606/506螺桿鉆具，機(jī)械鉆速大于8.00 m/h；二開2 500.00～3 000.00 m井段，采用T1951DB型鉆頭+MM64DH螺桿鉆具，機(jī)械鉆速大于5.00 m/h。

3) 三開，根據(jù)地層條件選擇不同的技術(shù)組合：a)若氣體鉆井適應(yīng)井段大于900.00 m、且井深小于3 800.00 m(或井深大于3 800.00 m、但地層可鉆性級(jí)值小于7)，采用氣體鉆井+U613M型液動(dòng)旋沖工具的技術(shù)組合；b)若氣體鉆井適應(yīng)井段大于900.00 m，井深大于3 800.00 m且可鉆性級(jí)值大于7，則采用氣體鉆井+DD5560M-A1型渦輪鉆具的技術(shù)組合；c)若氣體鉆井適應(yīng)井段小于900.00 m且井深小于3 800.00 m(或井深大于3 800.00 m，但可鉆性級(jí)值小于7)，采用T1365DB型螺桿+U613M型液動(dòng)旋沖工具的技術(shù)組合；d)若氣體鉆井適應(yīng)井段小于900.00 m，井深大于3 800.00 m，且可鉆性級(jí)值大于7，則采用T1365DB型螺桿+U613M型液動(dòng)旋沖工具+DD5560M-A1型渦輪鉆具的技術(shù)組合。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

通過近幾年的科研攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成了大慶深層鉆井提速集成配套技術(shù)，取得了良好的提速效果。2011—2013年，累計(jì)鉆深井19口，平均井深4 075.30 m，平均鉆井周期91.60 d，平均建井周期118.40 d，平均機(jī)械鉆速4.13 m/h，與2004—2010年相比，平均鉆井周期縮短48.60 d，建井周期縮短56.90 d(見表2)。

6.1 專項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用效果

6.1.1 液動(dòng)旋沖工具

對(duì)液動(dòng)旋沖工具進(jìn)行不斷改進(jìn)完善，研制了適用于φ152.4，φ215.9，φ241.3和φ311.1 mm井眼的134型、182型、196型、279型等4種規(guī)格的液動(dòng)旋沖工具。該工具廣泛應(yīng)用于深井提速，累計(jì)鉆井13口，總進(jìn)尺4 067.07 m，平均機(jī)械鉆速3.64 m/h(見表3)，取得了良好的應(yīng)用效果。

6.1.2 渦輪鉆具

美國及俄羅斯渦輪鉆具在大慶油田3口深井進(jìn)行了應(yīng)用，自己研制的 DQW-178 型渦輪鉆具在大慶油田2口深井進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用效果如表4所示。從表4可以看出，DWQ-178 型渦輪鉆具的各項(xiàng)指標(biāo)接近或優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，機(jī)械鉆速顯著提高。

6.1.3 氣體鉆井技術(shù)

完善后的氣體鉆井技術(shù)在6口井中成功應(yīng)用，平均單井進(jìn)尺820.52 m，平均機(jī)械鉆速7.38 m/h。與完善前相比，平均單井進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速分別提高20.58%和10.31%，無任何井下故障發(fā)生，平均鉆井周期縮短25.70 d，節(jié)約鉆頭8.30只，井斜角均控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，降低了鉆井成本，實(shí)現(xiàn)了氣體鉆井提速提效的目的。

6.2 典型井例

達(dá)深16井完鉆井深4 400.00 m，完鉆層位為沙河子組，全井巖石可鉆性級(jí)值小于7，組合應(yīng)用井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選、復(fù)合鉆井、液動(dòng)旋沖提速工具等配套技術(shù)，鉆井周期僅為64.96 d，創(chuàng)造了松遼盆地深層直井鉆井周期最短的紀(jì)錄。

古深3井完鉆井深4 920.00 m，完鉆層位為營城組，氣體鉆井適應(yīng)層段大于900.00 m，登婁庫組以下地層巖石可鉆性級(jí)值大于7，組合應(yīng)用井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選、氣體鉆井、復(fù)合鉆井、渦輪鉆井等配套技術(shù)，鉆井周期僅為126.29 d，與古深1井和古深2井相比，鉆井周期分別縮短199.12和102.54 d。

7 結(jié) 論

1) 大慶深層采用頂層優(yōu)化設(shè)計(jì)、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)、自主攻關(guān)研發(fā)的提速思路，分層、分井段研制多種提速技術(shù)手段，并針對(duì)單井實(shí)際情況優(yōu)選組合提速技術(shù)，形成了深井提速集成配套技術(shù)，解決了提速技術(shù)單一、組合集成應(yīng)用少的問題。

2) 大慶深層鉆井配套技術(shù)集成后，累計(jì)鉆深層直井19口，平均井深4 075.30 m，平均鉆井周期91.60 d，平均機(jī)械鉆速4.13m/h，與2004—2010年相比，平均鉆井周期縮短48.60 d。

3) 建議開展深井巖石可鉆性、研磨性和硬度的分布規(guī)律研究，分層建立三維巖性剖面，針對(duì)性地開展鉆頭選型和工具優(yōu)化，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)深井提速提效。

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[編輯 滕春鳴]

ROP Improvement in Deep Formations in the Daqing Oilfield

Li Ruiying1, Wang Feng2, Chen Shaoyun1, Liu Jinwei1

(1.DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，CNPCDaqingDrilling&ExplorationEngineeringCorporation,Daqing,Heilongjiang,163413,China;2.InternationalBusinessDepartment，CNPCDaqingDrilling&ExplorationEngineeringCorporation,Daqing,Heilongjiang,163411,China)

To improve the ROP in deep formations of the Daqing Oilfield in order to accelerate the exploration and development process,relevant techniques were reviewed with the gool of determining and ideal process.Based on available ROP improvement achievements for deep formations in China and abroad,different technical solutions were proposed for spudding in,and for drilling through different formations.Then,the drilling technique series from top to bottom were confirmed for the Daqing Oilfield’s deep formations.PDC bits (e.g.T1951DB,CK506 and CK606) were selected and applied for the 2nd spud formations,with the drilling time controlled within 25 d.By comparing the field test results of the three solutions (e.g. the hydraulic rotary impact tool,turbine drills and air drilling techniques),for the 3rd spud formations,it was confirmed that the gas drilling technique was applicable for intervals with shortest length of 900 m,the hydraulic rotary impact tool was applicable for the intervals with a drillability grade less than 7,and the turbine drills were applicable for the hard formations with drillability grade more than 7.The application of these techniques in 19 wells showed that the average drilling time was shortened by 48.60 d.The study results indicated establishing the drilling technique protocols addressed the previously indentified problem impeding ROP improvement in deep formations of the Daqing Oilfield,such as unitary technique tests,less integrated applications and unobvious overall effects of improvement.

deep well drilling;turbodrill；gas drilling;Daqing Oilfield

2014-07-28；改回日期：2014-12-18。

李瑞營(1971—)，男，黑龍江伊春人，1996年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣鉆井工程專業(yè)，2006年獲大慶石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，從事鉆井工程設(shè)計(jì)和相關(guān)管理工作。

中國石油天然氣股份公司重大科技專項(xiàng)“大慶探區(qū)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”(編號(hào)：2012E-2603-08)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201501007

TE242

A

1001-0890(2015)01-0038-06

聯(lián)系方式：(0459)4893665，liruiying@cnpc.com。