長慶氣田水平井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)

解經(jīng)宇高學(xué)生李 偉（. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢 430074；. 渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 30080）

引用格式：解經(jīng)宇，高學(xué)生，李偉. 長慶氣田水平井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：30-33.

長慶氣田水平井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)

解經(jīng)宇1高學(xué)生2李 偉2
（1. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2. 渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 300280）

引用格式：解經(jīng)宇，高學(xué)生，李偉. 長慶氣田水平井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：30-33.

摘要：長慶氣田水平井鉆進(jìn)具有地層條件復(fù)雜，巖石可鉆性差的特點(diǎn)。為探索適合長慶氣田水平井提速的配套技術(shù)，從復(fù)合鉆井工藝、鉆井液體系性能、防托壓和事故復(fù)雜預(yù)防4個(gè)方面進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用。實(shí)踐表明，高效PDC鉆頭配合螺桿復(fù)合鉆井可顯著提高機(jī)械鉆速，縮短建井周期；膨潤土、聚合物和聚磺鉆井液體系可通過控制鉆井液性能參數(shù)防止不同井段的地層漏失、坍塌，并滿足鉆具潤滑要求；采用倒裝鉆具組合和應(yīng)用水力加壓器可減小鉆具摩阻，減緩?fù)袎含F(xiàn)象，從而提高滑動鉆進(jìn)速度；此外，應(yīng)做好井下復(fù)雜事故的防治方案并在施工中嚴(yán)格執(zhí)行。該配套工藝可為長慶地區(qū)同類結(jié)構(gòu)水平井鉆進(jìn)提供參考，對提高勘探開發(fā)效益具有重要意義。

關(guān)鍵詞：水平井；復(fù)合鉆井；托壓；事故復(fù)雜

長慶油氣田主要目的層石盒子組和山西組，以砂泥巖互層為主，夾含礫粗砂巖和不等粒砂巖，巖石可鉆性差［1］。因油氣儲層總沉積厚度僅約100 m，多采用水平井提高單井產(chǎn)量。在水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，造斜和增斜段分別集中在石千峰組和石盒子組，而該段地層主要以硬脆性泥巖為主，施工過程中易發(fā)生井壁失穩(wěn)和坍塌掉塊現(xiàn)象［2］，甚至可能導(dǎo)致下鉆遇阻劃眼及砂橋卡鉆。在洛河組、安定組、和尚溝組和劉家溝組地層鉆進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)地層漏失，需要對鉆井液體系及其性能進(jìn)行優(yōu)選，從而減少泥頁巖的浸泡時(shí)間［3-4］。井眼上部的安定組和直羅組地層傾角大，容易使井斜超標(biāo)，需選擇有防斜效果的鉆頭和鉆具結(jié)構(gòu)配合小鉆壓鉆進(jìn)，并加強(qiáng)井斜監(jiān)控。

鑒于長慶地區(qū)水平井施工存在的提速難題，根據(jù)現(xiàn)場鉆井實(shí)踐，通過應(yīng)用“高效PDC鉆頭 + 螺桿馬達(dá)”復(fù)合鉆井技術(shù)、優(yōu)選鉆井液體系并控制鉆井液性能，采用防托壓鉆具提高造斜效果，并提前做好預(yù)防“雙溝組”地層漏失和“雙石組”坍塌的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了在該地區(qū)水平井年進(jìn)尺突破30 000 m。該配套工藝對于提高長慶地區(qū)水平井機(jī)械鉆速、縮短建井周期和提高勘探開發(fā)效益具有顯著意義。

1　高效PDC+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)

1.1 螺桿優(yōu)選

長慶地區(qū)水平井井身結(jié)構(gòu)以三開三段制為主，二開段井深為2 400~3 100 m，造斜率一般在5（°）/30 m左右，前期采用1.5°常規(guī)單彎螺桿，由于造斜率大，造斜井段定向時(shí)間長，通常井眼軌跡不平滑，通過鉆井現(xiàn)場實(shí)踐，二開段選用1.5°的短直棱扶正器單彎螺桿，其鉆具復(fù)合造斜能力強(qiáng)，可極大減少滑動鉆進(jìn)工作量，選擇短直棱扶正器可減小鉆進(jìn)過程中的滑動阻力，如在蘇20-12-7H井配合水力加壓器使用過程中，滑動鉆進(jìn)工作量僅占該井段進(jìn)尺的18.96%；三開井深在3 100~3 500 m，水平段長1 200~2 000 m，采用1°的雙扶正器螺桿，主要是為增強(qiáng)井底鉆具的穩(wěn)定性，減小導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)對井斜的影響，并且在水平段尋找氣層時(shí)可以滿足定向要求及時(shí)調(diào)整井斜，從而提高鉆進(jìn)速度。

1.2 鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選

為縮短建井周期，全井采用高效PDC鉆頭。對蘇20-12-7H等8口已鉆井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得該地區(qū)不同井段的鉆井參數(shù)和鉆頭使用效果見表1。

表1　長慶地區(qū)水平井鉆井工藝參數(shù)與鉆頭使用效果分析

如表1所示，二開直井段因上部地層可鉆性好，宜選用大直徑切削齒和中等密度布齒的高效PDC鉆頭，并配合圓柱聚晶金剛石保徑和深寬水槽等結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)上部地層提速和防斜。為提高鉆頭使用壽命，在統(tǒng)計(jì)的8口井施工中全部選用大港中成鉆頭廠生產(chǎn)的?19.05 mm進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)PDC 齒的5刀翼碳化鎢胎體鉆頭，且均用一只鉆頭即完成直井段鉆進(jìn)。直井段總進(jìn)尺16 043 m，單只鉆頭最高機(jī)械鉆速達(dá)39.02 m/h，所有施工井的平均鉆速達(dá)28.29 m/h，鉆頭使用后的實(shí)物照片如圖1（a）所示。

二開斜井段主要為石千峰組至石盒子組砂泥巖地層，其中泥巖具有硬脆性、易掉塊的特點(diǎn)，而砂巖則具有石英含量高和含礫石的特點(diǎn)，地層可鉆性較差。同時(shí)，考慮到鉆孔變曲率剖面的特點(diǎn)，在井斜小于50°時(shí)井段造斜率較高，而定向鉆進(jìn)易托壓，因此高效PDC鉆頭選型時(shí)應(yīng)注重鉆頭的抗沖擊性能和強(qiáng)定向能力?，F(xiàn)場主要采用哈里伯頓和成都迪普生產(chǎn)的六螺旋刀翼-雙排布齒鉆頭提高造斜工具面的穩(wěn)定性，并采用?13 mm和?16 mm復(fù)合片混合布齒增加鉆頭的抗沖擊和抗研磨性能力。二開斜井段共計(jì)進(jìn)尺4 851 m，單只鉆頭最高機(jī)械鉆速為10.68 m/h，平均鉆速為6.36 m/h，較上一年鉆速提高41%。如圖1（b）為使用后的哈里伯頓FXD65DS鉆頭。

圖1　 鉆頭使用后的照片

三開水平段鉆進(jìn)主要為石盒子組和山西組地層，巖性為灰白色砂巖夾灰色泥巖、砂礫巖。其中砂巖的石英含量高，硬度大，可鉆性級別6級，研磨性強(qiáng)，可鉆性差。選擇鉆頭型號時(shí)，主要考慮增加鉆頭的抗研磨性、強(qiáng)攻擊性和鉆進(jìn)平穩(wěn)性，減少鉆頭扭矩和托壓現(xiàn)象，從而方便控制井眼軌跡，增加單只鉆頭進(jìn)尺和提高機(jī)械鉆速。水平井段主要采用的是哈里伯頓和中成鉆頭廠的5螺旋刀翼-雙排中密度混合布齒鉆頭。該類鉆頭具有較長拋物線型冠部結(jié)構(gòu)，并采用?13 mm和?16 mm復(fù)合片混合布齒，以及倒劃眼齒和減震齒同時(shí)提高鉆頭的穩(wěn)定性和抗研磨性強(qiáng)度。水平段總進(jìn)尺5 991 m，單只鉆頭最高機(jī)械鉆速14.44 m/h，平均鉆速9.17 m/h，較上一年提高22%。圖1（c）為使用后的哈里伯頓FX55D型鉆頭。

2　鉆井液性能控制

2.1 鉆井液體系和性能控制［5-8］

一開主要為第四系黃土層和白堊系安定組地層，地層松軟，滲透性強(qiáng)，為預(yù)防垮塌和漏失，可采用膨潤土漿鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中維持鉆井液密度1.05~1.0 g/cm3，黏度35~60 s，防止井口垮塌。

二開直井段地層主要為侏羅系安定組至三疊系劉家溝組地層，需要重點(diǎn)預(yù)防安定組和雙溝組地層漏失，應(yīng)保證鉆井液具有較低的濾失量并形成較高質(zhì)量的濾餅。雙溝組地層屬區(qū)域裂縫型漏失層，在靠近鄂爾多斯盆地伊盟隆起和伊陜斜坡構(gòu)造東北部地區(qū)（蘇25和蘇76區(qū)塊）尤其嚴(yán)重，有時(shí)鉆井液只進(jìn)不出。施工過程中采用聚合物鉆井液體系，提前加入2%~3%單封、低滲封堵劑BZ-DFT等進(jìn)行預(yù)防堵漏。穿漏層時(shí)控制密度在設(shè)計(jì)低限，一般控制≤1.08 g/cm3。

二開造斜/增斜段與三開水平段主要為三疊系劉家溝組至二疊系石盒子組地層，重點(diǎn)是防止雙石組地層垮塌。雙石組地層泥巖水敏性強(qiáng)，水化作用使泥頁巖逐漸分散成碎片，且水化速度和膨脹程度不一致，會次生出多級裂隙，導(dǎo)致巖石剝蝕、崩塌、掉塊。施工過程中采用防塌抑制性更強(qiáng)的BZ-KSM（KCl聚磺）鉆井液體系，并嚴(yán)格按井斜角分段控制好密度、失水等關(guān)鍵性能。長慶地區(qū)鉆井液關(guān)鍵性能參數(shù)見表2。

表2　長慶地區(qū)鉆井液性能參數(shù)

2.2 固相含量控制

施工中推廣使用頂驅(qū)鉆機(jī)、高頻高目振動篩和剪切配藥罐等配套設(shè)備，有效降低鉆井液固相含量，滿足安全快速施工需要。二開鉆進(jìn)時(shí)振動篩為160目，而水平段鉆進(jìn)時(shí)振動篩目數(shù)則高達(dá)180~200目，盡快降低泥砂含量，減少設(shè)備修理時(shí)間，并對預(yù)防卡鉆起到積極作用。配套使用20 m3的剪切配藥罐，可顯著提高鉆井液處理效率，使鉆井液能在1個(gè)循環(huán)周期內(nèi)達(dá)到預(yù)計(jì)效果。

采用?89 mm鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，受機(jī)泵條件限制，存在施工泵壓高、排量?。?2~13 L/s）等缺點(diǎn)。為解決三開?152.4 mm井眼水平段攜砂效果差、托壓嚴(yán)重、螺桿輸出功率不足和機(jī)械鉆速低的問題，應(yīng)用能克鉆具公司提供的?101.6 mm雙臺肩鉆具（其中鉆桿495根，加重鉆桿27根）。該鉆具本體和接頭通徑大，最大使用排量16 L/s，最高泵壓23 MPa。在相同泵壓條件下，同比使用?89 mm鉆桿排量提高33%，裸眼平均環(huán)空返速提高51%左右，從而縮短巖屑上返時(shí)間，有利于水平段攜砂并減緩巖屑床的形成條件、減小井下摩阻扭矩。此外，采用?101.6 mm鉆具還可增大螺桿鉆具輸出功率，使之配合PDC鉆頭提高機(jī)械鉆速。水平段平均機(jī)械鉆速9.17 m/h，同比?89 mm鉆桿時(shí)機(jī)械鉆速提高了126%。

3　減托壓方法和工具

水平井施工過程中，除了鉆井液潤滑性差會引起鉆進(jìn)托壓現(xiàn)象外，由于重力的影響使鉆柱與井壁的摩阻增大也會產(chǎn)生托壓現(xiàn)象。通過倒裝鉆具組合減輕下部鉆柱重量和采用井下輔助破巖工具來減緩?fù)袎?。鉆井實(shí)踐中采用的倒裝鉆具組合分別如下。

斜井段：?215.9 mmPDC + ?165 mm 1.5o單彎螺桿+ LWD短節(jié) +?177.8 mmNMDC × 1根 + 411/410防磨接頭 +（或SJ-165水力加壓器）+ ?127 mmDP ×（根據(jù)井深倒裝至直井段）+ ?127 mmHWDP × 8柱+ ?127 mmDP；

水平段：?152.4 mmPDC + ?127 mm 1°雙穩(wěn)定器螺桿 + ?120 mm浮閥 + ?120 mmNWDC × 1根LWD +?120 mmNWDP × 1根 + ?101.6 mmHWDP × 1柱 + ?101.6 mmDP ×（根據(jù)井深倒裝至直井段）+ ?101.6 mmHWDP × 7柱 + ?101.6 mmDP。

在蘇20-12-7H井中，試驗(yàn)應(yīng)用了SJ-165水力加壓器。試驗(yàn)井段3 000~3 417 m，平均機(jī)械鉆速6.5 m/h。配合1.5°單彎螺桿使用時(shí)，實(shí)現(xiàn)了滑動鉆進(jìn)機(jī)械鉆速2.86 m/h，滑動進(jìn)尺比例18.96%，表明水力加壓器能夠改善傳壓效果，減輕托壓現(xiàn)象。

4　井下事故復(fù)雜預(yù)防

4.1 起下鉆防卡

井眼清潔狀況、鉆井液性能和井眼狗腿度是造成起下鉆遇阻遇卡的關(guān)鍵因素。為減少起下鉆事故復(fù)雜，在鉆進(jìn)過程中采用下述措施保證正常起下鉆：（1）確保排量滿足快速鉆井?dāng)y砂需求，使鉆井液上返速度大于1.25 m/s；（2）加強(qiáng)固控設(shè)備的使用，確保含砂量小于≤0.3%，總固相含量控制在10%左右；（3）加強(qiáng)通劃眼工作和短起下作業(yè)，破壞和清除巖屑床，并充分利用頂驅(qū)鉆機(jī)的優(yōu)勢，采取倒劃眼起鉆攜砂；（4）出現(xiàn)托壓時(shí)及時(shí)活動鉆具4~5 m，必要時(shí)停鉆循環(huán)鉆井液或進(jìn)行短起下作業(yè)；（5）漏斗黏度控制在65~75 s，動塑比控制在0.5~0.7，并及時(shí)向鉆井液中補(bǔ)充潤滑劑，使摩阻≤0.06；（6）嚴(yán)格控制狗腿度值。

4.2 防漏與防塌

雙溝組（和尚溝組和劉家溝組）鉆進(jìn)過程中如果出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，為提高深部雙石組（石千峰組和石盒子組）防塌地層的承壓能力，需要先進(jìn)行堵漏再實(shí)施下部鉆進(jìn)?，F(xiàn)場鉆進(jìn)實(shí)踐表明，在漏速小于5 m3/h時(shí)可先強(qiáng)行鉆穿該層位，然后再打堵漏鉆井液進(jìn)行靜止堵漏，而當(dāng)漏速大于5 m3/h甚至出現(xiàn)失返（鉆井液只進(jìn)不出）時(shí)，則需要采用水泥漿堵漏以后才能正常鉆進(jìn)。漏失層鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小鉆井液排量，并在劉家溝組地層定向鉆進(jìn)之前注入堵漏鉆井液進(jìn)行憋壓堵漏。此外，在起下鉆和下套管過程中需要嚴(yán)格控制鉆具上提下放速度，避免因激動壓力而憋漏地層。

雙石組地層防塌主要通過化學(xué)防塌、物理防塌和減少地層浸泡時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。化學(xué)防塌是采用具有強(qiáng)抑制性的BZ-KSM鉆井液體系，快速形成致密低滲透的濾餅，嚴(yán)格控制防塌層位鉆進(jìn)時(shí)的鉆井液失水量。物理防塌是及時(shí)調(diào)整鉆井液密度，如在防塌層注入預(yù)先配置好的重漿，并在起鉆時(shí)及時(shí)往鉆柱內(nèi)灌注鉆井液，實(shí)現(xiàn)井壁力學(xué)穩(wěn)定。減少地層浸泡時(shí)間主要通過強(qiáng)化生產(chǎn)組織，實(shí)現(xiàn)各工序無縫銜接，并應(yīng)用配套提速工具和工藝，提高機(jī)械鉆速來實(shí)現(xiàn)。此外，起下鉆具和開泵過程中，同樣需要避免因操作不當(dāng)而產(chǎn)生過大的激動壓力和抽吸壓力。

5　結(jié)論

（1）通過優(yōu)選高效PDC鉆頭和螺桿馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)了長慶地區(qū)水平井提速目標(biāo)，鉆頭和螺桿類型應(yīng)根據(jù)井身結(jié)構(gòu)和鉆遇地層的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

（2）根據(jù)井眼剖面結(jié)構(gòu)，分別采用了膨潤土、聚合物和KCl聚磺鉆井液體系，各鉆井液體系對雙溝組地層防漏、雙石組地層防塌，以及造斜/增斜和水平段鉆進(jìn)防托壓起到較好效果。

（3）除保證鉆井液潤滑性防托壓之外，倒裝鉆具組合和應(yīng)用水力加壓器也能對減少水平段托壓起到顯著效果，從而改善傳壓效果，提高滑動鉆進(jìn)速度。

（4）分別對起下鉆防卡、雙溝組地層防漏和雙石組地層防塌等井下事故復(fù)雜進(jìn)行了技術(shù)備案，鉆遇復(fù)雜地層時(shí)要嚴(yán)格按照技術(shù)預(yù)案執(zhí)行，從而保證鉆井順利進(jìn)行。

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（修改稿收到日期 2015-08-18）

〔編輯 薛改珍〕

Matching technology for optimized
fast drilling of horizontal wells in Changqing Gasfield

XIE Jingyu1, GAO Xuesheng2, LI Wei2
（1. Engineering College of China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. No.1 Drilling Engineering Company, Bohai Drilling Engineering Co. Ltd., Tianjin 300280, China）

Abstract:Drilling of horizontal wells in Changqing Gasfield is characterized by complex formation conditions and poor rock drillability. To explore the matching technology for speeding up the horizontal well drilling in this area, the compound drilling technology, mud properties, prevention of backing pressure and preventing of complex conditions and accidents were applied in field drilling practices. The practices indicated that high efficiency polycrystalline diamond compact (PDC) bit and screw compound drilling can improve rate of penetration significantly and reduce well construction period. By controlling mud properties, the bentonite, polymer and sulphonated polymer drilling fluid systems can prevent the formation leakage and collapse at different intervals and can satisfy the lubrication requirement of drill string. Method of inverted drill string and application of hydraulic thruster can decrease frictional resistance of the drill string so as to mitigate backing pressure and improve ROP of slide drilling. Besides, plans to prevent complex conditions and accidents should be developed and executed strictly during drilling. This matching technology provides a reference for the horizontal well drilling with similar well structures in Changqing area, which is of great significance to improvement of exploration and development benefit.

Key words:horizontal well; compound drilling; backing pressure; complex conditions and accident

作者簡介：解經(jīng)宇，1991年生。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）在讀碩士，主要從事石油鉆井及頁巖氣壓裂等方面的研究。電話：18771062560。E-mail：954226758@qq.com。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.008

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0030 – 04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

中圖分類號：TE243