肯基亞克油田高密度水平井鉆井技術(shù)集成應(yīng)用

陳來軍，石文玉，杜 平，駱 驥，李清磊

（中石油西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026）

肯基亞克油田高密度水平井鉆井技術(shù)集成應(yīng)用

陳來軍*，石文玉，杜 平，駱 驥，李清磊

（中石油西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026）

肯基亞克鹽下油田是中油股份在中亞市場上一個(gè)重要勘探區(qū)域，近年來，為了更好地開發(fā)鹽下石炭系油藏，提高單井產(chǎn)量，加快油田的開發(fā)建設(shè)，開始實(shí)施大斜度井、水平井作業(yè)。但由于該區(qū)目的層深埋4300m以下的石炭系，地層壓力系數(shù)1.84以上，鉆井液密度高（1.95～2.0g/cm3），地質(zhì)條件復(fù)雜，巨厚鹽層卡鉆、井噴、井漏、井壁失穩(wěn)等，特別是更改為四層井身結(jié)構(gòu)后，水平段小井眼高密度鉆進(jìn)，更增加了鉆井施工難度，導(dǎo)致水平井鉆井成功率較低，嚴(yán)重影響了肯基亞克油田的勘探開發(fā)速度。近5年通過在該區(qū)塊5口不同類型井的鉆探，其中2口水平井，1口定向井，2口直井，總進(jìn)尺22993m，形成了一套比較成熟的以高壓噴射、防斜快打、個(gè)性化PDC螺桿復(fù)合鉆、鉆頭優(yōu)選、渦輪+孕鑲PDC、高密度水平井—小井眼井事故復(fù)雜預(yù)防等為主的高密度水平井鉆井集成工藝技術(shù)應(yīng)用。

肯尼亞克；水平井；高密度；集成工藝

1 油田概況

肯基業(yè)克油田處于濱里海盆地東緣的烏拉爾—恩巴鹽丘構(gòu)造帶中部的肯基亞克鼻狀隆起上，位于阿克糾賓斯克市以南220km處，東南距扎納若爾油氣田約45km，油田地表為丘陵平原，地面海拔170～220m。該區(qū)屬典型的大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，季節(jié)溫差大（-45℃～40℃),11月中旬至次年4月通常為大雪覆蓋，積雪厚度20～30cm。

該油田自2003年開始實(shí)施定向井作業(yè)，陸續(xù)打了近20口大斜度井、水平井，但機(jī)械鉆速總不能得到突破，曾創(chuàng)區(qū)塊記錄的H8023水平井平均機(jī)速僅1.2m/h，且事故復(fù)雜發(fā)生率居高不下，特別是2010年底該區(qū)塊更改四層井身結(jié)構(gòu)小井眼裸眼完井后，水平井作業(yè)還是空白，更改結(jié)構(gòu)后我們相繼完成5口不同類型井施工，為肯基亞克油田的高密度水平井鉆井技術(shù)起到了極大的推動作用。

2 難點(diǎn)分析

（1）表層500m以后進(jìn)入古生界，多為膏質(zhì)泥巖、砂礫巖、泥板巖，壓實(shí)性強(qiáng)，通常用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)速難以得到突破；

（2）地層傾角大，自然方位穩(wěn)定，從1200m以后開始易斜，參數(shù)得不到強(qiáng)化，井斜難以控制，制約著后期的定向施工，同時(shí)也影響著機(jī)速和周期；

（3）復(fù)合鉆大量使用，但由于PDC鉆頭與井下動力工具的選型受到限制，機(jī)速很難得到突破，同時(shí)在增斜段機(jī)速與造斜率存在著矛盾；

（4）泥漿密度偏高（1.95～2.0g/cm3），固相含量控制難度大，穩(wěn)斜段長，鉆具易疲勞破壞；

（5）定向段由于高密度下作業(yè)，地層條件復(fù)雜，井深，定向儀器信號可靠性差，不但影響井眼軌跡的精度，而且經(jīng)常會造成儀器故障多次起下鉆作業(yè)，嚴(yán)重影響了周期，同時(shí)也增大了事故復(fù)雜發(fā)生率；

（6）小井眼水平段鉆進(jìn)作業(yè)，高密度條件下對起下鉆抽吸、井壁穩(wěn)定性、井控安全等都是很大的考驗(yàn)。

3 技術(shù)對策

3.1 鉆頭選型

（1）針對表層600m以前，地層較為疏松，剩下的井段多為砂質(zhì)泥巖、砂、泥巖交替，改變以往牙輪鉆頭高壓噴射的方式，表層下部選用大尺寸PDC鉆頭GP19256/M223在提高鉆速的情況下，不但可以一趟鉆完成，而且能保證PDC的完好度，完成3口井的表層鉆探。

（2）二開井段多采用復(fù)合鉆，針對軟、中硬泥巖段采用五刀翼19mm復(fù)合片的四川百施特MS1952SS和新疆帝陛艾斯FX56SX3，泥板巖段采用16mm復(fù)合片的新疆帝陛艾斯SF55H3。

（3）定向段攜帶井下動力工具為保證造斜率、穩(wěn)定性以及軌跡的平滑，采用高轉(zhuǎn)速浮動軸承金屬密封的馬達(dá)牙輪鉆頭MD517系列鉆頭或采用渦輪+孕鑲PDC鉆頭，小井眼水平段為提高機(jī)速，減少小井眼作業(yè)時(shí)間，采用川石克銳達(dá)13mm復(fù)合片的G434鉆頭。

3.2 鉆井方式選擇

確定了井身質(zhì)量控制、地層可鉆性，以及定向段軌跡控制影響鉆井的原因后，綜合提速要求、井下安全及鉆井成本考慮，我們選擇螺桿+PDC（馬達(dá)牙輪）復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，它既是成熟技術(shù)，而且工具選擇寬度大，價(jià)格低廉，既滿足了快速鉆進(jìn)和定向的需求，也增加了經(jīng)濟(jì)效益，可以大范圍應(yīng)用。

3.3 鉆具組合優(yōu)選

（1）直井段防斜鉆具組合?？匣鶃喛藚^(qū)塊普遍采用“單三”塔式大鐘擺、“單二”小鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)進(jìn)行防斜，在8207井的防斜快打中首次采用了倒裝鐘擺鉆具結(jié)構(gòu)，也得到了防斜快打的效果。根據(jù)以往該區(qū)塊的鉆具結(jié)構(gòu)防斜效果情況進(jìn)行調(diào)研得知：1200～3000m是該區(qū)塊的井斜難以控制段，普遍采用的3種防斜鉆具結(jié)構(gòu)均能達(dá)到較好的防斜效果，都保持在3°以下，但“單二”小鐘擺和倒裝鐘擺鉆具防斜效果更佳。

（2）定向段鉆具組合。定向增斜段鉆具組合，井斜角大于30°后用加重鉆桿代替鉆鋌，采用倒裝鉆具結(jié)構(gòu)，斜井段使用18°錐度斜坡鉆桿，加重鉆桿放在直井段，使軌跡光滑以減少摩阻和扭矩。水平段鉆進(jìn)主要使用導(dǎo)向鉆具組合，根據(jù)軌跡控制需要配以常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆具，導(dǎo)向鉆具組合采用小度數(shù)（0.75°～1°）單彎螺桿鉆具，帶單扶正器，在水平段和斜井段采用18°錐度斜坡鉆桿和部分加重鉆桿（便于平穩(wěn)過渡），直井段用加重鉆桿，扶正塊使用350mm短扶正條，欠尺寸（208～210mm）螺旋穩(wěn)定器。

3.4 鉆井液體系優(yōu)選

肯基亞克鹽下井進(jìn)入2500m后井塌問題開始突出，井壁穩(wěn)定性成為鉆井液維護(hù)的重點(diǎn)，3000m后開始進(jìn)入下二疊系孔谷組鹽層，因此通常會在3000m之前逐漸提高鉆井液密度，增加井漿中鹽水的飽和度，以控制井壁的失穩(wěn)，根據(jù)肯基亞克鹽下水平井對鉆井液的要求和地質(zhì)特性，我們多采用兩性離子聚合物+聚磺飽和鹽水體系和飽和鹽水聚磺體系，并加入液體或固體潤滑劑增加鉆井液的潤滑性。

3.5 事故復(fù)雜預(yù)防措施

（1）從事故預(yù)防及事故快速處理2方面分析，嚴(yán)格落實(shí)技術(shù)管理及規(guī)程落實(shí)，做好施工風(fēng)險(xiǎn)識別、評估以及應(yīng)對措施；

（2）精細(xì)鉆井液日常維護(hù)，防止井壁失穩(wěn)和起下鉆遇阻等現(xiàn)象發(fā)生；

（3）隨時(shí)掌握井眼軌跡的變化，分析井下鉆具在軌跡中鉆具剛度與井眼曲率的相容性，及時(shí)做好鉆井液的潤滑工作；

（4）加強(qiáng)鉆具的管理，特別是小鉆具，地面仔細(xì)檢查，嚴(yán)格按照要求做好探傷工作；

（5）水平井鉆井作業(yè)，井下動力鉆具使用較多，不同型號直螺桿和各種度數(shù)的單彎螺桿，地面細(xì)心保養(yǎng)，入井前仔細(xì)檢查和測試。

4 現(xiàn)場技術(shù)實(shí)施應(yīng)用

4.1 表層提速技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)表層地質(zhì)特性以及以往鉆井經(jīng)驗(yàn)，在5口井的現(xiàn)場施工中，我們普遍選用的高壓噴射鉆井技術(shù)和大尺寸PDC鉆進(jìn)技術(shù)來達(dá)到提速的目的。具體應(yīng)用情況如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，大排量、高泵壓的高壓噴射鉆進(jìn)可以有效提高表層的機(jī)械鉆速，8079井60～70MPa的排量和18MPa的泵壓使得三階段高壓噴射提速技術(shù)得到很好的發(fā)揮，相比其他三口井平均機(jī)速提高38.59%。但三階段噴射對設(shè)備提出了很高的要求，隨著設(shè)備的老化，往往實(shí)現(xiàn)不了三階段噴射鉆進(jìn)。因此在此基礎(chǔ)上8207井在既滿足現(xiàn)場排量又能提高機(jī)速的情況下，應(yīng)用了?444.5mm大尺寸PDC鉆頭GP19256/M223，表層平均機(jī)速達(dá)到5.69m/h，相比其他井機(jī)速提高119.65%，提速效果非常明顯。

4.2 防斜快打技術(shù)應(yīng)用

在8207井的鉆進(jìn)施工中，“單二”鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)井斜沒有得到有效控制，二開后便開始采用20kN的鉆壓輕壓吊打，施加不上鉆壓，嚴(yán)重影響著機(jī)速，因此在2206～3177m井段采用了倒裝鐘擺鉆具組合。

鉆具結(jié)構(gòu)：?311mmFX56SX3+?203mm直螺桿+?228mmDC×2根+?310mmF+?203mmDC×6根+?178mmDC×9+?139.7mmDP。

鉆井參數(shù)：鉆壓60～80kN，轉(zhuǎn)速65r/min+螺桿，排量45L，泵壓12～16MPa。

電測數(shù)據(jù)顯示，8207井該段平均井斜1.19°，相比距該井3km的8073井“單二”下同井段井斜1.38°對比，下降16%。

在井斜得到有效控制的情況下，通過螺桿+PDC復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，機(jī)械鉆速達(dá)2.04m/h，比臨井同井段平均機(jī)速（1.63m/h）高出25.15%。

表1 各井表層鉆進(jìn)情況

4.3 螺桿+個(gè)性化PDC復(fù)合鉆井技術(shù)應(yīng)用

二疊系孔谷階地層巖性主要以泥巖為主，地層較純，非常適合PDC鉆頭+螺桿全面復(fù)合鉆進(jìn)，是提高該井段速度的主要辦法。在8207井施工中，大量應(yīng)用了203mm螺桿復(fù)合鉆技術(shù)，螺桿多以大漠和中程廠家為主，該螺桿不僅可以滿足大排量鉆進(jìn)，而且還提高清洗井底效果，防止重復(fù)切削，同時(shí)螺桿的使用壽命可達(dá)300h之多，從而可以減少起下鉆次數(shù)，提高了純鉆時(shí)效和機(jī)械鉆速。

8207井復(fù)合鉆進(jìn)尺2480m，占二開總進(jìn)尺的98.8%，平均機(jī)械鉆速1.87m/h，與其他井二開平均機(jī)速（1.3m/h）相比提高43.85%。在其他井及該井的施工中發(fā)現(xiàn)19mm復(fù)合片PDC崩斷齒現(xiàn)象較為普遍，本井在3515～3710m井段嘗試采用了16mm復(fù)合片PDC鉆頭，機(jī)械鉆速達(dá)到1.26m/h，相比以往井同井段平均機(jī)速（0.44m/h）提高186.36%。同時(shí)二開井段僅用兩只PDC鉆頭，相比以往需要3只以上PDC鉆頭，節(jié)省了很大成本。

4.4 定向井技術(shù)應(yīng)用

進(jìn)入三開后，由于該區(qū)塊地層自然方位較為穩(wěn)定，直井段施工方位一般都在200°～260°范圍移動，因此為了能夠嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)軌跡定向，遵循“早扭方位，井斜略高勿低”的定向原則，通常會提前100～200m開始下入定向鉆具，以提前糾正設(shè)計(jì)方位，為后期增斜創(chuàng)造條件。

在8207井和8079井的增斜定向施工中，定向初期分別選擇了1.25°渦輪+孕鑲PDC和1.25°單彎螺桿+高速馬達(dá)牙輪鉆頭兩種定向增斜方式。

8207井：? 216mmK705STBPXXC+? 168mm 1.25°渦輪+MWD短接+?159mm無磁鉆鋌+?127mm加重鉆桿×10柱+?127mm鉆桿。

8079井：?216mmMD517+?172mm1.25°單彎螺桿+MWD短接+?159mm無磁鉆鋌+?127mm加重鉆桿×16柱+?127mm鉆桿。

通過現(xiàn)場施工，渦輪增斜過程中，由于造斜工具剛性和機(jī)速因素的影響，造成工具面難以穩(wěn)定，造斜率達(dá)不到設(shè)計(jì)軌跡要求，實(shí)際造斜軌跡延后于設(shè)計(jì)軌跡，渦輪造斜與螺桿造斜效果對比見圖1。

圖1 渦輪造斜與螺桿造斜效果對比

通過圖1對比分析，渦輪增斜效果不佳，但在小斜度（30°左右）定向井作業(yè)中，較小造斜率能夠滿足軌跡要求，而且能夠提高機(jī)械鉆速，在8073井定向增斜施工中，渦輪增斜就得到了很好的發(fā)揮。平均增斜率4.2°/30m，平均機(jī)速1.48m/h。

4.5 高密度鉆井液技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)肯基亞克鹽下區(qū)塊地層特性，主要采用強(qiáng)抑制性、極好抗鹽、鈣能力、良好的潤滑防卡能力、優(yōu)異的流變特性及良好的封堵防塌能力的兩性離子聚磺飽和鹽水泥漿體系。

鉆井液配方如下：

3%～4%坂土+0.2%～0.3%純堿+0.2%～0.3%燒堿+0.5%～0.75%FA-367+0.8%～1.0%XY-27+3% SMP-2+2%EP-1+3%ZD-1+18%～20%NaCl。

三開后泥漿維護(hù)處理的重點(diǎn)是保持泥漿在三高（高密度、高溫、高礦化度）條件下良好穩(wěn)定的性能，具體性能見表3，采用等濃度維護(hù)處理法，即加入泥漿中的膠液，其含鹽量和主要處理劑的濃度應(yīng)與泥漿的含鹽量和處理劑濃度相當(dāng)。

表2 鉆井液性能表

定向施工中，隨著井斜的增加，托壓現(xiàn)象會隨之嚴(yán)重，為了提高機(jī)械鉆速，減少托壓的干擾，主要采取液體潤滑劑與固體潤滑劑復(fù)配的方式提高泥漿潤滑性，以提高機(jī)速，防止壓差粘卡。潤滑劑的使用方法如下：

（1）在直井段鉆進(jìn)，以液體潤滑劑HY-203為主，加量為2%。

（2）進(jìn)入斜井段后，加大液體潤滑劑HY-203的含量至4%～6%。

（3)當(dāng)井斜達(dá)到30°時(shí)，采用固體與液體潤滑劑復(fù)合防卡。均勻加入2%的固體潤滑劑HY-202。并隨井深每增加100m補(bǔ)充1t。

（4)當(dāng)井斜超過60°后，每次起鉆前，在裸眼井段注入含固體潤滑劑塑料小球3%的防卡泥漿。

4.6 事故復(fù)雜預(yù)防技術(shù)應(yīng)用

（1）直井段采用合適的防斜快打技術(shù)保證井身質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)，嚴(yán)格落實(shí)技術(shù)措施，為定向施工打好基礎(chǔ)；

（2）簡化鉆具結(jié)構(gòu)，在斜井段和水平段采用倒裝鉆具，減輕下部鉆具重量，斜井段用斜坡鉆桿，加重鉆桿放在直井段，有效降低摩阻力和扭矩；

（3）每趟鉆堅(jiān)持倒換鉆具，定期對鉆具進(jìn)行探傷檢查，盡量選用較新的鉆具；

（4）堅(jiān)持短起下制度，井斜大于50°后，每鉆完單根劃眼，鉆進(jìn)40～60m短起下一次，有效清除井壁巖屑床；

（5）按照設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工情況，維護(hù)鉆井液性能，既保證高密度下鉆井液的懸浮攜砂與流變能力，抑制井壁穩(wěn)定性，又要控制固相含量及有害物質(zhì)，確保鉆井液的潤滑性，有效降低摩擦阻力。

4.7 整體應(yīng)用效果

8207井在經(jīng)過了井身結(jié)構(gòu)改變?yōu)樗膶咏Y(jié)構(gòu)后的第一口水平井施工中，全井平均機(jī)速達(dá)1.78m/h，較曾創(chuàng)下區(qū)塊記錄的H8023井提高48.33%，鉆井周期230d，全井無事故、無復(fù)雜高效完成了高密度水平井施工任務(wù)。

5 認(rèn)識與建議

（1）對于要求造斜率較大的增斜段建議采用單彎螺桿造斜，渦輪初期造斜率滯后，影響整體井眼軌跡的平滑；

（2）肯基亞克油藏地質(zhì)條件十分復(fù)雜，在滿足軌跡要求的情況下，應(yīng)盡可能減少軌跡調(diào)整和起下鉆次數(shù)，避免井下事故和復(fù)雜的發(fā)生；

（3）高密度水平井鉆井集成技術(shù)在肯基亞克鹽下區(qū)塊已初步形成配套技術(shù)，在以后的開發(fā)勘探中具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]鉆井手冊（甲方）[M].北京：石油工業(yè)出版社，1988.

[2]水平井技術(shù)交流會論文集[C]//北京：中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司，2005.

[3]鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].北京.中國石油大學(xué)出版社,2006.

TE243

B

1004-5716(2015)12-0021-04

2014-12-26

陳來軍（1986-），男（漢族），山東濟(jì)南人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工程技術(shù)、鉆井施工工藝等方面的研究和管理工作。