超深海相定向井元壩205-2鉆井技術(shù)

唐 勇　王旭東　劉 勇　童 艇

(1. 中石化西南石油工程有限公司四川鉆井分公司， 四川 德陽 618000；2. 中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院， 四川 德陽 618000)

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超深海相定向井元壩205-2鉆井技術(shù)

唐 勇1王旭東2劉 勇2童 艇2

(1. 中石化西南石油工程有限公司四川鉆井分公司， 四川 德陽 618000；2. 中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院， 四川 德陽 618000)

摘要：元壩205-2井是以上二疊統(tǒng)長興組頂部礁蓋儲(chǔ)層為主要目的層的海相超深定向井。實(shí)際完鉆井深6 767 m，工程地質(zhì)特征具有地層研磨性強(qiáng)、多壓力體系、高溫、高壓和含H2S等特點(diǎn)。通過優(yōu)化鉆井方案，采用泡沫鉆井、氣體鉆井、進(jìn)口PDC+高效螺桿、孕鑲鉆頭+高速螺桿等先進(jìn)工具和工藝，創(chuàng)下該工區(qū)泡沫鉆進(jìn)最高日進(jìn)尺224 m的記錄，平均機(jī)械鉆速比前期試采井提高了47.2%，平均臺(tái)月效率提高了13.2%。

關(guān)鍵詞：元壩205-2; 超深海相; 定向井；鉆井技術(shù)

四川元壩地區(qū)主力氣藏長興組垂深超過6 500 m[1]。地層由上至下分別為白堊系劍門關(guān)組、侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組和自流井組、上三疊統(tǒng)須家河組、中三疊統(tǒng)雷口坡組和下三疊統(tǒng)嘉陵江組、飛仙關(guān)組以及上二疊統(tǒng)長興組。多壓力體系表現(xiàn)在下沙溪廟組以上為常壓，自流井組至雷四段存在異常高壓[2]，嘉陵江、飛仙關(guān)組為高壓，長興組為常壓?？摄@性級(jí)值自下沙溪廟組后明顯增大，在自流井組至須家河組地層達(dá)到8.0～9.2[3]，鉆井難度明顯增加。元壩205-2井是滾動(dòng)試采井中以上二疊統(tǒng)長興組頂部礁蓋儲(chǔ)層為主要目的層的1口海相超深定向井，設(shè)計(jì)完鉆垂深為6 602 m，斜深為6 719 m。針對(duì)多壓力系統(tǒng)和復(fù)雜的地層情況，采用五開井身結(jié)構(gòu)，第一必封點(diǎn)封隔蓬萊鎮(zhèn)組以上易漏層和淺部水層，第二必封點(diǎn)封隔上沙溪廟組底部，第三必封點(diǎn)封隔雷四段頂部氣層及雷三段上部水層，第四必封點(diǎn)封隔飛一段中上部地層。通過總結(jié)前期施工經(jīng)驗(yàn)，調(diào)研國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，優(yōu)化確定鉆井技術(shù)方案：上部大井眼尺寸段采用泡沫鉆井和氣體鉆井等欠平衡提速技術(shù)；深部高研磨性地層采用優(yōu)選鉆頭和動(dòng)力鉆具配套提速技術(shù)；同時(shí)針對(duì)超深、高溫和高壓特征，優(yōu)選測量儀器和定向工具，優(yōu)化軌跡控制技術(shù)。采用優(yōu)化鉆井技術(shù)方案，該井平均機(jī)械鉆速比前期試采井提高了47.2%，平均臺(tái)月效率提高了13.2%，為元壩地區(qū)海相超深定向井施工提供了重要的技術(shù)參考。

1泡沫鉆井技術(shù)優(yōu)化

一開井眼容積大，泵排量有限，環(huán)空返排速度低，單位面積鉆壓小，用常規(guī)鉆井液機(jī)械鉆速較慢，且地層易出水，應(yīng)用空氣鉆井和霧化鉆井時(shí)攜巖困難，采用泡沫鉆井技術(shù)能達(dá)到提速效果。

鉆井液體系配方：清水+0.8%～1.5%發(fā)泡劑+0.5%穩(wěn)泡劑+0.5%CMC。

鉆具組合:Φ660.4 mm鉆頭+浮閥+Φ279 mm鉆鋌1根+減震器+Φ241.3 mm鉆鋌5根+Φ203.2 mm 鉆鋌2根+Φ139.7 mm鉆桿。

技術(shù)措施：(1)根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)返排的巖屑、泡沫、泵壓及扭矩、鉆速情況實(shí)時(shí)調(diào)整空氣排量和泡沫液排量；(2)根據(jù)地層出水量大小適時(shí)補(bǔ)充泡沫劑，以保證泡沫濃度能及時(shí)將地層水和巖屑帶離井筒，利于井下安全；(3)如遇特殊情況鉆具必須靜止或鉆井液必須停止循環(huán)且時(shí)間較長時(shí)，應(yīng)先停泵，用氣體充分循環(huán)洗井后，將鉆具提到套管內(nèi)，防止出現(xiàn)井下復(fù)雜情況；(4)均勻送鉆，并注意立管壓力及井下情況，發(fā)現(xiàn)立壓升高、扭矩變化、蹩跳嚴(yán)重、上提遇卡等井下異?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停鉆，活動(dòng)鉆具，隨時(shí)觀察，及時(shí)處理。

2空氣鉆井技術(shù)優(yōu)化

蓬萊鎮(zhèn)、遂寧、上沙溪廟組地層硬度高，機(jī)械鉆速低。二開采用空氣鉆井技術(shù)，設(shè)計(jì)進(jìn)入下沙溪廟組頂部，如在上沙溪廟組遇井壁失穩(wěn)等復(fù)雜情況，則提前下套管完鉆或轉(zhuǎn)化為鉆井液鉆進(jìn)。

鉆具組合:Φ444.5 mm牙輪鉆頭+浮閥+Ф279.4 mm鉆鋌3根+減震器+Φ229 mm鉆鋌×6根+Φ203.2 mm無磁鉆鋌×1根+Φ203.2 mm鉆鋌×5根 +Φ139.7 mm鉆桿。

技術(shù)措施：(1)空氣鉆進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照空氣鉆井操作規(guī)程進(jìn)行，鉆完一個(gè)單根后劃眼2～3次，修整井壁，充分帶砂，保證井徑軌跡；(2)空氣鉆后期由于裸眼井段較長，返砂困難，劃眼過程中控制鉆壓不超過 2 t，接完單根等氣壓穩(wěn)定、循環(huán)正常后才能下放，避免造成井底憋壓；(3)均勻送鉆，注意立壓和井下情況，發(fā)現(xiàn)立壓、扭矩變化、憋跳嚴(yán)重等井下異?，F(xiàn)象時(shí)，立即停止鉆進(jìn)，活動(dòng)鉆具，隨時(shí)觀察，找出原因并待正常后恢復(fù)鉆進(jìn)；(4)嚴(yán)格執(zhí)行鉆井方式轉(zhuǎn)換原則，若不適合空氣作業(yè)時(shí)及時(shí)轉(zhuǎn)換。

空氣鉆井累計(jì)進(jìn)尺2 363 m，平均機(jī)械鉆速12.55 mh。

3深部地層提速技術(shù)優(yōu)化

3.1鉆頭優(yōu)選

首先開展元壩構(gòu)造三軸抗壓強(qiáng)度、波速測定、抗張強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選測井資料計(jì)算模型，建立了巖石力學(xué)參數(shù)剖面；基于灰色關(guān)聯(lián)聚類法理論[4]和隨機(jī)統(tǒng)計(jì)理論，根據(jù)系統(tǒng)過去狀態(tài)變化的信息，利用功能模擬原理，依據(jù)元壩前期16口開發(fā)評(píng)價(jià)井和試采井鉆頭使用資料歷史數(shù)據(jù)，找到鉆頭應(yīng)用效果主要特性和主要影響因素，建立鉆井過程各因素間的影響關(guān)系，并通過歷史擬合，實(shí)現(xiàn)功能的同構(gòu)，進(jìn)而對(duì)元壩205-2井進(jìn)行鉆頭優(yōu)選，結(jié)果見表1。

表1　鉆頭優(yōu)選方案

在下沙溪廟組至須家河組可鉆性較差地層采用進(jìn)口PDC鉆頭，在自流井組、珍珠沖段和須二段研磨性較強(qiáng)地層采用孕鑲金剛石鉆頭和加長保徑抗沖牙輪鉆頭，海相地層可鉆性較好，采用國產(chǎn)PDC鉆頭。

3.2動(dòng)力鉆頭配套優(yōu)選

為充分發(fā)揮鉆頭的功效，提高破巖效率，優(yōu)選動(dòng)力鉆具配套。進(jìn)口PDC鉆頭復(fù)合片的攻擊性、抗沖擊性和抗研磨性強(qiáng)，配用進(jìn)口高效螺桿，扭矩和轉(zhuǎn)速比常規(guī)國產(chǎn)螺桿提高35%以上。孕鑲金剛石鉆頭的碎巖機(jī)理是以微切削破碎和磨粒磨損為主，與普通金剛石鉆頭相比，更適用于硬地層，但需要較高的轉(zhuǎn)速。前期配合使用的渦輪鉆具具有壓耗高、剛性強(qiáng)、易卡鉆的缺點(diǎn)。通過調(diào)研優(yōu)選高速螺桿代替渦輪鉆具，高速螺桿的轉(zhuǎn)速能達(dá)到常規(guī)螺桿的2～3倍，能滿足孕鑲鉆頭的要求。在海相地層優(yōu)選功率高的國產(chǎn)螺桿配合國產(chǎn)鉆頭，效果較好。

優(yōu)選的鉆頭和配套的動(dòng)力鉆具應(yīng)用效果對(duì)比見表2。從表2可知：“進(jìn)口PDC鉆頭+高效螺桿”比“進(jìn)口PDC鉆頭+扭力發(fā)生器”機(jī)械鉆速提高了23.3%，且克服了扭力發(fā)生器在Φ314.1 mm井眼里應(yīng)用效果不穩(wěn)定的缺點(diǎn)?！霸需傘@頭+高速螺桿”在高研磨性地層的機(jī)械鉆速比“牙輪鉆頭+常規(guī)鉆具”提高了55.6%，且單只鉆頭進(jìn)尺提高10倍以上；加長保徑抗沖牙輪鉆頭比常規(guī)牙輪鉆頭單只鉆頭進(jìn)尺提高了1倍。海相地層應(yīng)用螺桿復(fù)合鉆具的機(jī)械鉆速比常規(guī)鉆具提高了75.3%。

4超深井定向技術(shù)優(yōu)化

4.1測量儀器和螺桿優(yōu)選

井底最高溫度達(dá)150 ℃，靜液柱壓力達(dá)125.8 MPa以上，屬于高溫高壓。根據(jù)前期超深井中儀器使用情況統(tǒng)計(jì)分析，主要從高溫穩(wěn)定性和信號(hào)超長距離傳輸穩(wěn)定性2個(gè)方面優(yōu)選了抗175 ℃、172 MPa的APS儀器。前期施工井主要采用進(jìn)口抗高溫螺桿，使用效果較好，但費(fèi)用昂貴。目前國內(nèi)高溫螺桿通過不斷改進(jìn)，基本能滿足元壩超深井的施工要求，因此選擇抗170 ℃的國產(chǎn)高溫螺桿。在定向段為了提高工具的造斜能力，縮短滑動(dòng)定向段長度，提高定向效率，優(yōu)選1.50°單彎螺桿；穩(wěn)斜段為了達(dá)到復(fù)合微增斜效果，優(yōu)選1.25°單彎螺桿。

表2　機(jī)械鉆速對(duì)比

4.2軌跡控制技術(shù)

根據(jù)直井段的實(shí)鉆測斜數(shù)據(jù)、施工工藝特征，以方便施工為主，調(diào)整待鉆軌跡設(shè)計(jì)。

在四開造斜段、穩(wěn)斜段的施工中，主要采用了Φ241.3 mmPDC鉆頭+5LZ185 mm螺桿(1.50°)+MWD的鉆具組合，進(jìn)行定向增斜鉆進(jìn)。在定向施工過程中采用滑動(dòng)與復(fù)合鉆進(jìn)方式交替鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中根據(jù)測斜結(jié)果及時(shí)預(yù)算井段數(shù)據(jù)，遇異常情況加密測斜，根據(jù)測斜數(shù)據(jù)及時(shí)制定相應(yīng)的施工措施。造斜段全角變化率略高于設(shè)計(jì)，預(yù)留10°井斜提前復(fù)合鉆進(jìn)增斜。統(tǒng)計(jì)分析鄰井施工中存在方位左漂現(xiàn)象，因此在復(fù)合鉆進(jìn)前，方位預(yù)留比設(shè)計(jì)方位大1°～2°。

在五開穩(wěn)斜段的施工中，采用了Φ165.1 mm PDC鉆頭+5LZ127 mm螺桿(1.25°)+MWD的鉆具組合進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)。施工過程中采用優(yōu)選鉆壓的方式鉆進(jìn)，對(duì)每根單根的鉆進(jìn)參數(shù)詳細(xì)記錄，每次測斜完成后對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)分析對(duì)比，優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)，避免井斜和軌跡出現(xiàn)較大的起伏，優(yōu)選鉆壓為10～20 kN復(fù)合鉆進(jìn)，增斜率為(-1°～3°)100 m,實(shí)現(xiàn)了快速高效鉆進(jìn)。

5結(jié)語

(1)優(yōu)化泡沫鉆井和氣體鉆井的鉆井參數(shù)和工藝，可以進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速和該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

(2)在下沙溪廟組至千佛崖組，采用“進(jìn)口PDC鉆頭+進(jìn)口高效螺桿”比前期使用“進(jìn)口PDC鉆頭+扭力發(fā)生器”機(jī)械鉆速高，且能解決扭力發(fā)生器在Φ314.1 mm井眼里應(yīng)用效果不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，綜合經(jīng)濟(jì)效益好。

(3)采用高速螺桿替代渦輪鉆具配合孕鑲鉆頭，在高研磨性地層應(yīng)用效果較好，安全性高。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅朝東,王旭東,楊峰,等.元壩超深水平井鉆井技術(shù)跟蹤分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，16(4)：54-57.

[2] 羅朝東,王旭東,龍開雄,等.元壩超深水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油地質(zhì)與工程，2012，26(3)：98-100．

[3] 羅朝東，王旭東，龍開雄,等.元壩超深水平井直井段優(yōu)快鉆井技術(shù)[J].鉆采工藝，2015，38(3)：105-107．

[4] 張輝，高德利.鉆頭選型方法綜述[J].石油鉆采工藝，2005，27(4)：1-5．

Drilling Technique of Ultra-Deep Directional Well in Yuanba No.205-2

TANGYong1WANGXudong2LIUYong2TONGTing2

(1.Sichuan Drilling Company,Southwest Petroleum Engineering Co.Ltd.of SINOPEC,Deyang Sichuan 618000,China;2.Drilling Engineering Research Institute,Southwest Petroleum Engineering Co.Ltd.of SINOPEC,Deyang Sichuan 618000,China)

Abstract:Yuanba No.205-2 well belongs to ultra-deep directional well reservoir with the top reef cap rock of Permian Changxing group as the main target layer. Its actual drilling depth is 6 767 m, which has many pressure system, formation strong abrasive, high temperature, high pressure and containing H2S, etc. By optimizing drilling, foam drilling, gas drilling, imports of advanced tools and techniques, such as PDC + efficient screw, impregnated bit+ high-speed screw, we set up a highest speed of 224 m record in the work area of foam drilling; the average mechanical drilling speed ratio increased by 47.2% to the early stage of test well, and the average speed per month improved by 13.2% than the early stage of test well.

Key words:Yuanba No.205-2 well; ultra-deep marine facies; directional well; drilling technology

收稿日期：2015-09-29

基金項(xiàng)目：中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司重點(diǎn)應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目“元壩高研磨性地層提速提效工具研制及新技術(shù)工程應(yīng)用”(SG1301)

作者簡介：唐勇(1983 — )，男，工程師，研究方向?yàn)殂@井工程。

中圖分類號(hào)：TE242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1980(2016)03-0054-03