松遼盆地深層鉆井提速實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

王海波

（大慶鉆探工程公司國(guó)際事業(yè)部，黑龍江大慶163411）

松遼盆地深層鉆井提速實(shí)踐與認(rèn)識(shí)

王海波*

（大慶鉆探工程公司國(guó)際事業(yè)部，黑龍江大慶163411）

為加快松遼盆地深層天然氣勘探開(kāi)發(fā)步伐，深井鉆井施工中全面推廣了鉆頭選型、復(fù)合鉆井、井身質(zhì)量控制、井下復(fù)雜事故預(yù)防、氣體鉆井等鉆井提速的相關(guān)配套技術(shù)，并不斷應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，鉆井速度得到了大幅度提高，技術(shù)水平也由此上了一個(gè)新臺(tái)階。但目前大慶油田的總體水平仍落后于國(guó)際先進(jìn)國(guó)家，深井鉆井效率還有提高空間，一些瓶頸技術(shù)難題有待突破。論述了松遼盆地深層鉆井提速的主要技術(shù)難點(diǎn)，以及在鉆井施工過(guò)程中取得的經(jīng)驗(yàn)與成果，總結(jié)出了一系列配套技術(shù)工藝與措施，并對(duì)下一步深井鉆井提速工作提出了認(rèn)識(shí)與建議。

松遼盆地；鉆井提速；技術(shù)難題；實(shí)踐

松遼盆地深層提速一直都是大慶油田鉆井提速的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為進(jìn)一步加快松遼盆地深井施工速度，實(shí)現(xiàn)深井再次提速，在近三年的深井施工中，大慶油田全面推廣了復(fù)合鉆井技術(shù)、優(yōu)選了新型高效鉆頭、完善了氣體鉆井工藝、完善了深層降斜手段、研究了加重解卡技術(shù)，還積極進(jìn)行了渦輪鉆具實(shí)驗(yàn)等新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了深井再次提速目標(biāo)。但仍有一些瓶頸技術(shù)難題亟需解決，同時(shí)，新的問(wèn)題也不斷出現(xiàn)。

1　松遼盆地深層鉆井技術(shù)難點(diǎn)

大慶深井泉二段以下地層稱(chēng)之為深層，營(yíng)城組為主要目的層。巖性特點(diǎn)是“三高一強(qiáng)”，即：硬度高、可鉆性級(jí)值高、地溫梯度高、研磨性強(qiáng)。深層硬度最高達(dá)5000MPa、可鉆性級(jí)值最高達(dá)10.38級(jí)，4500m左右的深井井底溫度約180℃，5000m左右深井的井底溫度高達(dá)200℃以上。

由于松遼盆地深層特定的地質(zhì)特點(diǎn)，增加了深井鉆井難度，導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)，成為制約深井鉆井技術(shù)水平提高的主要原因。一是對(duì)鉆頭、井下工具、鉆具的抗研磨、抗沖擊能力要求高，鉆頭保護(hù)、鉆具失效問(wèn)題突出。二是對(duì)井下工具、鉆井液、完井液抗高溫能力要求高，高溫鉆井和高溫固井問(wèn)題突出。三是上部地層泥巖水化膨脹、深層存在破碎帶，井壁穩(wěn)定問(wèn)題突出。四是存在易斜地層，井斜控制難度大，防斜打快問(wèn)題突出。

目前制約深井鉆井技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題主要有：泉二段以下地層PDC鉆頭的應(yīng)用受到限制；深層致密火山巖地層牙輪鉆頭鉆進(jìn)效率低，影響深井鉆井速度的提高；營(yíng)城組破碎帶地層井塌問(wèn)題沒(méi)有得到很好解決，關(guān)系到鉆井的成?。豢諝忏@井技術(shù)須進(jìn)一步完善配套，需要解決井斜不易控制、氣液轉(zhuǎn)換后井壁剝落等問(wèn)題；水基鉆井液和水泥漿體系還滿(mǎn)足不了220℃以上高溫鉆井需求，超深井自主施工能力不足。

2　深層提速主要技術(shù)工藝

自2003年徐深1井深層天然氣勘探獲得重大發(fā)現(xiàn)以來(lái)，按照集團(tuán)公司“加快天然氣勘探開(kāi)發(fā)步伐，提高深層天然氣的轉(zhuǎn)化率，以氣補(bǔ)油，油氣并重”的指示精神和建設(shè)“百年油田”的需求，大慶油田于2004年下半年以來(lái)開(kāi)展了轟轟烈烈的深井會(huì)戰(zhàn)。2003年以前，施工一口4000m左右的深層探井，全井鉆井周期185d左右，全井機(jī)械鉆速僅為2.9m/h，平均每口井事故損失時(shí)間6d、復(fù)雜損失時(shí)間12d。按照這一施工能力，根本無(wú)法滿(mǎn)足提高深井鉆井速度、加快深層勘探開(kāi)發(fā)步伐的需求。為此，開(kāi)展了深井提速配套技術(shù)攻關(guān)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)三年的攻關(guān)與鉆井實(shí)踐，形成了一套適合松遼盆地深層特點(diǎn)的鉆井提速配套技術(shù)，2007年施工的深井同比會(huì)戰(zhàn)之前的水平，一口4000m左右的井，鉆井周期縮短到120d左右，機(jī)械鉆速達(dá)到了3.0m/h以上，事故復(fù)雜時(shí)率降到了3%以下，深井提速獲得了重大突破。2007年之后，特殊工藝井（定向井、深層水平井、側(cè)鉆水平井）超深井、外圍井（方正地區(qū)、吉林地區(qū)）增多，油田的鉆井技術(shù)、工藝得到全面發(fā)展。

2.1深井、超深井

2.1.1鉆頭優(yōu)選

（1）?215.9mm牙輪鉆頭。松遼盆地深層營(yíng)城組地層上部巖性主要為砂礫巖，下部主要為凝灰?guī)r、火山角礫巖、流紋巖、安山巖等火山巖，巖石硬度高（5000MPa以上）、地溫高（平均地溫梯度4.1℃/100m）、可鉆性級(jí)值高（最高為10.38級(jí)）、研磨性強(qiáng)，導(dǎo)致深井牙輪鉆頭不能正常使用。營(yíng)城組地層鉆頭磨損主要表現(xiàn)為鉆頭外徑磨損嚴(yán)重、牙輪磨心和掉齒嚴(yán)重，造成鉆頭用量大，機(jī)械鉆速低、單只鉆頭進(jìn)尺少，嚴(yán)重的甚至造成掉牙輪、劃眼和縮徑卡鉆等事故和復(fù)雜情況。鑒于此，主要從預(yù)防鉆頭斷齒、掉齒、牙輪磨心及加強(qiáng)保徑等幾個(gè)方面對(duì)牙輪進(jìn)行了改進(jìn)。

古龍1井是松遼盆地最深的一口井，完鉆井深6300.00m，該井集中了深層鉆井施工的全部難點(diǎn)，其中深部地層牙輪鉆頭的使用即為其中之一。該井四開(kāi)應(yīng)用了江鉆HJT型、江鉆HF型和貝克休斯MXL型3種型號(hào)的牙輪鉆頭。四開(kāi)進(jìn)尺1804.50m，累計(jì)使用牙輪鉆頭22只，平均進(jìn)尺81.37m，平均純鉆時(shí)間64.94h，平均機(jī)械鉆速1.27m/h，單只鉆頭進(jìn)尺最高133.97m，未發(fā)生鉆頭復(fù)雜、事故。綜合3種型號(hào)鉆頭（應(yīng)用情況如表1所示）的進(jìn)尺、機(jī)械鉆速和應(yīng)用井段這3個(gè)指標(biāo)來(lái)看，江鉆HF型牙輪鉆頭的使用效果最好，可以在深層推廣應(yīng)用。

表1　古龍1井四開(kāi)井段不同型號(hào)牙輪鉆頭平均指標(biāo)

（2）?311.2mmPDC鉆頭。針對(duì)深井泉二段以下地層還沒(méi)有合適的?311.2mmPDC鉆頭，嚴(yán)重影響深井施工進(jìn)度的實(shí)際，對(duì)?311.2mmPDC鉆頭做了以下改進(jìn)：刀翼由5刀翼改為6刀翼，采用拋物線(xiàn)型冠部，這種冠部形狀載荷分布均勻，無(wú)明顯過(guò)度區(qū)，減少了鉆進(jìn)扭矩；采用美國(guó)進(jìn)口爪形PDC切削齒，尺寸由?19mm改為?13mm，保證鉆頭具有較高的抗沖擊和抗研磨能力，能適應(yīng)硬地層；調(diào)整了切削角度，采用30°后角設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鉆頭較強(qiáng)攻擊性的同時(shí)保護(hù)復(fù)合片不會(huì)崩損。

改進(jìn)后的?311.2mm M1366SR鉆頭在古深2井泉一段至登四段應(yīng)用，鉆進(jìn)井段2940.02～3250.00m，進(jìn)尺309.98m，機(jī)械鉆速2.57m/h。與牙輪鉆頭相比，進(jìn)尺提高80.55%，機(jī)械鉆速提高107.26%。而且首次實(shí)現(xiàn)了深井3000m以上技套井段國(guó)產(chǎn)?311.2mmPDC鉆頭完鉆。

2.1.2復(fù)合鉆井技術(shù)

在古深2井施工中，針對(duì)牙輪鉆頭鉆時(shí)慢的實(shí)際，及時(shí)捕捉信息，認(rèn)真研究地層巖性特點(diǎn)，優(yōu)選PDC鉆頭和螺桿鉆具，在沙河子組泥巖地層開(kāi)展了復(fù)合鉆井試驗(yàn)。試驗(yàn)井段4984～5161m，應(yīng)用引進(jìn)?215.9mmDSX系列PDC鉆頭配合?172mm低轉(zhuǎn)速大扭矩螺桿，2只PDC鉆頭總進(jìn)尺187m，平均機(jī)械鉆速1.10m/h，與該井復(fù)合鉆井前牙輪鉆頭轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)相比（4936.17～4984.92m，進(jìn)尺48.75m，機(jī)械鉆速0.6m/h），進(jìn)尺提高92%，機(jī)械鉆速提高83%。該項(xiàng)試驗(yàn)首次在油田5000m以下深度進(jìn)行，突破了井下高硬度、高溫（200℃）地層不適合使用PDC鉆頭和螺桿的禁區(qū)，為深井提速提供了有力的技術(shù)支持。

2.1.3氣體鉆井技術(shù)

自2005年首次在升深2-17井進(jìn)行泡沫鉆井試驗(yàn)以來(lái)，大慶油田進(jìn)行了氣體鉆井技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。氣體鉆井施工層位主要在泉一段—營(yíng)城組地層，實(shí)際施工中根據(jù)井下情況，應(yīng)用了空氣、氮?dú)夂涂諝忪F化/泡沫鉆井工藝，取得了顯著的效果，氣體鉆井技術(shù)得到了進(jìn)一步完善和發(fā)展。2007～2009這三年的氣體鉆井施工情況見(jiàn)表2。

2.1.4渦輪鉆具試驗(yàn)

2009年在徐深41井營(yíng)城組井段首次開(kāi)展渦輪鉆具試驗(yàn)，以尋求提高深層火山巖地層機(jī)械鉆速的新途徑。渦輪鉆具采用俄羅斯研制生產(chǎn)的2TCIII－178T型減速器渦輪鉆具，具有井下工作性能穩(wěn)定、抗溫性強(qiáng)、輸出扭矩大等特點(diǎn)。另外，還針對(duì)地質(zhì)巖性特點(diǎn)，與鉆頭廠家經(jīng)過(guò)研討，設(shè)計(jì)、制造了個(gè)性化孕鑲PDC鉆頭。

渦輪鉆具試驗(yàn)井段4414.11～4424.50m，累計(jì)進(jìn)尺10.39m，純鉆9.98h，機(jī)械鉆速1.04m/h，渦輪鉆具使用21.98h，井下工作溫度170℃左右。與牙輪鉆頭的進(jìn)尺、機(jī)械鉆速等指標(biāo)相比，此次渦輪鉆具的應(yīng)用并沒(méi)有發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

2.2外圍井

表2　氣體鉆井施工情況

2.2.1鉆頭優(yōu)選

通過(guò)改進(jìn)鉆頭來(lái)提高鉆井速度，是外圍井提速的有效手段之一。由于外圍井大部分地層為砂礫巖和含礫砂巖，只有寶一段含有大段泥巖適合PDC鉆頭的應(yīng)用。為此，對(duì)PDC進(jìn)行了改進(jìn)，以提高寶泉嶺組泥巖段機(jī)械鉆速，并在達(dá)二段以下地層進(jìn)行了PDC鉆頭適應(yīng)性試驗(yàn)。

方10井在寶一段使用?311.2mm M1955R鉆頭進(jìn)尺728.93m，平均機(jī)械鉆速5.83m/h；在達(dá)二段、新安村+烏云組的砂礫巖層進(jìn)行了?215.9 mmM1365R鉆頭試驗(yàn)，進(jìn)尺170.77m，機(jī)械鉆速2.22m/h，與同層位牙輪鉆進(jìn)相比，機(jī)械鉆速提高了29%。

2.2.2垂直鉆井技術(shù)

井斜問(wèn)題一直是外圍井鉆井施工的一大難題。近兩年方正區(qū)塊的施工實(shí)踐證明，垂直鉆井技術(shù)是提高機(jī)械鉆速、保證井身質(zhì)量和縮短鉆井周期的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。2009年在方正區(qū)塊的3口井應(yīng)用了Powerv-MWD垂直鉆井技術(shù)，取得了很好的效果。見(jiàn)表3。

表3　2009年方正區(qū)塊垂直鉆井系統(tǒng)應(yīng)用情況

2.3特殊工藝井

2.3.1深層水平井

在松遼盆地北部深層進(jìn)行水平井施工，集中了水平井和深井施工的全部技術(shù)難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①深層礫巖巖石可鉆性極值高、造斜率低，造斜段與水平段井眼軌跡控制難度大；②登婁庫(kù)組易剝落、營(yíng)城組礫巖易掉塊，發(fā)生硬卡鉆及沉砂卡鉆幾率大；③深層地溫高，鉆井工具的使用壽命短，易發(fā)生螺桿失效現(xiàn)象；④深層巖石硬度大，機(jī)械鉆速低、周期長(zhǎng)，易發(fā)生鉆具疲勞破壞，并且對(duì)技套磨損大。⑤無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量?jī)x器測(cè)量最低點(diǎn)離鉆頭約9m，井眼軌跡控制難度較大。解決好以上問(wèn)題，對(duì)提高水平井施工效率來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

（1）采用“六勤法”來(lái)精確控制井眼軌跡，即“勤測(cè)量、勤計(jì)算、勤分析、勤預(yù)測(cè)、勤發(fā)現(xiàn)和勤調(diào)整”。

（2）選擇適合的鉆頭，提高單只鉆頭進(jìn)尺及機(jī)械鉆速；按照實(shí)際造斜率比設(shè)計(jì)造斜率高10%～20%的原則優(yōu)選抗高溫、低轉(zhuǎn)速、大扭矩的單彎螺桿鉆具。

（3）復(fù)雜事故預(yù)防方面：保證鉆井液攜砂能力，控制固相含量，及時(shí)補(bǔ)充足夠的潤(rùn)滑劑；優(yōu)化鉆具組合，保證井眼軌跡平滑過(guò)渡；下鉆中途分段循環(huán)舉砂，執(zhí)行提前循環(huán)劃眼到底，按技術(shù)要求活動(dòng)鉆具等措施，防止卡鉆；使用防磨套，降低扭矩、摩阻，減輕鉆具與套管壁的磨損和碰撞。

2.3.2側(cè)鉆水平井

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)宋站地區(qū)營(yíng)城組三段火山巖巖性氣藏的含氣情況，爭(zhēng)取產(chǎn)能上有所突破，以實(shí)現(xiàn)該區(qū)塊的儲(chǔ)量升級(jí)，2009年施工了大慶油田第一口深層套管開(kāi)窗側(cè)鉆水平井宋深CP102井。通過(guò)側(cè)鉆工藝技術(shù)、鉆頭和螺桿鉆具優(yōu)選、地質(zhì)導(dǎo)向軌跡控制技術(shù)、事故復(fù)雜預(yù)防技術(shù)、尾管封隔器完井液填充工藝等技術(shù)的研究與應(yīng)用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，形成了一套適合大慶油田深層側(cè)鉆水平井鉆井完井配套技術(shù)。

宋深CP102井優(yōu)選了新疆萬(wàn)吉PDC鉆頭，并根據(jù)需要使用了定向鉆具、穩(wěn)斜鉆具和鐘擺鉆具，很好地控制了井眼軌跡，提高了鉆井效率。該井完鉆斜深3655.00m，水平位移577.18m，水平段長(zhǎng)398.50m，最大井斜角74.73°，平均機(jī)械鉆速1.04m/h，投入產(chǎn)出比約為1∶5.13。

3　存在的問(wèn)題

3.1鉆頭優(yōu)選

深井技套泉二段以下地層，特別是12-1/4″井眼，地層硬度高，而且由于鉆井液密度大（＞1.25g/cm3）而造成的壓持效應(yīng)，使得牙輪鉆頭機(jī)械鉆速很慢（1.0m/h左右），而此深度以下還沒(méi)有適合的PDC鉆頭。雖然近年來(lái)PDC的使用效果已經(jīng)取得突破，但目前還不能夠完全實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭技套完鉆，仍有提速空間，這就需要繼續(xù)改進(jìn)、優(yōu)選出更適合泉頭組、登婁庫(kù)組鉆進(jìn)的PDC鉆頭。

3.2氣體鉆井

現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐證實(shí)，氣體鉆井提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期的效果明顯，但由于該工藝自身特點(diǎn)而存在一些技術(shù)難題懸而未決，而且隨著氣體鉆井施工的不斷推廣、深入，各種新問(wèn)題亦隨之暴露。

（1）地層出水情況不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而且在發(fā)現(xiàn)出水后，尚無(wú)能夠有效測(cè)定出水量的手段。

（2）井斜角問(wèn)題仍未能徹底解決。塔式鉆具、鐘擺鉆具和滿(mǎn)眼鉆具均不能主動(dòng)防斜，當(dāng)井斜角增大時(shí)，均須同時(shí)控制鉆壓和鉆速，影響了機(jī)械鉆速的提高。

（3）井壁穩(wěn)定問(wèn)題，包括兩方面：鉆進(jìn)過(guò)程中的井壁不穩(wěn)定，氣液轉(zhuǎn)換后的井壁失穩(wěn)。

（4）對(duì)后續(xù)鉆井施工的影響：氣體鉆進(jìn)井段井徑大、極不規(guī)則，造成后期鉆進(jìn)扭矩大、測(cè)井遇阻，還會(huì)影響固井質(zhì)量。

3.3井下動(dòng)力鉆具

3.3.1渦輪鉆具

上文所述的渦輪鉆具應(yīng)用效果不理想的原因：沒(méi)有適合渦輪鉆具在火山巖地層鉆進(jìn)的鉆頭。

（1）牙輪鉆頭轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足不了硬地層鉆進(jìn)的需要，牙齒抗沖擊、抗研磨能力不足，會(huì)出現(xiàn)斷齒、磨齒速度加快的現(xiàn)象，甚至掉牙輪。

（2）PDC鉆頭適合高轉(zhuǎn)速，但復(fù)合片抗沖擊能力更差，配合渦輪鉆進(jìn)時(shí)復(fù)合片很快會(huì)碎裂。

盡管效果較差，但渦輪鉆具高轉(zhuǎn)速、抗高溫及扭矩大的特性得到了發(fā)揮，并且較安全地進(jìn)行了施工，為今后深井提速探索了一條可行之路。建議下一步在泉二段以下地層進(jìn)行渦輪鉆具配合超高轉(zhuǎn)速牙輪鉆頭鉆進(jìn)試驗(yàn)，并繼續(xù)尋找適合渦輪鉆具的PDC鉆頭。

3.3.2螺桿鉆具

螺桿鉆具在深井施工中主要有3個(gè)作用：配合PDC鉆頭或者高速牙輪鉆頭進(jìn)行復(fù)合鉆井，提高機(jī)械鉆速；單彎螺桿糾斜鉆進(jìn)，保證井身質(zhì)量；用于水平井、定向井的導(dǎo)向鉆進(jìn)，控制井眼軌跡。

慶深氣田地溫梯度較高，約4.1℃/100m，井深4000m靜止溫度達(dá)160℃，循環(huán)溫度約120℃。高溫會(huì)使螺桿鉆具的橡膠和金屬膨脹，減少定、轉(zhuǎn)子之間的配合值，嚴(yán)重影響螺桿鉆具的性能。螺桿鉆具的薄弱環(huán)節(jié)是定子橡膠耐高溫程度低、軸承易損壞。目前國(guó)產(chǎn)螺桿的抗溫性、使用壽命還不能滿(mǎn)足深井施工要求。徐深平32井完鉆垂深3861m，三開(kāi)鉆進(jìn)所用螺桿只能下井使用一次，工作時(shí)間平均80h，造成鉆頭、螺桿用量大，影響了鉆井經(jīng)濟(jì)效益。

4　認(rèn)識(shí)及建議

（1）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的鉆井實(shí)踐，已經(jīng)形成松遼盆地深層提速的配套集成技術(shù)系列，也在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了很好的效果。但仍須解決一些瓶頸技術(shù)難題，并不斷探索提速的新途徑。

（2）控斜打快仍是提速工作的重點(diǎn)，須進(jìn)一步開(kāi)展鉆頭優(yōu)選和改型、復(fù)合鉆井等技術(shù)的研究與推廣。

（3）實(shí)踐證明，氣體鉆井是一項(xiàng)極具潛力的提速技術(shù)，但仍存在井斜角的控制、鉆具腐蝕及井壁穩(wěn)定等難題有待解決。

（4）雖然渦輪鉆具試驗(yàn)并未取得預(yù)期效果，但為深層提速做出了有益的嘗試。建議下一步試驗(yàn)超高壓噴射鉆井、高壓水力脈沖空化射流鉆井等新技術(shù)、新工藝。

（5）隨著外圍疑難井、特殊工藝井的增多，鉆井施工難度不斷加大，需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、開(kāi)拓創(chuàng)新，再次促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

［1］劉占魁，等.莫深1井復(fù)雜超深井鉆井技術(shù)應(yīng)用［M］.石油工業(yè)出版社，2008.

［2］范興沃，等.空氣鉆井技術(shù)難點(diǎn)與對(duì)策分析［M］.石油工業(yè)出版社，2008.

TE242

B

1004-5716（2016）01-0091-04

2015-11-12

2015-11-16

王海波（1984-），男（漢族），湖北大冶人，工程師，現(xiàn)從事海外市場(chǎng)管理工作。