元壩103-1H井超深井鉆井配套技術

孫曉波

(中國石化勝利石油工程有限公司西南分公司，四川德陽 618000)

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元壩103-1H井超深井鉆井配套技術

孫曉波

(中國石化勝利石油工程有限公司西南分公司，四川德陽 618000)

四川元壩地區(qū)天然氣資源豐富，但儲層埋藏深、巖石硬度大、巖石可鉆性差，導致機械鉆速低、鉆井周期長，制約了該區(qū)塊的開發(fā)進度。為此元壩103-1H井優(yōu)選現(xiàn)有提速方法，采用新鉆井技術：一開泡沫鉆配合干法固井；二開空氣鉆提前轉為泥漿鉆的條件下優(yōu)選鉆頭，為該區(qū)塊二開安全、快速鉆井開辟了新思路；三開采用"NEW-DRILL+孕鑲/PDC鉆頭"新技術，機械鉆速是該區(qū)塊同類井的2.30倍；四開采用“NEW-DRILL+ PDC鉆頭”新技術，為該項技術在φ241.3 mm井眼的首次應用；五開優(yōu)化側鉆鉆具組合、優(yōu)選側鉆方向，一趟鉆側鉆成功。該井鉆井周期提前62.89天，提速提效效果顯著，其配套鉆井技術可為其他井提供借鑒。

元壩地區(qū)；元壩103-1H井；鉆井技術；鉆頭選型

元壩地區(qū)超深海相井已初步形成一開泡沫鉆井技術，二開空氣鉆井技術，三開控壓鉆井、渦輪復合鉆井、高速螺桿復合鉆井、扭力沖擊發(fā)生器鉆井技術，四開螺桿鉆具復合鉆井技術，五開螺桿鉆具復合鉆井技術、旋轉導向鉆井技術等一系列配套技術[1-6]，但針對每口井的具體情況采取更具體、合理的提速提效手段仍是需要解決的問題，文中對目前較為普遍的做法不再詳細說明，重點對元壩103-1H井鉆井施工中采取的不同做法進行闡述。

1 元壩103-1H井概況

元壩103-1H井是中國石化西南油氣分公司部署在四川盆地川東北巴中低緩構造元壩區(qū)塊長興組②號礁帶的一口開發(fā)井，設計井深7 729 m，完鉆井深7 508 m，井身結構為川東北元壩地區(qū)比較成熟的五開制結構。鉆遇地層自上而下為白堊系劍門關組，侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、上沙溪廟組、下沙溪廟組、千佛崖組、自流井組、三疊系須家河組、雷口坡組、嘉陵江組和飛仙關組，二疊系長興組(未穿)。該井為超深水平井，鉆遇地層多、年代老、可鉆性差，鉆井難度較大。

2 元壩103-1H井鉆井配套技術

2.1 氣體鉆井技術

實施氣體鉆井時因其極低的井底壓力，一方面降低了井眼周圍巖石的塑性，繼而使巖石的脆性增強，巖石本身的強度降低；另一方面消除了常規(guī)鉆井液液柱壓力對井底巖石的壓持效應，有效避免了井底巖石的重復破碎，從而使機械鉆速大大提高[7]。元壩地區(qū)陸相地層基本能夠滿足氣體鉆井的條件，因而氣體鉆井技術得以推廣。

2.1.1 一開泡沫鉆井技術

元壩103-1H井開導眼至井深32 m固井后，一開泡沫鉆進至中完井深706 m，采取“穿鞋帶帽”的方式干法固井。

2.1.2 二開空氣鉆井技術

(1)二開空氣鉆施工概況。元壩103-1H井二開設計井深3 102 m，為防斜打快，牙輪鉆頭掃完水泥塞鉆進至井深762.03 m后(平均機械鉆速10.19 m/h)，采用成都諾爾RKQC275-Ⅱ型空氣錘方式鉆進(排量175 m3/min、鉆壓20 kN、轉速35 r/min)，鉆進井段7 62.03～1 443.23 m，平均機械鉆速13.36 m/h。由于空氣錘機械鉆速降低，起鉆檢查空氣錘，起鉆至井深1 425.62 m懸重由100 t提高至140 t后逐漸降低然后恢復正常，起鉆后空氣錘泥包。由于空氣錘不宜處理井下復雜情況，下入牙輪鉆頭，下鉆至井深1 398.42 m遇阻10 t，劃眼至井深1 406.41 m卡鉆，處理卡鉆事故過程中，被迫采用旋轉噴淋的方式轉換泥漿，空氣鉆結束。

(2)二開空氣鉆卡鉆原因分析。元壩103-1H井卡鉆前有三個現(xiàn)象：一是空氣錘起鉆前排砂口及取樣器處巖屑并未監(jiān)測到地層出水；二是起鉆至井深1 425.62 m遇阻，起出的空氣錘有明顯的泥包現(xiàn)象；三是牙輪鉆頭下鉆至井深1 398.42 m有明顯的遇阻顯示。

對以上三個相互矛盾的現(xiàn)象給予以下解釋：起鉆前的井深1 443.23 m附近地層未出水；出水井段應在起下鉆遇阻的點，即1 425.62 m、1 398.42 m附近且出水量不大已順利鉆穿；之所以出現(xiàn)起鉆過程中1 425.62 m遇阻而1 398.42 m及以上井段無顯示，下鉆時1 398.42 m遇阻的現(xiàn)象，是因為出水量不大的水層被穿過后隨著水層能量的不斷降低，空氣對井壁的不斷烘干和細小巖屑對井壁的不斷封堵，出水井段的出水量將逐漸降低直至不再出水。

二開空氣鉆卡鉆原因分析：在新鉆穿的水層還未得到充分烘干及封堵的情況下起鉆，導致其在整個起下鉆過程中仍繼續(xù)出水，進而造成了出水井段及以下井眼縮徑、井壁不穩(wěn)等一系列復雜情況，加之下鉆劃眼速度過快、井壁未完全烘干，最終導致了卡鉆事故的發(fā)生。

(3)空氣鉆出水應對措施。該區(qū)塊二開井段地層出水現(xiàn)象普遍存在，但出水量不大，還不具備轉為泡沫鉆井的條件。因此提出以下應對措施：①鉆進過程中監(jiān)測到地層出水，應降低機械鉆速(或提起鉆具循環(huán))、增大空氣排量，保證井底攜巖、攜水要求；②中途進行起下鉆作業(yè)，起鉆前應充分循環(huán)保證井底無沉砂同時盡量保證已鉆穿的水層不再出水，下鉆過程中有遇阻顯示立即劃眼，按鉆進過程中地層出水的措施謹慎處理。

2.2 二開地層鉆頭選型技術

2.2.1 二開地層鉆頭選型的必要性

統(tǒng)計元壩區(qū)塊2013-2015年完鉆的15口同類型海相井的資料(表1)得出：15口井中，靠空氣鉆鉆達設計井深的井4口，所占比例僅為26.67%；因空氣鉆未鉆達設計井深而轉化為常規(guī)泥漿鉆的井6口，占統(tǒng)計井口數(shù)的40%；除元壩103-1H井外，泥漿鉆機械鉆速在0.26～0.41 m/h之間，平均機械鉆速僅為0.31 m/h。因此，二開地層鉆頭選型技術非常有必要，尤其針對目前空氣鉆后期沉砂較多、接單根困難、卡鉆風險大的實際情況，可適當提前結束空氣鉆，通過鉆頭優(yōu)選技術轉為常規(guī)泥漿鉆鉆進至中完井深。

2.2.2 元壩103-1H井二開鉆頭選型技術元壩103-1H井二開φ444.5 mm井眼空氣鉆鉆進至井深1 443.23 m，與設計井深3 102 m相差1 658.77 m。為提高機械鉆速、降低鉆井成本，該井進行了一系列鉆頭選型(表2)，最終確定的MS1951鉆頭與二開地層適應性良好，在1 497.94～2 506.02 m、2 513.09～3 099 m井段機械鉆速分別達到3.07 m/h、1.66 m/h，平均機械鉆速2.34 m/h，是其他井泥漿鉆機械鉆速的7.55倍，且單趟鉆最高進尺達1 008.08 m。該井雖被迫由空氣鉆轉為常規(guī)泥漿鉆進，但通過鉆頭選型技術同樣達到了提速提效的目的。

表1 元壩區(qū)塊2013-2015年完鉆井二開施工情況

2.3 三開、四開“NEW-DRILL+孕鑲/PDC鉆頭”復合鉆井技術

元壩103-1H井三開、四開均采用“NEW-DRILL+孕鑲/PDC鉆頭”復合鉆井新技術。NEW-DRILL提速破巖工具是由動力鉆具與轉速鉆壓恒定器組成，其中轉速鉆壓恒定器是區(qū)別于常規(guī)動力鉆具的組件，也是NEW-DRILL的核心組件[8]。

表2 元壩103-1H井二開鉆頭選型情況

2.3.1 NEW-DRILL工具在三開井段的應用

元壩103-1H井三開φ314.1 mm井眼設計周期170天，應用NEW-DRILL提速工具，配合分段優(yōu)選的鉆頭，科學的鉆具組合節(jié)約鉆井周期90.87天。三開實鉆井段3 099 m～5 120 m，累計進尺2 021 m，純鉆時間1 156.16 h，平均機械鉆速1.75 m/h，是元壩氣田三開平均機械鉆速的2.3倍。

該井常規(guī)牙輪鉆具掃水泥塞完后繼續(xù)鉆進新地層22.75 m至井深3 121.75 m，保證提速工具全部進入裸眼段，固井附件徹底掃完并攜帶干凈后起鉆。運用NEW-DRILL提速工具10趟鉆、10只鉆頭(其中7只PDC鉆頭、1只孕鑲PDC鉆頭、2只孕鑲鉆頭，同類井該井段鉆頭使用數(shù)量在20只以上)打完3 121.75～5 120 m井段，累計進尺1 998.25 m，純鉆時間1 112.33 h，平均機械鉆速1.80 m/h。其中上沙溪廟組平均機械鉆速8.51 m/h，雷口坡組四段、三段地層平均機械鉆速4.32 m/h，均創(chuàng)下該區(qū)塊分地層統(tǒng)計最高機械鉆速紀錄(表3)。

表3 NEW-DRILL提速工具在元壩103-1H井三開分地層機械鉆速

(1)分段優(yōu)選的鉆頭。在NEW-DRILL使用過程中，根據(jù)該區(qū)塊地層的可鉆性級值，結合不同地層的巖性及研磨性，分段優(yōu)選鉆頭(表4)，以便充分地發(fā)揮NEW-DRILL的作用。

(2)科學的鉆具組合。在可鉆性較好、地層相對較軟的上沙溪廟組、下沙溪廟組及千佛崖組地層，將NEW-DRILL調至0.78°采用防斜單彎螺桿鉆具組合[9]，有效保證了在不損失機械鉆速前提下的防斜打直(三開最大井斜0.71°/3 665 m)。上部地層鉆具組合為：φ314.1 mmPDC+φ203.2 mm 0.78°NEW-DRILL+631×730配合接頭+731×730鉆具止回閥+φ228.6 mm鉆鋌×2根+φ311mm鉆具扶正器+φ228.6 mm鉆鋌×3根+731×630配合接頭+φ203.2 mm鉆鋌×6根+曲性長軸+φ203.2mm隨鉆震擊器+631×520配合接頭+φ139.7 mm鉆桿(期間加φ212 mm防磨接頭5只)，下部地層為無彎度NEW-DRILL。

表4 三開配合NEW-DRILL提速工具鉆頭選型情況

2.3.2 NEW-DRILL工具在四開井段的應用

元壩103-1H井四開實鉆井段5 120～6 805 m，平均機械鉆速2.31 m/h。四開井段用牙輪鉆頭掃完水泥塞后繼續(xù)鉆進新地層20 m至5 140 m起鉆。NEW-DRILL累計使用8趟鉆：第一趟鉆未使用該地區(qū)φ241.3 mm井眼相對成熟的φ197 mm直螺桿而使用φ172 mm0.78°NEW-DRILL的單彎螺桿鉆具防斜技術，實鉆過程中雖然采取了吊打措施，但井斜仍然呈上升趨勢(井深5 295 m時井斜角為1.32°，吊打至井深5 403.26 m井斜角持續(xù)上漲至4.13°)。第二、第三趟鉆分別下入φ203mm 1.15°NEW-DRILL，φ185 mm1.25°NEW-DRILL，主要任務均為糾斜，以滑動鉆進為主，大大犧牲了機械鉆速。后續(xù)五趟鉆NEW-DRILL正常使用。

2.4 五開小井眼超深硬地層側鉆技術

元壩103-1H井五開設計井深7 729 m，鉆進至井深7 410 m因未鉆遇良好油氣顯示填井側鉆，側鉆點6 842 m，鉆進至井深7 508 m完鉆。該井優(yōu)化側鉆鉆具組合、優(yōu)選側鉆方向、細化現(xiàn)場操作，側鉆第一趟鉆鉆進井段6 842～6 856.10 m，現(xiàn)場砂樣新地層巖屑所占比例95%以上，側鉆一次成功。

(1)優(yōu)化鉆具組合。首先，相同彎度的彎螺桿較“直螺桿+彎接頭”的造斜能力更強，但彎螺桿的肘點距鉆頭近，側向力的反作用力更容易破壞最初形成的較薄的夾壁墻，使鉆頭重新滑入老井眼；其次，超深小井眼側鉆鉆具剛性弱，選用牙輪鉆頭扭矩相對穩(wěn)定，相比PDC鉆頭更易擺工具面，且牙輪鉆頭的造斜能力優(yōu)于PDC鉆頭；再次，五開φ165.1 mm井眼，可供選擇的螺桿尺寸有φ121 mm、φ127 mm等，為增大側向力優(yōu)選φ127 mm螺桿。基于以上因素，元壩103-1H井側鉆期間選用“φ165.1 mm牙輪鉆頭+φ127 mm直螺桿+2°彎接頭+止回閥+定向接頭+φ120 mm無磁鉆鋌+限流接頭+311×4A20配合接頭+φ101.6 mm鉆桿×45根+φ101.6 mm加重鉆桿×42根+φ121 mm隨鉆震擊器1套+φ101.6 mm加重鉆桿×2根+旁通閥+φ101.6 mm加重鉆桿×6根+φ101.6 mm鉆桿+4A21×520配合接頭+φ139.7 mm鉆桿(期間加φ151 mm鋁銅防磨接頭14只)”的鉆具組合。

(2)優(yōu)選側鉆方向。該井原設計側鉆點選擇在6 835 m，該點井斜角75.70°、方位角110.07°、垂深6 697.62 m，打水泥塞后實探水泥塞位置6 842 m，將側鉆點選在該點。由圖1可知原井眼在側鉆點附近呈増斜，方位基本穩(wěn)定的趨勢，為增加鉆具的造斜能力，使新老井眼盡快分離，側鉆井眼初始段采取降斜、降方位鉆進，側鉆成功后再按設計軌跡調整。

圖1 元壩103-1H井側鉆井眼與原井眼井斜角、方位角

3 結論

(1)元壩區(qū)塊一開、二開井段，泡沫鉆井、空氣鉆井仍是主要的提速手段，配合泡沫鉆井的干法固井工藝及空氣鉆井的氣液轉換工藝也已相對成熟。

(2)二開空氣鉆井鉆進過程中易發(fā)生井下事故，起下鉆過程中的井下事故的原因及預防措施更應該引起重視。建議適時提前結束空氣鉆井，通過優(yōu)選鉆頭的方法達到安全鉆井的前提下提速提效的目的，元壩103-1H井二開鉆頭選型的成功經(jīng)驗可作為該區(qū)塊的借鑒。

(3)NEW-DRILL提速工具在元壩103-1H井三開井段應用效果良好，使三開井段提速獲得突破性進展，此工具可在該井段進一步推廣。NEW-DRILL提速工具在四開井段首次應用，采用怎樣的鉆具組合，鉆井參數(shù)以達到四開直井段防斜打快的目的還有待進一步研究。

(4)鉆具組合、側鉆方向的優(yōu)選是超深小井眼裸眼側鉆能否一次成功的關鍵：在滿足施工條件的前提下，首先“牙輪鉆頭+大尺寸直螺桿+大角度彎接頭”的鉆具組合；并且側鉆方向盡量選在井眼低邊方向，以進一步增大側向力。

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編輯：岑志勇

1673-8217(2016)06-0121-05

2016-07-04

孫曉波，1987年生，2012年畢業(yè)于重慶科技學院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事現(xiàn)場技術管理工作。

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