五探1井?444.5mm井眼優(yōu)快鉆井技術(shù)

鄭述權(quán)， 羅良儀， 陳正云， 蒲含科， 鮮文瀚， 萊 源

(中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司)

一、地質(zhì)工程難點(diǎn)

三開設(shè)計(jì)用?444.5 mm鉆頭從沙溪廟地層鉆至嘉二3亞段中部，從井深360～3 480 m，下技術(shù)套管封隔低壓易漏、易垮等復(fù)雜井段。該井段穿越沙溪廟、涼高山、自流井、須家河、雷口坡和嘉陵江上部地層。沙溪廟至珍珠沖的泥頁巖地層易垮塌、易鉆頭泥包；須家河地層的石英砂巖，研磨性極強(qiáng)，可鉆性極差，易磨損鉆頭；嘉陵江地層大段的石膏易造成蠕變縮徑及鉆井液損害。裸眼段長、大井眼、地層巖性多變，井眼穩(wěn)定性差、攜砂困難、井身質(zhì)量難于控制。

1.井眼穩(wěn)定性差

沙溪廟～珍珠沖地層坍塌應(yīng)力高、泥頁巖易水化膨脹造成井壁失穩(wěn)。鄰井七里29井沙溪廟地層井塌卡鉆，難于處理，被迫填眼側(cè)鉆；七里50井和七里13井在涼高山～珍珠沖地層都發(fā)生垮塌。以上3口井都是在?311.2 mm井眼，五探1井是?444.5 mm井眼，相對于?311.2 mm井眼，穩(wěn)定性更差、垮塌的問題更加突出[1-2]。

2.須家河地層可鉆性差

多年實(shí)鉆表明，下川東區(qū)塊在靠近達(dá)州附近的須家河地層石英含量高，巖性致密、硬度大、研磨性極強(qiáng)，可鉆性極差[3]。鄰井五科1井，鉆須家河地層段長475 m，用8只?444.5 mm牙輪鉆頭，耗時(shí)30 d，單只鉆頭平均進(jìn)尺59.38 m，平均鉆頭壽命53 h，平均機(jī)械鉆速1.12 m/h。

3.膏鹽層縮徑和鉆井液損害

雷口坡和嘉陵江段有膏鹽，易發(fā)生井眼縮徑、損害鉆井液、鉆頭泥包、卡鉆等故障。七里13-H1井在嘉四石膏段縮徑，下鉆遇阻，劃眼困難，鉆頭泥包。

4.井斜控制困難

本井段砂巖、泥巖、頁巖、煤、灰?guī)r、石膏巖等巖性交錯(cuò)復(fù)雜，易發(fā)生微臺肩造斜，影響井身質(zhì)量；各巖石的各向異性指數(shù)不同，也容易導(dǎo)致井斜。七里013-H1井在沙溪廟組井深400 m時(shí)，井斜達(dá)11.35°；五探1井在沙溪廟組井深725 m時(shí)，井斜達(dá)5.30°。

五探1井是?444.5 mm的井眼下?365.1 mm+?374.65 mm套管，比常規(guī)下?339.7 mm套管環(huán)空間隙縮小了17.5 mm，套管柱的順利下入對井眼質(zhì)量要求更高。

二、優(yōu)快配套鉆井技術(shù)

1.配強(qiáng)鉆井裝備

配置3臺F-2200HL大功率高壓泥漿泵，額定泵壓52 MPa，額定功率1 617 kW，總功率4 851 kW。同時(shí)使用兩臺泵，在75 L/s排量下，可達(dá)到31 MPa的高泵壓，保證了井下動(dòng)力鉆具的動(dòng)力和大尺寸井眼攜砂的需求；配置3臺GXL振動(dòng)篩，震動(dòng)頻率80 Hz，單臺處理量為60 L/s，篩布為160～180目；配備1臺一體機(jī)，處理量為240 m3/h；配置一臺中速離心機(jī)和一臺高速離心機(jī)，可控制鉆井液有害固含在0.2%以內(nèi)。

2.個(gè)性化PDC鉆頭的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

針對沙溪廟地層的泥巖和砂巖，巖石可鉆性好，埋藏淺，設(shè)計(jì)了5刀翼、?16 mm雙排齒、強(qiáng)保徑、抗沖擊能力強(qiáng)的個(gè)性化PDC鉆頭HS5163；本段機(jī)械鉆速較快，流道設(shè)計(jì)為大深排屑槽，滿足各切削齒的清洗要求；采用合理的噴嘴布局和不同尺寸噴嘴組合，改變井底流場，更利于井底凈化。

涼高山至自流井，以及雷口坡至嘉陵江地層，各層段的砂巖、泥巖夾頁巖、云巖、灰?guī)r和石膏等，巖性交錯(cuò)混雜，但巖石的硬度和可鉆性都比較接近，設(shè)計(jì)6刀翼、?16 mm雙排齒、強(qiáng)保徑、抗沖擊能力強(qiáng)的個(gè)性化PDC鉆頭HS6164。

本井在?444.5 mm井眼PDC鉆頭實(shí)鉆情況見表1。

表1 五探1井?444.5 mm井眼PDC鉆頭使用情況表

從表1可以看出，在沙溪廟地層使用“頂驅(qū)+螺桿+PDC” 復(fù)合鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速6.74 m/h；而使用“頂驅(qū)+PDC”鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速只有3.32 m/h。“頂驅(qū)+螺桿+PDC” 復(fù)合鉆進(jìn)比“頂驅(qū)+PDC”鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高了1倍。

3.選用復(fù)合鉆頭

須家河地層，以砂巖、中砂巖和石英砂巖為主，夾頁巖，地層硬度高，砂巖成分以石英為主，研磨性達(dá)5～6級，屬高研磨性地層。PDC鉆頭抗研磨性差，牙輪鉆頭同樣不抗研磨、而且軸承壽命低。復(fù)合鉆頭通過牙輪沖擊形成不連續(xù)的齒坑，再經(jīng)PDC切削，將不連續(xù)的齒坑連通，結(jié)合了PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優(yōu)勢[4]。針對這類地層，選用KPM系列“3刀翼+3牙輪”的復(fù)合鉆頭。

本井在須家河組采用“頂驅(qū)+螺桿+復(fù)合鉆頭”鉆井方式，4只復(fù)合鉆頭獲進(jìn)尺461.33 m，平均機(jī)械鉆速2.29 m/h，平均壽命52.88 h；4只牙輪鉆頭獲進(jìn)尺46.67 m，平均機(jī)械鉆速0.94 m/h，平均壽命22.15 h。在該段復(fù)合鉆頭的壽命是牙輪鉆頭的2.4倍，機(jī)械鉆速是牙輪鉆頭的2.5倍。

4.個(gè)性化螺桿設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鉆井提速技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用“頂驅(qū)+螺桿+PDC”的復(fù)合鉆井模式，螺桿的使用增加了井底鉆頭的轉(zhuǎn)速，從而大幅度提高鉆井速度[5]。

針對?444.5 mm井眼段井深、帶動(dòng)鉆頭需要扭矩大、排量大的特點(diǎn)，研制?286 mm大扭矩、高強(qiáng)度螺桿3LZ286X7Y和?244.5 mm等壁厚、中空、高強(qiáng)度、大扭矩螺桿DF7LZ244x7.0。

本井段使用螺桿9根，平均機(jī)械鉆速4.34 m/h。具體使用情況見表2。

表2 五探1井?444.5 mm井段螺桿使用情況表

5.優(yōu)化鉆井參數(shù)配合

根據(jù)鉆井工具的性能及所鉆層位巖性，優(yōu)化鉆井參數(shù)配合。在須家河以上地層，以大排量鉆進(jìn)，提高螺桿轉(zhuǎn)速，提高環(huán)空返速；在須家河地層鉆進(jìn)，使用大排量和合理的鉆壓，提高復(fù)合鉆頭壽命；雷口坡至嘉陵江地層鉆進(jìn)，以螺桿的推薦排量和合理的鉆壓，提高螺桿的使用時(shí)間。實(shí)鉆中排量保持在65～80 L/s，泵壓15～25 MPa，環(huán)空返速達(dá)0.47～0.57 m/s，有效清潔了井眼。每次起下鉆井眼暢通，井底無沉砂。

?139.7 mm鉆桿的使用，在75 L/s排量、1.25 g/cm3密度和3 550 m井深條件下，經(jīng)計(jì)算循環(huán)泵壓比使用?127 mm鉆桿降低10 MPa，為大排量鉆進(jìn)和螺桿的使用創(chuàng)造了很好的條件。

6.優(yōu)化鉆井液性能

6.1 選用有機(jī)鹽聚合物鉆井液體系

配方：膨潤土含量%～3%+0.1%～0.3%NaOH+0.4%～0.5% K-PAM/FA367+1%～2% PAC-LV+1%～3%NRH+2%～3%PHD/YH150+0.5%～1%CaO+5%～8% KCl+10%～15%Weigh2+2%～3%500～800目超細(xì)碳酸鈣+0.1%～0.3%生物聚合物+加重劑。

6.2 選用鉀聚磺鉆井液體系

在須家河底部～嘉陵江段，井段2 780～3 550 m，地層巖性以灰?guī)r、石膏、云巖、鹽巖為主，使用鉀聚磺鉆井液體系。該體系具有很強(qiáng)的抗石膏、鹽巖和硫化氫污染能力，還具有良好的高溫穩(wěn)定性、流變性和封堵性。選用CaO為石膏抑制劑，KCl為鹽巖抑制劑，磺化褐煤、磺化酚醛樹脂為主要護(hù)膠劑，磺化丹寧為稀釋劑，瀝青質(zhì)類處理劑為封堵劑；同時(shí)控制鉆井液的pH值在9～11，可以降低石膏在鉆井液中的溶解度，減輕石膏對鉆井液的損害

配方：井漿+0.2%～0.3%NaOH+0.2% K-PAM/FA367+1%～2% PAC-LV+3%～4%SMP-1+1%～2% NRH/YH150+2%～3%潤滑劑+0.5%～1%CaO+2%～3%500～800目超細(xì)鈣+1%～1.5%除硫劑+5%～8%KCl+加重劑。

6.3 各層段鉆井液性能的實(shí)際控制

在沙溪廟至須家河段鉆進(jìn)中，根據(jù)振動(dòng)篩返砂情況，及時(shí)、合理調(diào)整鉆井液密度；加入KCl加量7%以上，大分子聚合物含量0.5%以上，有機(jī)鹽weigh2含量在10%～15%，強(qiáng)化鉆井液抑制性能；加入3%以上的乳化瀝青和2%～3%超細(xì)碳酸鈣增強(qiáng)鉆井液封堵性能，減少濾液滲入地層，有效防止井壁垮塌；鉆井液油含3%以上，提供油潤濕性能及潤滑性能，防止鉆頭泥包。

在進(jìn)入膏鹽層鉆進(jìn)前，對鉆井液充分進(jìn)行預(yù)處理，加入2%～3%潤滑降濾失劑，保證鉆井液含油量3%以上。同時(shí)膠液中多加入1%RSTF、1%SMP，維持鉆井液較低濾失量，同時(shí)提高鉆井液的pH值在9～10，避免膏巖層縮徑和損害鉆井液。

堅(jiān)持使用好固控設(shè)備。振動(dòng)篩使用率100%，除砂器、除泥器使用率100%，中速、高速離心機(jī)交替使用，使用率80%以上，控制鉆井液有害固相含量小于0.2%。實(shí)際各層段鉆井液性能見表3。

表3 五探1井三開鉆井液體系和性能表

7.使用大鉆鋌鐘擺鉆具

使用?279 mm大尺寸鉆鋌鐘擺鉆具組合，大大提高了彎曲臨界鉆壓。經(jīng)計(jì)算?279 mm鉆鋌一次彎曲的臨界鉆壓為181 kN，實(shí)際鉆壓控制在120 kN鉆進(jìn)。該組合能有效防止井斜，全角變化率得以很好控制，也使井眼光滑[7]。

三、實(shí)施效果

通過以上鉆井技術(shù)的配套實(shí)施，取得了顯著的效果：井身質(zhì)量全優(yōu)；與同類型井相比，機(jī)械鉆速大幅提高、鉆井周期大幅縮短。各層段機(jī)械鉆速和周期見表4。

表4 五探1井各層段機(jī)械鉆速和周期

1.井身質(zhì)量全優(yōu)

五探1井三開?444.5 mm井眼段，井身質(zhì)量全優(yōu)。井斜得到有效控制，最大井斜僅為1.62°(井深1 860 m)，全角變化率只有0.45°/30 m(井深3 185 m)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)中全角變化率標(biāo)準(zhǔn)2.75°/30 m。井徑擴(kuò)大率得到有效控制，平均井眼擴(kuò)大率僅為6.1%，小于一般井眼擴(kuò)大率10%。

完鉆后通井順利，?365.1 mm+?374.65 mm技術(shù)套管安全順利下入預(yù)定井深。

2.機(jī)械鉆速大幅提高

本井眼段機(jī)械鉆速達(dá)到4.02 m/h。比馬深1井的1.87 m/h提高115%，比太和1井的2.61 m/h提高53%。

3.鉆井周期大幅度縮短

五探1井?444.5 mm鉆頭僅用時(shí)29.58 d鉆至井深2 000 m，創(chuàng)四川油氣田大尺寸井眼鉆井速度新紀(jì)錄。

與同類型井相比，比馬深1井段長短107 m情況下，節(jié)約周期94.57 d；比太和1井段長增加1 212 m情況下，節(jié)約周期21.42 d；比足201-H1井段長增加900 m的情況下，周期只多了8.76 d。

四、認(rèn)識和建議

(1)沙溪廟上部地層用5刀翼?16 mm雙排齒PDC鉆頭HS5163，沙溪廟下部至自流井地層使用6刀翼?16 mm雙排齒PDC鉆頭HS6164，并用“頂驅(qū)+螺桿”的鉆井方式，有效提高了機(jī)械鉆速。

(2)在?444.5 mm井眼中使用?279 mm鉆鋌的鐘擺鉆具組合，有效防止了井斜。

(3)有機(jī)鹽聚合物鉆井液體系能有效維持須家河以上地層的井壁穩(wěn)定；鉀聚磺體系鉆井液能有效控制嘉陵江地層石膏段的縮徑和鉆井液損害。

(4)在?444.5 mm井眼，密度1.25 g/cm3鉆井液，用75 L/s以上的排量，環(huán)空返速0.5 m/s以上，有害固含控制在0.2%以內(nèi)，能有效清潔井眼。

(5)須家河地層使用的KPM1633復(fù)合鉆頭雖然比牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速快2.46倍，但其攻擊性和抗研磨性還有待進(jìn)一步提高。

[1]林海，伍葳.井眼尺寸對井壁穩(wěn)定性影響研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013,13(18):5308-5311.

[2]崔瑩，屈展，趙均海， 等.考慮尺寸效應(yīng)的井壁坍塌壓力統(tǒng)一強(qiáng)度理論解[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,41(4):1153-1161.

[3]蘭凱，張金成，母亞軍，等.高研磨性地層鉆井提速技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2015,37(6):18-22.

[4]胡大梁，嚴(yán)焱誠，李群生，等.混合鉆頭在元壩須家河組高研磨性地層的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2013,36(6):8-12.

[5]鄭述權(quán)，張帆，鐘廣榮，等.樂山—龍女寺古隆起震旦系超深井快速鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2013,33(7)：74-79.

[6]王蘭，陳俊斌，劉宇凡.有機(jī)鹽鉆井液在磨溪11井的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2014，37(1)：102-104.

[7]潘仁杰.莫深1井444.5 mm大尺寸井眼鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2008，28(7)：63-65.