順北1-4H井超深小井眼中短半徑水平井鉆井難點(diǎn)及技術(shù)對(duì)策

張建龍， 溫　偉， 劉衛(wèi)東， 劉長(zhǎng)軍， 高炳堂

(1中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101； 2.中國(guó)石化西北油田分公司監(jiān)督中心，新疆 庫(kù)爾勒 841600； 3.中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000)

0　引言

隨著油氣資源的不斷開(kāi)發(fā)，淺層及其它易開(kāi)發(fā)的油氣資源越來(lái)越少，開(kāi)發(fā)難度大的砂礫巖、超深儲(chǔ)層越來(lái)越多。

中國(guó)石化順北油氣田是近年才開(kāi)發(fā)的油氣藏。該油氣田是中國(guó)石化西北油田分公司實(shí)施“塔河之外找塔河”戰(zhàn)略后在順北區(qū)塊找到的塔河油田接替區(qū)域。該區(qū)塊于2015年開(kāi)采，2016年開(kāi)始規(guī)模性開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)儲(chǔ)量達(dá)到17億t。

順北油田儲(chǔ)層為奧陶系一間房組、鷹山組及蓬萊壩組，油藏埋藏深度達(dá)到7300～8600 m，油藏特點(diǎn)是儲(chǔ)層埋藏深度大，地層溫度、壓力高，局部地區(qū)儲(chǔ)層上部奧陶系桑塔木組地層還含有易漏、易掉塊的輝綠巖地層，進(jìn)一步增加了順北油田油氣開(kāi)發(fā)難度。受到油藏埋藏的地質(zhì)條件限制，順北油田目標(biāo)地層多采用超深小井眼中短半徑水平井技術(shù)開(kāi)發(fā)。

順北1-4H井是中國(guó)石化西北油田分公司部署在順托果勒低隆北緣的一口開(kāi)發(fā)井，該井設(shè)計(jì)目標(biāo)地層垂直深度達(dá)到7546 m，完鉆井深8049.50 m，垂深7561.96 m,水平段長(zhǎng)430.20 m，創(chuàng)造了?120.65 mm井眼中短半徑水平井井深最深及水平段最長(zhǎng)紀(jì)錄。順北1-4H井順利完成為進(jìn)一步探索超深中短半徑水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)提供幫助，也為順北油田后期采用中短半徑水平井開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1　順北1-4H井概況

順北1-4井地層情況見(jiàn)表1。該井設(shè)計(jì)四開(kāi)井身(見(jiàn)表2)，設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)7530 m，造斜率23.8°/30 m。受到奧陶系桑塔木組輝綠巖的影響，四開(kāi)?120.65 mm井眼采用中短半徑水平井鉆井。實(shí)際造斜點(diǎn)7475 m，增斜段平均造斜率25.27°/30 m。

表1　順北1-4H井設(shè)計(jì)地層層序

注：上下地層之間關(guān)系：實(shí)線表示整合接觸,點(diǎn)劃線表示平行不整合接觸,波浪線表示角度不整合接觸。

2　順北1-4H井水平井鉆井難點(diǎn)分析

順北1-4H井鉆井難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1　鉆具易彎曲變形引起托壓，影響定向鉆井

順北1-4H井井眼及鉆具尺寸小，鉆具柔性大，鉆具易彎曲變形,增大鉆具與井眼接觸面積，同時(shí)井眼曲率大，易形成巖屑床，阻礙鉆具上提及下放，從而增大鉆井摩阻，引起托壓，滑動(dòng)鉆井時(shí)上部鉆具處于靜止?fàn)顟B(tài)，鉆井摩阻增大，托壓現(xiàn)象更加明顯。順北1-4H井滑動(dòng)鉆井、復(fù)合鉆井、及起下鉆等不同工況大鉤負(fù)荷變化情況如圖1所示。

表2　順北1-4H井井身結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，7500 m開(kāi)始不同工況大鉤負(fù)荷變化曲線均發(fā)生明顯的變形，形成了明顯的托壓現(xiàn)象。托壓從大到小的工況依此為滑動(dòng)鉆井、復(fù)合鉆井、下鉆、離底旋轉(zhuǎn)。滑動(dòng)鉆井托壓最大，7060 m處滑動(dòng)鉆井比復(fù)合鉆井托壓增大22 kN，7760 m處托壓更大。7984 m處因托壓無(wú)法定向。

圖1順北1-4H井大鉤負(fù)荷變化情況

2.2　超深小井眼溫度高，可用測(cè)量?jī)x器少

順北1-4H井進(jìn)行?120.65 mm井眼水平井鉆井前，順北地區(qū)完鉆井只有順北1-1H井。順北1-1H井井眼尺寸為?149.2 mm,井深7602.05 m,儀器配套可借鑒的資料少。

順北地區(qū)地溫梯度達(dá)到2.0～2.18 ℃/100 m，順北1-4H井設(shè)計(jì)井底垂深7546 m，預(yù)計(jì)井底靜止溫度165 ℃以上，而小井眼循環(huán)排量低，循環(huán)降溫效果差，可用測(cè)量?jī)x器少。

目前國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的儀器抗溫一般在140 ℃左右，雖然有些廠家已經(jīng)生產(chǎn)了抗溫175 ℃儀器，但研發(fā)完后尚未形成工業(yè)化應(yīng)用。

國(guó)外高溫儀器直接供應(yīng)流程復(fù)雜，供應(yīng)少，租用價(jià)格高。國(guó)內(nèi)雖然引進(jìn)了標(biāo)稱抗溫175 ℃儀器，但目前引進(jìn)的175 ℃儀器實(shí)際抗溫能力很多不到165 ℃。

2.3　?120.65 mm井眼使用的?95 mm螺桿振動(dòng)大，對(duì)儀器測(cè)量精度影響大

螺桿鉆具均為中空結(jié)構(gòu)(圖2)，鉆具抗彎強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的彎曲力計(jì)算如式(1)所示。

F=kσS=kσπ(2R-d)d

(1)

式中：F——螺桿鉆具彎曲所需力，kN；σ——材料抗彎強(qiáng)度，MPa；R——螺桿鉆具外徑，m；d——螺桿鉆具壁厚，m;k——系數(shù)，常數(shù)；S——橫截面積,m2。

圖2　螺桿結(jié)構(gòu)示意圖

從式(1)可以看出，螺桿鉆具外徑越大，鉆具彎曲需要的力也越大，鉆具的抗彎能力也越強(qiáng)，?95 mm螺桿比?120.65 mm螺桿抗彎能力更低，鉆具更容易發(fā)生彈性變形。

鉆具發(fā)生彈性變形后，彈性變形的形成及恢復(fù)易引起鉆具的振動(dòng)，彈性振動(dòng)的強(qiáng)度又受到材料抗彎強(qiáng)度、受力性質(zhì)及大小、力矩影響。對(duì)于某一種材料，其抗彎強(qiáng)度一定，螺桿鉆具的彈性變形主要受到交變力的大小及力矩大小影響，交變力越大，變化頻率越高，鉆具受到的力越大，螺桿鉆具的彈性變形能力就越強(qiáng)。當(dāng)彈性變形達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)引起固定在電路板上的元器件損壞。

北京石油機(jī)械廠?95 mm螺桿在順北1-4H井出現(xiàn)多次振動(dòng)損壞儀器，影響正常測(cè)量情況。定向鉆井至7563.38 m工具面出現(xiàn)異常，隨即MWD儀器無(wú)脈沖信號(hào)。隨后復(fù)合鉆進(jìn)鉆至7576.73 m，鉆時(shí)明顯變慢，鉆時(shí)由18～20 min/m增加到35 min/m，泵壓由23 MPa升高到25 MPa，最高升高到28 MPa，出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，同時(shí)定向工具面出現(xiàn)異常。工具面一直保持在75°無(wú)變化，振動(dòng)值也一直處于高危振動(dòng)警告區(qū)域。起鉆檢查發(fā)現(xiàn)儀器探管扶正金屬塊及固定螺絲被振斷，電路板線圈脫落，電容掉落(圖3)，儀器監(jiān)測(cè)的振動(dòng)值達(dá)到68～75 G(圖4)。

圖3　順北1-4H井振動(dòng)對(duì)儀器損傷

圖4　順北1-4H井儀器監(jiān)測(cè)振動(dòng)值變化

2.4　超深中短半徑水平井軌跡控制難度大

順北地區(qū)目標(biāo)地層一間房組灰?guī)r地層縫洞發(fā)育，超深中短半徑水平井軌跡控制難度主要表現(xiàn)在鉆具托壓引起工具面擺放困難及小鉆具鉆遇大裂縫地層時(shí)軌跡延伸易受裂縫等影響發(fā)生改變。

順北1-4H井水平段復(fù)合鉆進(jìn)至7796.76 m后鉆遇左下傾裂縫，本來(lái)復(fù)合鉆井井斜及方位均增大的趨勢(shì)突然變?yōu)榫蓖蝗粶p小、方位變小的趨勢(shì)(圖5、表3)。

圖5　順北1-4H井水平段鉆遇裂縫軌跡變化

序號(hào)測(cè)深/m井斜/(°)方位/(°)17787.4489.0302.827796.7689.2303.237802.9086.8302.947805.8286.9303.4

3　順北1-4H井水平井鉆井技術(shù)對(duì)策

順北1-4H井井眼尺寸?149.2 mm，井眼深度達(dá)到8049.50 m，在這樣超深小井眼中短半徑水平井鉆井面臨許多難題(前面已進(jìn)行了分析)，針對(duì)順北1-4H井超深小井眼中短半徑水平井面臨的主要難題，采取如下技術(shù)措施。

3.1　優(yōu)化鉆具組合及鉆井液性能，減少滑動(dòng)鉆井托壓

通過(guò)優(yōu)化鉆具中剛度較強(qiáng)的加重鉆桿使用數(shù)量來(lái)改善鉆具組合的變形狀況，盡量減少鉆具彎曲引起的鉆具托壓，同時(shí)通過(guò)改變鉆井液的潤(rùn)滑性能來(lái)提高井眼的潤(rùn)滑狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整鉆井液的攜巖性能減少巖屑床的形成，從而減少鉆井托壓。

根據(jù)順北1-4H井井眼情況，使用不同長(zhǎng)度加重鉆桿后7550、7600、7650 m處托壓情況如圖6所示。

圖6　順北1-4H井不同長(zhǎng)度加重鉆桿托壓情況

從圖6可以看出，隨著加重鉆桿使用長(zhǎng)度的增加，7600 m托壓情況明顯好轉(zhuǎn)，7550及7650 m處托壓情況變化不大，使用100 m加重鉆桿時(shí)7650 m處托壓甚至還有微增趨勢(shì)，加重鉆桿長(zhǎng)度達(dá)到300 m時(shí)托壓比較小，加重鉆桿長(zhǎng)度達(dá)到500 m時(shí)，7550 m以下各點(diǎn)托壓情況均有所改善，長(zhǎng)度達(dá)到700 m時(shí)托壓最小，達(dá)到800 m后托壓明顯增加。根據(jù)順北1-4H井及鄰井鉆井情況，推薦選用加重鉆桿500～700 m，最少使用200～300 m。

3.2　選用已改進(jìn)的進(jìn)口175 ℃儀器解決高溫測(cè)量問(wèn)題

順北1-4H井設(shè)計(jì)井深7761.21 m，設(shè)計(jì)垂深7546 m，預(yù)計(jì)井底溫度165 ℃左右。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用MWD儀器抗溫140 ℃左右儀器，抗溫175 ℃ MWD儀器雖然已經(jīng)生產(chǎn)，但尚未進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，儀器抗溫性能有待檢驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)進(jìn)口了不少高溫MWD儀器，國(guó)內(nèi)引進(jìn)的高溫MWD儀器使用情況如表4所示。

表4　國(guó)內(nèi)引進(jìn)的小井眼高溫MWD儀器性能及使用情況

國(guó)內(nèi)已進(jìn)口的高溫MWD儀器沒(méi)有高額的動(dòng)遷費(fèi)，使用成本相對(duì)較低，引進(jìn)的高溫MWD儀器在國(guó)內(nèi)應(yīng)用效果良好。

中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院引進(jìn)的APS儀器在元壩地區(qū)?152.4 mm井眼、順北1-1H井?149.2 mm井眼均進(jìn)行了成功應(yīng)用。雖然?120.65 mm井眼定向在順北地區(qū)均是首次應(yīng)用，但在與順北1-4H井相近深度、相近尺寸的順北1-1H井成功應(yīng)用，給順北1-4H井提供了MWD測(cè)量保障，引進(jìn)的抗溫175 ℃ MWD儀器為順北1-4H井等?120.65 mm井眼定向測(cè)量基本提供了測(cè)量保障。

但是，隨著儀器的使用,儀器的測(cè)量及抗溫性能在不斷降低,同時(shí)由于國(guó)內(nèi)引進(jìn)的抗溫175 ℃儀器實(shí)際抗溫能力在160～165 ℃，而?120.65 mm井眼尺寸小,循環(huán)降溫效果差。為了更好保障順北1-4H井?120.65 mm井眼隨鉆測(cè)量,最好對(duì)儀器電路板及抗溫敏感元件進(jìn)行更新,以達(dá)到更好的抗溫性能。

改進(jìn)后的進(jìn)口175 ℃ MWD儀器，提高了測(cè)量核心部件的新度，進(jìn)一步提高了測(cè)量系統(tǒng)的抗溫能力，配合循環(huán)降溫，能夠滿足順北1-4H井等類(lèi)似井的MWD測(cè)量需要。

3.3　優(yōu)選動(dòng)力鉆具，減小鉆具振動(dòng)對(duì)MWD測(cè)量影響

動(dòng)力鉆具包括螺桿鉆具及渦輪鉆具等等,由于結(jié)構(gòu)不同，動(dòng)力鉆具壓耗也存在較大的差別，一般螺桿鉆具壓耗為2～4 MPa，渦輪鉆具壓耗達(dá)到8～14 MPa。

順北1-4H井井眼尺寸太小，井超深，渦輪鉆具因壓耗太大，影響正常鉆井排量，難以滿足攜帶巖屑要求，動(dòng)力鉆具只能選用螺桿鉆具。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)抗溫180 ℃的螺桿鉆具的生產(chǎn)廠家有北京石油機(jī)械廠、天津立林石油設(shè)備有限公司、德州石油聯(lián)合機(jī)械廠等等。順北1-4H井井眼尺寸只有?120.65 mm，只能使用?95 mm動(dòng)力鉆具。由于?95 mm螺桿鉆具國(guó)內(nèi)使用少且高溫橡膠灌注復(fù)雜，生產(chǎn)?95 mm螺桿鉆具生產(chǎn)廠家更少，只有北京石油機(jī)械廠及天津立林石油設(shè)備有限公司等單位。

從式(1)可以看出，螺桿鉆具振動(dòng)強(qiáng)度與受到的力矩大小有關(guān)。由于螺桿鉆具外殼為單彎結(jié)構(gòu)，螺桿鉆具所受力矩與彎點(diǎn)以下鉆具長(zhǎng)度有關(guān)，彎點(diǎn)以下長(zhǎng)度越長(zhǎng)，螺桿鉆具所受力矩也越大，螺桿鉆具的彈性振動(dòng)也越強(qiáng)烈；因此，為減少螺桿鉆具的振動(dòng)頻率，應(yīng)選擇彎點(diǎn)以下長(zhǎng)度比較短的螺桿。

北京石油機(jī)械廠5LZ95×7.0螺桿彎點(diǎn)下長(zhǎng)度為0.93 m，天津立林石油設(shè)備有限公司5LZ95×7.0 SF螺桿彎點(diǎn)以下長(zhǎng)度為0.763 m。為了避免螺桿振動(dòng)對(duì)MWD儀器帶來(lái)?yè)p傷，順北1-4H井定向鉆井應(yīng)選用天津立林石油設(shè)備有限公司生產(chǎn)的5LZ95×7.0 SF螺桿。

3.4　加密監(jiān)測(cè)，定向脫離裂縫，減少裂縫對(duì)軌跡控制的影響

順北1-4H井目標(biāo)地層斷層發(fā)育，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下,斷層形成時(shí)容易在周?chē)a(chǎn)生許多伴生裂縫，微小的裂縫對(duì)井眼軌跡影響小，大的裂縫面容易對(duì)井眼軌跡造成影響，引導(dǎo)易變形的小鉆具沿裂縫面前進(jìn)，雖然有些大裂縫可能被次生方解時(shí)或其它物質(zhì)充填，但依然存在明顯的地層各向異性，依然可能對(duì)軌跡控制產(chǎn)生影響。

對(duì)于可能存在大裂縫的井眼，最好加密監(jiān)測(cè)井眼軌跡、鉆時(shí)、氣測(cè)及鉆井液總體積等的變化情況?？s短軌跡測(cè)量間隔距離，將測(cè)量間隔由5 m改為1～2 m，井眼軌跡測(cè)量方式可以為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)或靜態(tài)測(cè)量。一旦發(fā)現(xiàn)井眼軌跡出現(xiàn)明顯的異常變化，立即改變定向鉆井方式，消除裂縫對(duì)井眼軌跡控制的影響，及早脫離裂縫，避免軌跡出現(xiàn)大的波動(dòng)，保持井眼軌跡的光滑。

4　技術(shù)措施應(yīng)用情況分析

順北1-4H井從7475 m開(kāi)始定向鉆井，定向后受井隊(duì)條件限制，鉆具組合中加重鉆桿只有27根。水平段鉆井期間，周?chē)赉@的?120.6 5mm中短半徑水平井大部分因提前鉆遇油氣層而未鉆進(jìn)至水平段就提前完鉆，鉆進(jìn)至水平段的水平井一般水平段也只鉆進(jìn)200 m左右，水平段最長(zhǎng)的順北1-6H井鉆進(jìn)至7789.07 m因漏失完鉆。順北1-4H井水平段鉆井至7980 m定向時(shí)，水平段長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到360.70 m，無(wú)可借鑒的定向經(jīng)驗(yàn)。該井7980 m定向時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重的托壓定向困難情況，通過(guò)采用有效措施，順利完成了該井定向鉆井任務(wù)。

在螺桿選用方面，7475～7810 m使用北京石油機(jī)械廠生產(chǎn)的?95 mm螺桿鉆具，由于螺桿鉆具振動(dòng)太大，振動(dòng)值達(dá)到68～75 G，造成MWD儀器電路版及扶正器損壞；現(xiàn)場(chǎng)定向技術(shù)分析后通過(guò)采取有效措施順利完成了定向服務(wù)任務(wù)。

在儀器配套方面,優(yōu)選了APS 175 ℃高溫MWD儀器，儀器使用期間，使用振動(dòng)大的北京石油機(jī)械廠的螺桿時(shí)出現(xiàn)了儀器損壞問(wèn)題(圖3)。通過(guò)前述分析，及時(shí)更換振動(dòng)較小的天津立林公司的螺桿鉆具，并將MWD儀器探管扶正塊由金屬材質(zhì)更換為橡膠材質(zhì)，MWD儀器測(cè)量正常，未出現(xiàn)過(guò)任何儀器問(wèn)題。儀器測(cè)得井底最大溫度165 ℃，最大循環(huán)溫度154 ℃。

在裂縫影響軌跡控制方面，順北1-4H井水平段復(fù)合鉆井井眼趨勢(shì)為微增井斜及方位(7787.44～7796.76 m,井斜由89°增加到89.2°,方位由302.8°增加到303.2°)。復(fù)合鉆進(jìn)至7802.9 m，井斜突然由89.2°降低到86.8°，方位由303.2°降低到302.9°。鉆井時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的鉆井液漏失現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后立即從7818 m開(kāi)始定向，測(cè)量間隔距離由5 m改為1 m，測(cè)量采用動(dòng)態(tài)測(cè)量、靜態(tài)校驗(yàn)方式。定向時(shí)盡可能加大鉆壓，定向至7857 m后井斜由7815.45 m的86.1°增加到7853.45 m的88.5°，方位也增加到304°，快速解決了裂縫對(duì)井眼軌跡控制的影響。

順北1-4H井通過(guò)采取上述措施有效保證了安全、優(yōu)質(zhì)鉆達(dá)地質(zhì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)地層，達(dá)到地質(zhì)開(kāi)發(fā)目的。該井水平段鉆至8049.09 m出現(xiàn)了鉆井液失返性漏失，強(qiáng)鉆至8049.50 m完鉆，完井測(cè)試日產(chǎn)原油185 t，日產(chǎn)天然氣9萬(wàn)m3。創(chuàng)造了?120.65 mm井眼水平段最長(zhǎng)、完鉆井深最深的紀(jì)錄。

5　結(jié)語(yǔ)

(1)超深小井眼中短半徑水平井鉆具柔軟，易托壓，定向鉆井時(shí)應(yīng)保證加重鉆桿的用量，并保持鉆井液具有良好的潤(rùn)滑及攜巖性能，能夠有效降低定向鉆井托壓現(xiàn)象。

(2)超深小井眼中短半徑水平井井深，井底溫度高，目前國(guó)內(nèi)抗溫175 ℃儀器尚未形成工業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)口抗溫175 ℃儀器通過(guò)更換抗溫敏感元件，能夠滿足順北1-4H井類(lèi)似深度超深水平井定向鉆井測(cè)量需要。

(3)超深小井眼中短半徑水平井使用的螺桿鉆具振動(dòng)大，對(duì)測(cè)量?jī)x器造成不利的影響。隨著螺桿鉆具尺寸的增大，振動(dòng)減少，對(duì)儀器的影響也越小。螺桿鉆具振動(dòng)也受到鉆具彎矩大小的影響，彎點(diǎn)以下長(zhǎng)度越長(zhǎng)，振動(dòng)也越大。定向鉆井時(shí)應(yīng)盡量選用外徑尺寸大及彎點(diǎn)以下距離短的螺桿鉆具。

(4)順北1-4H井及順北其它地區(qū)儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，裂縫會(huì)對(duì)井眼軌跡控制產(chǎn)生影響。軌跡控制時(shí)應(yīng)縮短隨鉆測(cè)量間隔距離，勤測(cè)量井眼軌跡的變化，及早發(fā)現(xiàn)裂縫對(duì)井眼軌跡的影響規(guī)律，通過(guò)定向方式及早脫離裂縫，避免軌跡出現(xiàn)大的變化，保持軌跡圓滑。