隆平1井鉆井設(shè)計與施工

孫 莉

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

1 隆平1井基本情況及難點分析

1.1 基本情況

隆平1井是松遼盆地古中央隆起帶肇州凸起的一口預探水平井，設(shè)計完鉆斜深4532.72 m，垂深3111.50 m，水平位移1803.30 m，水平段長1527.81 m，實際完鉆井深4523.00 m?？碧姐@井目的是為了探索通過水平井大幅度提高古中央隆起帶基巖風化殼儲層天然氣產(chǎn)能，其目的層為基底、兼探登婁庫組，完鉆層位為基底(風化殼)。由于松遼盆地基底構(gòu)造特征極為復雜，受多期構(gòu)造運動影響，斷層類型多樣、組合復雜，增加了鉆井設(shè)計與現(xiàn)場施工的難度[1]。

1.2 地層情況

目的層基巖巖性以花崗巖為主，花崗巖風化殼儲集空間主要為裂縫和溶蝕孔，以裂縫為主，巖心孔隙度一般在0.1%～4.8%。根據(jù)鄰井資料顯示，該區(qū)鄰井鉆井顯示花崗巖儲層非均質(zhì)性較強，儲層發(fā)育情況尚不清楚、存在不確定性。考慮深層氣藏復雜的特點，地層壓力系數(shù)變化可能會較大，存在不可預見的風險。根據(jù)預測，該地區(qū)的地層溫度120.8～132.2 ℃[3]。

1.3 技術(shù)難點

(1)由于地面限制靶前距小，造斜率較高(設(shè)計5°～5.5°/30 m，實鉆6.5°～7.15°/30 m)，同時，二開大井眼造斜，造斜難度大，風險高，對泵排量及返砂情況要求較高。

(2)基底碎裂花崗巖地層研磨性強，可鉆性差，地溫高，對鉆頭、鉆具和儀器磨損較大，易斷鉆具和掉牙輪；鉆遇裂縫時，易漏[2]。

(3)三開水平段長，水基鉆井液存在摩阻大、托壓嚴重，井眼軌跡控制難，不易穩(wěn)斜等問題，易發(fā)生井下事故和復雜，致使施工效率低。

(4)二開葡萄花油層存在高壓注水，對井控安全和鉆井液密度要求更高。

(5)三開存在漏、噴、塌卡同存的風險。

2 鉆井工程設(shè)計

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

本井設(shè)計采用大井眼造斜的井身結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。三開裸眼段相比常規(guī)?215.9 mm井眼造斜段450 m左右，井塌、卡鉆風險更低，固井質(zhì)量更易保證；與小井眼水平井相比，提速手段更豐富，配套的相關(guān)技術(shù)更成熟，完井方式更多樣[4]。

一開：鉆進至嫩江組穩(wěn)定泥巖段，表層套管封固四方臺組及以上松軟地層，下至水源以下10～20 m的穩(wěn)定泥巖處以保護水層，為井口安裝井控裝置、二開施工提供安全保障。

二開：考慮地層深度不確定性，技術(shù)套管下至A靶點以上15 m(垂深)，封閉上部粉砂巖和細砂巖，隔離下部基巖低壓層，封固壓力異常點，保證同一裸眼段內(nèi)壓力梯度<0.3 MPa/100 m，減少三開裸眼段長，降低摩阻、扭矩和施工風險，保障勘探發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)三開儲層專打。

三開：設(shè)計采用P110 3Cr壁厚9.17 mm 氣密封套管，備用P110 13Cr防腐套管，是否下入13Cr防腐套管，可根據(jù)氣測錄井顯示情況確定。生產(chǎn)套管尾管掛、浮鞋、浮箍采用國產(chǎn)深層防腐型。

圖1 井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Casing program

2.2 井眼軌道設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計提供，靶點連線回歸處最大井斜角為80.09°；采用5段制雙弧雙增剖面，可有效提高中靶點率[5]；同時，依據(jù)《鉆井井身質(zhì)量控制規(guī)范》(SY/T 5088-2017)，設(shè)計造斜率為(5°～5.5°)/30 m；反算出造斜點為2511.97 m，具體軌道設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

2.3 鉆井液設(shè)計

表1 井眼軌道設(shè)計Table 1 Trajectory design

根據(jù)鄰井實際應(yīng)用情況以及施工難點分析可知，該區(qū)域在營城組、基底易發(fā)生溢流、井涌、井噴、井漏、氣浸等工程事故。因此，本井一開設(shè)計采用具有良好攜屑能力和造壁性能好的膨潤土混漿鉆井液，二開、三開設(shè)計采用大慶油田自研的深層水平井水基鉆井液體系。深層水平井水基鉆井液體系以有機硅聚磺鉆井液為基礎(chǔ)，并針對高溫流變性及防漏堵漏問題進行了改進與完善。設(shè)計鉆井液性能參數(shù)如表2所示，二開鉆井液密度最大為1.35 g/cm3，三開鉆井液密度最大為1.25 g/cm3。

表2 鉆井液性能參數(shù)Table 2 Drilling fluid parameters

2.4 鉆頭選型

在勘探地質(zhì)預測基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井提速要求，進行點—線—面—體的井震結(jié)合分析研究，詳細描述待鉆井的巖石可鉆性，為鉆頭的優(yōu)選提供依據(jù)[6]。通過巖石可鉆性和巖性預測，重新優(yōu)選了鉆頭序列，減少了鉆頭數(shù)量，提高了機械鉆速[7]。

根據(jù)圖2中分析的地層巖性及可鉆性級值可知，該地層研磨性強，可鉆性差。同時，針對12in(1 in=25.4 mm，下同)大井眼造斜段砂礫巖互層，優(yōu)選牙輪+PDC復合鉆頭有效解決牙輪鉆頭速度慢、PDC鉆頭工具面不穩(wěn)的雙重矛盾，可有效提高大井眼造斜效率[8]。在三開穩(wěn)斜段，為達到提速和探索基底巖石可鉆性的目的，嘗試開展了非平面齒PDC鉆頭現(xiàn)場試驗[6]，據(jù)此優(yōu)選出了表3中的26只鉆頭序列。

注：巖石可鉆性級值由鄰井現(xiàn)場實際測井數(shù)據(jù)計算。圖2 巖性及可鉆性分析Fig.2 Lithology and drillability analysis

2.5 鉆具組合設(shè)計

一開采用塔式鉆具組合，保證井眼開直。二開直井段采用雙鐘擺鉆具組合，可有效防斜糾斜，造斜段采用液動旋沖工具+單鐘擺鉆具組合，在提速的同時，保證造斜能力。三開采用液動旋沖工具+螺桿+MWD+強穩(wěn)斜鉆具組合，達到有效穩(wěn)斜的目的。同時，為保證井控安全，應(yīng)配備齊全鉆具內(nèi)防噴工具；二開、三開為保證強化鉆井參數(shù)需求，鉆桿應(yīng)由常規(guī)的5 in優(yōu)化為5in；二開采用1.5°螺桿，三開采用1.0°螺桿；二開造斜段使用MWD，三開使用LWD。

2.6 鉆井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

為了大井眼造斜的順利施工，優(yōu)選鉆頭的同時，進行了鉆井參數(shù)的強化，二開提高排量至60 L/s，鉆壓150 kN，5in鉆桿，造斜段選用1.5°中空等壁厚螺桿，三開5in鉆桿，排量38 L/s[9]，為保證排量選用1°中空等壁厚螺桿，配合強穩(wěn)斜鉆具組合。

3 實鉆效果

隆平1井，完鉆斜深4523.00 m(垂深3074.58 m)，平均機械鉆速5.15 m/h，鉆井周期126.67 d，建井周期171.54 d。通過鉆頭選型、鉆井參數(shù)強化等提速技術(shù)集成應(yīng)用，與最近的隆探2井(直井)機械鉆速5.05 m/h相比，提高2%；與同類型井隆探X3井相比，平均鉆速提高了58.46%(從3.25 m/h提高到5.15 m/h)，大井眼造斜周期縮短32%(從28 d縮短至19 d)，全井鉆井周期，同比縮短了21.16 d(從147.83 d縮短至126.67 d)。根據(jù)試采統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該井穩(wěn)定產(chǎn)量為5.4萬m3/d，是鄰井的1.22倍，基巖風化殼實現(xiàn)了產(chǎn)量突破，中央隆起帶已經(jīng)成為深層氣勘探的重要接替領(lǐng)域[10]。

3.1 各開次鉆速對比

隆平1井全井使用鉆頭26只(其中3只PDC鉆頭，6只復合鉆頭，17只牙輪鉆頭，1只通井牙輪)，累計進尺4523 m，平均機械鉆速5.15 m/h, 單只鉆頭進尺173.96 m，單只鉆頭純鉆33.78 h。

一開?444.5 mm井眼進尺309 m，平均機械鉆速21.43 m/h,使用PDC鉆頭1只。

二開?315和311.2 mm井眼進尺2606.07 m，平均機械鉆速9.10 m/h，使用PDC鉆頭1只，牙輪鉆頭1只，復合鉆頭3只。

三開?215.9 mm井眼進尺1607.93 m，平均機械鉆速2.79 m/h，對比設(shè)計的1.97 m/h，鉆速提高41.62%，三開共使用休斯頓非平面齒PDC鉆頭1只，牙輪鉆頭16只，復合鉆頭3只。

3.2 造斜段鉆頭使用情況

本井造斜段鉆頭尺寸為?311.2 mm，由于在大井眼造斜，同時穿越泉一段、登四段、登三段等多個地層，造斜難度大，風險高，對泵排量及返砂情況要求也較高。鉆進時采用了寶石SH533復合鉆頭進行試驗(底部鉆具組合無變化)，造斜段不同層位施工數(shù)據(jù)見表4。

表4 造斜段不同層位施工數(shù)據(jù)Table 4 Drilling data from build-up sections in different layers

由表4可以看出，本井大井眼造斜段在泉一段中，機械鉆速較慢，此后鄰井施工可以考慮在泉一段嘗試其他鉆頭提速，在登婁庫組鉆進中，寶石SH533復合鉆頭提速效果較好，可應(yīng)用[11]。

3.3 水平段鉆頭使用情況

本井三開水平段采用螺桿+MWD，并引進貝克休斯PDC鉆頭、牙輪鉆頭以及復合鉆頭，共使用鉆頭20只，累計進尺1607.93 m，平均鉆速2.79 m/h，單只鉆頭進尺80.40 m，相比三開設(shè)計鉆進周期增加9.55%。

3.3.1 寶石復合鉆頭使用情況(2918.03～3112.03 m)

本井水平段應(yīng)用的3只寶石復合鉆頭主要用在基底層頂部，該鉆頭平均壽命在30 h左右，應(yīng)用時間長有鉆頭掏心的風險[12]。平均鉆速2.68 m/h，單只進尺64.67 m。

3.3.2 江漢牙輪鉆頭使用情況(2915.07～3175.80 m)

本井應(yīng)用2只江漢牙輪鉆頭，第一只主要用于鉆水泥塞，不具備參考性，第二只牙輪鉆頭與江漢復合鉆頭相比機械鉆速稍有提高。

3.3.3 休斯頓非平面齒PDC鉆頭使用情況(4051.12～4083.18 m)

隆平1井水平段使用了休斯頓非平面齒PDC鉆頭1只進行了提速試驗，使用井段4051～4083 m(垂深3075 m)，層位基底，巖性花崗巖，進尺32 m，純鉆時間13.13 h，機械鉆速2.44 m/h，因鉆時慢起鉆。起出后鉆頭心部磨出80 mm圓環(huán)。上趟鉆使用貝克牙輪鉆頭，進尺99 m，純鉆時間39 h，機械鉆速2.54 m/h。根據(jù)牙輪鉆頭形狀分析井底殘留小部分錐形突出部位，PDC鉆頭下入井底后鉆頭心部切削齒也會先接觸錐形突出部位，由于單齒載荷過大，心部切削齒先期破壞，導致鉆頭本體直接與地層接觸，造成掏心現(xiàn)象。因此，該鉆頭鉆速與江漢牙輪相比略有提高，但是鉆頭壽命較短，不適用于基底層花崗巖。

3.3.4 貝克休斯牙輪鉆頭使用情況

本井貝克休斯牙輪應(yīng)用情況較好，累計進尺1315.14 m，牙輪壽命穩(wěn)定，一般在30 h以上，最高純鉆42.5 h，進尺134.97 m，平均單只鉆頭進尺93.94 m，平均純鉆32.75 h，比單只江漢牙輪鉆頭進尺多29.27 m。對基底層花崗巖的研磨性更好。

3.4 防漏堵漏效果

在地質(zhì)設(shè)計基礎(chǔ)上，通過裂縫/破碎帶詳細預測，給出了4個易漏層段(裂縫寬度50 μm～5 mm、有效孔隙度0.6%～3.0%)，與隆探2井相比，天然裂縫角度更高(72°)，裂縫密度更大(是隆探2井的3.2倍)。根據(jù)裂縫形態(tài)和發(fā)育特征，提前50 m采用針對性的隨鉆堵漏措施[13]，全井施工中未發(fā)生井漏復雜。

3.5 強化鉆進參數(shù)效果

4 結(jié)論

(1)隆平1井的成功鉆探，驗證了水平井穿多套氣層+套管射孔+大規(guī)模壓裂方式這項技術(shù)的可行性，從而為基巖的勘探開發(fā)提供了一種新的有效手段和途徑[15]。

(2)在地質(zhì)設(shè)計基礎(chǔ)上，通過裂縫/破碎帶詳細預測，并根據(jù)裂縫形態(tài)和發(fā)育特征，提前50 m采用針對性的隨鉆堵漏措施，可有效降低井漏發(fā)生的幾率。

(3)采用PDC+牙輪復合鉆頭，是提高砂礫巖互層大井眼造斜效率的有效技術(shù)措施，對后續(xù)該類井實施具有指導意義。

(5)基巖地層存在天然裂縫、孔隙發(fā)育，建議以后同類井施工采用控壓鉆井技術(shù)，從而更好地保護油氣層和提高井控保障手段。