渤海油田大位移井提速提效創(chuàng)新技術(shù)與實踐*

崔國杰 謝榮斌 祝國偉 許 迪 孫帥帥

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

隨著渤海油田勘探開發(fā)的不斷深入，大中型油氣田越來越少，近年新發(fā)現(xiàn)、新落實的儲量目標以“碎、小、邊、深”為主要特點，且在建的開發(fā)項目中“低、邊、稠”占比較大，小油田區(qū)域的開發(fā)已經(jīng)成為了渤海油田的主要開發(fā)方式之一，大位移井則是低成本開發(fā)邊際小油田的有效手段[1]。同時，用海矛盾突出是渤海油田勘探開發(fā)面臨的又一大難題，受國防、航道、漁業(yè)、環(huán)保等多方面因素的制約和環(huán)渤海三省一市經(jīng)濟建設(shè)的影響，平臺選址受限，大位移遠程開發(fā)成為解決受限區(qū)塊勘探開發(fā)的重要手段。針對大位移井鉆完井作業(yè)難點與挑戰(zhàn)，在渤海油田開展了大位移井大尺寸井眼表層開路預(yù)斜技術(shù)、高效攜巖鉆具組合設(shè)計、井壁穩(wěn)定與提效減排鉆井液技術(shù)、水力振蕩器配合馬達深鉆技術(shù)及旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)等5項鉆完井關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用，取得顯著成效。本文是對渤海油田大位移井提速提效創(chuàng)新技術(shù)與實踐的總結(jié)，以期為渤海油田后續(xù)大位移井作業(yè)提供借鑒。

1 渤海大位移井作業(yè)難點及技術(shù)挑戰(zhàn)

大位移井鉆井作業(yè)是石油行業(yè)公認的一種高難度作業(yè)，其本身有著許多技術(shù)難題[2]。譬如鉆進摩阻扭矩高、鉆具疲勞風險高、井斜大、裸眼段長、井眼清潔難度大等。渤海海域深部地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[3]，以渤海墾利油田為例，在前期常規(guī)定向井作業(yè)過程中就曾出現(xiàn)起下鉆困難、井漏、電纜儀器粘卡、斷鉆具等多種井下復(fù)雜情況。在墾利油田實施大位移井作業(yè)，還面臨以下2方面作業(yè)難點及技術(shù)挑戰(zhàn)：

1)渤海墾利油田5口大位移井的平均井深超過4 500 m，水平位移最長的A2井長達3 930 m(表1)，屬于目前渤海油田水平位移最長的大位移井，鉆具摩阻扭矩大、設(shè)備負荷高，巖屑床堆積，易引發(fā)井下復(fù)雜情況。

表1 渤海墾利油田5口大位移井定向井數(shù)據(jù)Table 1 Data of five extended reach wells in Bohai Kenli oilfield

2)渤海墾利油田沙河街組含煤層較多，部分含煤矸石，極易出現(xiàn)掉塊，井壁穩(wěn)定性差。5口大位移井均鉆遇不等厚的煤層，易造成卡鉆、尾管下不到位等井下復(fù)雜情況。

2 大位移井提速提效關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大尺寸井眼表層開路預(yù)斜技術(shù)

海上叢式井網(wǎng)分布密集，防碰壓力大，在生產(chǎn)老油田加密調(diào)整已經(jīng)成為渤海的主要開發(fā)方式之一，由于在生產(chǎn)油田的剩余油分布復(fù)雜，為了最大限度地挖潛，加密調(diào)整井中往往以大位移等復(fù)雜井居多。為避免井眼之間發(fā)生碰撞事故，通常采用表層預(yù)斜技術(shù)，進行防碰繞障[4-5]。傳統(tǒng)大尺寸井眼表層預(yù)斜需要兩趟鉆完成，不僅作業(yè)工期較長，而且在擴眼過程中極易出現(xiàn)新井眼等復(fù)雜情況。因此，渤海油田嘗試使用大尺寸井眼表層開路預(yù)斜技術(shù)。

渤海油田大尺寸井眼表層預(yù)斜主要面臨的困難是淺層地質(zhì)構(gòu)造松軟，造斜工具不易獲得有效的支撐力進行造斜，并且沒有應(yīng)用成熟的造斜工具及鉆具組合。針對該難點，渤海墾利油田的A4、A5井2口大位移井在φ660.4 mm井眼進行表層預(yù)斜作業(yè)期間采取了以下技術(shù)措施：①優(yōu)化設(shè)計方案，整體軌跡以“懸鏈線”的方式設(shè)計，設(shè)計全角變化率1.5°以下，降低造斜壓力。②優(yōu)選造斜工具，定制加工特殊馬達，增加馬達彎角和扶正器套子直徑以提高馬達造斜能力，最終選用1.75°彎角和φ657 mm扶正器套的馬達。③優(yōu)化鉆具組合，制定適合渤海油田特點的鉆具組合，φ660.4 mm牙輪鉆頭+φ244.48 mm螺桿馬達(1.75°/φ657 mm)+φ203.2 mm浮閥+φ368.3 mm扶正器+φ203.2 mm非磁鉆鋌+φ203.2 mm隨鉆測斜儀+φ203.2 mm非磁鉆鋌+φ203.2 mm定向接頭+φ203.2 mm機械式震擊器+變扣接頭+φ139.7 mm加重鉆桿×14。④作業(yè)參數(shù)控制，排量2 200～3 000 L/min，初始排量使用2 200 L/min確保第一柱滑動效果；鉆壓50～100 kN，緊跟每柱掃稠漿10 m3，保證攜帶出巖屑；開路鉆進期間向海水循環(huán)池內(nèi)均勻補稠漿，降低海水的沖刷能力，整柱滑動利于增斜，打完一柱不劃眼，中完后倒劃眼，確保井眼通暢。

通過以上技術(shù)措施，大尺寸井眼表層開路預(yù)斜技術(shù)在墾利油田A4、A5井2口大位移表層預(yù)斜鉆井作業(yè)中取得成功應(yīng)用，井底井斜最大達到9.5°，滿足作業(yè)要求，且作業(yè)工期相比傳統(tǒng)“φ444.5 mm領(lǐng)眼+φ660.4 mm擴眼”兩趟鉆的工期要短(表2)，約節(jié)省0.44 d，有效提高了作業(yè)時效。

表2 傳統(tǒng)兩趟鉆預(yù)斜技術(shù)與一趟鉆預(yù)斜技術(shù)對比Table 2 Technical comparison between traditional two drill preclinations and one drill preclination

2.2 大位移井井壁穩(wěn)定與提效減排鉆井液技術(shù)

大位移井對鉆井液具有較高要求，不僅要考慮井眼清潔問題，同時還要兼顧井壁穩(wěn)定、摩阻扭矩及提效減排問題。為此，通過總結(jié)研究，充分利用鈉鹽的半透膜效應(yīng)，使濾液與地層流體實現(xiàn)活度平衡和適度抑制，形成了井壁穩(wěn)定與提效減排鉆井液技術(shù)，該技術(shù)在大位移井長裸眼段作業(yè)中發(fā)揮了較好的作用。

利用鈉鹽的半透膜效應(yīng)，使濾液與地層流體實現(xiàn)“活度平衡”。鈉鹽可以降低鉆井液水相活度，活度越低越有利于阻止濾液進入地層的泥頁巖中，可減少濾液進入地層，提高井壁穩(wěn)定性能；而12%NaCl的抑制性相當于1.5%KCl的抑制性，這在滿足鉆井液抑制性要求的同時，能夠很好地解決過多K+硬化井壁的問題，實現(xiàn)“適度抑制”，達到抑制泥頁巖水化膨脹、降低鉆井液失水量、延長井壁穩(wěn)定周期、穩(wěn)定井壁的效果。

目前渤海油田上部地層多采用抑制性較弱的鉆井液體系，中下部地層采用抑制性較強的鉆井液體系，從上到下至少需要進行一次體系轉(zhuǎn)化。在體系中引入鈉鹽，在下部井段采用鈉鹽與鉀鹽復(fù)配使用，使得鉆井液性能更容易維護，極大地減少了鉆井液的維護量，可實現(xiàn)減排和節(jié)省作業(yè)成本的目的。

渤海墾利油田A4、A5井2口大位移井作業(yè)時在鉆井液體系中引入鈉鹽，對比未使用鈉鹽的井，φ311.15 mm井眼平均生產(chǎn)時效提高5.5%，節(jié)省鉆井液維護量322 m3，達到了提效減排的效果(表3)。

表3 渤海墾利油田使用鈉鹽鉆井時效及維護量效果Table 3 Effect of the drilling time efficiency and maintenance quantity using sodium salt in Kenli oilfield

2.3 大位移井高效攜巖屑鉆具組合設(shè)計

受井斜影響，大位移井巖屑易堆積形成巖屑床，易誘發(fā)各種井下事故與復(fù)雜情況。據(jù)統(tǒng)計，渤海油田大位移井處理鉆具阻卡時間占鉆井總時間的20%～25%，攜砂問題已嚴重制約了鉆井作業(yè)效率的提升。針對該問題，從資料歸納、數(shù)據(jù)分析、工具研發(fā)等方面進行研究，研制出了高效的攜巖鉆具組合[6]，金剛石鉆頭+螺桿馬達+浮閥+新型倒劃眼齒扶正器+非磁鉆鋌+隨鉆式測斜儀+隨鉆式測井儀+震擊器+加重鉆桿×12+巖屑床清理器。一方面利用鉆具組合中的倒劃眼扶正器破壞和清除鉆具組合部分堆積的巖屑床，另一方面通過在下部鉆具中安放一定數(shù)量的巖屑床清除器，當旋轉(zhuǎn)鉆進或者倒劃眼時，該工具葉片旋轉(zhuǎn)作用可以增加鉆井液切向速度，同時形成強烈的渦流使巖屑更易懸浮，能夠使巖屑在較長井段內(nèi)均勻懸浮并向上運移。通過軟件模擬，得出高效攜巖參數(shù)組合，見表4。

表4 高效攜巖參數(shù)組合井眼清潔計算Table 4 The calculation of well-hole cleaning with high efficiency carrying rock combination

1)新型倒劃眼扶正器。

在大位移井長時間鉆進過程中，巖屑上返困難、運移效果較差，巖屑易形成巖屑床，倒劃眼困難。因此，對現(xiàn)有扶正器的扶正翼和螺旋角度重新設(shè)計，增加倒劃眼邊齒(圖1)，提高倒劃眼效率；采用雙向切削齒，突出切削功能，提高對井壁堆積的巖屑切削，提高返砂效果。

圖1 新型倒劃眼扶正器布齒示意圖Fig.1 Diagram of cutters distribution in new-type back reaming STB

2)巖屑床清理器。

巖屑床清理器不僅可破壞巖屑床，保持巖屑懸浮和連續(xù)運移，還具有良好導(dǎo)向作用，對下方鉆井液具有抽汲效果，從而更有利于巖屑上返。巖屑床清理器采用三段清除結(jié)構(gòu)，兩端及螺旋槽內(nèi)加工有特殊材料耐磨帶，每一段巖屑床清除部件由兩段不同導(dǎo)程的螺旋刀翼組成(圖2)，外徑大的一段能夠起到工具扶正、高效沖刷巖屑床的作用，外徑小的一段更加有利于巖屑床上移，兩段配合更高效清除巖屑床[7]。

圖2 巖屑床清理器Fig.2 Cuttings accumulation cleaning tool

通過模擬巖屑床清理器和新型倒劃眼扶正器，使用效果達到最優(yōu)化，創(chuàng)新采用2種工具組合應(yīng)用，充分發(fā)揮新型倒劃眼扶正器破碎巖屑床、巖屑床清理器連續(xù)運移巖屑床的作用，形成了一套高效的巖屑床清除技術(shù)[8]。

渤海錦州油田C1井最大井斜69°，其中50°以上井斜井段達1 400 m，巖屑床堆積嚴重，鉆穿館陶組底礫巖后巖屑床清理器和新型倒劃眼扶正器入井，入井深度1 835 m，累計進尺323 m，鉆進井段井斜均大于55°。期間鉆井扭矩降低并趨于平穩(wěn)，且振動篩返出的巖屑明顯增多(圖3)，說明巖屑床清除器能有效破壞巖屑床，減小鉆柱與井壁之間的摩阻，降低扭矩，提高環(huán)空攜砂能力。通過現(xiàn)場使用前后對比統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，使用后倒劃眼平均速度由72 m/h提高至122.2 m/h、起下鉆平均速度由334.35 m/h提高至380.98 m/h，取得了較好的應(yīng)用效果。

圖3 錦州油田C1井鉆進期間振動篩處返砂情況Fig.3 Returning sands of Well C1 in Jinzhou oilfield

2.4 水力振蕩器配合馬達深鉆技術(shù)

通過使用水力振蕩器，鉆進期間可以提高鉆進過程中鉆壓傳遞的有效性，降低底部鉆具與井壁之間的摩阻。在深層滑動作業(yè)中可以改善鉆壓的傳遞，減少扭轉(zhuǎn)振動，提高馬達深層滑動效率。水力振蕩器的應(yīng)用不僅可以提高機械鉆速，而且能夠解決鉆進過程中出現(xiàn)的托壓問題，改善鉆壓傳遞效果，減少鉆具組合粘附卡鉆等復(fù)雜情況的發(fā)生[9]。

渤海墾利油田A4、A5井2口大位移井作業(yè)期間，通過優(yōu)選水力振蕩器閥板尺寸，合理選擇扶正器尺寸，優(yōu)化鉆具組合，提前做好軌跡預(yù)留，精細操作嚴控定向井軌跡，最終采用水力振蕩器配合馬達鉆具組合完成井眼軌跡控制。

根據(jù)Vibra SCOPE軟件模擬計算水力振蕩器的不同閥盤尺寸、泵壓數(shù)據(jù)，再依據(jù)泵壓大小選擇合適的閥盤尺寸。結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用經(jīng)驗，確定φ203.2 mm水力振蕩器的參數(shù)見表5。水力振蕩器配合馬達深鉆不僅減小了起鉆風險，而且有效解決了馬達深層滑動托壓問題，避免滑動鉆進中造成粘卡，提高了鉆井時效[10]。

表5 水力振蕩器應(yīng)用參數(shù)Table 5 Application parameters of hydraulic oscillator

2.5 旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)

大位移井穩(wěn)斜延伸段長，尾管與下井壁之間的摩阻較大，加之深層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層容易掉塊，經(jīng)常出現(xiàn)尾管下不到位的情況。因此，利用旋轉(zhuǎn)管柱來降低摩阻，提高尾管的下入方式。旋轉(zhuǎn)管柱可以清除下入過程中由摩擦阻力引起的正弦屈曲、螺旋屈曲和更為嚴重的自鎖現(xiàn)象。采用旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)可以解決尾管中途遇阻難題，配合采用可劃眼浮鞋、扭矩環(huán)及可旋轉(zhuǎn)尾管掛，使得尾管串實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)下入，增加套管阻卡處理手段[11]。據(jù)統(tǒng)計,自2014年1月至2018年5月，渤海油田未使用旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)的井，每年尾管阻卡率在5%～11%；9口井使用旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)之后阻卡率為0，尾管均順利下入到位(表6),由此可見旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)能有效提高尾管的下入成功率。

表6 使用旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)前后尾管阻卡率統(tǒng)計Table 6 Statistics of liner sticking before and after using roating technology

旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)配套工具如圖4所示?？蓜澭垡滗X質(zhì)偏心的引鞋頭可以清除井內(nèi)障礙，特別擅長清除大位移井低邊沉屑；而扭矩環(huán)可以提高普通尾管扣型的抗扭強度，在滿足旋轉(zhuǎn)下尾管的情況下，極大降低了作業(yè)成本。

渤海墾利油田5口大位移井φ177.8 mm套管串組合：φ177.8 mm可旋轉(zhuǎn)劃眼浮鞋+φ177.8 mm套管(1Cr-L80、BTC、43.15 kg/m)+φ177.8 mm浮箍(1#)+φ177.8 mm浮箍(2#)+φ177.8 mm套管(1Cr-L80、BTC、43.15 kg/m)+φ177.8 mm球座+φ177.8 mm套管串(1Cr-L80、BTC、43.15 kg/m)+φ177.8 mm可旋轉(zhuǎn)尾管掛，使用旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)后墾利油田的5口大位移井的尾管均順利下入到位，應(yīng)用效果良好。

圖4 旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)配套工具Fig.4 The accompanying tools of roating technology

3 結(jié)束語

以大尺寸井眼表層開路預(yù)斜技術(shù)、大位移井井壁穩(wěn)定與提效減排鉆井液技術(shù)、大位移井高效攜巖屑鉆具組合設(shè)計、水力振蕩器配合馬達深鉆技術(shù)、旋轉(zhuǎn)下尾管技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)集成的大位移井鉆井提速提效創(chuàng)新技術(shù)在渤海油田取得了成功應(yīng)用。截至2018年5月，該項創(chuàng)新技術(shù)體系已在渤海油田成功應(yīng)用28口井，2 500 m當量井深鉆井周期由18.84 d降低至17.25 d，節(jié)省1.59 d，降幅約8%，可為渤海油田后續(xù)大位移井作業(yè)提供借鑒。