臨興區(qū)塊致密氣鉆井提效技術(shù)

賈佳 夏忠躍 馮雷

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津塘沽300457）

0 引言

臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶西北緣，沉積條件復(fù)雜，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、連續(xù)性差、具有低孔、低溫、低滲，低壓、自然產(chǎn)能低或基本無產(chǎn)能的特點(diǎn)，需要實(shí)施后期壓裂改造或者其他增產(chǎn)改造措施才能產(chǎn)出工業(yè)氣流［1-2］。致密氣的這種特性，注定了必須要走低成本高效開發(fā)模式，然而，臨興區(qū)塊目前的致密氣鉆井機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長、鉆井成本高，因此，急需要開展提效技術(shù)研究，以提高開發(fā)效益，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣的快速發(fā)展。

1 鉆井提效技術(shù)研究

1.1 小井眼井身結(jié)構(gòu)鉆井技術(shù)

臨興區(qū)塊直井和定向井采用的常規(guī)井身結(jié)構(gòu)為Ф311.15 mm×Ф244.5 mm＋Ф215.9 mm×Ф139.7 mm，存在鉆井工期長、鉆速慢、產(chǎn)生的巖屑量大等問題，同時隨著環(huán)保要求的逐漸嚴(yán)格，廢棄物處理成本劇增［3］。為了縮短工期，提高鉆速，實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)，有必要對常規(guī)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。從巖屑量、鉆井液、套管、固井水泥、鉆機(jī)負(fù)荷、作業(yè)成本等方面對井身結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究，改進(jìn)后的小井眼井身結(jié)構(gòu)（Ф215.9 mm×Ф177.8 mm＋Ф155.6 mm×Ф114.3 mm）與常規(guī)井身結(jié)構(gòu)相比，具有明顯的優(yōu)勢。以2 000 m井深的井為例，兩種井身結(jié)構(gòu)對比分析的結(jié)果如表1所示。

根據(jù)研究結(jié)果，使用改進(jìn)后的小井眼井身結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)時，鉆井液用量減少33%，巖屑量減少52%，套管減少21%，固井水泥減少52%，鉆機(jī)負(fù)荷減少14%，綜合作業(yè)成本減少30%以上。

1.2 長裸眼段水平井鉆井技術(shù)

水平井鉆井過程中，存在裸眼段長、摩阻較大，托壓嚴(yán)重、鉆井周期長的特點(diǎn)［4-6］，應(yīng)對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。臨興區(qū)塊目前的主要目的層為太原組和石盒子組［7-8］，地層基本屬于較為穩(wěn)定的地層，可以將早期的三開水平井調(diào)整成二開水平井，一趟鉆完成長裸眼井段直井段、造斜段和水平段的鉆進(jìn)。同時借鑒鄰近區(qū)塊的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，二開井身結(jié)構(gòu)水平井可以一趟鉆鉆至完鉆井深。調(diào)整為二開井身結(jié)構(gòu)后，裸眼段較長，摩阻增加，給下套管、鉆進(jìn)、固井都造成了一定的壓力。

表1小井眼井身結(jié)構(gòu)與常規(guī)井眼井身結(jié)構(gòu)對比分析表

圖1常規(guī)井眼與小井眼井身結(jié)構(gòu)對比示意圖

結(jié)合水平井固井水泥漿性能實(shí)驗(yàn)及套管居中工具研制研究、長裸眼段水平井鉆井液性能及儲層保護(hù)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，形成了適合工區(qū)的長裸眼段水平井鉆井技術(shù)，改進(jìn)后的井身結(jié)構(gòu)為Ф311.15 mm×Ф 244.5 mm＋Ф215.9 mm×Ф139.7 mm（圖2）?，F(xiàn)場作業(yè)表明，通過該技術(shù)使單井節(jié)約鉆井用水10%，鉆井周期縮短了30%。

圖2水平井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比示意圖

1.3 鉆井液改進(jìn)研究

臨興中區(qū)塊地層發(fā)育比較齊全，第四系黃土層和砂礫層膠結(jié)性差［9-10］，易漏易垮塌，需防止井漏、井塌、沉砂卡鉆；三疊系地層泥砂巖互層嚴(yán)重，膠結(jié)性差，需防止鉆頭泥包；石千峰組以上含泥頁巖地層存在井徑擴(kuò)大嚴(yán)重現(xiàn)象，需適當(dāng)控制鉆井液失水；石盒子組地層存在硬脆性泥頁巖，易發(fā)生井壁浸泡垮塌，需要提高鉆井液抑制性能；山西組夾煤層，含炭質(zhì)泥巖，井壁穩(wěn)定問題比較突出，需嚴(yán)格控制鉆井液密度和失水，防止出現(xiàn)漏失和井塌［11-12］（表2）。因此對臨興區(qū)塊地層開展了堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏評價（表3），在此基礎(chǔ)上，對鉆井液進(jìn)行了改進(jìn)。

表2臨興地區(qū)地層情況統(tǒng)計表

表3臨興地區(qū)儲層敏感性研究分析表

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)超雙疏理論及材料引進(jìn)到鉆井液體系中，可形成適合臨興區(qū)塊的強(qiáng)封堵和KCl雙疏封堵鉆井液體系。在解決井壁失穩(wěn)的同時通過表面雙疏改性［13-15］，提高了鉆井液的潤滑性能，鍵合潤滑劑的引入很大程度上緩解了鉆井施工長水平段的托壓問題，同時實(shí)現(xiàn)了鉆井過程的儲層保護(hù)。

評價超雙疏劑加量對表面張力的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著超雙疏劑加量的增加，巖心表面張力急劇下降，當(dāng)濃度達(dá)到3%時，表面張力由61.1 mN／m降至0.82 mN／m（圖3），繼續(xù)增加，表面張力基本不再變化。由此可知，添加3%的雙疏劑以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的雙疏效果。將改進(jìn)后的鉆井液投入現(xiàn)場應(yīng)用，不僅可以有效改善儲層保護(hù)，而且托壓問題得到明顯緩解，鉆井日效率由平均62 m／d提高到平均85 m／d，提高了37%。

圖3巖心表面張力隨超雙疏處理劑加量的變化圖

1.4 鉆頭優(yōu)選

起初設(shè)計小井眼井鉆頭為5刀翼19 mm齒固定水眼鉆頭，施工中水力參數(shù)無法進(jìn)行有效調(diào)整，在石千峰層段鉆進(jìn)中連續(xù)出現(xiàn)泥包鉆頭現(xiàn)象，除了地層本身特征、鉆井液影響外，鉆頭結(jié)構(gòu)不合理也是主要的原因之一［16-18］。所以，需要對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)研究。布齒密度對鉆頭機(jī)械鉆速影響較大，布齒密度越大，每顆齒分擔(dān)的鉆壓減小，破巖效率降低，而鉆頭壽命提高。因此，對于硬、研磨性地層需要增加提高布齒密度，對于軟地層則應(yīng)減少布齒密度，綜合考慮機(jī)械鉆速和鉆頭壽命，將主切削齒數(shù)量由17個減少至15個。

后傾角是切削齒切削面和地層平面法線之間的夾角，對鉆頭切削性能影響顯著，其大小一般表征了鉆頭對地層攻擊性的強(qiáng)弱。相同的條件下，后傾角越小，切削齒受力越小，鉆壓和扭矩越小。綜合考慮鉆頭鉆進(jìn)速度、鉆頭的穩(wěn)定性和鉆頭的壽命，后傾角由20°調(diào)整至15°左右。

側(cè)轉(zhuǎn)角對鉆頭切削下的巖屑產(chǎn)生側(cè)向推力，使其向側(cè)方運(yùn)動，利于將巖屑推向鉆頭外側(cè)，提高清洗效率，防止鉆頭泥包。統(tǒng)籌考慮，側(cè)傾角調(diào)整至10°以內(nèi)；同時，將5刀翼調(diào)整至4刀翼水眼可調(diào)式鉆頭。

改進(jìn)后的鉆頭應(yīng)用于現(xiàn)場，鉆頭泥包現(xiàn)象得到有效控制，經(jīng)過現(xiàn)場作業(yè)驗(yàn)證，石千峰以上地層適合使用4刀翼、19 mm齒鉆頭；石千峰及以下地層適合使用4刀翼、16 mm齒鉆頭（表4）。

表4小井眼井單井鉆頭設(shè)計表

1.5 鉆具組合改進(jìn)

對鉆具組合進(jìn)行了針對性的改進(jìn)，研制了高扭矩馬達(dá)和配套鉆頭（圖4），首次在螺桿鉆具中應(yīng)用金剛石復(fù)合片推力軸承，大大提高了軸向承載能力，延長了軸承使用壽命；采用等壁厚定子橡膠注膠工藝提高了馬達(dá)單級密封壓力和效率，橡膠與定子預(yù)輪廓接觸面積增大，提高了散熱性，延長了壽命；通過對馬達(dá)短幅內(nèi)擺線線型優(yōu)化增大了截流面積，減小了偏心距，提高了馬達(dá)綜合性能。致密氣儲層致密堅(jiān)硬，可鉆性差，鉆機(jī)性能低，導(dǎo)致鉆速低，使用螺桿馬達(dá)鉆速為11.5 m／h，使用高扭矩馬達(dá)提高鉆速達(dá)25 m／h以上，提速高達(dá)1倍以上。

圖4馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

同時研發(fā)了三維振動鉆井沖擊器，利用鉆井液為動力，驅(qū)動鉆井器的旋沖錘、重錘，產(chǎn)生一定頻率的橫向、縱向沖擊力（圖5），為PDC鉆頭提供一種三維動作沖擊的功效，輔助鉆頭破巖，提高鉆頭破巖能力，解決PDC鉆頭的托壓和卡鉆問題，減緩井下鉆具的扭振，提高在中硬地層的鉆井速度［19-20］。各層段機(jī)械鉆速提高40.0%以上，最高達(dá)317.8%，3H井首次使用該技術(shù)機(jī)械鉆速最高達(dá)31.9 m／h，提速114.8%。

圖5三維震動鉆井沖擊器原理示意圖

2 應(yīng)用

2.1 水平井應(yīng)用情況

經(jīng)過對水平井鉆井技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，后續(xù)水平井鉆井作業(yè)時，摩阻有效降低，托壓現(xiàn)象得到了有效控制，目前水平井最大鉆深已經(jīng)超過3 500 m，水平段長度超過1 200 m，超過12口水平井已經(jīng)正常完鉆（表5），有效實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)油藏的鉆井目的。

表5改進(jìn)后水平井鉆井?dāng)?shù)據(jù)情況表

改進(jìn)前，水平井作業(yè)時，使用三開進(jìn)行作業(yè)，折算3 000 m當(dāng)量工期約52 d；改進(jìn)后，使用二開井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)，折算3 000 m當(dāng)量工期約36 d（如圖6），工期縮短30%。

圖6改進(jìn)前后水平井鉆井周期對比圖

2.2 定向井應(yīng)用情況

定向井優(yōu)化后，使用小井眼進(jìn)行鉆井作業(yè)，平均2 000 m鉆井工期縮短至18 d以內(nèi)（圖7），與常規(guī)井身結(jié)構(gòu)井相比，鉆井周期縮短20%；鉆屑平均減少50%。對比常規(guī)井眼，小井眼井具有良好的應(yīng)用效果。

圖7小井眼鉆井工期數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)論

臨興區(qū)塊致密氣鉆井提效技術(shù)有效提高了機(jī)械鉆速、縮短了鉆井周期，降低了作業(yè)成本，為中海油陸上致密氣的勘探開發(fā)提供了有力保障，也為高效開發(fā)臨興區(qū)塊致密氣提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒。主要的提效技術(shù)內(nèi)容如下：

1）創(chuàng)新井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，直井和定向井使用小井眼井身結(jié)構(gòu)，可以縮短鉆井周期18%，單井節(jié)約成本約20萬元；水平井采用二開固井井身結(jié)構(gòu)，可以減少鉆井用水10%，縮短鉆井周期24%。

2）對臨興區(qū)塊進(jìn)行了儲層敏感性分析，將超雙疏理論及材料引入到鉆井液體系中，形成了適合工區(qū)的KCl雙疏封堵鉆井液體體系?？捎行岣邼櫥裕徑馑骄袎簡栴}。

3）針對性優(yōu)化鉆井設(shè)計，調(diào)整鉆頭結(jié)構(gòu)，減少主切削齒數(shù)量，減少刀翼數(shù)量，使用4刀翼19mm齒和16mm齒鉆頭鉆進(jìn)，有效解決了鉆頭泥包問題。

4）改進(jìn)了鉆具組合設(shè)計，研制了高扭矩馬達(dá)和配套鉆頭，提高了馬達(dá)綜合性能，提速達(dá)到1倍以上；研發(fā)了三維振動鉆井沖擊器，有效解決了PDC鉆頭的托壓、卡鉆問題，提高了中、硬地層的鉆井速度。