大位移水平井鉆井提速技術(shù)研究

周志剛

（中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部鉆修井作業(yè)中心，天津 300459）

對(duì)能源需求的增加進(jìn)一步推動(dòng)了石油資源開(kāi)發(fā)，石油資源開(kāi)發(fā)地質(zhì)、地形復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的鉆井施工技術(shù)應(yīng)用具有一定局限性，可能會(huì)影響甚至限制石油開(kāi)采工作的正常開(kāi)展。在石油開(kāi)采工程進(jìn)行及發(fā)展過(guò)程中，水平井鉆井提速技術(shù)衍生并發(fā)展，解決了目前地質(zhì)地形復(fù)雜多樣化的問(wèn)題，同時(shí)利用該技術(shù)在減少井控難度的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣井流體特征的有效控制，從而保障石油開(kāi)發(fā)工作的順利開(kāi)展。在當(dāng)前大位移水平井鉆井提速技術(shù)發(fā)展中，必須不斷進(jìn)行優(yōu)化和發(fā)展。

1 大位移水平井鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

提高單井產(chǎn)量的重要技術(shù)之一是不斷提升水平井技術(shù)，以提升油氣開(kāi)采的質(zhì)量和水平。以加拿大和美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家在水平井技術(shù)的發(fā)展方面起源于20世紀(jì)中期，但是在其發(fā)展初期的時(shí)候因技術(shù)發(fā)展水平有限而一度發(fā)展緩慢，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展之后，于20世紀(jì)90年代開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用發(fā)展這一技術(shù)。在經(jīng)過(guò)十年的應(yīng)用之后，大位移水平井技術(shù)被提出并被應(yīng)用，但和水平井技術(shù)相比難度更大，該技術(shù)良好應(yīng)用于湖泊以及沙漠等地，有效提升其單井產(chǎn)量，給石油開(kāi)采工程帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)收益。我國(guó)和西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，大位移水平鉆井技術(shù)發(fā)展和起步較晚，雖然經(jīng)過(guò)多年發(fā)展但技術(shù)水平亟待提高，尤其是技術(shù)難點(diǎn)亟待突破。

2 大位移水平井鉆井提速技術(shù)應(yīng)用制約因素

2.1 巖質(zhì)較差，巖石強(qiáng)度高

前面分析指出大位移水平井的應(yīng)用環(huán)境主要是地形復(fù)雜的地區(qū)，包括湖泊以及沙漠地帶，在石油開(kāi)采過(guò)程中由于鉆井深度的不斷增加，巖質(zhì)呈現(xiàn)多樣化，硬度和密度也不斷增加，石油開(kāi)采的難度增加，鉆井開(kāi)采效率必將下降。以某大氣油田深部潛山地層巖石下的石油開(kāi)采工程為例進(jìn)行分析，其抗壓強(qiáng)度高達(dá)172～207MPa，屬于典型的極硬地層，石油開(kāi)采和可鉆性極差（可鉆性級(jí)值＞7），其開(kāi)采內(nèi)摩擦角達(dá)到40°，地層研磨性極強(qiáng)（研磨性＞5級(jí)）。面臨這種巖質(zhì)，進(jìn)行石油開(kāi)采難度極大，若采用常規(guī)鉆井工藝，不僅周期長(zhǎng)、鉆速慢，而且成本高、效果差。

2.2 井內(nèi)溫度高

在石油開(kāi)采和鉆井深度不斷加深的情況下，井下溫度會(huì)隨深度增加而不斷提升，面臨高溫乃至超高溫，鉆井設(shè)備中的塑料及橡膠材料會(huì)不斷老化，使用壽命大幅下降，影響鉆井工作正常開(kāi)展。某大氣油田深部潛山地層大氣田地溫梯度為3.2～3.5℃/100m，呈現(xiàn)出梯度升高、局部異常高溫的特征，高溫位置超過(guò)150℃。在進(jìn)行鉆井和石油開(kāi)采過(guò)程中，鉆井液性能受外界環(huán)境影響極大，在高溫及超高溫下鉆井液發(fā)生交聯(lián)以及降解，可能影響其穩(wěn)定性而發(fā)生失效。另外在某些地層的鉆井中鉆速較低，會(huì)導(dǎo)致鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒較小的巖屑，這些巖屑混入鉆井液中影響鉆井液的性能。除此之外，鉆井液溫度受到外界溫度的影響可能對(duì)鉆井設(shè)備及工具的密封性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響破巖效率。

2.3 壓持效應(yīng)

在實(shí)際石油開(kāi)采和鉆井工程當(dāng)中，隨開(kāi)采深度不斷增加，鉆井的鉆頭呈現(xiàn)出彎曲化特征，最終可能導(dǎo)致鉆井過(guò)程中出現(xiàn)斜井，斜井的產(chǎn)生導(dǎo)致鉆頭無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)加壓。尤其是在地形相對(duì)復(fù)雜及斜度較大的地區(qū)，工程施工過(guò)程中會(huì)引入輕壓吊的方法規(guī)避鉆井井斜的現(xiàn)象，但是這種施工方法會(huì)影響鉆頭鉆速。這種效應(yīng)叫作壓持效應(yīng)，同時(shí)壓持效應(yīng)中還會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)小微粒，這些微粒的產(chǎn)生必然也影響了鉆井液性能。壓持效應(yīng)的存在也導(dǎo)致原本硬度較高的巖石強(qiáng)度增加，破巖難度也必將進(jìn)一步提高。

3 大位移水平井鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 鉆頭優(yōu)化

面對(duì)當(dāng)前復(fù)雜多樣的地層，要求進(jìn)行快速鉆進(jìn)，鉆頭在外界各種因素的影響下必然會(huì)導(dǎo)致其側(cè)向力大小和方向呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)，可能引起鉆頭失效等各種問(wèn)題，最終導(dǎo)致施工過(guò)程中需要頻繁更換鉆頭以滿(mǎn)足工程需求，因此在進(jìn)行鉆頭優(yōu)化過(guò)程中需要充分考慮其穩(wěn)定性和攻擊性。

3.1.1 非等圓周分割刀翼的設(shè)定

本文針對(duì)鉆頭穩(wěn)定性?xún)?yōu)化提出了鉆頭的非等圓周分割刀翼設(shè)計(jì)，如圖1所示。通過(guò)這種鉆頭設(shè)計(jì)能夠有效解決井底產(chǎn)生的周期性振動(dòng)問(wèn)題，從而有效規(guī)避鉆頭回旋工況問(wèn)題。通過(guò)這種設(shè)計(jì)還能夠降低鉆井鉆頭的側(cè)向沖擊載荷，提升鉆井鉆頭穩(wěn)定性。

圖1 刀翼設(shè)計(jì)

3.1.2 切削結(jié)構(gòu)的設(shè)定

鉆井過(guò)程中部分地層存在破碎性較高的特征，從而導(dǎo)致PDC 切削齒出現(xiàn)吃入地層不均的現(xiàn)象，如果鉆頭中的某一刀翼過(guò)深切入地層，但是其他的刀翼吃入較淺，最終會(huì)導(dǎo)致鉆頭因不均反扭發(fā)生打滑，本文對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示，PDC鉆頭設(shè)計(jì)中采用了較大的錐部圓弧，這樣保障了地層和錐部之間具有較大的接觸面積，從而有效規(guī)避切削齒受沖擊過(guò)大而過(guò)早受損的問(wèn)題。

圖2 載荷示意圖

3.2 提速工具

對(duì)于鉆井設(shè)備中的減摩工具、電動(dòng)機(jī)、減扭工具的優(yōu)選原則而言，一般滿(mǎn)足克服地層傾角、鉆頭高轉(zhuǎn)速、降摩扭的要求，利用提速工具的不斷優(yōu)化最終選擇最優(yōu)鉆具組合。

3.2.1 螺桿鉆具優(yōu)選

以某3000m 鉆井提速段為例進(jìn)行分析，作為深底層的代表，建議采用PDC 鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，但是該地層的地層傾角相對(duì)較大，超過(guò)15°，在井斜控制方面存在一定難度，傳統(tǒng)鉆井技術(shù)中采用改變鉆具結(jié)構(gòu)、降鉆壓吊打等方法實(shí)現(xiàn)鉆井防斜，但是這種方法會(huì)對(duì)鉆井速度產(chǎn)生一定影響，甚至面對(duì)井斜程度較大的情況需要利用相應(yīng)鉆具進(jìn)行糾斜，鉆井提速必然受到限制。對(duì)傳統(tǒng)的鐘擺鉆具和塔式鉆具進(jìn)行優(yōu)化，采用1.25°螺桿鉆來(lái)有效規(guī)避地層傾角的不良影響，同時(shí)結(jié)合預(yù)彎曲動(dòng)力防斜打快技術(shù)，兩者協(xié)調(diào)配合保證鉆井速度的同時(shí)，保障鉆井質(zhì)量。

3.2.2 水力振蕩器

對(duì)于石油開(kāi)采及鉆井過(guò)程中溝組地層傾角較大的情況，極易出現(xiàn)嚴(yán)重井斜超標(biāo)問(wèn)題。而且某些工程當(dāng)中巖層的巖性相對(duì)致密，導(dǎo)致直井穩(wěn)斜的難度較大。為保障工具面的連續(xù)性和穩(wěn)定性，建議引入水力振蕩器，通過(guò)水力振蕩器的縱向振動(dòng)影響并提高鉆進(jìn)的有效性，同時(shí)還能夠降低井眼之間存在的摩擦阻力。在以有螺桿鉆具的定向滑動(dòng)鉆進(jìn)施工為代表的眾多鉆進(jìn)模式中，采用水力振蕩器能夠有效改善鉆壓傳遞，如圖3所示，有效提升定向鉆井的施工效率。

圖3 水力振蕩器

3.3 井眼軌跡控制

井眼軌跡控制是提高大位移水平井鉆井提速的重要方式，基于全井使用 PDC（牙輪）+單彎螺桿+穩(wěn)定器+MWD 鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)的原則進(jìn)行，分界線(xiàn)是中溝組，對(duì)于井底的位移和上部的井斜進(jìn)行有效控制，基于此下部控制地層方位穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

實(shí)際的鉆井和施工過(guò)程中，要保障2.5°以?xún)?nèi)的中溝組地層控制井斜，同時(shí)保障30～35m 的反向位移，對(duì)于鉆進(jìn)而言采用穩(wěn)斜鉆井的方式（下部地層控制方位），對(duì)于傾角較大的地層，在進(jìn)行鉆井施工過(guò)程中可能產(chǎn)生自然增斜問(wèn)題，一般其傾斜角度超過(guò)60°，不能有效控制井斜方位，在這種情況下采用直螺桿“單 2”鐘擺鉆具，其主要原因是直螺桿“單 1”鐘擺鉆具在實(shí)際的鉆井施工中其穩(wěn)斜效果相對(duì)較差，不能滿(mǎn)足實(shí)際施工需求。采用 PDC（牙輪）鉆頭單彎螺桿（1.25°）配合 NOV 水力振蕩器，滑動(dòng)鉆進(jìn)中工具面穩(wěn)定，緩解了定向托壓黏卡現(xiàn)象，井斜方位能得到有效控制，根據(jù)井斜情況及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)控制井眼軌跡，保證了后期井身質(zhì)量，加快了鉆井速度。

4 結(jié)論

對(duì)于大位移水平鉆井施工而言，進(jìn)行技術(shù)提速十分關(guān)鍵，采用更優(yōu)的大位移水平井鉆井提速技術(shù)，能夠進(jìn)一步提升我國(guó)油田開(kāi)采的水平和質(zhì)量。本文研究指出目前影響限制大位移水平井鉆井提速的主要制約因素包括巖質(zhì)較差、硬度較高，井內(nèi)溫度較高、壓持效應(yīng)等，在進(jìn)行提取研究及優(yōu)化當(dāng)中需要充分考慮各個(gè)方面因素，不斷發(fā)展、完善及優(yōu)化。未來(lái)我國(guó)大位移水平井鉆井提速將朝著體系完善化及設(shè)備優(yōu)良化的方向發(fā)展。