大慶深層水平井鉆井提速技術(shù)

潘永強，楊決算，于興東，張 坤

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

松遼盆地地層巖性復(fù)雜，天然氣含量豐富，深層水平井是開發(fā)深層天然氣的主要手段之一，深層水平井施工過程中還存在一些問題：一是深層地層研磨性強，鉆頭效率低、壽命短；二是提速工具單一應(yīng)用效果顯著，未形成系統(tǒng)化應(yīng)用；三是深層水平井摩阻大、攜巖困難；四是深層目的層多樣化、天然裂縫及破碎帶發(fā)育，易發(fā)生井漏、井塌等復(fù)雜；五是鉆井周期長、非生產(chǎn)時間比例大、投資成本高。針對以上問題，從鉆井頂層優(yōu)化設(shè)計、自主研發(fā)提速工具、鉆井液性能改進完善等方面出發(fā)，開展技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)深層水平井鉆井提速提效目標。

1 地質(zhì)特點及鉆井施工難點

大慶深層氣藏巖性復(fù)雜，地層特性差異大，具有以下特點：①巖性復(fù)雜、致密；②地溫梯度高，平均地溫梯度4.0℃/100m；③裂縫發(fā)育、夾薄層碎屑巖、含大量破碎帶。鉆井施工難點：①深層巖石硬度大、強度高、研磨性強，鉆頭效率低、壽命短；②平均地溫梯度高達4.0℃/100m，對鉆井液流變性、潤滑性、抗溫性要求高；③鉆遇裂縫發(fā)育、膠結(jié)性差的破碎性地層時，經(jīng)常發(fā)生井壁剝落、井眼坍塌和惡性漏失等復(fù)雜。

2 鉆井設(shè)計優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)大慶不同區(qū)塊、不同地質(zhì)目的，考慮安全、地質(zhì)及提速等要求，開展了各開次井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。表層套管下至穩(wěn)定泥巖段，以滿足后續(xù)管串和井口裝置承載需求，防止井口沉降。技套要考慮減少三開裸眼段長，降低摩阻、扭矩和施工風(fēng)險。對于承壓能力低、有漏失風(fēng)險的地層，采用尾管+尾管回接方式固井，不僅能防井漏也能減緩氣竄的發(fā)生，能夠更好地保證固井質(zhì)量。

2.2 井眼軌道優(yōu)化

在優(yōu)選設(shè)計剖面和造斜率方面，選擇了三種剖面模型分別進行井眼軌道設(shè)計，通過不同工況下的摩阻對比（見表1），五段制剖面摩阻最小，因此優(yōu)選五段制剖面為最終設(shè)計方案（見圖1）。靶前距與造斜率，兩者呈反比關(guān)系，前者大，后者就可以變得更小，但也不是無限大或者小就好。通過優(yōu)化選擇合適的值，做到既不浪費井段，又可以使井眼軌道平滑，便于施工。通過井眼軌道的優(yōu)化，優(yōu)選了合理的軌道剖面和造斜率，使設(shè)計的井眼軌道更平滑，確保鉆具和套管順利下入，有利于縮短鉆井周期，從而降低鉆井成本。

圖1 五段制剖面圖

表1 三種模型摩阻對比

2.3 鉆頭優(yōu)選

統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，大慶深層“易鉆巖性”主要為玄武巖、安山巖（其石英含量50%左右，達深為代表），“難鉆巖性”主要為礫巖、流紋質(zhì)角礫巖、流紋巖（石英含量一般在60%～80%，其中流紋巖的石英含量高達80%，研磨性最強，徐東為代表）。在深層難鉆巖性中礫巖、流紋質(zhì)角礫巖、流紋巖的可鉆性差，且抗壓強度較高，其中流紋巖可鉆性最差，抗壓強度最高，依據(jù)PDC 鉆頭吃入極限理論（抗壓強度不大于18000psi）和地層含礫情況，建立了大慶深層各區(qū)塊常規(guī)PDC使用極限深度（見表2）。針對登樓庫組及以下地層特點，通過個性化鉆頭優(yōu)選、改進與試驗，形成了大慶深層高效鉆頭序列。2018 年以后施工的深層水平井，二開平均機械鉆速與2017 年相比提高51%，三開平均機械鉆速提高42%。

表2 各區(qū)塊常規(guī)PDC使用極限深度

3 提速工具研制

3.1 旋沖螺桿

液動旋沖工具是一種輔助破巖、保護鉆頭的提速工具，能夠解決深部高硬、高研磨地層鉆井施工中單只鉆頭進尺少、鉆頭壽命短、機械鉆速低等問題，在深層直井已現(xiàn)場應(yīng)用100余口井，有效提高了深井硬地層的機械鉆速。在深層水平井開展旋沖工具配合螺桿鉆具應(yīng)用，將旋沖工具和螺桿設(shè)計為一體，形成旋沖螺桿一體化工具，可解決深層高硬、高研磨破巖難問題，提高深層水平井機械鉆速。旋沖螺桿工具在ZH22～H4 井泉頭組地層應(yīng)用，機械鉆速提高373%，節(jié)省鉆井周期14d。見表3。

表3 ZH22～H4臨井對比數(shù)據(jù)

3.2 巖屑床破壞器

水平井鉆進時，井眼中的固體微粒受重力、粘滯阻力、沖擊力、浮力作用影響，巖屑會沉降產(chǎn)生巖屑床，嚴重影響機械鉆速，而且還是鉆具粘卡的主要原因。巖屑床破壞工具是一種在鉆進過程中清除巖屑床的井下工具。水平井定向鉆進時，鉆柱不旋轉(zhuǎn)，鉆井液流經(jīng)螺旋翼，流態(tài)由層流變?yōu)槲闪鳎茐膸r屑靜止?fàn)顟B(tài)，將低邊沉積巖屑沖刷運移到環(huán)空高邊處，巖屑隨液流返出。當(dāng)復(fù)合鉆進時，螺旋翼旋轉(zhuǎn)機械攪拌，將井眼低邊沉積膠結(jié)在一起的巖屑床粉碎，變成小顆粒巖屑隨主液流返出地面。

3.3 水力振蕩器應(yīng)用

深層水平井由于水平段長，施工后期摩阻大，影響水平井機械鉆速。水力振蕩器是一種降低水平井摩阻的鉆井工具，該工具利用鉆井液的液能驅(qū)動，帶動井下鉆柱沿軸向高頻率、低振幅振動，減小鉆柱與井壁之間摩阻，提高水平井鉆井效率，該工具已在深層、中淺層水平井應(yīng)用20余口井，平均降低摩阻2.3t，應(yīng)用水力振蕩器能夠解決深層水平井施工后期摩阻大問題，可提高深層水平井機械鉆速。

4 深層水平井鉆井液技術(shù)

針對深層地層特點、鉆井施工難點兼顧上部地層提速要求，針對二開大井眼施工中出現(xiàn)的縮徑、泥包等問題，優(yōu)選使用雙聚胺基鉆井液體系，該體系從鉆井液流變性及抑制性入手，優(yōu)選包被抑制劑，調(diào)整鉆井液流變性，適當(dāng)控制失水，使用防泥包劑配合工程措施，在FS6～H2 等8 口井進行應(yīng)用，未發(fā)生復(fù)雜，保證施工安全順利進行。

針對深層水平井三開井底溫度高、裂縫發(fā)育等問題，自主研發(fā)抗高溫降濾失劑、抗高溫增粘劑及高效隨鉆封堵材料，形成抗高溫封堵防塌鉆井液體系，該體系在FS6～H2 等12 口井應(yīng)用施工過程中鉆井液高溫性能穩(wěn)定，動塑比大于0.45，API失水小于2.6mL，Kf不大于0.0524，為安全施工提供了保障。施工的12 口井中只有2口井發(fā)生漏失，應(yīng)用防漏堵漏技術(shù)，成功堵漏，保證了施工安全順利進行。見表4。

表4 抗高溫封堵防塌鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用情況表

5 提速技術(shù)集成應(yīng)用及效果

5.1 提速工具應(yīng)用效果

針對泉頭組造斜段施工，在F198～H9應(yīng)用旋沖螺桿工具，施工井段總進尺1867m，總鉆時337h，平均機械鉆速5.54m/h，同比6 口臨井（平均鉆速4.59m/h）提速20.5%以上，與常規(guī)螺桿施工相比，周期節(jié)省3d；在ZH22～H4應(yīng)用旋沖螺桿工具，刷新了該區(qū)塊平均機械鉆速、造斜井段最短鉆井周期兩項紀錄，現(xiàn)場試驗獲得成功。施工井段1509～2276m，總進尺767m，平均機械鉆速11.45m/h，與臨井ZH24～H1 同層位臨近井段（1508～2328m）施工相比，機械鉆速提高373%，縮短鉆井周期14d。

5.2 軌跡優(yōu)化技術(shù)效果

深層水平井地層可鉆性差、研磨性強，導(dǎo)致全井鉆井速度慢、周期長、成本高。施工中從三方面進行軌跡優(yōu)化：一是上移造斜點、降低造斜率；二是優(yōu)化實鉆軌跡；三是優(yōu)選合適的鉆具組合與鉆頭。通過合理的軌跡優(yōu)化，優(yōu)選出合理的鉆具組合，同時強化鉆進參數(shù)及水力參數(shù)，優(yōu)選出合適的鉆頭螺桿，從而提高整體施工效率。

2018 年以前深層水平井平均機械鉆速1.28m/h，通過優(yōu)化施工后，復(fù)合進尺比例增加，機械鉆速明顯提高。SPKP1全井復(fù)合鉆進比例69.89%，全井定向鉆進周期42.11d，全井平均機械鉆速2.3m/h；LH1全井復(fù)合鉆進比例66.63%，全井定向鉆進周期109.33d，全井平均機械鉆速2.34m/h；CT1全井復(fù)合鉆進比例71.99%，全井定向鉆進周期82.6d，全井平均機械鉆速1.91m/h；FS2HC井施工未完，通過優(yōu)化施工后定向效率有所提高，全井復(fù)合進尺比例65.13%。見表5。

表5 軌跡優(yōu)化技術(shù)施工數(shù)據(jù)對比

5.2 鉆井液技術(shù)施工效果

雙聚胺基鉆井液體系共進行8口311.2mm 井眼施工，應(yīng)用防泥包技術(shù)，均未發(fā)生泥包情況，抗高溫封堵防塌鉆井液體系進行12口215.9mm井眼施工，施工過程中鉆井液高溫性能穩(wěn)定，動塑比大于0.45，API 失水小于2.6mL，摩阻不大于0.0524，為安全施工提供了保障，施工的12口井中只有2口井發(fā)生漏失，應(yīng)用防漏堵漏技術(shù)，成功堵漏，防漏成功率提高52.3%，平均堵漏時間縮短93h，堵漏時效提高38%，保證了施工安全順利進行。

5.3 總體提速效果

通過可鉆性預(yù)測、鉆頭優(yōu)選評價、參數(shù)優(yōu)化、提速工具等多種技術(shù)手段的集成應(yīng)用，開展了個性化設(shè)計，現(xiàn)場應(yīng)用12 口井，取得良好的施工效果。目前已完鉆8 口井二開311.2mm 井眼，鉆進周期與2018 年之前相比平均節(jié)省4.09d，平均機械鉆速提高85.53%，三開215.9mm井眼已完鉆12口井，鉆進周期與2018年之前相比，F(xiàn)S區(qū)塊基本持平，平均機械鉆速提高16.5%，XS區(qū)塊按施工1600m井段計算，平均節(jié)省17.16d，平均機械鉆速提高22.9%，汪深區(qū)塊按施工1600m 井段計算，平均節(jié)省30d以上，平均機械鉆速提高148%。

6 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化設(shè)計、可鉆性預(yù)測、鉆頭優(yōu)選評價、參數(shù)優(yōu)化、研發(fā)提速工具等多種技術(shù)手段，針對單井實際情況優(yōu)選組合提速技術(shù)，形成大慶深層水平井高效鉆井技術(shù)，提高施工效率，降低鉆井成本。

（2）應(yīng)用大慶深層水平井高效鉆井技術(shù)，累計施工12 口井，二開平均節(jié)省4.09d，平均機械鉆速提高85.53%，三開按施工1600m井段計算，平均節(jié)省16.6d，平均機械鉆速提高44.89%。