大尺寸井眼優(yōu)快鉆井技術在 厄瓜多爾T區(qū)塊的研究與應用

黃鑫(西南石油大學，四川 成都 610500)

0 引言

在鉆井行業(yè)中，井徑大于12 1/4"的井眼為大尺寸井眼[1]。由于T區(qū)塊主要為晚三系、第三系地層，其沉積時間短，穩(wěn)定性差，加之Orteguaza組地層綠色頁巖中夾硬脆性薄煤層、Tiyuyacu組存在可鉆性差且易縮徑的礫石層等鉆井技術難點，該區(qū)塊常規(guī)采用三開井身結構(如表1所示)。在此井身結構中，大尺寸井眼需鉆至井深2 800 m左右，約占全井井深的80%～90%左右。所以大尺寸井眼段機械鉆速的快慢直接決定了區(qū)塊單井鉆井周期和成本。

表1 區(qū)塊常用井身結構及套管程序

2 大尺寸井眼提速難點分析

(1)破巖效率低。通常而言，破巖效率的高低可用破碎單位體積巖石所消耗的機械能來評價。對于沖旋鉆井來說，破巖機械能可采用比鉆壓與轉速的乘積來衡量。由于大尺寸井眼鉆頭破巖面積大，但其所加鉆壓卻與8 1/2"井眼相差無幾，導致其機械破巖能量不足，破巖效率較低。(2)水力能量偏低。一方面，在相同的泵壓條件下，大尺寸鉆頭比水馬力比小尺寸鉆頭比水馬力大大下降，且隨著井深增加，沿程水馬力損失大幅增加，鉆頭水馬力進一步下降；另一方面，大尺寸井眼中形成的鉆屑數量多、粒徑大、沉降速度快，使得井底清潔更困難，攜砂返排對鉆井泵和鉆井液性能要求高。(3)憋跳鉆較嚴重。由于T區(qū)塊上部地層非均質性強、可鉆性差異大，扭矩波動大，導致在長大尺寸井眼段鉆進過程中鉆具容易發(fā)生憋跳。這不僅影響鉆井速度，還增加了因交變應力及瞬時高沖擊載荷作用致使鉆具損壞、PDC鉆頭提前失效等復雜情況出現的概率。(4)鉆頭冷卻要求更高。由于井徑大，鉆頭線速度高，其冷卻難度就比8 1/2"井眼大，容易導致PDC鉆頭復合片的熱加速磨損。(5)鉆井液維護處理難度大。大尺寸井眼容積大、鉆井液浸泡面積大，加之區(qū)塊大尺寸井眼井段地層井壁機械穩(wěn)定性差、易膨脹和垮塌，且如果鉆井液返速較低就會使得巖屑量增加，泥巖的細分散使鉆井液流變性變差，巖屑易粘附在井壁上引起縮徑。因此，大尺寸井眼須處理的鉆井液量及難度就相對更大。

3 大尺寸井眼優(yōu)快鉆井技術分析

3.1 強化鉆頭合理選型研究

根據區(qū)塊地質特征及前期現場鉆頭使用情況，結合理論分析，逐步完善優(yōu)化各開次鉆頭選型序列(如表2所示)。

表2 區(qū)塊鉆頭優(yōu)選特征

(1)選用淺錐形冠部輪廓、傾斜螺旋刀翼式布齒、切削齒后加背齒限位、以及螺旋保徑設計，提高PDC鉆頭穩(wěn)定性，延長其使用壽命。(2)PDC鉆頭切削齒尺寸小，產生比壓高，吃入硬地層能力強，而大尺寸切削齒在軟地層中切削效率高。針對T區(qū)塊地質情況，選用19 mm主切削齒提高上部欠壓實地層切削效率。(3)對于16"井眼，在150 m之前時而會鉆遇膠結疏松的大顆粒礫石。在保證鉆進參數的基礎上，為避免PDC鉆頭切削齒先期損壞的風險，建議用牙輪鉆頭鉆至造斜點后起鉆換PDC鉆頭進行后續(xù)作業(yè)。

3.2 合理使用底部鉆具組合

(1)合理選用欠尺寸雙扶正器，強化井下動力鉆具組合穩(wěn)、增能力，盡量提高復合鉆進時效；對于造斜要求高、難度大的井，可考慮使用旋轉導向系統，以消除滑動導向工具面不易控制、易托壓等困難，使井眼軌跡更加平滑。(2)采用5 1/2"大尺寸鉆桿，減少沿程壓耗增加鉆頭壓降，提高水力破巖能力，并為提高環(huán)空返速和攜巖能量創(chuàng)造有利條件[2]。(3)使用5 1/2"加重鉆桿代替鉆鋌，一方面，能降低循環(huán)壓耗，有效緩解為提高機械鉆速而使用高級數螺桿后產生的高泵壓問題；另一方面，因不使用鉆鋌而簡化了鉆具組合，在一定程度上降低了較深井段的阻卡風險。

3.3 優(yōu)化鉆進參數

(1)機械參數方面，鉆壓和轉速都是破巖的必要條件，兩者配合決定了破碎巖石的方式。對于16"井眼，可適當減小鉆壓而提高轉速來獲得更高的機械鉆速，因為該段以泥巖和頁巖為主，地層較為松軟，軟地層對鉆壓不敏感，但在軟地層中機械鉆速與轉速近似呈線性關系變化；對于12 1/4"井眼，可采用適當加大鉆壓而減小轉速來提高切削效率，因為隨著地層硬度的提高，鉆頭破巖時間延長，如果一味增大鉆速，會使巖石破碎過程不完全，切削齒還未充分破碎巖石就與巖石分離開，引起破巖深度減小。(2)水力參數方面，雖然增加排量會增加循環(huán)壓耗，但在現有設備承載能力之內，提高排量能增大鉆頭獲得的壓力能，能更好地增加清洗、冷卻鉆頭以及清潔井底的能力，因此建議用大排量、高水力參數鉆進。而對于26"井眼以及16"井眼直井段，由于地層疏松易發(fā)生竄漏，宜控制排量鉆進，建議最大排量不超過500 gpm。(3)對于含有礫石層的Tiyuyacu層段，非均質性強，PDC鉆頭切削齒易發(fā)生沖擊損壞，而且礫石不易破碎，導致鉆屑較大而很難循環(huán)出來，并且排量越大，所需的劃眼次數越多[3]，因此鉆進礫石層時需控參數鉆進，建議使用參數為排量450～600 gpm，鉆壓10 klbs，轉速50 r/min。

3.4 改善防塌鉆井液性能

(1)針對大尺寸井眼大段泥、頁巖層井壁失穩(wěn)的難題，雖然基本思路是以物理防塌和化學防塌相結合，但優(yōu)選低粘、低密度鉆井液，將其密度控制在1.20 g/cm3(10.0 ppg)以下，粘度小于40 s，以減少壓持效應，降低循環(huán)壓耗，提高射流水力效能。(2)針對16"井眼地層惡性造漿嚴重、體系固相含量高、聚集泥塊堵塞等問題，使用鈣鹽聚合物鉆井液體系，利用鈣離子壓縮雙電層作用以及聚合物的聚合作用，建立粗分散、強抑制、低流變體系，使固相顆粒適度絮凝，從而確保井壁穩(wěn)定，避免鉆頭泥包、縮徑和泥漿循環(huán)管匯堵塞，提高井段機械鉆速。(3)針對12 1/4"井眼礫石層易坍塌縮徑、硬脆性頁巖易垮塌等問題，通過有機胺頁巖抑制劑分子吸附在粘土的表面，與水分子競爭粘土的有效位阻來降低粘土膨脹；利用復合抑制劑封堵地層層理和微裂縫，減少鉆井液濾液滲入地層，有效抑制地層水化膨脹，增強地層穩(wěn)定性。(4)井斜角35～60°的井段長，由于重力作用、鉆具偏心、大尺寸井眼鉆屑濃度大、循環(huán)壓耗隨井深增加等原因，容易造成鉆屑堆積井底，或粘附井壁和鉆具，因此應強化井筒清潔配套措施，即每鉆進3～5根立柱，利用低粘切鉆井液和高纖維素稠漿破壞巖屑床，凈化井筒。

3.5 充分運用固控技術

強化鉆井液性能維護，使用“線性振動篩+除砂器+除泥器+離心機”四級固控系統，滿足固控需求，提高鉆井液性能，提升破巖效率。

3.6 強化設備保障及工序銜接

強化責任落實和制度執(zhí)行，堅持設備日常巡檢和不定期抽檢相結合，強調頂驅、泥漿泵、VFD房等重點設備、關鍵領域的檢查、維護及保養(yǎng)，抓牢抓實設備高負荷運轉的保障工作。

4 現場應用效果

(1)大尺寸井眼段提速效果顯著，16"井眼及12 1/4"井眼平均機械鉆速均提升約50%，分別至30 m/h、18 m/h，而復雜層段礫石層段復合鉆進平均機械鉆速提升約44%，至13 m/h。(2)有效縮短單井完鉆周期，定向井平均鉆井周期由原來的20天現已縮短至12天；水平井平均鉆井周期由原來的22天以上現已基本縮短至15天左右。T區(qū)塊定向井完鉆周期縮短趨勢如圖1所示。

圖1 T區(qū)塊定向井完鉆周期縮短趨勢

(3)區(qū)塊鉆井周期大幅縮短，使得單井成本顯著降低。使用優(yōu)化后的大尺寸井眼優(yōu)快鉆井配套技術，單井成本降低約40%，有效提升單井效益，為區(qū)塊增儲上產提供了有力支撐。

5 結語

以“優(yōu)選型、優(yōu)組合、優(yōu)參數、提性能、強保障”為思路的大尺寸井眼優(yōu)快鉆井綜合配套技術能有效提高T區(qū)塊機械鉆速，縮短鉆井周期，降低單井成本，并在厄瓜多爾奧連特盆地具有較好的地區(qū)適應性和推廣價值。下步將需進一步針對12 1/4"井眼礫石層等復雜層段深入開展“一趟鉆”技術研究，爭取普遍達到“一層套管一趟鉆”的水平。