華北JX井?215.9mm井眼“一趟鉆”鉆井關(guān)鍵技術(shù)

鄭 鋒，劉昊昕，王建龍，江加國(guó)，張 翔，盧寶斌，劉學(xué)松

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津300280；2.渤海鉆探第五鉆井工程分公司，河北河間062450；3.渤海鉆探塔里木鉆井分公司，新疆庫爾勒841000；4.渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津300280）

“一趟鉆”鉆井技術(shù)減少了單井鉆頭用量、起下鉆次數(shù)和時(shí)間，可有效縮短鉆井周期，進(jìn)而達(dá)到降低鉆井成本的目的。近年來，為應(yīng)對(duì)低油價(jià)的挑戰(zhàn)和滿足經(jīng)濟(jì)高效的勘探開發(fā)需求，“一趟鉆”鉆井技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛[1-5]。國(guó)外頁巖油氣鉆井中，一趟鉆完成的進(jìn)尺已超過5500m[6-7]。

華北油田束鹿凹陷油氣儲(chǔ)量豐富，為進(jìn)一步提高開發(fā)效益，在JX 井試驗(yàn)了“一趟鉆”鉆井技術(shù)，以縮短鉆井周期，節(jié)約鉆井成本。JX 井為一口雙增剖面定向井，設(shè)計(jì)井深2948.76m，最大井斜65.79°，該井二開鉆遇多組地層、大斜度井段長(zhǎng)，一趟鉆完成造斜、穩(wěn)斜井段鉆進(jìn)，需要解決摩阻扭矩大、井眼清潔困難、地層巖性變化大、易垮塌、漏失等問題。應(yīng)用Landmark 軟件模擬計(jì)算井眼清潔情況，確定使用水力振蕩器減小摩阻、緩解定向拖壓，應(yīng)用井眼清潔工具改善井眼清潔狀況；分析地層巖性、可鉆性，優(yōu)選PDC 鉆頭；計(jì)算不同鉆具組合形式下，鉆頭所受側(cè)向力，優(yōu)化鉆具組合，在穩(wěn)斜段保持較好穩(wěn)斜效果下，具備足夠增斜能力；并進(jìn)一步優(yōu)化鉆井液性能，加入新型防塌、防漏、潤(rùn)滑劑。

1 實(shí)施“一趟鉆”快速鉆井需解決的難題

JX井二開實(shí)施“一趟鉆”快速鉆井存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）造斜點(diǎn)淺、井斜大，鉆井摩阻扭矩大，井眼軌跡控制困難。JX 井設(shè)計(jì)為雙增剖面，造斜點(diǎn)542m，鉆進(jìn)至1020m 處井斜達(dá) 43°，自 1188.87m 開始增斜，鉆進(jìn)至1417.59m，井斜達(dá)65.79°，至井底為穩(wěn)斜段。鉆井過程中易出現(xiàn)鉆壓傳遞困難、定向托壓、工具面不穩(wěn)定等問題。

（2）大斜度井段長(zhǎng)，井眼清潔困難，易形成厚巖屑床，環(huán)空憋堵，井漏、垮塌、卡鉆等井下風(fēng)險(xiǎn)大。一般認(rèn)為，鉆井井斜角大于45°后即容易在井底產(chǎn)生穩(wěn)定巖屑床[8-11]，JX 井二開井斜65.79°井段長(zhǎng)達(dá) 1531.17m，井下易形成穩(wěn)定巖屑床，給鉆井施工帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。

（3）地層巖性變化大，特別是館陶組底部含礫巖，使用一只鉆頭高效完成全井段鉆進(jìn)難度高。二開井眼鉆進(jìn)地層包括館陶組、東營(yíng)組地層、沙河街組，不同地層巖性差別較大，一只鉆頭高效完成全部進(jìn)尺難度大。如館陶組底部為雜色礫巖，一般使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，在完成館陶組鉆進(jìn)后，為進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，在東營(yíng)組和沙河街組使用PDC鉆頭。

（4）鉆具組合需具有良好的匹配性。二開一趟鉆完成增斜段、穩(wěn)斜段鉆進(jìn)，以穩(wěn)斜段為主，鉆具組合應(yīng)具有良好穩(wěn)斜性能。同時(shí)，增斜段設(shè)計(jì)全角變化率為3°/30m，需要保證增斜效率。分析區(qū)塊實(shí)鉆數(shù)據(jù)，常用的“彎螺桿+PDC 鉆頭”的鉆具組合，穩(wěn)斜段鉆進(jìn)增斜明顯，需要頻繁調(diào)整井眼軌跡，增加了鉆井時(shí)間，并影響井眼質(zhì)量。

（5）井漏、垮塌等復(fù)雜易發(fā)。鉆遇地層主要巖性為泥巖、砂巖以及雜色礫巖，地層均質(zhì)性差，沙河街上部含膏泥巖、油頁巖，鄰井多次發(fā)生井漏、垮塌。

2 “一趟鉆”鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 使用提速工具緩解定向托壓，保障井眼清潔

定向鉆井過程中，鉆具不旋轉(zhuǎn)，鉆具貼附井壁處容易出現(xiàn)鉆壓傳遞困難，產(chǎn)生“托壓”現(xiàn)象。水力振蕩器可帶動(dòng)鉆具軸向振動(dòng)，將井下鉆具所受靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦力，鉆具所受“托壓”大幅減小，工具面穩(wěn)定性得到改善，定向效率提升，圖1為工具結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)JX井設(shè)計(jì)井眼軌跡分析，結(jié)合區(qū)塊應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將水力振蕩器安放在距離鉆頭200m 位置，工具經(jīng)井口測(cè)試壓耗、振動(dòng)正常后入井。

圖1 水力振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)用Wellplan 軟件分析了井眼清潔情況，結(jié)果見圖2，預(yù)測(cè)鉆進(jìn)至井底，在1420～2900m 井段巖屑床厚度達(dá)16.55mm，進(jìn)一步增大了管柱所受摩阻、扭矩，給鉆井帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。通過采取短起下、提高排量、改善鉆井液性能、控制機(jī)械鉆速等措施可以減小巖屑床厚度，但是這些技術(shù)手段在現(xiàn)場(chǎng)適用性有限。為進(jìn)一步改善巖屑返出狀況，破壞井下巖屑床，在鉆具組合中安放多個(gè)井眼清潔工具。依據(jù)巖屑床計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，確定在距離鉆頭220m、420m、600m、780m安放井眼清潔工具。

2.2 優(yōu)選高效PDC鉆頭

依據(jù)鄰井測(cè)井資料，通過建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，計(jì)算分析JX井地層可鉆性級(jí)值，二開井段地層巖性和可鉆性級(jí)值預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。二開井段鉆遇地層巖石可鉆性級(jí)值主要在2～5之間，地層硬度較小，屬于軟—中硬地層，非常適合高效PDC 鉆頭應(yīng)用，但是要解決含礫地層，特別是館陶組底部鉆頭磨損、破壞的問題。

在地層巖性特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地區(qū)實(shí)鉆鉆頭數(shù)據(jù)，優(yōu)選T1665B 型鉆頭。該鉆頭刀翼數(shù)為6 個(gè)，采用雙排齒設(shè)計(jì)，優(yōu)化布齒結(jié)構(gòu)和流道，保證穿過含礫層后仍然具備優(yōu)秀的攻擊性，同時(shí)，具備良好巖屑排出效果。圖3 為該型鉆頭在JX 井二開使用前后照片，出井鉆頭存在個(gè)別切削齒磨損情況，但總體保護(hù)良好，可以繼續(xù)使用。

2.3 優(yōu)化鉆具組合

圖2 不同井深巖屑床厚度分析圖

二開地層含礫，為避免鉆頭先期損壞，導(dǎo)致提前起鉆，采用大排量中轉(zhuǎn)速長(zhǎng)壽命的井下動(dòng)力鉆具，以控制PDC 鉆頭在含礫層轉(zhuǎn)速。經(jīng)過對(duì)比分析，選用?172mm 瓣比為5∶6 的單彎螺桿（彎角1.25°），允許最大排量36L/s，輸出鉆速120～160r/min，井下工作時(shí)長(zhǎng)可達(dá)200h。

為滿足鉆井提速要求，并能適用于增斜、穩(wěn)斜井段鉆井，選用區(qū)塊常用的“PDC+彎螺桿+穩(wěn)定器”的“單彎單穩(wěn)”鉆具組合形式。同時(shí)，考慮到二開井段增斜/穩(wěn)斜段長(zhǎng)度比為1/8.3，鉆具組合應(yīng)具有較好的穩(wěn)斜效果，鉆頭所受側(cè)向力宜偏小。軟件分析了上部穩(wěn)定器尺寸、螺桿和上部穩(wěn)定器之間距離、鉆壓、井斜等因素對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響，計(jì)算結(jié)果見圖4～圖7。

表1 JX井二開地層巖性與可鉆性級(jí)值預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 JX井二開使用T1665B型鉆頭入井前后照片

圖5 螺桿和上部穩(wěn)定器之間距離對(duì)鉆頭側(cè)向力影響

圖6 鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力影響

圖7 井斜對(duì)鉆頭側(cè)向力影響

由圖可見：上部穩(wěn)定器尺寸對(duì)鉆頭側(cè)向力影響較大，隨上部穩(wěn)定器尺寸增大，鉆頭側(cè)向力逐漸減??；螺桿和上部穩(wěn)定器之間距離在0～5m 變化時(shí)，鉆頭側(cè)向力增大十分明顯，而當(dāng)螺桿和上部穩(wěn)定器之間距離大于10m 后，鉆頭側(cè)向力變化不明顯；隨鉆壓在20～120kN范圍逐漸增大，鉆頭側(cè)向力較緩慢增長(zhǎng)；在可能出現(xiàn)的40°～70°井斜角范圍內(nèi)，隨井斜角增大，鉆頭側(cè)向力逐漸增長(zhǎng)。綜合考慮不同因素對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響大小，確定上部穩(wěn)定器尺寸為208mm，螺桿和上部穩(wěn)定器之間距離為0，并推薦鉆壓70～90kN。

鉆具組合：?215.9mm 鉆頭＋?172mm 單彎螺桿鉆具（1.25°，穩(wěn)定器210mm）＋?208mm 穩(wěn)定器+?172mm無磁鉆鋌×1根+MWD短節(jié)＋?172mm無磁鉆鋌×1根+4A10×411變扣接頭+?172mm浮閥+?127mm加重鉆桿×13根+?165mm隨鉆震擊器＋?127mm加重鉆桿×4根+?172mm水力振蕩器＋?127mm加重鉆桿×4根+?127mm鉆桿（帶井眼清潔工具4只）。

2.4 鉆井液技術(shù)

二開采用聚合物鉆井液，為防止發(fā)生掉塊垮塌，施工中逐步提高NFA-25 的加量，并加入足夠的液體潤(rùn)滑劑和降失水劑，改善泥餅質(zhì)量，降低高溫高壓失水，穩(wěn)定井壁。進(jìn)入目的層前增加SN 樹脂，增強(qiáng)抗溫能力，加強(qiáng)護(hù)壁性，防止井壁垮塌。現(xiàn)場(chǎng)備有隨鉆堵漏劑改性植物纖維DF-1，依據(jù)實(shí)鉆情況適量添加。

3 應(yīng)用效果分析

JX井一趟鉆完成二開鉆進(jìn)，進(jìn)尺1883m，機(jī)械鉆速20.25m/h，相比于鄰井，平均機(jī)械鉆速提高30%以上、起下鉆減少3趟次以上，有效節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間。具體而言，各項(xiàng)技術(shù)實(shí)施效果如下：①水力振蕩器累計(jì)循環(huán)使用150h，定向過程中基本無托壓，工具面穩(wěn)定好，造斜效率高、減少了定向鉆進(jìn)進(jìn)尺；通過合理放置井眼清潔工具，并采用35～36L/s 大排量以及每鉆進(jìn)350m 短起下一次的措施，明顯改善了巖屑返出效果，避免了卡鉆等事故的發(fā)生。②優(yōu)選的鉆頭一趟鉆完成多組地層鉆進(jìn)，且機(jī)械鉆速明顯高于鄰井。③優(yōu)化后鉆具組合保障了增斜段定向效果，并在穩(wěn)斜段中發(fā)揮了良好效果，該井實(shí)際穩(wěn)斜段長(zhǎng)1500m，滑動(dòng)鉆進(jìn)63m，占比僅4.2%，大幅低于同類型井。④鉆井液性能的進(jìn)一步優(yōu)化，保障了下部井段安全鉆井，二開全井段未發(fā)生垮塌、漏失等復(fù)雜。

4 結(jié)論與建議

（1）使用Landmark 軟件計(jì)算了井下巖屑床分布和不同鉆具組合形式鉆頭側(cè)向力，為井眼清潔工具安放位置的確定、鉆具組合的優(yōu)化提供了參考。

（2）為實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”鉆井，應(yīng)選用合適的鉆頭和螺桿，優(yōu)選的鉆頭應(yīng)兼顧攻擊性和使用壽命，螺桿既要重視本身性能，又要考慮與鉆頭、鉆井參數(shù)的配合，并做好鉆井液性能維護(hù)。

（3）“一趟鉆”鉆井技術(shù)可明顯節(jié)約鉆井時(shí)間，降低成本，符合鉆井提質(zhì)提效的目的，建議進(jìn)一步試驗(yàn)推廣。