鄂爾多斯盆地神府區(qū)塊小井眼優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

賈 佳，夏忠躍，馮 雷，李 建，王 烊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

鄂爾多斯盆地神府區(qū)塊為中國(guó)海油致密氣主產(chǎn)區(qū)之一，普遍采用小井眼開(kāi)發(fā)，井身結(jié)構(gòu)為：一開(kāi)，采用φ241.3 mm 鉆頭鉆進(jìn)，下入φ193.7 mm 表層套管；二開(kāi)，采用φ165.1 mm 鉆頭鉆進(jìn)，下入φ114.3 mm技術(shù)套管。該井身結(jié)構(gòu)具有一定的降本增效優(yōu)勢(shì)，但仍然存在機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)和成本高等問(wèn)題。針對(duì)類似問(wèn)題，目前蘇里格氣田、勝利油田、長(zhǎng)慶油田等，從改進(jìn)井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鉆井參數(shù)、改善鉆井液性能等方面進(jìn)行了一些研究，實(shí)現(xiàn)了二開(kāi)兩趟鉆完鉆。但分析認(rèn)為，機(jī)械鉆速和鉆井周期方面仍然存在很大的提升空間，其中二開(kāi)階段應(yīng)用一趟鉆技術(shù)盡管存在多方面的挑戰(zhàn)，還是具有可行性和很大的必要性。為此，筆者在分析神府區(qū)塊小井眼鉆井難點(diǎn)及技術(shù)需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了井眼軌道精確設(shè)計(jì)和基于提高鉆速的鉆頭優(yōu)化、鉆具組合優(yōu)化、鉆井液性能提升和鉆井參數(shù)優(yōu)化等方面的技術(shù)研究，形成了適合該區(qū)塊的小井眼優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小眼井二開(kāi)一趟鉆完鉆，達(dá)到了進(jìn)一步降本增效的目的。

1 神府區(qū)塊小井眼鉆井難點(diǎn)及技術(shù)需求

神府區(qū)塊沉積條件復(fù)雜，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、連續(xù)性差，孔隙度、滲透率和自然產(chǎn)能低[1-2]。該區(qū)塊所鉆井的井眼尺寸小、環(huán)空間隙小，給優(yōu)快鉆井帶來(lái)了困難，主要包括以下幾個(gè)方面的技術(shù)難點(diǎn)：

1）該區(qū)塊的井眼軌道一般設(shè)計(jì)為“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”，穿過(guò)第四系基巖后開(kāi)始造斜，穩(wěn)斜鉆穿劉家溝組，然后穿過(guò)石千峰組以后開(kāi)始增斜，穩(wěn)穿地質(zhì)靶點(diǎn)。結(jié)合錄井和測(cè)井結(jié)果分析地層傾角變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)石千峰組以下地層逐漸呈現(xiàn)降斜趨勢(shì)，采用原設(shè)計(jì)方法時(shí)，需要頻繁進(jìn)行定向調(diào)整，調(diào)整距離一般都會(huì)超過(guò)500 m，導(dǎo)致定向調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響機(jī)械鉆速。因此，需要精確設(shè)計(jì)井眼軌道。

2）該區(qū)塊主要鉆遇第四系、和尚溝組、劉家溝組、石盒子組、山西組、太原組和本溪組[3-4]。其中，劉家溝組以上地層可鉆性在4 級(jí)左右，以下地層可鉆性在6 級(jí)左右。由于下部地層可鉆性較差，機(jī)械鉆速明顯降低，同時(shí)鉆頭磨損和損壞情況較嚴(yán)重，一般在鉆穿劉家溝組后需要更換攻擊性更強(qiáng)的鉆頭，以完成后續(xù)層位的鉆進(jìn)。

3）二開(kāi)階段進(jìn)行兩趟鉆鉆進(jìn)時(shí)，需要使用2 根螺桿，單根螺桿使用壽命超過(guò)120 h，要一趟鉆完成二開(kāi)，單根螺桿的使用壽命須延長(zhǎng)一倍。因此，對(duì)螺桿的使用壽命和綜合性能提出了更高要求，需要有針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)有螺桿進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。

4）二開(kāi)鉆小井眼時(shí)，一般采用φ88.9 mm 鉆桿，泵壓高，井底環(huán)空當(dāng)量密度高，鉆具柔性大，容易出現(xiàn)正弦屈曲或者螺旋屈曲。為實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成二開(kāi)，需要對(duì)鉆具組合進(jìn)行優(yōu)化研究。

5）目前，神府區(qū)塊小眼井完鉆井深超過(guò)2 500 m，二開(kāi)裸眼段長(zhǎng)度超過(guò)2 300 m，對(duì)鉆井液性能提出了更高要求。為了保證一趟鉆完成二開(kāi)，鉆井液必須具備良好的防塌性能，能夠形成韌性較好的濾餅。同時(shí)，鉆井液還需要有非常好的潤(rùn)滑性能，以降低二開(kāi)裸眼段的摩阻，將摩阻控制在合理范圍內(nèi)，不至使鉆具發(fā)生螺旋屈曲。

6）該區(qū)塊小眼井二開(kāi)裸眼段井徑為165.1 mm，環(huán)空間隙小，保證井眼清潔效果很關(guān)鍵，一旦井底巖屑不能被及時(shí)攜帶出去，會(huì)產(chǎn)生憋堵和卡鉆。為保證二開(kāi)長(zhǎng)裸眼段安全鉆進(jìn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)。

2 小井眼優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上述小井眼鉆井難點(diǎn)及技術(shù)需求分析，從井眼軌道精確設(shè)計(jì)、基于鉆速的鉆頭優(yōu)選、配套鉆桿優(yōu)選、高性能螺桿優(yōu)化、提速工具應(yīng)用、提高鉆井液潤(rùn)滑性能、高效鉆井參數(shù)優(yōu)化等方面著手，開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究，形成了小井眼優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 井眼軌道精確設(shè)計(jì)

根據(jù)神府區(qū)塊鉆遇地層的變化趨勢(shì)，調(diào)整了井眼軌道設(shè)計(jì)思路，將“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”五段制井眼軌道優(yōu)化為“直—增—降—穩(wěn)”四段制井眼軌道。采用“直—增—降—穩(wěn)”四段制井眼軌道，經(jīng)過(guò)石千峰組后，井眼軌道隨著地層變化而自然降斜，不需要進(jìn)行長(zhǎng)井段的刻意穩(wěn)斜。優(yōu)化前和優(yōu)化后的井眼軌道分別見(jiàn)表1和表2。

表1 優(yōu)化前的井眼軌道Table 1 Design data of wellbore trajectory before optimization

表2 優(yōu)化后的井眼軌道Table 2 Design data of optimized wellbore trajectory

2.2 基于鉆速的鉆頭優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，對(duì)鉆頭的布齒密度、切削齒尺寸和后傾角等方面進(jìn)行了優(yōu)化研究。

2.2.1 布齒密度優(yōu)化

增大鉆頭的布齒密度，可以減緩磨損，但會(huì)降低機(jī)械鉆速；降低鉆頭的布齒密度，可以提高機(jī)械鉆速，但會(huì)加快磨損，使鉆頭使用壽命壽命縮短。因此，鉆頭切削齒的布置需要尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。用井底覆蓋系數(shù)可評(píng)價(jià)鉆頭旋轉(zhuǎn)一周時(shí)切削齒侵入地層的能力[5-6]，計(jì)算公式為：

式中：?為鉆頭的井底覆蓋系數(shù)；n為鉆頭切削齒數(shù)量；li為第i個(gè)切削齒半徑中點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)，mm；L為鉆頭冠部輪廓線長(zhǎng)度，mm。

當(dāng)?shù)貙哟_定、L一定時(shí)，井底覆蓋系數(shù)與切削齒數(shù)量成正比；但與此同時(shí)，隨著切削齒數(shù)量增多，單顆齒承受的鉆壓逐漸降低，攻擊性降低[7]。對(duì)于神府區(qū)塊而言，劉家溝組以下地層可鉆性差，需要進(jìn)一步提高破巖效率。結(jié)合以上分析，將主切削齒數(shù)量由17 個(gè)減至15 個(gè)。

2.2.2 切削齒尺寸優(yōu)化

為評(píng)價(jià)切削齒的切削能力，引入一個(gè)參數(shù)——單齒的切削效率[8]。該參數(shù)等于破巖體積與切削齒所受合力的比值，用公式表示為：

式中：Φ為鉆頭單齒的切削效率；Vc為切削體積，mm3；Ft為切削齒所承受的合力，N。

Ft可以看作軸向力Fa、切向力Fc和側(cè)向力Fs的疊加，在鉆頭破巖過(guò)程中，形成的合力與切削齒直徑和地層可鉆性密切相關(guān)[9]。地層可鉆性差時(shí)，相同鉆壓下，切削齒易侵入地層，此時(shí)增大切削齒直徑有助于提高破巖效率；當(dāng)?shù)貙涌摄@性好時(shí)，切削齒不易侵入地層，切削齒直徑增大，反而會(huì)降低破巖效率。因此，從提高破巖能力的角度考慮，地層可鉆性好時(shí)，應(yīng)選用小尺寸切削齒。

選擇可鉆性分別為6 級(jí)和8 級(jí)的巖樣進(jìn)行鉆頭切削試驗(yàn)，用切削深度表示切削能力強(qiáng)弱，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 切削齒直徑對(duì)切削效率的影響Fig.1 Influence of cutting tooth diameter on cutting efficiency

從圖1可以看出：對(duì)于可鉆性為6 級(jí)的巖樣，φ16.0 mm 切削齒的鉆頭比φ13.0 mm 切削齒、φ19.0 mm 切削齒的切削效率更高；對(duì)于可鉆性為8 級(jí)的巖樣，φ13.0 mm 切削齒的切削效率最高。

對(duì)比使用φ16.0 和φ19.0 mm 切削齒的鉆頭鉆進(jìn)神府區(qū)塊劉家溝組以下地層時(shí)的機(jī)械鉆速，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，五刀翼φ19.0 mm 切削齒鉆頭的平均機(jī)械鉆速為7.50 m/h，五刀翼φ16.0 mm 切削齒鉆頭的平均鉆速為13.00 m/h，可以看出，φ16.0 mm切削齒鉆頭的提速效果更明顯。

圖2 φ16.0 和φ19.0 mm 切削齒鉆頭的機(jī)械鉆速Fig.2 ROP of bits with φ16.0 mm and φ19.0 mm cutting teeth

2.2.3 后傾角優(yōu)化

后傾角是鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，其大小與巖石破巖效果密切相關(guān)。當(dāng)鉆頭侵入巖石中進(jìn)行切削作業(yè)時(shí)，切削齒受到的合力可以分解為垂直于巖石的力和平行于切削齒的力，其中垂直于巖石的力起主要作用。一定鉆壓下，后傾角增大，發(fā)揮切削作用的力減小，破巖效率隨之降低[10-11]。

神府區(qū)塊巖石的可鉆性約6 級(jí)，為有針對(duì)性地研究后傾角的影響規(guī)律，選擇可鉆性為6 級(jí)的巖樣進(jìn)行了鉆頭切削試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 后傾角對(duì)鉆頭切削效率的影響Fig.3 Influence of caster angle on cutting efficiency

由圖3可知，同一鉆壓下，隨著后傾角增大，切削深度隨之增大；當(dāng)傾角增至15°左右時(shí)，切削深度接近最大值，之后隨著后傾角增大呈逐漸減小趨勢(shì)。因此，為了整體提高切削效率，將鉆頭后傾角由之前的20°左右調(diào)整為15°。

2.3 配套鉆具組合優(yōu)化

2.3.1 鉆桿尺寸優(yōu)選

神府區(qū)塊二開(kāi)裸眼段非常長(zhǎng)，使用φ88.9 mm 鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，因其柔性大、抗扭性能低，容易出現(xiàn)螺旋屈曲；而且鉆進(jìn)時(shí)泵壓較高，影響井眼清潔效果，需要優(yōu)選鉆桿尺寸。為此，對(duì)φ88.9 和φ101.6 mm 鉆桿的鉆深極限和安全扭矩極限進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 φ88.9 和φ101.6 mm 鉆桿的鉆深極限值對(duì)比Fig.4 Comparison of the drilling depth limits of φ88.9 mm and φ101.6 mm drill pipes

由圖4可知，在安全扭矩極限和鉆深極限方面，φ101.6 mm 鉆桿明顯優(yōu)于φ88.9 mm 鉆桿。

以1 000 L/min 的排量鉆進(jìn)時(shí)，用φ88.9 mm 鉆桿，泵壓約23 MPa；用φ101.6 mm 鉆桿，泵壓約15 MPa，相差8 MPa（見(jiàn)圖5）?？梢?jiàn)，使用φ101.6 mm 鉆桿優(yōu)勢(shì)更大?；诖?，將鉆具組合優(yōu)化為：φ165.1 mm PDC 鉆頭+φ135.0 mm×1.25°螺桿+浮閥+φ127.0 mm短鉆鋌+φ150.0 mm 穩(wěn)定器+φ127.0 mm 定向接頭+φ127.0 mm 無(wú)磁鉆鋌+φ120.7 mm 鉆鋌+變扣接頭+φ101.6 mm 鉆鋌+φ101.6 mm 鉆桿。

圖5 φ88.9 和φ101.6 mm 鉆桿的泵壓對(duì)比Fig.5 Comparison of pump pressures of φ88.9 mm and φ101.6 mm drill pipes

2.3.2 螺桿鉆具改進(jìn)

為了一趟鉆完成二開(kāi)小井眼，螺桿使用壽命要求大于240 h，需要對(duì)螺桿進(jìn)行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)：將金剛石復(fù)合片推力軸承應(yīng)用于螺桿中，可提高軸向承壓能力；優(yōu)化螺桿短幅內(nèi)擺線線形，可增大其截流面積、減小偏心距；改用等壁厚定子橡膠注膠工藝，可提高螺桿密封壓力和效率；增大橡膠與定子預(yù)輪廓接觸面積，可增強(qiáng)散熱性[12]。通過(guò)上述改進(jìn)，有效延長(zhǎng)了螺桿的使用壽命，而且可使機(jī)械鉆速由12 m/h 提高至25 m/h 以上。

2.3.3 提速工具研制

為實(shí)現(xiàn)神府區(qū)塊二開(kāi)裸眼段鉆井提速，研制了三維振動(dòng)鉆井沖擊器。該沖擊器主要由扭轉(zhuǎn)沖擊單元、軸向沖擊單元和接頭組成。工作時(shí)，該沖擊器與螺桿和鉆頭相連，扭轉(zhuǎn)沖擊單元中的旋沖錘和換向器轉(zhuǎn)動(dòng)，形成不斷變化的鉆井液通道，當(dāng)鉆井液流經(jīng)沖擊單元下面的噴嘴時(shí)產(chǎn)生壓降和沖擊力，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的不斷進(jìn)行，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩和縱向沖擊力也會(huì)不斷變化，對(duì)鉆頭提供三維沖擊力，提高鉆頭的破巖效率，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速[13-14]。其工作原理如圖6所示。

圖6 三維振動(dòng)鉆井沖擊器工作原理示意Fig.6 Working principle of the 3D vibration impactor

2.4 鉆井液性能提升

為降低神府區(qū)塊二開(kāi)裸眼井段的摩阻，要提高鉆井液的潤(rùn)滑性能。分析蚯蚓分泌黏液的超低摩阻特征，以長(zhǎng)鏈脂肪酸和多元醇為原料[15-16]，研制了仿生潤(rùn)滑劑。該潤(rùn)滑劑主要通過(guò)金屬螯合環(huán)和多重氫鍵發(fā)揮潤(rùn)滑作用：一方面，潤(rùn)滑劑中多分支極性吸附基團(tuán)提供的配對(duì)電子與金屬鉆具表面鐵原子提供的空電子軌道產(chǎn)生螯合作用，提高了潤(rùn)滑劑吸附膜的強(qiáng)度；另一方面，潤(rùn)滑劑中的多分支極性吸附基團(tuán)與井壁巖石表面形成“多重氫鍵”，提高了油膜吸附強(qiáng)度和潤(rùn)滑油膜的抗剪切性能。

基于該仿生潤(rùn)滑劑，研究形成了適合神府區(qū)塊二開(kāi)裸眼井段的鉆井液，其基本配方為：1.0%膨潤(rùn)土漿+0.2%燒堿+2.0%木質(zhì)素共聚物+1.0%超分子降濾失劑+1.0%PAC-LV+0.2%超分子包被劑+2.0%仿生潤(rùn)滑劑+0.3%弱凝膠+8.0%KCl。室內(nèi)評(píng)價(jià)表明，該鉆井液黏度低，切力高，老化前后性能幾乎沒(méi)有變化，性能較為穩(wěn)定。

2.5 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

鉆進(jìn)中，鉆壓影響鉆頭吃入地層的深度。對(duì)于劉家溝組以下地層，在其他條件不變的情況下，鉆壓越大，鉆頭的破巖效率越高，鉆速也越快。綜合分析后，將二開(kāi)裸眼段的鉆壓優(yōu)化為50～100 kN。

轉(zhuǎn)速是影響井眼清潔效果的因素之一，隨著轉(zhuǎn)速提高，鉆頭切削齒與井底巖石的接觸時(shí)間縮短，切削深度減小。由此可知，在其他條件不變的情況下，轉(zhuǎn)速與鉆速具有一定的聯(lián)系。對(duì)于軟地層，井眼清潔效果好，轉(zhuǎn)速與鉆速基本呈正比；對(duì)于中硬地層，鉆頭依靠剪切、沖擊和壓碎形成破巖效果，鉆速對(duì)轉(zhuǎn)速的敏感度降低，兩者不呈正比；對(duì)于較硬地層，切削齒與巖石接觸時(shí)間要大于破巖時(shí)間，轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響進(jìn)一步減弱[17-21]。對(duì)于神府區(qū)塊致密儲(chǔ)層而言，巖石可鉆性約6 級(jí)，屬于中硬地層，需要通過(guò)控制中等鉆速，配合中高鉆壓，提高機(jī)械鉆速。綜合分析后，優(yōu)選轉(zhuǎn)速為50～90 r/min。

由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于φ165.1 mm 井眼，實(shí)現(xiàn)井眼清潔效果所需的最小排量為672.7 L/min（見(jiàn)圖7）。因此，為了保證鉆井泵安全工作，需在額定泵壓下調(diào)整排量；為了提高井眼清潔效果，提高鉆速，二開(kāi)井段泵排量需控制在800～1300 L/min。

圖7 φ165.1 mm 井眼泵排量與泵壓的關(guān)系Fig.7 Relationship between pump displacement and pump pressure in φ165.1 mm wellbore

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

神府區(qū)塊小井眼優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)已在該區(qū)塊8 口井進(jìn)行了應(yīng)用，均實(shí)現(xiàn)了二開(kāi)井段一趟鉆鉆至完鉆井深，平均井深接近2 500 m，平均機(jī)械鉆速26.78 m/h，平均鉆井周期15.03 d，取得了很好的應(yīng)用效果（見(jiàn)表3）。

表3 神府區(qū)塊二開(kāi)一趟鉆鉆井指標(biāo)Table 3 Statistics of one-trip drilling data of the secondspud section in Shenfu block

8 口井的主要鉆井情況，分析如下：

1）鉆具使用量。使用改進(jìn)后的五刀翼φ16.0 mm切削齒的鉆頭，配合高性能螺桿鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆速得到了有效提高，延長(zhǎng)組、紙坊組的機(jī)械鉆速達(dá)到了60 m/h，和尚溝組、劉家溝組、石千峰組的機(jī)械鉆速達(dá)到了20 m/h；石盒子組、山西組的機(jī)械鉆速大于15 m/h；太原組、本溪組的機(jī)械鉆速大于25 m/h。整體而言，實(shí)現(xiàn)了1 只鉆頭、1 根螺桿鉆完二開(kāi)井段。

2）機(jī)械鉆速。已應(yīng)用的8 口井平均機(jī)械鉆速26.78 m/h（見(jiàn)表3），且多數(shù)井在使用優(yōu)質(zhì)鉆井液的情況下沒(méi)有發(fā)生卡鉆、掉塊等井下復(fù)雜情況。其中，5D 井平均機(jī)械鉆速達(dá)45.59 m/h，與前期所鉆井小井眼的機(jī)械鉆速相比，提高了50%以上。

3）鉆井周期。已應(yīng)用8 口井的平均鉆井周期15.03 d（見(jiàn)表3）。其中，5D 井完鉆井深2 577 m，通過(guò)優(yōu)化井眼軌道、使用優(yōu)化的鉆井參數(shù)，保證了鉆井高效進(jìn)行，該井鉆井周期11.13 d，2 000 m 當(dāng)量鉆井周期8.64 d，創(chuàng)造了神府區(qū)塊的致密氣鉆井當(dāng)量鉆井周期最短紀(jì)錄。與前期所鉆井相比，5D 井鉆井周期縮短了45%。

4 結(jié)論與建議

1）針對(duì)鄂爾多斯盆地神府區(qū)塊致密氣儲(chǔ)層機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)等問(wèn)題，從井眼軌道精確設(shè)計(jì)、基于鉆速的鉆頭優(yōu)選、配套鉆桿優(yōu)選、高性能螺桿優(yōu)化、提速工具應(yīng)用、提高鉆井液潤(rùn)滑性能、高效鉆井參數(shù)優(yōu)化等方面著手，開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究，形成了神府區(qū)塊小井眼優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，神府區(qū)塊小井眼優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)二開(kāi)一趟鉆完鉆，平均機(jī)械鉆速可達(dá)26.78 m/h，平均鉆井周期僅15.03 d，為致密氣儲(chǔ)層小井眼高效鉆井提供了技術(shù)支撐。

3）受神府區(qū)塊地質(zhì)條件的影響和限制，小井眼優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)的針對(duì)性和適用性還不夠，建議繼續(xù)針對(duì)小井眼井壁穩(wěn)定、小間隙固井和小井眼水平井鉆井等開(kāi)展深入研究，以形成完善的致密氣儲(chǔ)層小井眼優(yōu)快鉆井技術(shù)體系，指導(dǎo)神府區(qū)塊高效鉆井，助推該區(qū)塊致密氣增儲(chǔ)上產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。