蘇里格氣田?165.1mm小井眼二開一趟鉆優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

劉召友，孫永強(qiáng)，郭百利

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

蘇里格氣田自2018 年開始試驗小井眼鉆完井試驗，小井眼相比常規(guī)井眼具有機(jī)械鉆速高、成本低、環(huán)保壓力小等優(yōu)點，已成為長慶氣田降本增效的重要技術(shù)手段之一。隨著小井眼鉆井技術(shù)的日益提高，提速空間逐步縮小，為進(jìn)一步提高小井眼鉆井速度，實現(xiàn)效益開發(fā)，開展對鉆頭優(yōu)化改型號、優(yōu)選長壽命螺桿、鉆具組合及軌跡控制優(yōu)化等的技術(shù)攻關(guān)研究，配套形成一套適合蘇里格氣田小井眼二開一趟鉆優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)[1]，通過現(xiàn)場應(yīng)用，11口井實現(xiàn)了二開一趟鉆完鉆，平均鉆井周期7.95d，較未應(yīng)用該技術(shù)完成井提高19.37%，取得了明顯的提速效果，為蘇里格氣田小井眼效益勘探開發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗和技術(shù)支撐。

1 鉆井技術(shù)難點

（1）小井眼施工區(qū)域分布于蘇里格氣田南部、蘇東南及東部神木雙山區(qū)塊，因區(qū)塊位置、目的層垂深差異性較大，鉆具組合與地層匹配性差，增降斜規(guī)律不強(qiáng)，難以一套鉆具組合實現(xiàn)一趟鉆。

（2）井眼軌跡控制難度大。水平位移大，穩(wěn)斜段長,地層自然增降斜規(guī)律難以利用,井身軌跡嚴(yán)格，增斜段全井變化率不大于5°/30m，穩(wěn)斜段全角變化率不大于2°/30m，為保障井身質(zhì)量，軌跡調(diào)整頻繁，深井段滑動托壓嚴(yán)重，機(jī)械鉆速低。

（3）地層非均質(zhì)性強(qiáng)，鉆頭易損壞，單只鉆頭進(jìn)尺少，機(jī)械鉆速低。劉家溝組地層研磨性強(qiáng)，可鉆性差，PDC 鉆頭容易發(fā)生先期磨損，鉆至劉家溝組底部因鉆時慢，需要起鉆換鉆頭，完成剩余井段施工。

（4）小井眼螺桿型號多，因輸出功率及轉(zhuǎn)速不同，易導(dǎo)致鉆頭在不同地層先期磨損報廢，因此優(yōu)選配套適合全井段地層的螺桿型號、輸出功率及參數(shù)是實現(xiàn)一趟鉆的前提。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

通過分析“一趟鉆”[2-4]鉆井技術(shù)難點，從鉆頭優(yōu)化設(shè)計、螺桿參數(shù)型號優(yōu)選、鉆具組合及井眼軌跡優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究，配套形成一套小井眼二開一趟鉆優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 鉆頭優(yōu)化改型

分析蘇里格氣田小井眼兩趟鉆完成井使用的PDC鉆頭磨損情況，二開第一只鉆頭均鉆穿劉家溝組地層后，鉆頭復(fù)合片磨鈍，進(jìn)入石千峰組非均質(zhì)地層，鉆頭攻擊性降低，機(jī)械鉆速變慢，因此需要提升鉆頭攻擊性；第二趟鉆鉆非均質(zhì)強(qiáng)的地層，出井鉆頭基本輕微磨損，但主切削齒存在崩片現(xiàn)象。為此，從鉆頭攻擊性、導(dǎo)向穩(wěn)定性、抗研磨性三方面進(jìn)行設(shè)計優(yōu)選，形成各開次個性化高效鉆頭序列，見表1。

表1 ?165.1mm井眼優(yōu)選鉆頭序列表

（1）提升鉆頭耐磨性、抗沖擊性。優(yōu)選偏抗沖、偏耐磨異型切削齒，實現(xiàn)攻擊性及耐磨性雙提升。采用三棱齒和屋脊齒混合鑲嵌，抗沖擊性能提升36%，抗研磨性能提升17%，提高了鉆頭的攻擊性，保證了鉆進(jìn)壓實強(qiáng)度較高地層前復(fù)合片的完整性。

（2）采用單圓弧的冠型曲線，使用淺內(nèi)錐、中長冠型設(shè)計，增加鉆頭冠部保徑部位的有效長度；單排齒中低密度布齒，提升PDC鉆頭的攻擊性。

（3）鉆頭采用三長兩短刀翼和高脊高布齒，切削齒出露高度由原8mm 減小至6mm，提高了鉆頭工具面的穩(wěn)定性，保證復(fù)合鉆進(jìn)時井斜穩(wěn)定。

2.2 高效螺桿優(yōu)選

根據(jù)地層可鉆性劃分標(biāo)準(zhǔn)、巖石硬度分級及實鉆鉆頭出井情況分析，二開井段侏羅系延安組至中生界三疊系劉家溝組井段可鉆性級值3～4，可鉆性好，采用高速低扭矩螺桿可提高上部地層機(jī)械鉆速，但鉆至劉家溝組至奧陶系馬家溝組地層，可鉆性級值在5～6，存在細(xì)砂巖、礫狀砂巖、泥巖互層，可鉆性差，高速低扭矩螺桿因轉(zhuǎn)速高導(dǎo)致鉆頭發(fā)生粘滑，復(fù)合片易崩片損壞，無法鉆完剩余井段被迫起鉆，因此選用了大排量中速大扭矩螺桿，分段優(yōu)化頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)“一趟鉆”高效復(fù)合鉆進(jìn)。

（1）表層第四系至侏羅系直羅組地層，巖石壓實強(qiáng)度低，地層軟，可鉆性好，優(yōu)選?197mm 瓣比7∶8 的高速單彎螺桿，允許排量45～55L/s，其輸出轉(zhuǎn)速為75～150r/min，輸出功率130kW。

（2）優(yōu)選7LZ135×1.5°中轉(zhuǎn)速大扭矩長壽命螺桿，額定排量12.35～24.75L/s，轉(zhuǎn)速130～261r/min，最大扭矩3.277kN·m，最大功率75kW，在相同排量下，輸出扭矩較高速螺桿低19.99%，較低速螺桿低31.77%，輸出功率較高速螺桿高59.57%（見表2）。

表2 螺桿參數(shù)性能對比表

（3）發(fā)揮中轉(zhuǎn)速、大扭矩螺桿性能特點，分地層優(yōu)化頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)速提高上部軟地層機(jī)械鉆速，大扭矩提升下部硬地層破巖能力。延安組至劉家溝組頂部地層調(diào)節(jié)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速至75～80r/min,充分發(fā)揮高轉(zhuǎn)速，有利于上部軟地層快速鉆進(jìn)；劉家溝組至馬家溝組地層降低頂驅(qū)轉(zhuǎn)速至60～65r/min,充分發(fā)揮螺桿大扭矩，提高鉆頭破巖能力，中等轉(zhuǎn)速有利于PDC 鉆頭鉆遇含礫石砂泥互層地層時對PDC鉆頭保護(hù)，提高鉆頭進(jìn)尺能力，保障了二開“一趟鉆”完鉆。

2.3 鉆具組合優(yōu)化

2.3.1 小井眼鉆具組合力學(xué)研究

采用單彎螺桿組成的鉆具組合進(jìn)行井眼軌跡控制，控制軌跡增降斜能力受到鉆具組合中穩(wěn)定器尺寸、螺桿彎角、彎角位置等因素影響，同時小井眼鉆柱由于本身剛度小、柔性大、受地層傾角、井眼曲率影響大，因此通過應(yīng)用Navigator軟件建立單彎單穩(wěn)增斜鉆具組合力學(xué)模型，通過在既定條件下，開展鉆具組合側(cè)向力分析，明確鉆具組合軌跡控制能力及特性，便于現(xiàn)場根據(jù)區(qū)塊地層特性、靶點位移及垂深，優(yōu)選鉆具組合。

單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合力學(xué)分析。以165.1mm井眼為例，采用小井眼單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合如下：?165.1mmPDC 鉆頭+7LZ135 螺桿+311×310 回壓凡爾+?127mmMWD+?127mm 無磁鉆鋌+?101.6mm 加重鉆桿×5 柱+?101.6mm 鉆桿×40 柱+?101.6mm 加重鉆桿×10柱+?101.6mm鉆桿，其中，彎點至螺桿上端面距離5.33m，彎點至鉆頭距離1.33m，穩(wěn)定器中點至螺桿鉆具下接頭端面距離0.58m，其他計算條件包括軌跡數(shù)據(jù),鉆壓120kN，鉆井液密度1.19g/cm3等邊際條件一定的情況下，通過軟件計算采用不同螺桿彎角、螺桿穩(wěn)定器尺寸對鉆頭側(cè)向力的影響。

（1）彎角對鉆頭側(cè)向力的影響。由圖1 可以看出，在鉆壓一定時，隨著螺桿彎角的增大，鉆頭側(cè)向力呈線性增大；因此，在實際鉆井過程中滿足安全的條件下，優(yōu)選大彎角，適當(dāng)鉆壓以達(dá)到控制井斜的目的。

圖1 彎角對單彎單穩(wěn)螺桿鉆頭側(cè)向力的影響規(guī)律

（2）穩(wěn)定器外徑對鉆頭側(cè)向力的影響。由圖2可以看出，螺桿彎角一定時，增大螺桿穩(wěn)定器外徑會使鉆頭的側(cè)向力增大。

圖2 穩(wěn)定器外徑對單彎單穩(wěn)螺桿鉆頭側(cè)向力的影響規(guī)律

（3）螺桿穩(wěn)定器位置對鉆頭側(cè)向力的影響。由圖3可以看出，穩(wěn)定器位置的改變對鉆頭側(cè)向力影響較大，當(dāng)穩(wěn)定器距鉆頭越近時，鉆頭側(cè)向力越大；當(dāng)穩(wěn)定器逐漸靠近彎點時，鉆頭側(cè)向力減小且減小的趨勢趨于平緩，此時穩(wěn)定器外徑對鉆頭側(cè)向力的影響也隨之減小。

圖3 螺桿穩(wěn)定器位置對單彎單穩(wěn)螺桿鉆頭側(cè)向力的影響規(guī)律

2.3.2 小井眼單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合優(yōu)化確定

通過鉆具組合力學(xué)分析，螺桿彎角、穩(wěn)定器尺寸對鉆頭側(cè)向力影響較大，彎角越大，側(cè)向力越大；穩(wěn)定器尺寸越大，側(cè)向力越大，為此，根據(jù)?165.1mm 井眼尺寸，優(yōu)選1.5°彎角的螺桿，匹配適合相應(yīng)井眼的穩(wěn)定器尺寸?161mm,形成單彎單穩(wěn)鉆具組合:?165.1mmPDC鉆頭+7LZ135×1.5°×?161mm 穩(wěn)定器+311×310 回壓凡爾+?127mmMWD+?127mm 無磁鉆鋌+?101.6mm 加重鉆桿×5 柱+?101.6mm 鉆桿×40 柱+?101.6mm 加重鉆桿×10柱+?101.6mm鉆桿。

2.3.3 小井眼鉆具復(fù)合增斜規(guī)律

通過現(xiàn)場試驗應(yīng)用，總結(jié)兩趟鉆具組合在各地層中復(fù)合增降斜規(guī)律（見表3）對比發(fā)現(xiàn)：小井眼全井段應(yīng)用單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合復(fù)合增斜率較單彎雙穩(wěn)螺桿鉆具組合高2°～6°/100m，尤其主要表現(xiàn)在延長中下部強(qiáng)降斜井段，單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合復(fù)合降斜率較單彎雙穩(wěn)鉆具組合低2°～4°/100m，劉家溝組地層、“雙石層”單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合復(fù)合增斜，而單彎雙穩(wěn)螺桿鉆具組合復(fù)合微降。

表3 鉆具復(fù)合增斜率對比表

2.4 井眼軌跡控制技術(shù)

根據(jù)施工區(qū)域、設(shè)計位移、目的層垂深及地層自然增降斜規(guī)律，結(jié)合鉆具組合特性，通過剖面優(yōu)選設(shè)計、造斜點優(yōu)化、最大井斜控制等研究形成一套小井眼二開“一趟鉆”軌跡控制技術(shù)。

總體思路：提高造斜點,采用“直—增—穩(wěn)—緩降”四段制剖面,把定向、增斜、穩(wěn)斜在上部可鉆性較好的地層段完成,緩降段放在深井段利用鉆具組合特性復(fù)合自然微降斜完鉆。該剖面較“直—增—穩(wěn)三段制剖面”滑動段少，施工效率高，同時較“直—增—穩(wěn)—降剖面”四段制剖面摩阻扭矩低。

（1）造斜點:根據(jù)蘇里格地區(qū)的地層情況和井身結(jié)構(gòu),提高造斜點在450～800m?？s短上部易斜井段的長度,克服防斜與打快矛盾,有利于上部井段防碰,同時也可適當(dāng)縮短叢式井間的間距6～8m,便于加井施工。

（2）增、降斜率選擇:按照常規(guī)定向井優(yōu)選原則即可,根據(jù)井深和水平位移大小,增斜率在5°/30m的范圍內(nèi)優(yōu)選；降斜率在2°/30m范圍內(nèi)優(yōu)選。

（3）最大井斜角的確定:根據(jù)位移大小確定最大井斜、穩(wěn)斜段長，將最大井斜放置在延長中部及劉家溝組地層，把定向、增斜、穩(wěn)斜放置在上部可鉆性較好的地層完成，深井段可鉆性差的地層復(fù)合完鉆。

2.5 CQCG-G鉆井液優(yōu)化配套應(yīng)用

綜合考慮直羅組、延長組泥巖和山西組煤層易垮塌，延長下部、劉家溝組承壓能力低易發(fā)生漏失、井眼小、攜砂困難等因素，優(yōu)選具有強(qiáng)抑制防塌性、封堵護(hù)壁性、攜巖能力和防漏堵漏能力的CQCG-G 鉆井液體系，配方為：A%～B%膨潤土+C%～D%weigh2+B%強(qiáng)抑制包被劑+E%～F%強(qiáng)抑制劑+G%～B%天然高分子降濾失劑+E%～B%防塌封堵劑+E%～F%提切劑+B%～C%超細(xì)碳酸鈣+F%～G%納米封堵劑+C%～D%潤滑劑+E%～F%NaOH。

（1）提高鉆井液的強(qiáng)抑制防塌性。二開按配方提前配好膠液，加入E%強(qiáng)抑制包被劑、G%強(qiáng)抑制劑和C%～D%Weigh2，勤維護(hù)，補(bǔ)充新漿聚合物含量不低于E%提切劑、Weigh2 C%～D%，保持聚合物含量，提高CQCG-G鉆井液抑制防塌性，防止直羅組、延長組泥巖垮塌，確保振動篩返出砂樣成型，不糊篩。

（2）提高鉆井液的強(qiáng)封堵護(hù)壁性。二開加入A%～B%白土、E%～B%防塌封堵劑和F%～G%納米封堵劑形成薄、韌性強(qiáng)的泥餅，控制失水小于12mL，抗沖刷能力強(qiáng)、護(hù)壁性強(qiáng)，利于井壁穩(wěn)定，延長中部加入天然高分子降濾失劑、超細(xì)碳酸鈣，提高體系封堵性，降低鉆井液失水至8mL。

（3）鉆井液的低粘高切性。二開加入E%黃原膠和F%強(qiáng)抑制包被劑，控制動切力和Ф6讀數(shù)，低粘高切，提高鉆井液的攜砂性和懸浮能力；定期清理錐形罐，加強(qiáng)固控設(shè)備的使用，控制鉆井液有害固相，降低體系的塑性粘度。

通過CQCG-G鉆井液優(yōu)化體系及維護(hù)處理措施的優(yōu)化配套，有效保障了小井眼一趟鉆完鉆電測一次成功率，完井11口，電測一次成功率88.5%。

3 應(yīng)用效果

2021年應(yīng)用二開一趟鉆優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)完井11口，平均鉆井周期7.95d，平均建井周期19.13d,鉆機(jī)月速度5209m/ty，較未應(yīng)用一趟鉆技術(shù)完成井平均鉆井周期縮短19.37%，建井周期縮短2.84%，鉆機(jī)月速度提高2.97%，提速效果顯著。見表4。

表4 小井眼一趟鉆完成井技術(shù)指標(biāo)對比表

4 結(jié)論與建議

（1）通過高效鉆頭型號優(yōu)化改型、長壽命中速大扭矩螺桿優(yōu)選，鉆具組合分析優(yōu)化、軌跡控制技術(shù)及高效鉆井液體系優(yōu)化研究，配套形成了蘇里格氣田小井眼二開一趟鉆優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了小井眼二開一趟鉆完鉆，大幅度提高小井眼鉆井速度。

（2）小井眼二開一趟鉆技術(shù)的成功應(yīng)用，在提高純鉆時效和機(jī)械鉆速的同時，減少了二開起下鉆次數(shù)及井下復(fù)雜發(fā)生率，大幅度縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，實現(xiàn)了小井眼效益開發(fā)。

（3）采用具有強(qiáng)抑制防塌、封堵護(hù)壁、低粘高切、防漏堵漏等特性高效鉆井液體系，能夠?qū)崿F(xiàn)小井眼井壁穩(wěn)定及攜砂要求，確保井眼清潔，提高了小井眼電測一次成功率。

（4）建議開展變徑穩(wěn)定器試驗[6-7]，持續(xù)優(yōu)化鉆具組合，將“單彎單穩(wěn)”、“單彎雙穩(wěn)”組合特點結(jié)合，形成一套既滿足上部地層增斜又可以利用變徑穩(wěn)定器組成滿足下部地層微降鉆具組合。