鉆井提速技術(shù)在GT1井的綜合應(yīng)用

摘" " 要：隨著油氣勘探開發(fā)向深層擴(kuò)展，地層越來越復(fù)雜，鉆井難度也越來越大，主要表現(xiàn)為地質(zhì)情況復(fù)雜、地層可鉆性差、鉆頭加壓困難、對井下工具的抗高溫性能要求高等，尤其是深部古老地層，機(jī)械鉆速低，嚴(yán)重制約著深井鉆井速度，增加了施工成本，因此提高難鉆地層的機(jī)械鉆速極為迫切。GT1井是一口重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井，針對該井施工中存在的技術(shù)難題，通過井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、防斜打直鉆具組合應(yīng)用、個(gè)性化PDC鉆頭設(shè)計(jì)、提速工具優(yōu)選等措施的綜合應(yīng)用，鉆井速度得到有效提升，并創(chuàng)造了多項(xiàng)施工紀(jì)錄。

關(guān)鍵詞：深井；井身結(jié)構(gòu)；PDC鉆頭；提速工具

Comprehensive application of drilling speed improving technology in GT1 well

JIAO Weiguo， WANG Jian， YANG Fengchun， LI Zhigang

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：With the expansion of oil and gas exploration and development to deeper layers， the formation is becoming more complex， and drilling is also more difficult. The main manifestations are complex geological conditions， poor formation drillability， difficulty in pressurizing drill bits， and high requirements for high-temperature resistance of downhole tools.Especially，in ancient deep formations， low rate of penetration seriously restricts deep well drilling speed， increasing construction costs. Therefore， it is extremely urgent to improve the rate of penetrationin difficult-to-drill formations. GT1 well is a key risk exploration well. In response to the technical difficulties in the construction of this well， the drilling speed has been effectively improved through the comprehensive application of measures such as casing program optimization， combined application of deviation control drilling tool， personalized PDC drill bit design， and acceleration tool selection， setting multiple construction records.

Keywords：deep well; casing program; PDC bit; acceleration tool

近兩年來遼河油田在海上部署的深井、超深井逐步增多，深部地層地質(zhì)情況復(fù)雜，巖石硬度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，嚴(yán)重制約深部硬地層鉆井速度，探索提高深部硬地層鉆井速度的技術(shù)和工具成為當(dāng)前的熱點(diǎn)課題之一[1-2]。GT1井位于渤海灣盆地遼河坳陷灘海東部構(gòu)造帶，設(shè)計(jì)井深5 850 m，井型為直井，主要鉆井目的是探索太古界潛山含油氣性，拓展深層天然氣勘探領(lǐng)域，同時(shí)兼探沙三段致密砂巖氣勘探潛力，尋求深層碎屑巖勘探領(lǐng)域的突破。地層自上而下依次為：明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙河街組、太古界。

1" " 鉆井施工難點(diǎn)

1）井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一開、二開為非常規(guī)大尺寸井眼，施工難度大；館陶組和東一段上部砂礫巖、含礫砂巖地層疏松，膠結(jié)較差，容易出現(xiàn)井漏；預(yù)測東二、東三、沙一段可能鉆遇三個(gè)斷層，漏失風(fēng)險(xiǎn)高。因此需要對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]，為安全鉆進(jìn)打好基礎(chǔ)。

2）表層套管固井工藝優(yōu)選。該井表層套管為非常規(guī)尺寸套管，下深較深，施工需要的漿體用量大，施工時(shí)間長，如何保障表層固井質(zhì)量是該井的難點(diǎn)。

3）井斜風(fēng)險(xiǎn)。東營組以下地層傾角較大（21°～39°），井斜增長較快，深部地層定向鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重，井眼軌跡控制困難，“防斜打直”是本井的重點(diǎn)。

4）井底高溫。預(yù)測井底溫度約204 ℃，對井下工具抗高溫性能要求高，適用的提速工具選擇范圍小。

5）地層古老，可鉆性差。主要目的層位于太古界，埋藏深度大，可鉆性差，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長。

針對以上難題，對川慶鉆探、西部鉆探等多家石油工具公司進(jìn)行了深入調(diào)研，與甲方一起提前介入工程設(shè)計(jì)，共同優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，并選定PDC鉆頭總包技術(shù)服務(wù)、水力振蕩馬達(dá)、頂驅(qū)下套管、濾波穩(wěn)定器、雙擺、抗高溫馬達(dá)MWD儀器作為該井的鉆井提速工具。

2" " 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在GT1井的設(shè)計(jì)階段，作業(yè)方技術(shù)團(tuán)隊(duì)與甲方設(shè)計(jì)部門積極對接，協(xié)助甲方編制鉆井工程設(shè)計(jì)。通過雙方20余次的持續(xù)對接，隔水管、鉆具尺寸、一開完鉆深度、二開防噴器、三開固井工藝等6項(xiàng)優(yōu)化措施被采納。同時(shí)，根據(jù)鄰井施工情況分析及GT1井壓力預(yù)測結(jié)果，東三段以上地層孔隙壓力相對較低；在2 250、3 500 m發(fā)育斷層；東三段3 560 m以下預(yù)測可能發(fā)育高壓層等情況，確定必封點(diǎn)①3 500 m（東三段上部）。根據(jù)東三段、沙三段存在高壓，但太古界壓力系數(shù)低且裂縫發(fā)育；潛山段專打有利于開展儲層保護(hù)等情況，確定必封點(diǎn)②5 350 m（太古界頂）。為應(yīng)對地質(zhì)變化較大情況的發(fā)生，備用一層套管，形成“四備五”的井身結(jié)構(gòu)，見表1。

實(shí)際施工時(shí)，由于三開沙河街地層厚度變化較大，超出設(shè)計(jì)預(yù)期，作業(yè)方與甲方、勘探研究院等單位密切合作，及時(shí)協(xié)調(diào)船舶定期運(yùn)送巖屑樣品到實(shí)驗(yàn)室做分析，判斷當(dāng)前巖性，預(yù)測地層厚度，為后續(xù)鉆進(jìn)提供指導(dǎo)。經(jīng)地質(zhì)部門重新預(yù)測，潛山頂面最大垂深5 770 m（原設(shè)計(jì)5 350 m），結(jié)合現(xiàn)場施工情況，啟用備用五開井身結(jié)構(gòu)方案，最終使用五開井身結(jié)構(gòu)順利鉆達(dá)完鉆井深，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)目的。實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)見圖1。

3" " 深表層內(nèi)插管固井工藝

GT1井一開473.08 mm套管下深1 623 m，技術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了常規(guī)膠塞固井和內(nèi)插固井的對比分析，認(rèn)為常規(guī)固井工具加工周期長，施工頂替量大，施工時(shí)間長，風(fēng)險(xiǎn)較高。最終首次在1 000 m以上井深優(yōu)選了內(nèi)插管固井工藝，該工藝通過鉆柱注水泥，能減少水泥漿在套管內(nèi)與鉆井液的摻混，縮短頂替鉆井液時(shí)間，同時(shí)水泥漿可提前返出，從而減少因附加水泥量過大而造成的浪費(fèi)和環(huán)境污染。針對大尺寸套管封固段長、施工壓力高、注入量大、內(nèi)管柱插頭可能會由于管柱壓縮脫出插座，或內(nèi)管柱振動導(dǎo)致內(nèi)插頭處密封失效、鉆桿環(huán)空返液等影響施工安全的難點(diǎn)，本井采用有效長度1 m的定制內(nèi)插工具，配合內(nèi)插座實(shí)現(xiàn)有效密封，同時(shí)井口處配置套管內(nèi)密封工具實(shí)現(xiàn)雙重密封，防止密封失效，保障了施工安全；避免了需定制大尺寸膠塞與水泥頭、頂替量大、施工時(shí)間長等缺點(diǎn)，提高了施工效率，固井質(zhì)量合格率85.7%。由于采取了上述措施，創(chuàng)造了渤海灣571.5 mm井眼最深、473.08 mm套管下深最深、固井用內(nèi)插管柱下深最深等多項(xiàng)紀(jì)錄。

4" " 防斜打直鉆具組合應(yīng)用

針對GT1井東營組以下地層傾角較大，井眼軌跡不易控制的難題，根據(jù)二開、三開井段地層傾角、傾向特點(diǎn)，優(yōu)選“四合一”防斜打直鉆具組合，與PDC 鉆頭配合使用，采用合理的鉆井參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在提供較高機(jī)械鉆速的同時(shí)，兼具鐘擺防斜與定向控制能力，在高陡地層中發(fā)揮了較好的防斜打直作用。二開全井段均實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)，井斜均控制在1°以內(nèi)，井底位移僅為14.85 m，平均機(jī)械鉆速13.56 m/h，較KT1井二開機(jī)械鉆速提高41.54%；截至三開井深4 512 m，最大井斜1.76°，防斜打直效果非常理想，達(dá)到了提速提效目的。

5" " 提速工具應(yīng)用

1）針對一開施工鉆具振動大、跳鉆情況頻繁對施工安全構(gòu)成威脅，二開優(yōu)選了減振器配套使用[4]。鉆頭在井底旋轉(zhuǎn)時(shí)，會產(chǎn)生鉆壓的上下波動，鉆頭每次旋轉(zhuǎn)時(shí)鉆頭都會依照正弦輪廓線運(yùn)動，造成鉆柱周期性振動。減振器通過蝶形彈簧的雙向運(yùn)動，防止鉆柱的簡諧振動，使鉆柱自適應(yīng)各種鉆壓。當(dāng)存在軸向載荷時(shí)，通過蝶形彈簧組合吸收能量，并通過機(jī)械摩擦減小振動產(chǎn)生的沖擊力，吸收和降低鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的動態(tài)軸向載荷。二開全井段配套使用減振器，減少底部鉆具渦動及黏滑現(xiàn)象，跳鉆情況比一開減少80%，提高了鉆具穩(wěn)定性，避免了大尺寸井眼施工底部鉆具疲勞損壞，延長了鉆具使用壽命。

2）二開339.7 mm套管下深3 553.5 m，套管浮重高達(dá)3 400 kN，使用吊卡、卡瓦的常規(guī)下入方法無法滿足安全施工要求。通過與川慶鉆探、西部鉆探技術(shù)交流，并對比了CRT型和CDS型頂驅(qū)下套管工具的特點(diǎn)及適用性，最終優(yōu)選了CRT型頂驅(qū)下套管工具。該工具主要由接頭、本體外殼、芯軸、支撐架、牙塊和密封總成組成，通過與頂驅(qū)連接進(jìn)行套管的上扣和卸扣，可以旋轉(zhuǎn)、上提、下放、循環(huán)和下壓套管，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，便于運(yùn)輸、安裝、拆卸和操作，下套管中途可隨時(shí)進(jìn)行灌漿、循環(huán)，提升噸位高達(dá)600 t，配合氣動下卡盤的使用，解決了常規(guī)工具不適用大尺寸高載荷套管下入的問題，提高了作業(yè)時(shí)效，保障了二開套管的安全下入，創(chuàng)造了渤海灣431.8 mm井眼最深、339.7 mm套管下深最深紀(jì)錄。

3）針對常規(guī)馬達(dá)在三開上部地層提速效果不明顯，優(yōu)選了水力振蕩螺桿作為提速工具。該工具將普通馬達(dá)產(chǎn)生的橫向振動轉(zhuǎn)換成軸向的沖擊力，水力振蕩螺桿裝有液動短節(jié)，產(chǎn)生的軸向力傳遞到螺桿本體，螺桿本體產(chǎn)生拉拽力帶動鉆柱高頻低幅地向下蠕動，產(chǎn)生高頻的縱向沖擊力來提高鉆進(jìn)過程中鉆壓的傳遞及鉆進(jìn)的效率，使工具產(chǎn)生最大的效率[5]。三開第一趟鉆使用水力振蕩螺桿配合個(gè)性化設(shè)計(jì)的PDC鉆頭進(jìn)行復(fù)合提速，鉆進(jìn)井段3 558～4 512 m，平均機(jī)械鉆速9.69 m/h且較鄰井提高18.03%，鉆頭出井新度90%，可重復(fù)使用，取得了較明顯的提速效果。

4）針對以往深部硬地層施工時(shí)因鉆具振動大影響MWD儀器信號傳遞導(dǎo)致鉆頭切削效率低的特點(diǎn)，優(yōu)選了濾波穩(wěn)定器作為鉆井濾振穩(wěn)定工具。該工具通過彈性總成柔性連接，削減底部BHA的軸向振動以及周向振動。在鉆進(jìn)過程中，鉆頭及井下工具出現(xiàn)較大振動時(shí)，濾波穩(wěn)定器通過彈性位移變化，實(shí)現(xiàn)振動能量的吸收和釋放，減少鉆具組合的振動，可降低鉆具振動對MWD儀器的損害，減少因振動導(dǎo)致信號丟失而造成的起鉆，提高了鉆井效率；減少強(qiáng)振動對PDC鉆頭復(fù)合片的沖擊，保護(hù)鉆頭進(jìn)而增加單只鉆頭進(jìn)尺，GT1井在4 630～4 963 m井段使用該工具，鉆進(jìn)扭矩平穩(wěn)，無蹩跳現(xiàn)象，鉆頭出井新度90%。

5）五開太古界地層巖性為混合花崗巖，井眼尺寸小，深度大，經(jīng)常發(fā)生鉆具渦動和黏滑現(xiàn)象，影響鉆進(jìn)效率，以往施工井在該地層平均機(jī)械鉆速僅2.01 m/h，針對該難點(diǎn)，優(yōu)選了雙擺作為提速工具。該工具引用陀螺的進(jìn)動性原理，利用陀螺具有自穩(wěn)性的特點(diǎn)，主動抑制因鉆頭切削巖層的跳動對鉆具產(chǎn)生的振動而帶來的鉆具各種渦動狀態(tài)及振動，可保證鉆頭工作平穩(wěn)，減少鉆頭無效鉆進(jìn)時(shí)間，提高機(jī)械鉆速；同時(shí)可減少鉆具渦動和振動，以達(dá)到保護(hù)鉆頭、鉆具的目的[6]。GT1井使用雙擺工具配合個(gè)性化定制孕鑲PDC鉆頭[7]，平均機(jī)械鉆速高達(dá)7.19 m/h，較KT1井同井段提速342.38%，高效完成了該井段的施工。

6）GT1井預(yù)計(jì)最高地層溫度為204 ℃，下部深地層施工時(shí)，過高的溫度會給鉆井液性能、井下工具穩(wěn)定工作帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)，對鉆井液艙、固井區(qū)的設(shè)備和工作人員造成不良影響。為此，作業(yè)方自主設(shè)計(jì)了泥漿冷卻器，該冷卻器現(xiàn)場使用時(shí)冷卻效果明顯，入口泥漿溫度由原來的68.46 ℃下降至53.74 ℃，出口泥漿溫度從77.34 ℃下降至66.94 ℃。泥漿冷卻器的投入使用不僅降低了泥漿整體溫度，穩(wěn)定了鉆井泥漿性能，同時(shí)也降低了井下工具的環(huán)境溫度，增強(qiáng)了工具穩(wěn)定性，延長了其使用壽命，改善了地面和井下的作業(yè)環(huán)境，為GT1井深部鉆井順利施工提供了保障。

7）為高效完成棄井施工，保證平臺在冰期前安全撤離，首次運(yùn)用了高壓磨料射流切割工藝。GT1井棄井作業(yè)面臨各開次水泥均返至井口、套管偏心嚴(yán)重、常規(guī)棄井方式的套銑與磨銑時(shí)間長、不確定因素多、棄井時(shí)間窗口窄等難題。技術(shù)團(tuán)隊(duì)圍繞技術(shù)難點(diǎn)逐一攻關(guān)，對多種新工具、新工藝開展可行性調(diào)研，最終選定可實(shí)現(xiàn)多層套管同時(shí)切割的高壓磨料射流切割棄井工藝，該工藝與常規(guī)棄井工藝相比，最高作業(yè)壓力達(dá)250 MPa，最大切割管柱尺寸達(dá)70 in（1in=25.4 mm），最大切割深度達(dá)100 m，可一次性切割多層帶水泥套管，切割效率高[8]。作業(yè)過程中采用石英砂+清水高壓噴射進(jìn)行切割，在高壓混合切割液兩倍音速的切割作用下，僅用6 h完成了對244.5、339.7、473.08 mm套管和850 mm隔水管組合體的整體切割。節(jié)約棄井周期5 d，為后續(xù)同類型作業(yè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

6" " PDC鉆頭總包

在以往PDC鉆頭總包方式取得良好應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，GT1井繼續(xù)推廣使用PDC鉆頭總包技術(shù)服務(wù)，通過提高鉆頭廠家的積極性和主動性，針對地層特點(diǎn)個(gè)性化設(shè)計(jì)，持續(xù)改進(jìn)、優(yōu)化鉆頭，提高機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺。該井累計(jì)使用總包PDC鉆頭10只，完成進(jìn)尺5 247 m，平均機(jī)械鉆速8.46 m/h，完成了既定的技術(shù)指標(biāo)，節(jié)約了鉆頭采購費(fèi)用，達(dá)到了提速降本的目的。

7" " 結(jié)束語

通過以上提速技術(shù)和提速工具的綜合應(yīng)用，配合施工過程中制定的一系列針對性技術(shù)措施，全井平均機(jī)械鉆速8.24 m/h，較鄰井提速26.38%，鉆井周期較鄰井縮短8.32%，中完時(shí)間較鄰井縮短11.03%，單只鉆頭最高進(jìn)尺1 513 m，井身質(zhì)量合格，固井質(zhì)量合格，全井無復(fù)雜事故發(fā)生。GT1井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化減少了復(fù)雜情況的發(fā)生，為提高施工效率打下了基礎(chǔ)，提速工具在保證井下安全、提高鉆頭切削效率、深層提速方面效果顯著，建議在后續(xù)深井鉆探中繼續(xù)推廣使用。

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作者簡介：

焦衛(wèi)國（1981—），男，山東濟(jì)寧人，高級工程師，2004年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，主要從事海洋鉆井技術(shù)管理工作。Email：jiaowg.cpoe@cnpc.com.cn

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