大慶深層水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

深層水平井鉆井技術(shù)是天然氣開發(fā)的重要手段。大慶深層水平井鉆井施工存在地層研磨性強、鉆頭壽命短、提速手段單一等問題。為了提高深層水平井勘探開發(fā)速度，降低成本，對大慶深部氣藏地質(zhì)特性、深層水平井的施工難點進行分析，通過開展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、井眼軌跡優(yōu)化、高效鉆頭研選、提速工具集成應(yīng)用、鉆井參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)研究，形成了大慶深層水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用14口井，平均機械鉆速提高35.03%，平均縮短鉆井周期66.54 d，降低了勘探開發(fā)成本，可為大慶深層水平井高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

深層水平井；井身優(yōu)化；高效鉆頭；提速工具；難點分析；機械鉆速

TE242

A

DOI： 10.12473/CPM.202401008

Key Technologies for Drilling Deep Horizontal Wells in Daqing Oilfield

Li Bo" Zheng Ruiqiang" Qi Yue" Zhang Zhenhua" Ji Bo" Li Xiangyong" Tian Yudong

（Drilling Engineering Technology Research Institute of CNPC Daqing Drilling amp; Exploration Engineering Co.， Ltd.）

Deep horizontal well drilling is a critical process in natural gas development. The drilling of deep horizontal wells in Daqing Oilfield suffers high formation abrasiveness， short bit life， single rate of penetration （ROP） enhancing method， and other problems. In order to accelerate the exploration and development with deep horizontal wells at lower costs， the geologic characteristics of deep gas reservoirs and the operation challenges of deep horizontal wells in Daqing Oilfield were analyzed. By virtue of a series of research efforts， such as casing program optimization， wellbore trajectory optimization， efficient bit selection， integrated application of ROP enhancing tools， and optimization of drilling parameters， key technologies for drilling deep horizontal wells in Daqing Oilfield were formed. These technologies have been applied in 14 wells of Daqing Oilfield， with the average ROP enhanced by 35.03%， the average drilling cycle reduced by 66.54 d， and the exploration and development costs lowered remarkably. These technologies provide support for efficient development with deep horizontal wells in Daqing Oilfield.

deep horizontal well;casing program optimization;efficient bit;enhancing tool;challenge analysis;ROP

0" 引" 言

大慶深層氣藏分布于松遼盆地北部，以徐深區(qū)塊、汪深區(qū)塊及肇深區(qū)塊為主，天然氣含量豐富、埋藏深。深層水平井鉆井技術(shù)是天然氣開發(fā)的重要手段［1-4］，該技術(shù)在應(yīng)用中存在深部地層可鉆性差、鉆頭磨損嚴重、機械鉆速低、提速手段單一、水平段摩阻大及攜巖能力差等問題。為了加快大慶深層水平井的鉆井速度，提高深層油氣藏開發(fā)效率，開展了大慶鉆井頂層優(yōu)化設(shè)計，通過高效鉆頭研選、鉆井提速工具集成應(yīng)用及鉆井參數(shù)優(yōu)化［5-6］等技術(shù)研究，形成了大慶深層水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，可為大慶深層水平井高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1" 地層特點及鉆井難點

大慶深層氣藏目的層位主要位于埋藏深度在2 500～5 200 m的白堊系下部和侏羅系上部的火石嶺組及基底，巖性復(fù)雜，多為砂巖、泥巖、火山巖、變質(zhì)巖及砂礫巖等致密性巖石，每100 m地溫梯度為3.75～4.15 ℃，地層硬度達到2 500～5 500 MPa，巖石的可鉆性級值最高達到10級；儲層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分區(qū)塊易發(fā)生井壁剝落，滲透率和孔隙度低，局部層位存在異常壓力。大慶深層水平井優(yōu)快鉆井主要有以下技術(shù)難點：

（1）深層巖石硬度大，鉆頭磨損嚴重，單只鉆頭進尺少，機械鉆速低。

（2）提速手段單一，鉆井提速工具應(yīng)用集成度不高，整體綜合應(yīng)用效果不明顯。

（3）造斜率低，井眼不平滑，水平段鉆進摩阻扭矩大，托壓嚴重，傳遞鉆壓困難，造斜段和水平段井眼軌跡控制難度大。

（4）井壁不穩(wěn)定，易發(fā)生剝落，返砂效率低，在鉆柱低邊堆積形成巖屑床，容易引起井下卡鉆等事故。

2" 關(guān)鍵技術(shù)

針對深層水平井鉆井存在鉆頭破巖效率低、井眼軌跡控制困難、鉆井提速手段單一等問題，開展了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、井眼軌跡優(yōu)化、高效鉆頭研選、提速工具配套及鉆井參數(shù)優(yōu)化研究，形成大慶深層水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

2.1" 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)鉆井安全、提高鉆井效率的原則，大慶深層水平井采用3層套管井身結(jié)構(gòu)，綜合考慮區(qū)塊巖性及鉆頭單趟進尺極限應(yīng)用情況，在滿足必封點及采油工藝要求的同時，技術(shù)套管下深由泉二段調(diào)整至泉一段，實現(xiàn)二開一趟鉆施工。一開采用444.5 mm鉆頭，339.7 mm表層套管下深300 m，封固表層松散地層；二開采用311.1 mm鉆頭，244.5 mm技術(shù)套管，下深由泉一段延伸至登樓庫組頂部，封固不穩(wěn)定、易坍塌泥巖層位；三開采用215.9 mm鉆頭，下入139.7 mm油層套管，固井水泥返至地面，封固油層。

2.2" 井眼軌道設(shè)計優(yōu)化

在實現(xiàn)地質(zhì)設(shè)計目的前提下，充分考慮地質(zhì)條件、井眼軌跡控制技術(shù)、鉆進摩阻扭矩及鉆井參數(shù)因素，以降低施工難度。通過不同工況下的摩阻對比，采用雙增五段制剖面設(shè)計（見圖1），將造斜點上移10～30 m，合理利用設(shè)計中的穩(wěn)斜段，下部造斜率可降低7%～10%，減少定向進尺，提高機械鉆速。

李博，等：大慶深層水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對三維井眼軌跡造斜率低、摩阻大的問題，在保證水平段長度的前提下，將造斜點上移，先在平面上定向施工，提前走偏移距，縮短三維長度，降低方位扭轉(zhuǎn)角度，減輕施工難度，使井眼軌道更平滑，以提高機械鉆速。

2.3" 高效鉆頭研選

2.3.1" 二開鉆頭研選

大慶深層水平井二開上部地層明水組至泉頭組，井深一般從200 m開始到2 300 m，巖性以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，可鉆性好，主要采用單排5刀翼19 mm主切削齒的311.2或315.0 mm鉆頭，重點突出鉆頭在中淺部地層的攻擊性；二開下部地層泉頭組至登樓庫組由于互層較多，影響機械鉆速，針對此情況，研選單排5或6刀翼16 mm主切削齒的311.2 mm鉆頭，長刀翼心部采用復(fù)合片和球狀體結(jié)合的方式，既增強鉆頭心部攻擊能力，又增強心部齒的抗沖擊能力，同時使用279型液動旋沖工具輔助破巖，提高層位的機械鉆速。

2.3.2" 三開鉆頭研選

三開直井段為泉頭組至登樓庫組，互層較多，可鉆性較差。為此，分別研選了WS505HK型5刀翼和WS506FK型6刀翼215.9 mmPDC鉆頭，如圖2所示。該型鉆頭采用高抗沖擊抗研磨性復(fù)合片，鼻部設(shè)計斧形齒，增強對地層的預(yù)破碎能力和攻擊能力，同時使用液動旋沖工具或復(fù)合沖擊工具減輕PDC鉆頭的黏滑，保護鉆頭。

三開造斜段和水平段層位為登樓庫組至營層組，以砂質(zhì)礫巖、灰色流紋巖為主，可鉆性級值高（均值6～9）。礫巖研磨性極強，導(dǎo)致鉆進時鉆頭磨損嚴重。為此研選MV613TAXU型雙排非平面13 mm PDC復(fù)合片高效鉆頭，如圖3所示。該鉆頭脫鈷深度超過1 400 μm，采用非平面齒的點接觸方式，復(fù)合片耐磨性大幅增強，改善了受力方式，延長了鉆頭壽命。圖4為非平面齒的點接觸方式圖。

營層組及以下含礫地層研磨性極強，可鉆性級值超過10，極易造成PDC鉆頭嚴重磨損，選用4PDC刀翼+2牙輪復(fù)合鉆頭。結(jié)合牙輪鉆頭和PDC鉆頭的破巖特點，先由牙輪切削齒形成不連續(xù)的齒坑，對巖層進行預(yù)破碎；再由PDC切削齒將不連續(xù)的齒坑刮削連通，提高PDC鉆頭的破巖效率，延長鉆頭使用壽命。圖5為復(fù)合鉆頭布齒及結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

2.4" 提速配套工具

2.4.1" 液動旋沖工具

通過鉆井液驅(qū)動沖擊機構(gòu)產(chǎn)生高頻周向振動，使PDC鉆頭的破巖方式由普通的切削轉(zhuǎn)換成了周向高頻沖擊切削，消除了“黏滑現(xiàn)象”，保護鉆頭，提高了破巖效率；同時鉆井液流經(jīng)動力機構(gòu)形成了高頻水力脈沖射流，提高巖屑運移效率，減少井底巖屑重復(fù)切削。圖6為液動旋沖工具結(jié)構(gòu)示意圖。該工具已研制多種型號并形成系列化，在大慶、新疆等油田應(yīng)用120余口井，平均提速126%，效果顯著。

1—上接頭；2—本體；3—動力機構(gòu)；4—

2.4.2" 復(fù)合沖擊工具

復(fù)合沖擊工具采用立體式破巖方式，同時產(chǎn)生周向和軸向沖擊，如圖7所示。軸向沖擊增加PDC切削齒吃入地層深度，周向沖擊對地層產(chǎn)生預(yù)破壞，顯著提高鉆頭破巖效率［7-9］，適用于登樓庫組至營層組深部硬脆性地層。該工具已在深井應(yīng)用36井次，平均提速210%，最高機械鉆速提高585%，使用壽命超過300 h，是深井提速的重要利器。

2.4.3" 旋沖螺桿鉆井工具

針對深層水平井造斜段破巖效率低的問題，創(chuàng)新設(shè)計了螺桿與沖擊工具一體式的旋沖螺桿鉆井工具，結(jié)構(gòu)如圖8所示。該工具動力馬達采用等壁厚設(shè)計，輸出扭矩提高40%，彎點距鉆頭有效距離較常規(guī)螺桿縮短12%，可提高造斜率，減少滑動鉆進時間。工具的沖擊部分能將鉆井液的壓力能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)破巖動力，輸出高頻沖擊輔助鉆頭破巖。旋沖螺桿鉆井工具可有效保護鉆頭，提高單支鉆頭進尺和機械鉆速。

2.4.4" 水力振蕩器

針對水平段托壓問題，研制全金屬了水力振蕩器，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

在鉆進過程中，該工具能夠給鉆頭施加真實的鉆壓，并保證工具面穩(wěn)定，提高水平井鉆井效率［10-11］，降低井下復(fù)雜風(fēng)險。其減阻原理如下：鉆井液流經(jīng)水力振蕩器，將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動井下鉆柱軸向振動，減小鉆柱與井壁之間的摩阻。該工具采用全金屬結(jié)構(gòu)，不受溫度和鉆井液類型的限制，適用于深層水平井提速。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作排量28～38 L/s，工作壓降2～3 MPa，工作頻率16～17" Hz，振動幅度3～15 mm，振動沖擊力37～43 kN。

2.4.5" 巖屑床清除工具

水平井井壁易失穩(wěn)，大斜度段、水平段易形成巖屑床，進而引起井下卡鉆、憋泵等復(fù)雜情況［12］。為此，研制了巖屑床清除工具，結(jié)構(gòu)如圖12所示，采用水力和機械雙作用原理。該工具設(shè)計有V形螺旋槽式流道和反向螺旋結(jié)構(gòu)，采用漏斗式結(jié)構(gòu)，流道入口尺寸大于出口尺寸，懸浮巖屑進入V形槽后流速急劇增大并改變方向，提高巖屑運移速度；上返鉆井液流經(jīng)V形螺旋槽后進入反向螺旋結(jié)構(gòu)形成紊流，可將低邊巖屑懸浮在井筒中，提高返砂效率。

2.5" 鉆井參數(shù)優(yōu)化

針對大慶深層地質(zhì)特性和施工要求，兼顧循環(huán)設(shè)備承壓能力，采取三大兩高鉆井施工參數(shù)設(shè)計，以不同鉆速臨界攜巖為底線，綜合考慮井眼清潔劑井壁沖刷，研究排量與轉(zhuǎn)速匹配關(guān)系，結(jié)合高效鉆頭及提速工具應(yīng)用特點，強化了鉆壓、轉(zhuǎn)速及扭矩，通過數(shù)模優(yōu)化計算，確定各層位施工最佳參數(shù)［13-16］。如表1所示。

2.6" 鉆頭與提速工具集成應(yīng)用

以鉆井設(shè)計優(yōu)化、井眼軌道控制、抗高溫水基鉆井液優(yōu)選、防漏堵漏設(shè)計等多項技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合高效鉆頭、提速工具集成應(yīng)用方案，建立了大慶深層水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)模板。如表2所示。

3" 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1" 總體應(yīng)用情況

形成的優(yōu)快鉆井技術(shù)在大慶深層水平井應(yīng)用14口井，平均鉆進周期縮短了66.54 d，全井平均機械鉆速由3.14 m/h提高到4.24 m/h，提高35.03%，技術(shù)提速效果顯著。各區(qū)塊試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2" XS1-P井

XS1-P井為徐深氣田一口開發(fā)井，于2019年開始鉆井，設(shè)計井深4 460 m，設(shè)計水平段長度893 m。該井采用三開井身結(jié)構(gòu)，二開上部地層使用1只5刀翼315.0 mm PDC鉆頭，進尺2 118 m。二開下部地層使用279型液動旋沖工具配合311.2 mm PDC鉆頭，施工井段2 369～2 669 m，層位為泉三段至泉一段。巖性特點：暗紫色泥巖與灰色粉砂巖、泥質(zhì)砂巖呈不等厚互層。施工井段平均機械鉆速4.37 m/h，鉆速提高23.8%，對比鄰井節(jié)省2趟鉆施工。三開直井段采用178型液動旋沖工具配合5刀翼16 mm肩部斧形齒PDC鉆頭，施工井段2 669～3 014 m，進尺345 m，層位為登樓庫組，平均機械鉆速5.38 m/h，鉆速提高127.1%，周期縮短1.75 d。造斜段使用178型旋沖螺桿工具（1.5°）+6刀翼單排PDC鉆頭，共施工3趟鉆，井段3 014～3 565 m，平均機械鉆速2.45 m/h，對比提速26.6%。水平段著陸后使用6刀翼單/雙排PDC鉆頭+旋沖螺桿工具（1.0°）+178型水力振蕩器+巖屑床清除工具提速組合，共施工895 m，對比鄰井同層位鉆速提高65.3%。該試驗井應(yīng)用優(yōu)快鉆井技術(shù)順利完成施工，鉆井周期縮短33.4 d。

3.3" ZS19-P井

ZS19-P井設(shè)計井深4 700 m，采用三開井身結(jié)構(gòu)，2020年開始鉆井。該井二開使用研選的高效315.0 mm PDC鉆頭，施工井段163～2 716 m，單只鉆頭進尺2 553 m，機械鉆速達到40.2 m/h，單只鉆頭完成二開直井段施工，創(chuàng)大慶深層同層位進尺、鉆速等多項記錄。三開直井段使用6刀翼單排PDC鉆頭+復(fù)合沖擊工具，進尺139 m，起鉆更換造斜鉆具組合。三開造斜段至水平段使用MV613TAXU型非平面鉆頭+旋沖螺桿/高溫高效螺桿，施工井段2 855～4 700 m，總進尺1 754 m，層位為登樓庫組至營層組，施工8趟鉆，使用6只鉆頭，平均單只鉆頭進尺達292 m，平均機械鉆速為3.12 m/h。在登樓庫組石英砂巖地層單只鉆頭進尺463 m，機械鉆速3.59 m/h，較鄰井同層位進尺提高179%，機械鉆速提高158%；在營城組流紋質(zhì)角礫凝灰熔巖地層單只鉆頭進尺240 m，機械鉆速2.85 m/h，較鄰井同層位進尺提高124%，機械鉆速提高118%。

4" 結(jié)" 論

（1）針對大慶深層水平井的地質(zhì)特點和鉆井技術(shù)難點，開展了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌道優(yōu)化、高效鉆頭研選、鉆井提速工具研究和鉆井參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)攻關(guān)，形成了大慶深層水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

（2）形成了深部地層鉆頭序列，集成應(yīng)用了配套提速工具，解決了深部硬地層鉆頭磨損嚴重、機械鉆速低、水平段摩阻大、巖屑返砂效率低等技術(shù)難題。

（3）水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)在大慶深層水平井應(yīng)用14口井，平均機械鉆速提高35.03%，平均鉆進周期縮短66.54d，提速效果顯著，可為大慶深層氣藏高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

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第一李博，高級工程師，生于1984年，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，現(xiàn)從事鉆井工具研發(fā)工作。地址：（163413）黑龍江省大慶市，email：libo028@cnpc.

com.cn。

2024-01-03" 修改稿收到日期：2024-07-08

王剛慶