王錦昌，鄧紅琳，袁立鶴 (中石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

陳 恒 (油氣地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500 )

定北區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用

王錦昌，鄧紅琳，袁立鶴 (中石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

陳 恒 (油氣地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500 )

定北區(qū)塊古生界探井機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)，在一定程度上制約了該區(qū)勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。為有效提升該區(qū)塊的鉆井指標(biāo)，針對(duì)該區(qū)上部地層鉆頭易泥包、井眼易縮徑、阻卡，石千峰、劉家溝地層研磨性強(qiáng)，下古生界地層易漏失等鉆井技術(shù)難點(diǎn)，從優(yōu)選適配地層的高效PDC鉆頭、復(fù)合鉆進(jìn)模式、鉆井液技術(shù)、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面開(kāi)展了技術(shù)措施優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的定北11井、定北12井較優(yōu)化前探井平均機(jī)械鉆速提高了29.83%，平均鉆井周期縮短了23.46%，定北12井鉆進(jìn)至3539m，僅17.46d，全井平均機(jī)械鉆速9.59m/h。應(yīng)用效果表明，采取的提速技術(shù)措施是可行的，基本形成了一套適合該區(qū)的優(yōu)快鉆井技術(shù)，對(duì)該區(qū)探井的進(jìn)一步提速增效具有指導(dǎo)和借鑒意義。

定北區(qū)塊；機(jī)械鉆速；PDC鉆頭；復(fù)合鉆進(jìn)；鉆井液；井身結(jié)構(gòu)

定北區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地北部地區(qū)，勘探面積888.43km2，古生界天然氣評(píng)價(jià)資源量1853.35×109m3。定北8井在上古生界太原組試獲6950m3/d的工業(yè)氣流，下古生界奧陶系馬四段也獲得了低產(chǎn)氣流，都驗(yàn)證了定北區(qū)塊在古生界具有良好的勘探潛力。定北區(qū)塊古生界氣藏具有埋藏深、溫度高和壓力高等特點(diǎn)，且地質(zhì)年代跨度大，地層巖性、物性差異性大，井下復(fù)雜情況多，給鉆井施工帶來(lái)了很大困難，導(dǎo)致了該區(qū)鉆井指標(biāo)較低。2010年之前已完鉆的6口古生界探井平均井深4132m，平均鉆井周期長(zhǎng)達(dá)77.09d，平均機(jī)械鉆速僅有5.89m/h。因此，需要開(kāi)展提升定北區(qū)塊鉆井指標(biāo)(提高機(jī)械鉆速和縮短鉆井周期)的技術(shù)措施研究，從而加快定北區(qū)塊勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

1 研究區(qū)概況

定北區(qū)塊構(gòu)造上處于鄂爾多斯盆地中部的伊陜斜坡西翼與天環(huán)向斜的交接部位[1]，地層自上而下第四系黃土層，膠結(jié)疏松，侏羅系的安定組、直羅組地層的泥頁(yè)巖易吸水膨脹，延安組夾煤層及煤線(xiàn)，三疊系的石千峰組、上石盒子組含褐色、棕紅色泥巖，二疊系地層部分井段含砂質(zhì)礫巖，地層較硬，山西組、太原組地層發(fā)育不等厚煤層，原生裂隙較為發(fā)育，裂隙內(nèi)部充填光亮膠結(jié)物質(zhì)；下古生界奧陶系馬家溝組及寒武系張夏組地層以灰?guī)r、白云巖為主，裂縫孔隙較為發(fā)育[2]。

表1 截止2010年底古生界探井鉆井指標(biāo)

截止2010年12月，以古生界為目的層的探井共實(shí)施6口，下古生界探井完鉆2口，平均完鉆井深4559m，平均鉆井周期長(zhǎng)達(dá)121.45d，平均機(jī)械鉆速僅有5.21m/h；上古生界探井完鉆4口，平均井深3919.75m，平均鉆井周期54.91d，平均機(jī)械鉆速也僅有6.38m/h，詳細(xì)指標(biāo)如表1所示。

2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)及提速潛力分析

2.1鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1)鉆頭易泥包，井眼易縮徑、阻卡 中生界地層泥巖互層段長(zhǎng)，易發(fā)生鉆頭泥包，井眼縮徑。以定北5井為例，鉆至607.55m(志丹組)和2520.28m(紙坊組)時(shí)都發(fā)生了嚴(yán)重鉆頭泥包。定北5井從志丹組到太原組長(zhǎng)達(dá)3000m裸眼段發(fā)生了嚴(yán)重的縮徑阻卡，劃眼通井耗時(shí)11d。二開(kāi)裸眼段長(zhǎng)一般都大于3000m，長(zhǎng)裸眼井段的防斜打直及安全施工是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)。因此，控制井斜顯得尤為重要。

2)井內(nèi)溫度高、鉆具及鉆井液易失效 根據(jù)定北5井、定北6井試氣資料，地面年平均溫度為7.2℃，實(shí)測(cè)地溫梯度為3.37℃/100m，按此地溫梯度推算，4000m井底溫度達(dá)142℃。高溫下鉆井液易出現(xiàn)處理劑失效，鉆具易疲勞失效。定北5井鉆進(jìn)至3296.57m(石千峰)發(fā)生鉆具本體刺漏，定北6井鉆進(jìn)至2102.13m(延長(zhǎng)組)，一根鉆桿本體刺漏一個(gè)20mm×30mm洞。定北6井鉆進(jìn)至2493.83m(延長(zhǎng)組)時(shí)泵壓忽然下降，起鉆后發(fā)現(xiàn)底部第4根鉆鋌斷裂3/4圈，另外定北11井也發(fā)生過(guò)2次鉆具斷裂事故。

3)下古地層易漏、研磨性強(qiáng) 下古生界以及前古生界多為碳酸鹽巖地層，并存在多個(gè)侵蝕面且漏失嚴(yán)重，其漏失量隨井深加深而增大。定北5井在3859～4040m多次出現(xiàn)井漏，最大漏速16.20m3/h,定北6井在3900m發(fā)生井漏，漏速平均為3m3/h，定北8井鉆遇前古生界地層共發(fā)生漏失255m3，定北11井也發(fā)生了嚴(yán)重漏失。進(jìn)入寒武系后，地層硬度大，達(dá)7～8級(jí)，研磨性強(qiáng)，鉆速極低，定北5井鉆至張夏組地層，機(jī)械鉆速低至1.15m/h，P167M (152.4mm)鉆頭磨損非常嚴(yán)重，外徑磨至130mm，牙齒全部磨平。

2.2提速潛力分析

定北探井一開(kāi)井段較淺(500～800m)，定北5～定北10井一開(kāi)井段平均機(jī)械鉆速18.81m/h,最高達(dá)28.34m/h(定北7井選用P273鉆頭在0～508.03m井段平均機(jī)械鉆速28.34m/h)，所以一開(kāi)井段提速空間不大。資料統(tǒng)計(jì)表明，定北5～10井二開(kāi)之后的井段平均機(jī)鉆僅有6.23m/h，提速空間大。從鉆井時(shí)效上分析，定北5～定北10井純鉆時(shí)間僅占鉆井周期的39.77%，而起下鉆、接單根、循環(huán)泥漿、劃眼沖孔、處理復(fù)雜情況等輔助時(shí)間占鉆井周期的40.56%，所以提高純鉆利用率是提速增效的又一重要舉措。

3 提速技術(shù)措施及實(shí)施效果

3.1提速技術(shù)措施

1)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化 定北以上古生界為目的層的探井試驗(yàn)過(guò)2種井身結(jié)構(gòu)，分別是定北6、7、9井采用的2級(jí)井身結(jié)構(gòu)和定北10井采用的3級(jí)井身結(jié)構(gòu)，雖然該井身結(jié)構(gòu)鉆井風(fēng)險(xiǎn)低，但較2級(jí)井身結(jié)構(gòu)周期長(zhǎng)，效率低，投資成本高。綜合考慮，最終確定定北上古生界探井采用2級(jí)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)采用311.1mm鉆頭進(jìn)入基巖300～500m，下244.5mm套管封隔第四系黃土層、淺水層；二開(kāi)采用215.9mm鉆頭進(jìn)入奧陶系50m完鉆，下139.7mm套管，環(huán)空注水泥全封固。采取上述措施后，有效縮短了鉆井周期。

2)優(yōu)選適配地層的PDC鉆頭 鉆頭是破碎巖石的直接工具,優(yōu)選鉆頭不僅要考慮鉆頭本身的性能,更要考慮鉆頭和地層之間的相互匹配程度[3-5]。通過(guò)總結(jié)不同井段已鉆井鉆頭使用經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合巖石可鉆性及地層特性研究，優(yōu)選出適應(yīng)不同井段的PDC鉆頭。二開(kāi)開(kāi)鉆-延長(zhǎng)組底(井深≤2500m)屬于軟到中硬地層，優(yōu)選出SKH447G、P5365MJ鉆頭，其中P5365MJ鉆頭為圓弧冠部胎體、PDC復(fù)合片雙級(jí)切削結(jié)構(gòu)、中高密度刀翼式布齒、大排屑槽水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較好地適應(yīng)了該段地層鉆進(jìn)過(guò)程。在定北11井、定北12井分別實(shí)現(xiàn)單只鉆頭進(jìn)尺2026.21m和1641.73m，取得了良好效果。延長(zhǎng)組底、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組等地層(井深2500～3500m)研磨性強(qiáng)、硬度高和夾層多，針對(duì)其特點(diǎn)及實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)優(yōu)選出GD1605ST和P156M 2種型號(hào)的鉆頭。定北12井應(yīng)用GD1605ST鉆頭在2583.05～3425.71m井段實(shí)現(xiàn)一趟鉆進(jìn)尺842.66m，機(jī)械鉆速高達(dá)8.01m/h，較以往該井段平均鉆速提高89.83%。進(jìn)入石盒子組(井深≥3500m)后，為了滿(mǎn)足錄井需要，以牙輪鉆頭使用為主，由于牙輪鉆頭本身的缺陷，所以鉆速相對(duì)較低，該井段應(yīng)用較好的牙輪鉆頭有HJ537G和HA537，最高鉆速達(dá)4.63m/h。分層鉆頭推薦如表2所示。

表2 定北分層鉆頭優(yōu)選結(jié)果

3)采取轉(zhuǎn)盤(pán)+螺桿復(fù)合動(dòng)力鉆進(jìn)模式 針對(duì)二開(kāi)上部井段(直羅組～延長(zhǎng)組)地層膠結(jié)性差、可鉆性高和易井斜的特點(diǎn)，優(yōu)化采用“簡(jiǎn)化四合一”的鉆具組合，即215.9mm Bit+172mm直螺桿+214mm扶+177.8mm DC 6根+158.8mm DC 7根+127mm DP，該鉆具組合的優(yōu)點(diǎn)如下：①防斜效果好。由于螺桿轉(zhuǎn)速較高,在相同進(jìn)尺下切削下井壁的轉(zhuǎn)數(shù)比常規(guī)組合高出幾倍,只要鉆頭緊貼下井壁,其防斜效果非常好。特別是在傾斜地層,效果十分明顯。②機(jī)械鉆速快。由于螺桿鉆速高,機(jī)械鉆速明顯提高,對(duì)于軟～中軟地層,機(jī)械鉆速可提高50%～100%[6]。該鉆具組合的實(shí)質(zhì)是鐘擺+螺桿，其機(jī)理是直螺桿上部的214mm扶正器使下部螺桿鉆具具有鐘擺效應(yīng)，螺桿的高速旋轉(zhuǎn)增加了橫向切屑力和橫向切削頻率，從而具有一般鐘擺鉆具組合所沒(méi)有的防斜能力，另外螺桿的高轉(zhuǎn)速配合高效鉆頭也使得機(jī)械鉆速大為提高。該鉆具組合首次在定北11井、定北12井應(yīng)用后取得了良好效果，定北11井在二開(kāi)上部井段(505.5～2531.71m)使用該鉆具組合，機(jī)械鉆速高達(dá)24.56m/h；定北12井二開(kāi)上部(538.27～2180m)井段使用該鉆具組合，機(jī)械鉆速高達(dá)32.83m/h。

4)改進(jìn)鉆井液體系 該區(qū)塊地層壓力系數(shù)較低，因而鉆井液技術(shù)思路是在保證井下安全的情況下，盡量降低鉆井液密度以確保提高機(jī)械鉆速[7]。在鉀銨基聚合物鉆井液體系的基礎(chǔ)上優(yōu)化了具有強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵防塌性能的聚胺鉆井液體系，成功實(shí)現(xiàn)了二開(kāi)上部井段(二開(kāi)～延長(zhǎng)組底)鉆井液坑式循環(huán)?？邮窖h(huán)的優(yōu)點(diǎn)是鉆井液可以在較大體積的泥漿坑充分沉降，避免鉆屑重復(fù)入井、重復(fù)切削，從而保證了入井鉆井液無(wú)固相、低密度，其缺點(diǎn)是鉆井液失水難以控制，侏羅系及三疊系褐色、棕紅色泥巖易膨脹縮徑、剝落形成掉塊，井壁失穩(wěn)，因而要求鉆井液具有非常強(qiáng)的抑制性以保證井下安全。二開(kāi)下部井段由于井深較深，為確保井下安全，恢復(fù)常規(guī)罐式循環(huán)，控制鉆井液失水小于5ml，要求鉆井液具有低密度、強(qiáng)抑制和強(qiáng)封堵性能，以確保安全鉆井。定北11井、定北12井應(yīng)用效果表明，鉆井液技術(shù)措施滿(mǎn)足了鉆井提速的需要。

3.2實(shí)施效果

表3 上古生界探井立項(xiàng)前后鉆井指標(biāo)效果對(duì)比

定北12井是立項(xiàng)優(yōu)化后實(shí)施的第2口井，設(shè)計(jì)井深3940m，完鉆井深3928m，鉆井周期36.75d，平均機(jī)械鉆速9.59m/h。該井是迄今定北探井指標(biāo)最優(yōu)的井，上古生界探井立項(xiàng)前后平均鉆井周期和平均機(jī)械鉆速效果對(duì)比如表3所示。

4 結(jié)論與建議

1)二開(kāi)上部井段采用鉆井液體系大循環(huán)、復(fù)合鉆進(jìn)配合高效PDC鉆頭可有效提高機(jī)械鉆速，防斜打直。鉆井液體系大循環(huán)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，建議現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能要勤測(cè)量、勤維護(hù)、勤記錄，確保鉆井液性能穩(wěn)定，避免發(fā)生由于密度低而導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)和泥巖膨脹縮徑卡鉆。

2)通過(guò)石千峰、劉家溝等研磨性強(qiáng)的地層優(yōu)選出的GD1605ST鉆頭，機(jī)械鉆速高，基本滿(mǎn)足了提速需要，建議在該層段繼續(xù)優(yōu)化新鉆頭，以進(jìn)一步滿(mǎn)足提速需要。

3)以上古生界為目的層的探井，其2級(jí)井身結(jié)構(gòu)切實(shí)提高了純鉆利用率和機(jī)械鉆速，效果顯著，但鉆進(jìn)至奧陶系馬家溝組仍存在裂縫性漏失風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步研究應(yīng)對(duì)措施。

4)為了滿(mǎn)足錄井需要，針對(duì)石盒子組采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。由于牙輪鉆頭自身缺陷制約了機(jī)械鉆速的提高，建議試驗(yàn)研究PDC錄井技術(shù)。

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[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.028

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1673-1409(2012)01-N085-04