陳紹云邢 琛孫 妍

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413；2.大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司，黑龍江大慶 163712）

提高慶深氣田氣體鉆井效率技術(shù)研究

陳紹云1邢 琛2孫 妍1

（1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413；2.大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司，黑龍江大慶 163712）

慶深氣田鉆井實(shí)踐表明，氣體鉆井在鉆井提速方面效果顯著，但由于氣體鉆井應(yīng)用井段多含泥頁巖，在地層出水條件下，易產(chǎn)生卡鉆等復(fù)雜事故，對(duì)后期的鉆井、測(cè)井、固井等影響較大。針對(duì)氣體鉆井效率影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合已有實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，重新建立了氣體鉆井條件下地層出水預(yù)測(cè)模型，并用理論分析為指導(dǎo)，改進(jìn)相關(guān)設(shè)備、技術(shù)，形成配套技術(shù)系列。6口井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，通過相關(guān)技術(shù)改進(jìn)完善，有效地杜絕了氣體鉆井復(fù)雜事故的發(fā)生，保證了井身質(zhì)量，提高了氣體鉆井綜合效益。

氣體鉆井；地層出水；井身質(zhì)量；鉆井效率；預(yù)測(cè)模型；改進(jìn)完善

2005年以來，隨著勘探節(jié)奏不斷加快，氣體鉆井作為深層提速一項(xiàng)重要技術(shù)，在大慶油田取得長(zhǎng)足進(jìn)步。截至2010年底，氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用23口井，平均單井進(jìn)尺668.86 m，平均機(jī)械鉆速6.08 m/h，是鄰井機(jī)械鉆速的4.5倍。但也存在卡鉆、后續(xù)劃眼時(shí)間長(zhǎng)等問題，影響氣體鉆井的大規(guī)模推廣應(yīng)用。在已鉆23口井中，有17口井存在后續(xù)劃眼和復(fù)雜處理等問題，累計(jì)損失時(shí)間321.04 d，而氣體鉆井提速節(jié)約時(shí)間合計(jì)為519.15 d，23口井綜合提速節(jié)約時(shí)間僅為198.11 d，從而極大降低了氣體鉆井提速效率。

1 影響氣體鉆井效率因素分析

通過跟蹤分析氣體鉆井近5年實(shí)鉆情況發(fā)現(xiàn)，雖然氣體鉆井技術(shù)在深層鉆井提速方面起到了重要作用，加快了慶深氣田勘探開發(fā)步伐，但在實(shí)鉆過程中還存在以下三方面問題亟需解決。

1.1 選井選層技術(shù)預(yù)測(cè)精度較低

由于早期氣體鉆井?dāng)?shù)量相對(duì)較少，原有氣體鉆井出水預(yù)測(cè)技術(shù)則是在阿爾奇公式基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法回歸而成的預(yù)測(cè)方法［1-3］。因而，該方法預(yù)測(cè)精度在一定程度上受鉆井?dāng)?shù)量影響較大，預(yù)測(cè)精度僅達(dá)到67.50%，無法完全滿足氣體鉆井選井選層技術(shù)需求。同時(shí)，缺乏準(zhǔn)確的地層出水量計(jì)算也影響了氣體鉆井施工井段的選擇。

1.2 井身質(zhì)量無法完全滿足生產(chǎn)需求

氣體鉆井鉆進(jìn)井段主要為登婁庫地層，該層段常規(guī)鉆井的平均井徑擴(kuò)大率近20%，氣體鉆井平均井徑擴(kuò)大率大于30%，井壁失穩(wěn)造成井徑不規(guī)則、擴(kuò)大率較大，直接影響著井身質(zhì)量，對(duì)測(cè)井、固井、完井及開發(fā)等后續(xù)作業(yè)有著嚴(yán)重影響。另外，井斜問題也十分突出，其中徐深42井氣體鉆井井段2 910～3 612 m，進(jìn)尺702 m，井斜也從0.61°增至7.43°，嚴(yán)重超標(biāo)，從而影響后續(xù)生產(chǎn)和作業(yè)。

1.3 復(fù)雜事故時(shí)率相對(duì)較高

由于地層出水、出氣，以及井身質(zhì)量差等原因，造成各種卡鉆、遇阻，損失時(shí)間長(zhǎng)，部分井甚至出現(xiàn)被迫轉(zhuǎn)化為常規(guī)鉆井。而氣液轉(zhuǎn)換后，存在長(zhǎng)井段劃眼、斷鉆具、卡鉆等復(fù)雜事故，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在已鉆23口中，有6口井發(fā)生過9次卡鉆，其中1口井處理卡鉆就損失64 d，卡鉆損失時(shí)間達(dá)到氣體鉆井總時(shí)間的40%；有17口井氣液轉(zhuǎn)換后進(jìn)行了劃眼作業(yè)，劃眼時(shí)間總計(jì)為32 d，占?xì)怏w鉆井總時(shí)間的13.25%；有4口井發(fā)生過井下鉆具失效，共計(jì)損失時(shí)間51.54 d，占?xì)怏w鉆井總時(shí)間的21.34%。這些問題的出現(xiàn)，使氣體鉆井綜合提速效果受到影響，無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2 選井選層技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 出水層位預(yù)測(cè)方法改進(jìn)完善

隨著鉆井?dāng)?shù)量的增加，原有技術(shù)［3］67.50%的預(yù)測(cè)精度已無法滿足氣體鉆井技術(shù)的發(fā)展。應(yīng)用該判別方法對(duì)古深2井進(jìn)行鉆前出水預(yù)測(cè)，見表1，但預(yù)測(cè)結(jié)果漏識(shí)了264和271號(hào)2層高阻水層，綜合考慮地質(zhì)信息，對(duì)該判別方法進(jìn)行了完善，見表2。

表1 古深2井鉆前出水預(yù)測(cè)情況

表2 完善后地層出水預(yù)測(cè)方法結(jié)果

2.2 新出水量預(yù)測(cè)方法建立

氣體鉆井鉆遇水層，其水侵速度是隨時(shí)間變化的，出水層的滲透率不大，當(dāng)?shù)貙訅毫Φ膫鬟f尚未波及到水區(qū)的外邊界之前，或者水區(qū)是封閉性的，這時(shí)水區(qū)中的水向井眼內(nèi)滲透的過程即為一個(gè)不穩(wěn)定的過程。對(duì)于不穩(wěn)定水侵過程，不同的學(xué)者基于不同的流動(dòng)方式和天然水域的外邊界條件，提出了計(jì)算天然水侵量的多種不穩(wěn)定流法［5-6］。

同時(shí)由文獻(xiàn)［5］可知，對(duì)于大慶氣體鉆井?215.9 mm井眼，每小時(shí)破碎及暴露在井壁的巖石發(fā)生表面水化吸附水量為0.011 m3，發(fā)生滲透水化吸附水量為0.22 m3，同時(shí)考慮地層水域、巖石有效壓縮系數(shù)，以及溶解氣水比等情況，可得

式中，KW為滲透率，mD；φ為氣藏地層孔隙度，%；μwi為地層水黏度，mPa·s；Ce為地層條件下與地面條件下出水轉(zhuǎn)換系數(shù)；p為地層壓力，MPa。

3 復(fù)雜事故預(yù)防技術(shù)

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)完善

根據(jù)C.L.Moore等人的理論，少量的出水比大量出水更易造成井下復(fù)雜情況。而目前常用的判斷地層出水的方法主要根據(jù)立壓變化、排砂管出口狀態(tài)、機(jī)械鉆速變化等來判斷，但是在剛剛鉆遇水層、出水量較小時(shí)無法及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別。

原有傳統(tǒng)閉環(huán)監(jiān)測(cè)中，由于傳感器采集管線容易被巖屑堵塞，不能及時(shí)、連續(xù)地獲得濕度數(shù)據(jù)。為了保證出口監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，避免因?yàn)閹r屑的堵塞導(dǎo)致濕度傳感器的失效，進(jìn)行了出口監(jiān)測(cè)裝置的改進(jìn)（見圖1），主要是增加降塵裝置，從而保證氣體的連續(xù)流通。

具體過程為：排砂管中的氣體通過管線進(jìn)入傳感器進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)后，氣體進(jìn)入降塵裝置進(jìn)行過濾降塵，然后將氣體中的粉塵、巖屑去除，最后排放到大氣。通過改進(jìn)，避免了監(jiān)測(cè)時(shí)的環(huán)境污染，保證了監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，大幅度地提高了識(shí)別地層出水的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。

圖1 出口濕度監(jiān)測(cè)裝置的改進(jìn)（右為改進(jìn)后）

另外，在原有注氣參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件基礎(chǔ)上增加了存儲(chǔ)、回放、曲線分析及報(bào)警功能，同時(shí)利用視頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸同顯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆臺(tái)直接監(jiān)測(cè)注氣參數(shù)，為控制人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)井下異常提供指導(dǎo)［4］。

3.2 霧化泡沫配方改進(jìn)

針對(duì)大慶油田氣體鉆井井段都不同程度的出水問題，開展了霧化、泡沫鉆井液技術(shù)的研究，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)篩選出了抑制性更強(qiáng)的AP-1及NW-1，并確定了最佳配方，大幅提高了防塌抑制能力，并進(jìn)行了配伍性實(shí)驗(yàn)，通過大量實(shí)驗(yàn)，確定了霧化、泡沫鉆井液的標(biāo)準(zhǔn)配方，研制出抗180 ℃高溫的霧化泡沫鉆井液體系。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)霧化泡沫鉆井，有效地解決了地層出水帶來的復(fù)雜情況，同時(shí)優(yōu)化了鉆井參數(shù)，提高了清潔井眼能力，實(shí)現(xiàn)在出水層空氣鉆井提速的目的。

同時(shí)形成了“內(nèi)噴外浸”注白油轉(zhuǎn)換工藝，消除了井壁溫差大造成的脆變剝落，有效潤(rùn)滑及保護(hù)了井壁，解決了轉(zhuǎn)換后井壁失穩(wěn)長(zhǎng)時(shí)間劃眼問題，實(shí)現(xiàn)氣液安全轉(zhuǎn)換。

4 井身質(zhì)量控制技術(shù)

4.1 常規(guī)滿眼鉆具組合

為了防止井斜和縮徑，慶深氣田已鉆氣體鉆井初期，多數(shù)采用滿眼鉆具組合。如圖2所示氣休鉆井所使用的螺旋扶正器的升角為70°，翼長(zhǎng)273.05 mm，外徑214 mm，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60 r/min，由此可得扶正器旋轉(zhuǎn)線速度為

假定扶正器某翼片底端軸向坐標(biāo)和周向坐標(biāo)均為0，則該翼片上某點(diǎn)，距翼片下端面軸向距離為y，周向距離為x，且滿足

由（4）式可知扶正器旋轉(zhuǎn)線速度為0.67 m/s，現(xiàn)假定某巖屑顆粒，初始位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，經(jīng)過1 s的時(shí)間步長(zhǎng)，翼片轉(zhuǎn)過的弧長(zhǎng)為0.67 m，則有該巖屑顆粒在軸向上運(yùn)移的距離如式（6）。

圖2 巖屑流通過螺旋扶正器示意圖

由此可以算出通過扶正器處所需的最優(yōu)返速為1.84 m/s，而實(shí)際攜帶巖屑所需返速是此速度的十幾倍［4］。且由于空氣鉆井的剝落巖屑?jí)K大，所以在上螺扶以下，巖屑與鉆具、井壁之間碰撞激烈，直至將巖屑磨成細(xì)小顆粒再接著往上升。這在正常鉆進(jìn)時(shí)不會(huì)影響攜巖，但在接單根或起下鉆時(shí)，就會(huì)在3個(gè)螺旋扶正器處造成阻卡，從而被迫轉(zhuǎn)為常規(guī)鉆進(jìn)，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間卡鉆處理的情況。

4.2 直棱式扶正器滿眼鉆具組合

為了解決常規(guī)滿眼鉆具組合造成的阻卡問題，開始嘗試使用光鉆鋌鉆具組合，在防卡方面見到了較好效果，但由于氣體鉆井起始井段井斜角一般均在3°以上［2］，同時(shí)登婁庫組地層各向異性較強(qiáng)，地層傾角為3～8°，加之氣體鉆井缺少巖屑的有效潤(rùn)滑和扶正器的有效限位，鉆頭和鉆具軸向和周向振動(dòng)較為強(qiáng)烈，在實(shí)鉆過程中，井斜無法得到有效控制，底部鉆鋌磨損加快，從而增加了氣體鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

因此，針對(duì)上述常規(guī)滿眼鉆具和光鉆鋌鉆具組合存在的不足，改進(jìn)了氣體鉆井鉆具組合（圖3），主要改進(jìn)包括：（1）將螺旋扶正筋帶改為直棱扶正筋帶，從而降低了卡鉆幾率；（2）為了降低直棱造成的刮井壁，將原有214 mm外徑縮小為210 mm，從而降低施工摩阻。

圖3 氣體鉆井扶正器改進(jìn)

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 單井應(yīng)用實(shí)例

徐深35井運(yùn)用完善后的出水預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)2 900～3 530 m登婁庫地層進(jìn)行氣體鉆井可行性分析，發(fā)現(xiàn)3 058 m存在約4.8 m3/h出水層，若按原有技術(shù)而言，需要用技術(shù)套管將這段水層封住，則剩下的井段為472 m，經(jīng)濟(jì)效益低。通過采用方接頭鉆具組合，并根據(jù)實(shí)鉆地層出水及返屑情況，將霧化泡沫液中頁巖抑制劑由0.75%增加到1.5%，在地層實(shí)際出水4.50 m3/h情況下實(shí)現(xiàn)了安全鉆進(jìn)，施工過程中出口返砂正常，扭矩平穩(wěn)，摩阻20～40 kN，井壁無剝落，霧化進(jìn)尺、機(jī)械鉆速同比改進(jìn)前分別提高50.09%和21.37%。

5.2 應(yīng)用效果

該技術(shù)在徐深441井（表3）等6口井中成功應(yīng)用，平均單井進(jìn)尺達(dá)到820.52 m，平速達(dá)7.38 m/h，均機(jī)械鉆速達(dá)7.38 m/h，同比完善前氣體鉆井，分別提高20.58%、10.31%，無卡鉆等井下復(fù)雜事故發(fā)生，平均單井節(jié)約周期25.7 d，節(jié)約鉆頭8.3只，井斜均控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

表3 2011-2012年慶深氣田氣體鉆井應(yīng)用效果

6 結(jié)論和建議

（1）完善后的出水預(yù)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)精度由67.5%提高至80%以上，預(yù)測(cè)的目標(biāo)井井深與實(shí)際出水層位井深誤差一般小于20 m，計(jì)算的出水量與實(shí)鉆估算相符，基本滿足工程需要，從而提高了氣體鉆井成功率，為現(xiàn)場(chǎng)順利施工提供了保障。

（2）慶深氣田氣體鉆井過程中存在卡鉆等復(fù)雜事故，影響了提速效果，通過改進(jìn)相關(guān)配套設(shè)備和井壁保護(hù)措施，提高了氣體鉆井監(jiān)測(cè)和處理能力，無復(fù)雜事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了氣體鉆井綜合提速目的。

（3）通過技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，慶深氣田氣體鉆井技術(shù)基本形成相關(guān)技術(shù)配套，較好地解決了原有井斜、井塌、卡鉆等施工難題，在提高鉆井速度的同時(shí)，進(jìn)一步提高了氣體鉆井綜合效益。

［1］周英操，高德利，翟洪軍，等.欠平衡鉆井技術(shù)在大慶油田探井中的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2004，26（4）：1-5.

［2］韓福彬，劉永貴，王蔚.大慶深層氣體鉆井復(fù)雜事故影響因素與對(duì)策分析［J］.石油鉆采工藝，2010，32 （4）：12-15.

［3］楊決算.大慶油田氣體鉆井地層出水與井壁穩(wěn)定技術(shù)研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2010.

［4］楊毅，齊彬，馬曉偉.氣體鉆井注氣模型優(yōu)選及設(shè)備優(yōu)化配置分析［J］ .探礦工程，2011：38（7）：53-56.

［5］周光垌，嚴(yán)宗毅，許世雄，等.流體力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2000-06.

［6］翟云芳.滲流力學(xué)［M］ ，北京：石油工業(yè)出版社，2004-07.

（修改稿收到日期 2013-11-24）

〔編輯 薛改珍〕

Technical research on improving efficiency of gas drilling in Qingshen Gas Field

CHEN Shaoyun1,XING Chen2,SUN Yan1
（1.Daqing Drilling Engineering &Technology Research Institute,Daqing163413,China;2.Gas Production Branch,Daqing Oilfield Company,Daqing163712,China）

The drilling practice of Qingshen Gas Field shows that gas drilling can improve the efficiency of drilling speed,but there is much mud shale in gas drilling application interval.Therefore,once the formation water flows out from the formation,the complex problems,such as pipe sticking,likely occur,which have great effect on drilling,logging,and cementing,etc.This paper analyzes the factors that affect the efficiency of gas drilling and rebuild water forecasting model for formation water overflowing during gas drilling according to previous drilling experience.Based on the theoretical analysis,the researchers have improved related equipment and technology,and formed a series of matched technologies.The application of six wells shows through the improvement of related technology,complex incidents have been prevented efficiently,the quality of well has been guaranteed as well as the overall benefit of gas drilling has been improved.

Gas drilling;formation water;quality of well bore;drilling efficiency;forecasting model;improvement

陳紹云，邢琛，孫妍.提高慶深氣田氣體鉆井效率技術(shù)研究［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：22-25.

TE242

：A

1000-7393（2014）01-0022-04

10.13639/j.odpt.2014.01.006

中國石油股份公司重大專項(xiàng) “欠平衡/氣體鉆井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”（編號(hào)：2010F-32）資助。

陳紹云，1982年生。2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事欠平衡、定向水平井和深井鉆井設(shè)計(jì)和相關(guān)科研工作，工程師。電話：0459-4893596。E-mail:chenshaoyun@cnpc.com.cn。