王　龍

（中石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆輪臺(tái)841600）

順南地區(qū)奧陶系卻爾卻克組地層優(yōu)快鉆井技術(shù)

王龍*

（中石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆輪臺(tái)841600）

順南地區(qū)是中國石化塔里木盆地外圍勘探的主要區(qū)塊，鉆井地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，其中奧陶系主力氣層埋藏深，卻爾卻克組作為上覆蓋層，厚度大，且井斜控制困難。采用垂直鉆井工藝、“單彎螺桿+ MWD+PDC”復(fù)合鉆井工藝進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，綜合考慮2種鉆井工藝的性價(jià)比及實(shí)現(xiàn)效果，形成一套以“單彎螺桿（或直螺桿）+MWD+PDC”復(fù)合鉆井工藝為主的優(yōu)快鉆井方案。在順南區(qū)塊三開全井段使用4口井，應(yīng)用效果顯著。其中，順南5-2井全井段采用“1.25°單彎螺桿+MWD+PDC”復(fù)合鉆井工藝，僅2趟鉆完成三開進(jìn)尺，以22.5d創(chuàng)該區(qū)塊三開最短周期記錄。

卻爾卻克組；垂直鉆井；復(fù)合鉆井；井斜控制

順南地區(qū)位于塔里木盆地塔中區(qū)塊的東北方向，地處順托果勒南古城墟隆起西傾斜坡區(qū)，是中國石化塔里木盆地外圍勘探的主要區(qū)塊，鉆井地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，奧陶系主力氣層埋藏深（超過7000m）、地溫梯度高（2.4℃～2.7℃）。卻爾卻克組地層作為上覆蓋層，厚度大（超過2000m）、地層傾角大（15°～25°），常規(guī)鉆井方式難以滿足井身質(zhì)量控制要求，嚴(yán)重制約了安全鉆井效率。

1　地層巖石特性分析

順南地區(qū)三開井段卻爾卻克組地層較長（3700～6300m），主要巖性為泥巖、泥灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖互層。根據(jù)已鉆井測井資料分析，卻爾卻克組地層巖石抗壓強(qiáng)度分布范圍從40～140MPa，平均為76.55MPa。由此可見，該組地層縱向地層單軸抗壓強(qiáng)度分布不高，屬于中等硬度巖石，地層可鉆性較好。以順南7井巖石內(nèi)摩擦角計(jì)算分析為例，三開卻爾卻克組地層內(nèi)摩擦角范圍從37°～43°，其波動(dòng)幅度較小，平均內(nèi)摩擦角為39.48°。

綜上所述，順南地區(qū)三開卻爾卻克組地層巖石呈現(xiàn)出中等硬度且抗剪切性不強(qiáng)，較為適合PDC鉆頭鉆進(jìn)。

2　垂直鉆井工藝

傳統(tǒng)直井的井斜控制主要是采用鐘擺鉆具組合，但其降斜能力受鉆壓影響嚴(yán)重，在鉆遇地層傾角大的易斜地層時(shí)，利用該鉆具組合控制井斜只能采取輕壓吊打，以犧牲鉆井效率的方式保證井身質(zhì)量。因此，采用井下專用工具防斜糾斜，大力釋放鉆壓，可以大幅度提高鉆井效率。目前，在現(xiàn)場應(yīng)用的國外垂直鉆井工具以Baker Hughes（貝克休斯）公司的VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)和Schlumberger（斯倫貝謝）公司的Power-V自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)為主要代表［1-4］。國內(nèi)各石油公司及科研院所也相繼開展了攻關(guān)研究，國內(nèi)克拉瑪依、大港、勝利等油田和中國石油大學(xué)等單位都擁有各自研發(fā)的垂直鉆井系統(tǒng)［5］。下面以國產(chǎn)UPC-VDS垂直鉆井系統(tǒng)為例闡述其工作原理及技術(shù)參數(shù)。

2.1國產(chǎn)UPC-VDS系統(tǒng)的工作原理及技術(shù)參數(shù)

UPC-VDS系統(tǒng)是中國石油大學(xué)自主研發(fā)的垂直鉆井系統(tǒng)，由井斜感應(yīng)系統(tǒng)、導(dǎo)向控制系統(tǒng)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成（見圖1）。在鉆進(jìn)時(shí)該系統(tǒng)通過井斜感應(yīng)系統(tǒng)確定井底的井斜角和井斜方位角，然后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)鎖定所需控制的井斜方位角；導(dǎo)向控制系統(tǒng)是一套液壓機(jī)械執(zhí)行裝置，下接鉆頭，上接井斜感應(yīng)系統(tǒng)，主要由側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)和鉆井液導(dǎo)流閥組成。鉆井液導(dǎo)流閥由井斜感應(yīng)系統(tǒng)控制，側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)由鉆井液導(dǎo)流閥控制。在井眼高邊（即井斜感應(yīng)系統(tǒng)鎖定的控制井斜方位角）側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)的推靠巴掌伸出，推靠井壁，井壁的反作用力則將鉆頭推向低邊；而在井眼的其他位置，側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)則不工作，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中對(duì)井斜的修正。系統(tǒng)在井斜感應(yīng)系統(tǒng)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)內(nèi)建有2個(gè)獨(dú)立的井斜測量裝置，根據(jù)鉆井施工要求的不同，信號(hào)傳輸系統(tǒng)選用實(shí)時(shí)傳輸和間斷傳輸2種模式［5］。

圖1　UPC-VDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

順南區(qū)塊三開井段共進(jìn)行5口井的垂直鉆井系統(tǒng)使用試驗(yàn)，使用效果較好的為順南4、順南5、順南501，機(jī)械鉆速較相鄰的順南1、古隆2、古隆3、順南3的機(jī)械鉆速（2～2.83m/h）均有所提高，鉆壓大幅度解放，井斜得到很好地控制；但順南401和順南7因井下情況或工具自身問題出現(xiàn)使用過程中的異常，造成工具磨損或鉆頭的先期損壞，增加了起下鉆處理異常周期，降低了鉆井效率。如表1所示。

以順南501井為例，該井三開掃塞結(jié)束將井底清理干凈后，第一趟鉆在3746m開始使用復(fù)合鉆井工藝鉆進(jìn)至4428m，因MWD儀器電池弱，信號(hào)傳輸衰減起鉆，井斜保持在0.32°～1.4°；第二趟鉆使用同一鉆具組合鉆進(jìn)至4949m，測得最大井斜2.42°/4920m，計(jì)算水平位移38.5m，井斜呈現(xiàn)上升趨勢；經(jīng)上報(bào)決定起鉆更換貝克休斯垂直鉆井系統(tǒng)。

第一、二趟鉆具組合：

?311.2mmPDC（SF56H3）+?244.mm直螺桿+ ?228.6mmDC×1根+?310mm扶正器+?228.6mmDC× 2根+?203mmNWDC×1根+?203mmDC×9根+ ?177.8mmDC×9根+?127mm無磁承壓鉆桿+?127mm HWDP×12根+?139.7mmDP；

鉆井參數(shù)：鉆壓60kN，轉(zhuǎn)速60r/min，排量50L/s，泵壓20MPa，鉆時(shí)3～10min/m；鉆井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度 48～50s，API失水 4.2mL；HTHP失水11mL。

鉆進(jìn)過程中參數(shù)正常，每鉆進(jìn)40m測斜一次，井斜有增大趨勢時(shí)，采取輕壓吊打方式，利用鐘擺作用控制井斜，但第二趟鉆控制井斜效果不佳。

第三、四趟鉆下入VertiTrak垂直鉆井系統(tǒng)糾斜，使用鉆井井段為4949～6049m，進(jìn)尺1100m，純鉆時(shí)間118h，平均機(jī)械鉆速9.32m/h，作業(yè)排量：43～46L/s；第三趟鉆于5354m因儀器通訊中斷起鉆，降斜效果明顯，自測深4920m的2.42°降至0.53°，且一直保持；第四趟鉆于6049m完成垂直鉆井任務(wù)起鉆，井斜控制良好，井斜在0.53°～1.32°之間。使用垂鉆工具期間，鉆井參數(shù)有所強(qiáng)化。

第三、四趟鉆具組合：

?311.2mmPDC（SF55H3）+垂鉆工具+?310mm扶正器+?203.2mmDC×2根+?310mm扶正器+?203.2mm DC×8根+?177.8mmDC×1根+?127mmHWDP×11 根+?139.7mmDP；

鉆井參數(shù)：鉆壓80kN；轉(zhuǎn)速100r/min；排量46L/s；泵壓19MPa；；鉆井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度48～50s，API失水4.2mL；HTHP失水11mL。

圖2　順南501井三開井段井斜變化曲線

3　“單彎螺桿+MWD+PDC”復(fù)合鉆井工藝

通過對(duì)前期測井資料及已鉆井施工資料的分析，認(rèn)為卻爾卻克組3700～4400m井段地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，傾角較小，平均在2°左右，使用“直螺桿++MWD+PDC”或“單彎螺桿+MWD+PDC”復(fù)合鉆井工藝不易發(fā)生井斜；4400～5400m地層產(chǎn)狀不穩(wěn)定，傾角變化大，其中4400～4500m地層傾角在2°～10°，5300～5400m處地層傾角為2°～16°，常規(guī)鉆井工藝易發(fā)生井斜，可采用垂直鉆井系統(tǒng)進(jìn)行控斜鉆進(jìn)，從順南1井、順南401及順南7井鉆井情況可知使用“單彎螺桿+MWD+PDC”復(fù)合鉆井工藝可以有效控制井斜。綜上所述，三開井段311.2mm井眼主要采用“單彎螺桿+MWD+PDC”復(fù)合鉆井工藝，計(jì)劃四趟鉆完成，如復(fù)合鉆井工藝不能滿足控制井斜的要求，則在井斜控制難度大的井段使用UPCVDS-311垂直鉆井系統(tǒng)配合螺桿完成鉆井施工任務(wù)。

3.1優(yōu)化鉆頭和工具

通過對(duì)順南5、順南7等已鉆井使用的鉆頭進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，從ES1935SG、KM1652AR、DFS1605U、M5265LA、TMX5377YSJ優(yōu)選出新疆DBS產(chǎn)SF56H3 （5刀翼，19mm齒）、SF55H3（5刀翼，16mm齒）和四川深遠(yuǎn)產(chǎn)DFS1605U鉆頭，以新疆DBS生產(chǎn)的SF系列鉆頭為例，其具有以下特點(diǎn)：①耐磨性提高，通過降低復(fù)合片磨損來保持邊緣的鋒利；②抗沖擊性增強(qiáng)，可以防止切削齒在正常鉆進(jìn)時(shí)因受到動(dòng)態(tài)應(yīng)力和振動(dòng)而脫落；③抗溫能力增強(qiáng)，金剛石復(fù)合片不易脫落。采用抗高溫抗高壓測量儀器，要求抗高溫175℃以上，抗壓強(qiáng)度大于125MPa；選用抗高溫螺桿，要求抗高溫175℃以上，防止高溫狀態(tài)下電子原件失效或脫膠。順南501井在3746～4949m使用PDC（SF系列）+MWD+直螺桿鉆井工藝，平均機(jī)械鉆速達(dá)6.68m/h，較前期工區(qū)最高水平的4.23m/h提高57.92%。

表2　復(fù)合鉆井工藝實(shí)施方案

3.2強(qiáng)化水力參數(shù)

三開井眼尺寸大且段較長，優(yōu)選使用?139.7mm非標(biāo)雙臺(tái)階大水眼高強(qiáng)度鉆桿。該鉆桿與普通鉆桿的區(qū)別：①接頭處水眼內(nèi)徑為?101.6mm，普通鉆桿為?76.2mm；②接頭外徑?177.8mm，普通鉆桿為?190.5mm。根據(jù)水力學(xué)方程計(jì)算，該鉆具在不影響鉆具整體強(qiáng)度的前提下，壓耗較常規(guī)?127mm鉆桿可降低1.17MPa/km，較常規(guī)?139.7mm鉆桿可降低0.33MPa/km。在相同機(jī)泵的條件下，該鉆桿能確保鉆頭水功率的高效輸出，同時(shí)能確保大扭矩螺桿等井下動(dòng)力鉆具的正常使用。

3.3優(yōu)化鉆井液性能

嚴(yán)格控制鉀胺基聚磺鉆井液體系轉(zhuǎn)型，保持鉆井液粘度、切力、失水等性能指標(biāo)良好，優(yōu)選出聚胺最佳加量0.3%～0.5%，氯化鉀最佳加量3%～5%，氯根25000～30000ppm；組織開展鉆井液抗溫性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)工作，利用ST180、PAMS901、AP220等抗高溫材料增強(qiáng)體系高溫穩(wěn)定能力；優(yōu)化易垮塌層位的鉆井液密度為1.28～1.30g/cm3，控制API≤5mL，HTHP≤11mL，優(yōu)選高軟化點(diǎn)瀝青配合多元醇等防塌，配合DF-1非滲透等無機(jī)材料改善泥餅質(zhì)量，泥頁巖段加大抑制劑比例至1%以上，封堵強(qiáng)化井眼，防止剝落掉塊和垮塌。

3.4現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

直（單彎）螺桿+MWD+PDC復(fù)合鉆井工藝在順南區(qū)塊三開全井段使用4口井，應(yīng)用效果顯著，井身質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。其中順南4-1、順南5-1井全井段使用單彎螺桿鉆進(jìn)，平均周期28.11d，較設(shè)計(jì)周期縮短率為37.5%；順南5-2井全井段使用1.25°單彎螺桿鉆進(jìn)，僅2趟鉆就完成三開進(jìn)尺，以22.5d創(chuàng)該區(qū)塊三開最短周期記錄。

表3　復(fù)合鉆井工藝使用效果分析表

以順南5-2井為例，三開全井段采用1.25°單彎螺桿+MWD+PDC復(fù)合鉆井，期間進(jìn)行2趟鉆施工。鉆井過程中參數(shù)正常，每鉆進(jìn)30m測斜一次。第一趟鉆井段3710～4976m，井斜0.47°～1.8°，在4100～4570m井斜大于1.5°，且有增大趨勢，通過降低鉆壓（60～80kN降低至40～60kN）控時(shí)鉆進(jìn)，在原基礎(chǔ)上加密井斜測量，控制效果明顯，在4770m降至0.5°以內(nèi)。第二趟鉆井段4976～6288.5m，井斜均控制在1.5°以內(nèi)，鉆井過程中參數(shù)正常平穩(wěn)。

第一、二趟鉆具組合：

?311.2mmPDC鉆頭（第一趟鉆使用SF56H3，第二趟鉆使用SF55H3）+?244mm1.25°單彎螺桿+單流閥+MWD坐鍵短節(jié)+?203mm無磁鉆鋌（MWD儀器）+631×NC560+309mm扶正器+?203mm鉆鋌×6 根+?197mm鉆鋌×6根+?139.7mm加重鉆桿×14根+ ?139.7mm鉆桿；

鉆井參數(shù)：鉆壓40～80kN；轉(zhuǎn)速50r/min+螺桿；排量55L/s；泵壓23MPa；鉆井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度48～50s，API失水4.2mL；HTHP失水11mL。

4　結(jié)論

（1）在順南地區(qū)三開井段采用“單彎螺桿+MWD+ PDC”復(fù)合鉆井工藝的優(yōu)快鉆井方案可行且應(yīng)用效果顯著。如不能滿足控制井斜的要求，可在井斜控制難度大的井段使用UPC-VDS-311垂直鉆井系統(tǒng)控制井斜。

（2）復(fù)合鉆井施工中優(yōu)選性能可靠的抗高溫螺桿及測量儀器，加強(qiáng)鉆井液抗高溫評(píng)價(jià)有利于減少非鉆井時(shí)效，提高鉆井效率。

圖3　順南5-2井三開井段井斜變化曲線

（3）在使用垂直鉆井工具前，應(yīng)確保井下干凈，防止因固井附件碎片等異物造成工具磨損或鉆頭先期損壞。

（4）從結(jié)構(gòu)和制造性能提高國產(chǎn)垂直鉆井工具各關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性，對(duì)于超深井井斜控制推廣使用具有積極作用。

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TE242

A

1004-5716（2016）06-0029-04

2015-05-29

2015-06-09

王龍（1982-），男（漢族），山東泰安人，工程師，現(xiàn)從事現(xiàn)場鉆井技術(shù)管理工作。