陳業(yè)鵬

(中石化東北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，吉林 長春 130062)

1 概況

梨樹斷陷后五家戶氣田位于吉林省四平市梨樹縣，累計(jì)提交天然氣預(yù)測儲(chǔ)量458.36×108m3，含氣面積91.39 km2，天然氣儲(chǔ)量資源豐富。經(jīng)中石化專家組多輪次論證、評(píng)議，在該區(qū)域進(jìn)行井位部署，目前該區(qū)已完鉆2口探井，分別是梨深1井——中深井、梨深2井——深井。

通過2口探井實(shí)施，探明該區(qū)自上而下地層為第四系、泉頭組、登婁庫組、營城組、沙河子組等，主要目的層為沙河子組。該地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，地層巖性復(fù)雜多樣，下部地層壓實(shí)程度高、地層含礫且?guī)r石組分中石英含量較高，地層可鉆性差、目的層頂界深度主要在4000～4350 m。

2 鉆井提速難點(diǎn)

2.1 地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化難度大

利用常規(guī)測井資料初步建立地層壓力剖面，再用實(shí)際測試壓力、地層破裂壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)、巖石力學(xué)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，建立起該地區(qū)地層壓力剖面。梨深2井地層壓力剖面如圖1所示。

從壓力剖面看出，泉頭組-登婁庫組孔隙壓力系數(shù)為0.99～1.03，為常壓系統(tǒng)；營城組上部為常壓系統(tǒng)，下部為高壓系統(tǒng)，整體上壓力系數(shù)為1.09～1.45；沙河子組為高壓系統(tǒng)，壓力系數(shù)為1.50～1.86?？v向上存在多套壓力系統(tǒng)，且下部沙河子組為異常速度體，地層壓力預(yù)測可能存在較大誤差；上部泉頭組-登婁庫組泥巖發(fā)育，鉆井過程中易發(fā)生井壁失穩(wěn)。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化要保證分隔不同壓力系統(tǒng)、有利于鉆井提速、減少復(fù)雜情況發(fā)生，同時(shí)要具有一定的抵抗不確定因素的能力，給井身結(jié)構(gòu)層次及技術(shù)套管下深的確定造成較大難度。

圖1 梨深2井地層壓力剖面

2.2 地層可鉆性差，鉆井周期長

已完鉆的2口井整體上技術(shù)指標(biāo)較低，見表1。下部地層營城組、沙河子組礦物組分中石英含量高[1]，地層抗壓強(qiáng)度均達(dá)到320 MPa以上，地層可鉆性差，特別是沙河子組地層可鉆性級(jí)值超過10級(jí)(見表2)。且這兩個(gè)層位厚度大，占整個(gè)完鉆井深的50%以上，周期占全井鉆井周期的70%，是鉆井提速的主要難點(diǎn)。

表1 已完鉆井基本情況統(tǒng)計(jì)

表2 梨深1井、梨深2井下部地層工程地質(zhì)情況

3 鉆井提速技術(shù)探索與分析

梨深1井全井采用五級(jí)井身結(jié)構(gòu)，且主要應(yīng)用牙輪鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆井速度較慢。根據(jù)梨深1井情況，梨深2井對井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭選型及輔助破巖工具等多種提速技術(shù)進(jìn)行了探索，均取得了一定的效果，指明了提速技術(shù)完善方向。

3.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化探索

梨深2井最初設(shè)計(jì)技術(shù)套管下至營城組底部，但鉆至營城組中上部地層時(shí)，鉆頭單只進(jìn)尺及機(jī)械鉆速指標(biāo)均大幅度下降，為提高鉆井速度，對井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化，將二開?311.2 mm井眼提前完鉆，下入?244.5 mm技術(shù)套管，三開采用?215.9 mm鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，提高單位井底面積鉆頭施加壓力，同時(shí)減小破巖體積[2]。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，鉆頭單只進(jìn)尺及機(jī)械鉆速等指標(biāo)顯著提高，見圖2、圖3。

圖2 不同尺寸鉆頭單只進(jìn)尺對比圖

圖3 不同尺寸鉆頭機(jī)械鉆速對比圖

在進(jìn)入下部沙河子組地層時(shí)，可鉆性進(jìn)一步變差，技術(shù)指標(biāo)再一次降低至井身結(jié)構(gòu)調(diào)整前的水平。并且由于井身結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將營三段底部至營一段地層與下部沙河子組地層置于同一個(gè)裸眼井段內(nèi)，沙河子組鉆進(jìn)過程中先后發(fā)生2次氣侵，見表3。第二次氣侵后壓井過程中上部地層發(fā)生漏失，采用隨鉆堵漏的方法進(jìn)行堵漏，但仍有較輕微漏失發(fā)生，漏失速度在0.5 m3/h左右，自此至完鉆過程中一直伴有井漏。沙河子組完鉆后實(shí)測地層壓力系數(shù)1.86，與上部營城組為不同壓力系統(tǒng)。

表3 沙河子組氣侵基本情況

?215.9 mm井眼相比于?311.2 mm井眼，一定程度上提高了技術(shù)指標(biāo)，但對可鉆性高于10級(jí)的沙河子組，鉆進(jìn)速度再次變慢，且技術(shù)套管提前結(jié)束，導(dǎo)致地層壓力窗口變窄，加大了鉆井液密度選擇難度[3]，處理井漏氣侵等復(fù)雜情況反而不利于縮短鉆井周期，該井實(shí)際采用的井身結(jié)構(gòu)存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為四級(jí)，一開不揭開淺層氣采用?660.4 mm鉆頭鉆至200 m左右，下入?508 mm表層套管；二開采用?406.4 mm鉆頭鉆至登婁庫組底部，下入?339.7 mm技術(shù)套管1封固泉頭組、登婁庫組不穩(wěn)定地層；三開采用?311.2 mm鉆頭鉆至營城組底部，下入?244.5 mm技術(shù)套管2封固營城組，為下部沙河子組異常高壓提供新的開次；四開采用?215.9 mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深，下入?139.7 mm生產(chǎn)套管完井。

該區(qū)進(jìn)入開發(fā)階段，工程地質(zhì)條件更為明確后，整體縮小井眼尺寸，保證安全鉆井的條件下進(jìn)一步提高鉆井速度。

3.2 PDC+輔助破巖工具復(fù)合鉆井技術(shù)

本區(qū)營城組-沙河子組PDC鉆頭應(yīng)用過程中出現(xiàn)的主要問題是由于地層致密，抗壓強(qiáng)度高，切削齒吃入地層困難，剪切破巖方式未能起到關(guān)鍵作用，施加轉(zhuǎn)速后復(fù)合片與井底巖石發(fā)生滑動(dòng)摩擦，造成復(fù)合片過度損壞(見圖4)。

圖4 M1665RJ PDC鉆頭出井照片

下部地層采用多種型號(hào)、不同廠家的PDC鉆頭仍未能解決這一問題(見表4)。進(jìn)而改變PDC鉆頭工作方式，變剪切為高頻次微剪切[4]，于營城組嘗試使用扭力沖擊技術(shù)，美國阿特拉的扭力沖擊器配套UD513鉆頭，但應(yīng)用效果仍不理想，機(jī)械鉆速僅0.7 m/h，進(jìn)尺12 m。

目前，與PDC鉆頭配套的主要提速工具有螺桿鉆具及扭力沖擊器[5]，然而都未能解決PDC鉆頭在營城組-沙河子組地層切削齒吃入地層困難的問題，分析認(rèn)為PDC鉆頭在這兩個(gè)層位難以取得突破性進(jìn)展[6]，需要采用其他提速手段。

表4 PDC+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)在下部地層應(yīng)用情況

3.3 牙輪鉆井技術(shù)

針對地層可鉆性差、抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在鉆頭結(jié)構(gòu)上采取了“金屬密封、特別保徑、掌背強(qiáng)化、主齒加寬”等一系列的強(qiáng)化措施，整體效果明顯好于PDC鉆頭(見表5)，但受到本身材質(zhì)及破巖方式的限制，技術(shù)指標(biāo)仍然不夠理想，并且隨著深度的增加，鉆頭單只進(jìn)尺和機(jī)械鉆速等指標(biāo)明顯降低。

表5 HJT537GK牙輪鉆頭在下部地層應(yīng)用情況

為探索牙輪鉆頭在下部地層提速潛力，在下部地層交替試驗(yàn)了5只VMD68DVHX1進(jìn)口牙輪鉆頭，在營城組取得的技術(shù)指標(biāo)明顯低于國產(chǎn)牙輪(見表6)，在沙河子組取得的技術(shù)指標(biāo)略高于國產(chǎn)牙輪(見表7)，技術(shù)指標(biāo)仍沒有取得實(shí)質(zhì)性突破。

表6 營城組進(jìn)口與國產(chǎn)牙輪鉆頭對比

表7 沙河子組進(jìn)口與國產(chǎn)牙輪鉆頭對比

3.4 孕鑲+輔助破巖工具復(fù)合鉆井技術(shù)

3.4.1 國產(chǎn)孕鑲+螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)

從破巖機(jī)理角度分析，牙輪鉆頭的壓碾，PDC鉆頭的剪切在高研磨性地層均未取得理想效果，因此改變攻關(guān)方向，采用“磨削、微剪切”的破巖方式：即在高研磨性地層試驗(yàn)孕鑲金剛石鉆頭[7]。分別于營城組、沙河子組使用了國產(chǎn)NR826M孕鑲鉆頭，均配套螺桿具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)(見表8、表9)，取得較好效果。營城組機(jī)械鉆速與常規(guī)鉆頭基本相當(dāng)，沙河子組提高29.73%，整體上單只進(jìn)尺達(dá)到常規(guī)鉆頭4～8倍。

表8 營城組孕鑲鉆頭+螺桿鉆具應(yīng)用情況

表9 沙河子組孕鑲鉆頭+螺桿鉆具應(yīng)用情況

目前，與孕鑲鉆頭配套的輔助破巖工具有螺桿鉆具和渦輪鉆具，該孕鑲鉆頭在遼西6井配套1000 r/min以上高速渦輪使用，在太古界井深1889～1941 m鉆進(jìn)僅51 m，機(jī)械鉆速1.45 m/h，起出后渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)正常而鉆頭磨損嚴(yán)重，該鉆頭在過高的轉(zhuǎn)速下極大程度縮短使用壽命，與配套動(dòng)力鉆具不吻合[8]；因此，本井使用螺桿作為輔助破巖工具，但是普通螺桿使用壽命僅120～130 h，并且隨著井深的增加，井底溫度不斷升高，螺桿馬達(dá)定子持續(xù)工作的穩(wěn)定性變差，有效工作壽命大幅度降低，一只鉆頭需要配2～3根螺桿，影響工具整體的破巖效率。

3.4.2 進(jìn)口孕鑲+渦輪復(fù)合鉆井技術(shù)

在高研磨性地層適合采用“磨削、微剪切”的方式進(jìn)行破巖的基礎(chǔ)上，下部沙河子組進(jìn)一步應(yīng)用進(jìn)口孕鑲鉆頭進(jìn)行提速，并配套穩(wěn)定性高、壽命長的高速渦輪鉆具[9]，最終取得突破(見表10)，機(jī)械鉆速達(dá)到常規(guī)鉆井4倍，單只進(jìn)尺達(dá)到常規(guī)鉆井6倍，以實(shí)際應(yīng)用的650 m井段為例，采用常規(guī)鉆井技術(shù)，預(yù)計(jì)鉆井周期114d左右，而采用孕鑲+高速渦輪鉆井技術(shù)只需要21 d，節(jié)約鉆井周期90 d以上。

表10 進(jìn)口孕鑲+高速渦輪鉆井技術(shù)應(yīng)用情況

鉆頭類型對比：本區(qū)進(jìn)入營城組以后，地層抗強(qiáng)度高、可鉆性差，PDC鉆頭的剪切破巖方式難以充分發(fā)揮，使用效果最差；破巖原理復(fù)雜、適應(yīng)性廣泛的牙輪鉆頭，應(yīng)用效果雖然好于PDC鉆頭，但基于自身破巖原理的限制，難以取得突破性進(jìn)展；利用磨削破巖的孕鑲金剛石鉆頭適應(yīng)性最好。建議后續(xù)鉆井對地層研磨性做出評(píng)價(jià)，細(xì)化孕鑲金剛石鉆頭選型，并優(yōu)化施工參數(shù)，進(jìn)一步挖掘孕鑲金剛石鉆頭在該區(qū)的提速潛力。

4 結(jié)論和建議

(1)營城組-沙河子組抗壓強(qiáng)度320 MPa以上的地層，適合采用磨削、微剪切的方式進(jìn)行破巖，孕鑲金剛石鉆頭適應(yīng)性最好，牙輪鉆頭次之，PDC鉆頭最差。

(2)國產(chǎn)孕鑲鉆頭應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)較好，但存在動(dòng)力鉆具不配套的問題，建議配套等壁厚抗高溫螺桿鉆具，提高鉆頭的整體效率，或嘗試其它型號(hào)鉆頭配套高速渦輪鉆具進(jìn)行進(jìn)一步探索。

(3)梨深2井井身結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差，建議勘探開發(fā)初期，設(shè)計(jì)四級(jí)井身結(jié)構(gòu)，分隔沙河子組與上部地層，以?215.9 mm井眼為最后開次。進(jìn)入開發(fā)階段地質(zhì)情況明確后考慮縮小井眼尺寸以縮短鉆井周期。