陳星星
(中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶 408014)
涪陵頁巖氣田主體地處重慶市涪陵區(qū)境內(nèi),西、北臨長江,南跨烏江,東到礦權(quán)邊界,屬山地喀斯特地貌,地面海拔300~1000 m。涪陵頁巖氣田二期主要包括江東、平橋、梓里場(chǎng)、白濤、白馬等五個(gè)區(qū)塊,通過前期勘探開發(fā)展現(xiàn)出了良好的產(chǎn)能前景。
2016年以來,啟動(dòng)了二期江東和平橋兩個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)能建設(shè),通過近期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),在焦石壩區(qū)塊外圍的平橋區(qū)塊、江東區(qū)塊新建鉆井平臺(tái)40個(gè),完鉆89口,平均完鉆井深5158 m,平均垂深3259 m,垂深較一期產(chǎn)能建設(shè)階段增加383 m[1-4]。平均完井周期99.17d,鉆井周期延長了23.5%。與涪陵一期相比,二期頁巖氣井垂深不斷加深,水平段越來越長,井眼軌跡越來越復(fù)雜,地質(zhì)條件更復(fù)雜。施工中,鉆速慢、定向托壓、摩阻大等難題比較突出,為涪陵二期鉆井施工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[5-7]。
平橋小河壩組地層平均垂厚約200 m,巖性以泥巖為主,砂巖較發(fā)育,粉砂巖占比10%~30%,較一期明顯增加,砂泥巖互層,非均質(zhì)性強(qiáng),可鉆性較差,鉆時(shí)由主體區(qū)域的5 min/m上升至30 min/m。牙輪鉆頭極不適應(yīng)小河壩組地層,焦頁182-xHF井3193~3404 m,進(jìn)尺211 m,共使用5只牙輪鉆頭,耗時(shí)13.41 d,平均單只鉆頭進(jìn)尺42.2 m,平均機(jī)械鉆速1.51 m/h。采用常規(guī)PDC鉆頭一般需要3只才能鉆穿小河壩組地層,平均單只鉆頭進(jìn)尺100 m,平均機(jī)械鉆速3.5 m/h。
龍馬溪組地層濁積砂段平均垂厚約20 m,巖性以灰色-灰黑色粉砂巖和灰黑色泥質(zhì)粉砂巖為主,夾深灰色泥巖,常發(fā)育1~2套箱體狀灰黑色泥質(zhì)粉砂巖,砂巖致密,硅質(zhì)含量普遍較高,可鉆性較差,鉆時(shí)30~40 min/m。焦頁93-xHF井PDC鉆頭鉆遇濁積砂地層僅1 m左右,鉆頭報(bào)廢,改用牙輪鉆頭鉆穿后,單只牙輪鉆頭能鉆穿一套濁積砂地層,但牙齒全部磨損50%以上,平均鉆速僅1.42 m/h??紤]濁積砂上部地層需要PDC鉆頭過渡及發(fā)育兩套濁積砂的可能性,鉆穿濁積砂至A靶需要2~4趟鉆。
通過測(cè)井曲線及巖石力學(xué)分析,平橋小河壩組地層強(qiáng)度整體偏高(120~180 MPa),地層軟硬交錯(cuò)指數(shù)普遍大于3(最大達(dá)10),地層軟硬程度顯著,可鉆性差(級(jí)值在7~8之間)。濁積砂地層硬度高,可鉆性級(jí)值在7~8之間。具體情況見圖1。
圖1巖石可鉆性分析
Fig.1Rock drillability analysis
為實(shí)現(xiàn)地下井網(wǎng)全覆蓋,多動(dòng)用儲(chǔ)量,涪陵區(qū)塊采用交錯(cuò)式井網(wǎng),為最大限度利用好地下空間,一般采取縮短前后鄰井之間水平段距離的方式,具體表現(xiàn)為靶前距的大幅度減小,形成反向位移三維水平井(魚鉤井)。
這類井普遍具有大偏移距、小靶前距的特點(diǎn),施工中造成較大的扭方位工作量,偏移距越大(超過200 m),穩(wěn)斜井段越長(超過900 m),只要具備其中一項(xiàng),二開后期扭方位時(shí)表現(xiàn)的摩阻就會(huì)越大,據(jù)統(tǒng)計(jì)(見表1),出現(xiàn)輕微托壓的井中,78.57%的井摩阻在80~100 kN,出現(xiàn)嚴(yán)重托壓的井,86.67%的井摩阻達(dá)到100 kN以上。
表1 大三維井托壓-摩阻統(tǒng)計(jì)Table 1 Long reach 3D well drag forces statistics
定向施工過程中,上提下放摩阻較大,使用PDC定向托壓憋泵情況嚴(yán)重,使用水力振蕩器也效果不佳,定向托壓得不到緩解,扭方位井段PDC鉆頭易發(fā)生早期磨損,甚至形成環(huán)形槽,鉆頭磨損后形成小井眼,定向托壓明顯,且易發(fā)生卡鉆。對(duì)于二期區(qū)塊三維水平井而言,小河壩組地層屬于扭方位的主要井段,PDC鉆頭的不適應(yīng)性極大地影響了井眼軌跡控制的精度和效率,雖然通過對(duì)PDC鉆頭的改進(jìn),鉆頭耐磨性增強(qiáng),使用2只KSD1663DRT鉆頭可以鉆穿小河壩組含砂地層。但鉆頭保徑仍然磨損較快,保徑齒磨損之后,定向托壓、卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。
牙輪鉆頭失效特征表現(xiàn)為牙輪曠動(dòng)、掌尖和掌背磨損;鉆頭鉆遇軟硬交錯(cuò)的夾層時(shí)跳鉆嚴(yán)重,造成牙輪鉆頭切削齒斷齒;定向段易發(fā)生偏心旋轉(zhuǎn)造成掌尖、掌背以及牙輪齒槽磨損;資料分析表明,鉆具剛性和強(qiáng)化鉆井參數(shù)引起的跳鉆,對(duì)鉆頭軸承的早期失效影響較大。PDC鉆頭失效特征為鉆頭鼻部、肩部崩齒,同時(shí)復(fù)合片磨損較多。其失效原因?yàn)榈貙榆浻步诲e(cuò),互層較多,巖性變化頻繁,PDC鉆頭復(fù)合片受到的沖擊作用強(qiáng),復(fù)合片易崩碎,鉆頭損壞較快,失去PDC鉆頭在定向段鉆進(jìn)優(yōu)勢(shì);PDC鉆頭造斜能力差、工具面極為不穩(wěn)定,制約了定向段的機(jī)械鉆速[8-10]。
借鑒川渝其他工區(qū)復(fù)雜難鉆地層混合鉆頭施工經(jīng)驗(yàn),推出新型結(jié)構(gòu)的混合鉆頭,該結(jié)構(gòu)同時(shí)包含牙輪和PDC刀翼,將牙輪沖擊破碎與PDC復(fù)合片的剪切破碎有機(jī)結(jié)合,以達(dá)到提高切削效率目的。在不均勻及軟硬交錯(cuò)地層,混合鉆頭上的牙輪切削齒對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破碎,一方面,提高了對(duì)硬質(zhì)塊或硬夾層的切削效率,使得混合鉆頭在不均勻及軟硬交錯(cuò)地層中具有較高機(jī)械鉆速;另一方面,降低了PDC切削齒的切削載荷變化幅度,減輕鉆頭產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),PDC切削齒不易破裂,故混合鉆頭的使用壽命長,進(jìn)尺多。在硬塑性地層及硬脆性地層,牙輪切削齒能對(duì)巖石產(chǎn)生預(yù)破碎,PDC切削齒能對(duì)地層形成有效切削,從而形成完整的破碎環(huán)帶,使得混合鉆頭在硬塑性地層及硬脆性地層中具有較高機(jī)械鉆速;由于PDC切削齒能對(duì)地層形成有效切削,混合鉆頭工作平穩(wěn),PDC切削齒不易破裂,故混合鉆頭的使用壽命長,進(jìn)尺多[11-12]。
針對(duì)二開平橋區(qū)塊小河壩組非均質(zhì)高研磨地層及大三維井定向困難地層,優(yōu)選了12in KPM1633DST系列高研磨及高效定向混合鉆頭,見圖2、圖3。該系列鉆頭采用3PDC刀翼+3牙輪設(shè)計(jì),具有以下特點(diǎn),采用“滾動(dòng)牙輪+固定刀翼”復(fù)合破巖技術(shù);牙輪齒預(yù)破碎,降低巖石強(qiáng)度,提高復(fù)合片切削效率,減輕復(fù)合片損壞程度;采用滾動(dòng)破巖結(jié)構(gòu),扭矩波動(dòng)小;設(shè)計(jì)牙輪防掉結(jié)構(gòu),較普通牙輪鉆頭更可靠;PDC復(fù)合片強(qiáng)化保徑,增強(qiáng)鉆頭抗磨性能。高效定向鉆頭較同系列高研磨混合鉆頭相比,有以下兩個(gè)特點(diǎn),一是減少了合金齒的排布,增強(qiáng)了鉆頭的攻擊性,增強(qiáng)了定向能力;二是淺內(nèi)錐設(shè)計(jì),輔助提高了定向能力。
圖2 12 in KPM1633DST高研磨混合鉆頭Fig.2 High abrasive hybrid drill bit
圖3 12 in KPM1633DST高效定向混合鉆頭Fig.3 High efficient directional hybrid drill bit
圖4 8 in KPM1642ART硬質(zhì)定向混合鉆頭Fig.4 Directional hard hybrid drill bit
該鉆頭直徑215.9 mm由2個(gè)牙輪和4個(gè)PDC刀翼組成(主切削齒直徑16 mm),共有6個(gè)水眼,保徑長度100 mm[13-14]。具有以下特點(diǎn),采用混合切削結(jié)構(gòu)(4刀翼+2牙輪);淺內(nèi)錐設(shè)計(jì),輔助提高定向能力;優(yōu)化減震齒設(shè)計(jì),使用抗研磨型齒材;使用鑲齒牙輪金屬密封軸承技術(shù),延長軸承壽命。
截止目前,3種型號(hào)混合鉆頭在涪陵工區(qū)累計(jì)使用200余井次,平均每井減少起下鉆4~5趟次,縮短鉆井周期6~7 d。
鉆頭比能是指鉆頭從井底地層破碎單位體積巖石所需要做的功,鉆頭比能越低,說明鉆頭的破巖效率越高,鉆頭使用效果越好[15]。但現(xiàn)場(chǎng)由于起下鉆時(shí)間較長,因此鉆頭選型不僅要考慮鉆速,而且要兼顧進(jìn)尺,以減少起下鉆次數(shù),由于比能法未考慮鉆頭進(jìn)尺因素,評(píng)價(jià)不夠全面。因此,為綜合考慮比能和進(jìn)尺,以鉆頭鉆進(jìn)每米進(jìn)尺消耗的比能作為鉆頭的評(píng)判選擇依據(jù),以真正反映鉆頭的進(jìn)尺和使用效果?;诔R?guī)鉆頭及混合鉆頭的使用數(shù)據(jù),通過比能算法得到鉆頭比能,比能/進(jìn)尺值越小表明該鉆頭應(yīng)用效果越佳。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。
表2 鉆頭比能/進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)Table 2 Bit specific energy/footage statistics
針對(duì)二期目的層垂深較深,裸眼井段長,存在摩阻扭矩大、部分地層可鉆性較差的特點(diǎn),基于混合破巖理論,優(yōu)選了適合涪陵頁巖氣二期復(fù)雜地層的混合鉆頭,提高了機(jī)械鉆速及鉆頭進(jìn)尺,形成了針對(duì)平橋區(qū)塊小河壩組及龍馬溪組濁積砂難鉆地層和大三維井定向復(fù)雜工況的有效解決方案。為二期產(chǎn)建鉆井提速提效提供了技術(shù)保障。
通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用,客觀地反映了混合鉆頭的應(yīng)用效果,相比常規(guī)鉆頭技術(shù),提速效果顯著。12in KPM1633DST系列抗研磨性、高效定向混合鉆頭及8in KPM1642ART系列硬質(zhì)定向混合鉆頭,已在涪陵頁巖氣井田全面推廣應(yīng)用。
通過比能法對(duì)混合鉆頭進(jìn)行了應(yīng)用評(píng)價(jià),技術(shù)指標(biāo)全面超越常規(guī)鉆頭,應(yīng)用效果顯著,能夠滿足平橋區(qū)塊小河壩組及龍馬溪組濁積砂難鉆地層和大三維井定向復(fù)雜工況的使用要求。