賈 佳 夏忠躍 馮 雷 王 烊 李 建

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

神府致密氣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地，儲(chǔ)集層具有低孔隙度、低滲透率、非均質(zhì)性強(qiáng)、自然產(chǎn)能低的特點(diǎn)[1]，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能效益，需要走低成本高效開發(fā)模式。近幾年，經(jīng)過不斷的摸索，已逐漸形成了以小井眼井為導(dǎo)向的開發(fā)策略(一開鉆直徑241.3 mm井眼下入內(nèi)徑193.7 mm套管，二開鉆直徑165.1 mm井眼下入內(nèi)徑114.3 mm套管)，但是，在小井眼實(shí)施過程中，仍然存在機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長、鉆頭磨損快、鉆進(jìn)摩阻高等問題，限制了鉆井效益的提升。為了縮短鉆井周期，降低作業(yè)成本，圍繞二開鉆進(jìn)開展了一系列研究，包括井眼軌跡的精確設(shè)計(jì)、鉆頭的改進(jìn)、鉆井液的創(chuàng)新、鉆進(jìn)工藝參數(shù)優(yōu)選等，形成了適用于神府區(qū)塊的提速降本高效鉆井技術(shù)體系。

1 存在問題

神府致密氣區(qū)塊采用小井眼進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，部分已鉆井出現(xiàn)了鉆頭泥包、遇阻明顯、鉆速慢、工期長的問題。

1.1 鉆頭泥包

前期部分井在作業(yè)過程中，出現(xiàn)了鉆時(shí)慢、進(jìn)尺慢的情況，起鉆檢查后，多口井在石千峰組、石盒子組、太原組出現(xiàn)了鉆頭泥包(表1)，導(dǎo)致工期延長。為了解決這些問題，需要對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)選出合適的鉆頭。

1.2 鉆進(jìn)遇阻

部分井在電測、正常下鉆過程中，在延長組、和尚溝組、石盒子組、太原組、馬家溝組等地層出現(xiàn)了不同程度的遇阻(表2)。需要對鉆井液開展創(chuàng)新，在加強(qiáng)鉆井液護(hù)壁性的同時(shí)，提高井筒的潤滑性。

1.3 機(jī)械鉆速慢

部分井鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速慢，統(tǒng)計(jì)小井眼已鉆井平均機(jī)械鉆速12.1 m/h(圖1)，影響了整體時(shí)效的提升。部分井的軌跡設(shè)計(jì)為“直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)”的井形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)斜鉆穿劉家溝組后，開始增斜，穩(wěn)穿靶點(diǎn)。結(jié)合錄井和測井發(fā)現(xiàn)，神府區(qū)塊地層傾角呈降斜趨勢，軌跡設(shè)計(jì)與地層變化趨勢不一致，導(dǎo)致定向調(diào)整時(shí)間過長，影響鉆速提高。所以，有必要對軌跡進(jìn)行針對性精確設(shè)計(jì)。

1.4 鉆井周期長

對已鉆小井眼井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均鉆井周期18.8 d(圖2)，在二開鉆進(jìn)時(shí)，需要進(jìn)行兩趟鉆才能鉆至完鉆井深，直接導(dǎo)致了鉆井周期的增加。為進(jìn)一步縮短鉆井周期，開展了二開一趟鉆鉆井技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步提高鉆井整體效率。

表1 鉆頭泥包情況統(tǒng)計(jì)

表2 鉆進(jìn)遇阻情況統(tǒng)計(jì)

圖1 已鉆井機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)

圖2 已鉆井鉆井周期統(tǒng)計(jì)

2 提速降本系列技術(shù)

2.1 匹配地層走勢的軌跡精確設(shè)計(jì)技術(shù)

神府區(qū)塊構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地東北緣伊陜斜坡和晉西撓褶帶過渡帶，呈現(xiàn)北東-南西向單斜特征[2]。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)施數(shù)據(jù)，對地層進(jìn)行分析，鉆穿石千峰組后，地層呈現(xiàn)逐漸降斜的趨勢，前期作業(yè)井進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，采用“直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)”思路(表3)，導(dǎo)致在地層自然降斜井段仍要故意進(jìn)行穩(wěn)斜，拖慢了鉆井速度。為了與地層走勢匹配，軌跡采用“直-增-降-穩(wěn)”的結(jié)構(gòu)(表4)，在地層自然降斜井段，順著地層趨勢軌跡自然進(jìn)行降斜，不用刻意開展穩(wěn)斜或增斜作業(yè)。改進(jìn)前平均機(jī)械鉆速22 m/h，改進(jìn)后平均機(jī)械鉆速35 m/h，有效提高了鉆井速度。

表3 改進(jìn)前軌跡設(shè)計(jì)方法

表4 改進(jìn)后軌跡設(shè)計(jì)方法

2.2 高效鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

為了解決鉆頭泥包，鉆速過慢的問題，針對鉆頭結(jié)構(gòu)中的切削齒尺寸和后傾角開展研究，優(yōu)選出適合神府區(qū)塊的高效鉆頭。

2.2.1 切削齒尺寸改進(jìn)

切削齒對不同地層的作用不同，地層可鉆性差時(shí)，同等鉆壓下，切削齒易侵入地層，大尺寸切削齒利于破巖效率的提高；地層可鉆性好時(shí)，切削齒不易侵入地層，反而小尺寸切削齒利于破巖效率的提高[3-5]。神府區(qū)塊的地層可鉆性平均在6級(jí)左右，選擇可鉆性為6級(jí)的巖樣開展鉆頭切削試驗(yàn)，用切削深度代表切削效率。結(jié)果顯示，16 mm齒鉆頭比19 mm齒鉆頭更有優(yōu)勢，切削效率更高(圖3)。

圖3 切削齒直徑對切削效率的影響

2.2.2 后傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)

后傾角的大小對巖石破巖效率有一定的影響[6-9]，選擇神府區(qū)塊可鉆性為6級(jí)的巖樣開展鉆頭試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)鉆壓保持恒定時(shí)，隨著后傾角增大，切削深度也逐漸增大，但增加至15°左右時(shí)，切削深度達(dá)到極限值(圖4)；隨后，隨著后傾角繼續(xù)增大，切削深度反而逐漸減小。為了提高切削效率，將后傾角由之前的20°調(diào)整至15°左右。

2.3 降阻鉆井液體系

前期已鉆井在鉆進(jìn)過程中，多次出現(xiàn)遇阻、遇卡的情況，為進(jìn)一步降低井筒中的摩阻，開展了以高效仿生潤滑劑為核心的降阻鉆井液研究。蚯蚓分泌的黏液具有低摩阻的特性，據(jù)此，利用長鏈脂肪酸和多元醇為原料[10-12]，研制了高效仿生潤滑劑，其中的多分支極性吸附基團(tuán)可以提供配對電子，與金屬鉆具表面鐵原子提供的空電子軌道，通過螯合效應(yīng)增強(qiáng)潤滑劑吸附膜強(qiáng)度，達(dá)到降阻的目的。經(jīng)過試驗(yàn)評(píng)價(jià)，在4%淡水基漿中，多元醇酯類仿生潤滑劑的極壓潤滑系數(shù)降低率達(dá)到90.7%(表5)，明顯高于常規(guī)無極性吸附基團(tuán)的長鏈酯，潤滑性能優(yōu)異。

圖4 后傾角對巖石切削效率的影響

表5 仿生潤滑劑與其他潤滑劑潤滑性能對比

在高效仿生潤滑劑的基礎(chǔ)上，確定了適合神府區(qū)塊的鉆井液體系配方：1%膨潤土漿+0.2%燒堿+2%木質(zhì)素共聚物+1%超分子降失水劑+1%PAC-LV+2%仿生潤滑劑+0.3%弱凝膠+8%KCl。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該鉆井液體系粘度低、切力高、老化前后性能保持穩(wěn)定。

2.4 二開一趟鉆鉆井工藝技術(shù)

2.4.1 配套一趟鉆鉆具組合

神府區(qū)塊隨著開發(fā)深入，作業(yè)井深逐漸增加，部分井已超過2 500 m，前期作業(yè)井使用φ88.9 mm鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，隨著深度增加，鉆桿的抗扭、抗拉性能逐漸趨于極限，容易出現(xiàn)螺旋屈曲，影響正常作業(yè)，有必要對鉆桿進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。對比分析φ88.9 mm和φ101.6 mm鉆桿性能參數(shù)，在抗扭和抗拉等方面，φ101.6 mm鉆桿均優(yōu)于φ88.9 mm鉆桿(圖5)。

圖5 不同尺寸鉆桿理論極限值對比分析

φ101.6 mm鉆桿和φ88.9 mm鉆桿對井筒井眼清潔和泵壓影響也不相同，在泵排量均為1 000 L/min情況下，φ101.6 mm鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，泵壓約12.9 MPa；φ88.9 mm鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，泵壓約18.6 MPa(圖6)，所以，使用φ101.6 mm鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，泵壓更小，更利于安全作業(yè)。同時(shí)，在同等排量下，φ101.6 mm鉆桿鉆進(jìn)時(shí)的環(huán)空返速明顯大于φ88.9 mm鉆桿的環(huán)空返速，能夠更有效地?cái)y帶巖屑，更利于井底井眼清潔。

圖6 不同尺寸鉆桿泵壓對比分析

2.4.2 螺桿優(yōu)化研究

實(shí)現(xiàn)二開一趟鉆鉆進(jìn)的一個(gè)前提是螺桿馬達(dá)的壽命超過200 h，因而需要對普通螺桿壽命進(jìn)行改進(jìn)研究。對螺桿中的馬達(dá)總成和萬向軸總成進(jìn)行改進(jìn)，使用等壁厚定子橡膠注膠工藝，加強(qiáng)密封性能，提高能量轉(zhuǎn)換率；使用金剛石復(fù)合片的推力軸承[13-16]，提升馬達(dá)軸向承載力；增大橡膠與定子輪廓的接觸面積，提升散熱性，使馬達(dá)使用壽命延長至200 h。在以上分析研究基礎(chǔ)上，確定了二開一趟鉆鉆具組合：φ165.1 mmPDC+φ135 mm螺桿(1.25°)+浮閥+φ127 mm短鉆鋌+φ150 mm扶正器+φ127 mm定向接頭+φ127 mm無磁鉆鋌+φ120.65 mm鉆鋌+變扣接頭+φ101.6 mm鉆鋌+φ101.6 mm鉆桿。

2.4.3 配套一趟鉆鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)二開一趟鉆鉆井，必須控制好鉆井參數(shù)。對于劉家溝組以下地層，其他條件保持不變時(shí)，鉆壓越大，鉆頭破巖效率越高，鉆速也越快，故將鉆壓優(yōu)化調(diào)整至5～10 t。

轉(zhuǎn)速影響鉆頭切削齒與井底巖石接觸時(shí)間，也會(huì)影響鉆速。在其他條件不變情況下，轉(zhuǎn)速與鉆速形成一定的規(guī)律，對于軟地層，轉(zhuǎn)速與鉆速基本成線性關(guān)系；對于中硬地層和硬地層，鉆頭依靠剪切、沖擊、壓碎進(jìn)行破巖，鉆速對轉(zhuǎn)速的敏感性降低，兩者不呈正比關(guān)系[17-20]。對于神府區(qū)塊來說，巖石可鉆性級(jí)別約6級(jí)，屬于中硬巖石，需要控制中等轉(zhuǎn)速，配合中高鉆壓，提高機(jī)械鉆速，優(yōu)選轉(zhuǎn)速范圍為50～90 r/min。

泵排量直接影響井眼清潔效果，參數(shù)控制也非常重要。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，對于φ165.1 mm井眼，實(shí)現(xiàn)井眼清潔所需的最小排量約700 L/min(圖7)，為了提升水力清潔效果，二開井段泵排量需要控制在800～1 400 L/min。

圖7 泵排量與泵壓關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場應(yīng)用

將該技術(shù)應(yīng)用于神府試驗(yàn)區(qū)塊，試驗(yàn)井平均井深2 500 m，平均機(jī)械鉆速26.8 m/h(圖8)，二開井段均以一只鉆頭和一套鉆具鉆至完鉆井深，實(shí)現(xiàn)了提速降本的目的。使用改進(jìn)后的鉆頭和鉆具組合進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，延長組和紙坊組機(jī)械鉆速達(dá)到了60 m/h，劉家溝組地層機(jī)械鉆速在20 m/h左右，太原組、本溪組等地層機(jī)械鉆速超過25 m/h，提速效果明顯。

試驗(yàn)井平均鉆井周期15 d(圖9)，其中5 D井，通過軌跡的精確設(shè)計(jì)，采用中高強(qiáng)度的鉆井參數(shù)，完鉆井深2 577 m，鉆井周期11.13 d，折算2 000 m當(dāng)量鉆井周期8.64 d，創(chuàng)造了神府區(qū)塊的致密氣鉆井記錄，與前期已鉆井相比，鉆井周期縮短了30%以上。

圖8 各地層機(jī)械鉆速對比

圖9 不同井鉆井周期對比

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合神府區(qū)塊地層走勢，采用“直-增-降-穩(wěn)”的思路進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)，有效提高了鉆井速度。

(2)對鉆頭切削齒尺寸、后傾角等進(jìn)行了改進(jìn)研究，形成了適合神府區(qū)塊的后傾角為15°的5刀翼16 mm齒PDC鉆頭，為二開一趟鉆鉆至完鉆井深奠定了基礎(chǔ)。

(3)開展降阻鉆井液研究，確定了以高效仿生潤滑劑為核心的鉆井液配方。

(4)對鉆具組合進(jìn)行優(yōu)化，將φ88.9 mm鉆桿調(diào)換為φ101.6 mm鉆桿，對螺桿馬達(dá)進(jìn)行創(chuàng)新研究，使得壽命延長至200 h。

(5)形成了二開一趟鉆配套最優(yōu)鉆井參數(shù)，鉆壓控制為5～10 t、轉(zhuǎn)速控制為50～90 r/min、二開井泵排量控制在800～1 400 L/min。

(6)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，平均機(jī)械鉆速26.8 m/h，平均鉆井工期15 d，該項(xiàng)技術(shù)可以順利實(shí)現(xiàn)二開一趟鉆鉆至完鉆井深，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。