王 文,劉家屹,陳 捷,黃 兵

1中國(guó)石油西南油氣田分公司開(kāi)發(fā)事業(yè)部 2中國(guó)石油西南油氣田分公司蜀南氣礦 3中國(guó)石油西南油氣田分公司致密油氣勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部 4中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

金華—秋林區(qū)塊位于四川盆地川北古中坳陷低緩帶東部，歷經(jīng)了四川盆地的歷次沉積演化和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了中下三疊統(tǒng)及其以下的以碳酸鹽巖為主的海相地層和上三疊統(tǒng)-侏羅系以砂泥巖為主的陸相地層。秋林207-5-H2、秋林211-8-H1、秋林209-8-H1三口試采井累計(jì)無(wú)阻流量超過(guò)450×104m3/d，致密氣勘探開(kāi)發(fā)潛力巨大[1-2]。統(tǒng)計(jì)分析前期10口完鉆井平均完鉆井深3 519 m，平均鉆井周期為30.6 d，平均機(jī)械鉆速為15.8 m/h，為加快金華—秋林致密氣勘探開(kāi)發(fā)速度，開(kāi)展鉆井提速研究意義重大。

1 金華—秋林區(qū)塊鉆井難點(diǎn)

秋林區(qū)塊沙溪廟組致密砂巖儲(chǔ)層共發(fā)育38套河道砂，橫向上河道大面積分布，縱向上多期疊置，其中8號(hào)砂組規(guī)模大，埋藏深度介于200～2 400 m，河道寬度介于600～1 400 m，儲(chǔ)層厚度介于10～25 m；以中—細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主，巖屑長(zhǎng)石砂巖次之；礦物組分中石英、長(zhǎng)石、巖屑分別占45.0%、33.3%、21.3%。

前期鉆井實(shí)踐表明，主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)井眼軌跡設(shè)計(jì)及控制難度大。受地面條件限制，井眼軌跡的靶前位移大，中靶困難，軌跡調(diào)整頻繁，定向托壓嚴(yán)重，制約鉆井提速；區(qū)塊沉積環(huán)境為辮狀河道沉積，非均質(zhì)性極強(qiáng)，儲(chǔ)層段軌跡控制難度大。

(2)工區(qū)全井段巖性主要以砂巖和泥巖互層為主，常規(guī)PDC鉆頭對(duì)地層攻擊性不足，制約了該區(qū)提速提效。

2 安全高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)金華—秋林地區(qū)鉆井技術(shù)難點(diǎn)及技術(shù)現(xiàn)狀，開(kāi)展了井眼軌跡及控制技術(shù)優(yōu)化、高效PDC鉆頭優(yōu)選,配套提速技術(shù),強(qiáng)化鉆井參數(shù)、鉆井液性能及井眼清潔措施等，形成致密砂巖地層高效鉆井技術(shù)。

2.1 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制技術(shù)

優(yōu)化井眼軌跡及控制技術(shù)能夠?yàn)橹旅軞鈨?chǔ)層內(nèi)鉆遇率和產(chǎn)量提供保障[3-5]。基于此開(kāi)展了研究工區(qū)內(nèi)井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制技術(shù)研究，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，在靶點(diǎn)相同的情況下，大三維井眼軌跡剖面的累計(jì)摩阻比雙二維井眼軌跡剖面的累計(jì)摩阻大。

表1 雙二維軌跡與常規(guī)三維軌跡的摩阻扭矩對(duì)比表

控制技術(shù)方面，由于需要實(shí)時(shí)調(diào)整軌跡，對(duì)底部鉆具組合造斜率要求高，因此優(yōu)選斯倫貝謝PowerDrive Archer與貝克休斯AutoTrack Curve兩種高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，滿足實(shí)時(shí)調(diào)整軌跡的需求。

2.2 高效PDC鉆頭優(yōu)選

金華—秋林區(qū)塊一開(kāi)井段完鉆井鉆頭均為百施特公司的5刀翼PDC鉆頭，復(fù)合片為19 mm，均為一趟鉆中完，TS1954GUV鉆頭的最大鉆速為65.10 m/h，TS1952鉆頭的最大鉆速為48.02 m/h，TS1953鉆頭的最大鉆速為44.17 m/h[6-7]。因此，一開(kāi)井段優(yōu)先推薦TS1954GUV鉆頭。

二開(kāi)井段主要供應(yīng)商有Smith和NOV，也使用了鉆采科技公司的國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭。二開(kāi)井段所有鉆頭的平均機(jī)械鉆速15.05 m/h，最大機(jī)械鉆速62.07 m/h，由NOV的TK59鉆頭所創(chuàng)造；平均單只鉆頭進(jìn)尺852.5 m，最大單只進(jìn)尺2 158 m，由NOV的TK59鉆頭所記錄，實(shí)現(xiàn)單只鉆頭完成二開(kāi)導(dǎo)眼井段的作業(yè)。綜上分析，二開(kāi)井段優(yōu)選NOV的TK59鉆頭作為配套鉆頭。

2.3 提速配套技術(shù)

金華—秋林區(qū)塊20口已完鉆井中，二開(kāi)?215.9 mm井眼鉆具組合中大多使用了進(jìn)口NOV水力振蕩器鉆進(jìn)。表2給出水平段使用水力振蕩器，鉆速可提高43.35 %，推薦在大斜度井段和水平段使用進(jìn)口水力振蕩器[8]。

表2 水力振蕩器應(yīng)用效果

圖1給出了金華—秋林區(qū)塊三口井二開(kāi)井段某一層段無(wú)螺桿鉆進(jìn)和帶螺桿鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械鉆速對(duì)比。由圖1可得，在同一口井同一層段使用相同鉆頭鉆進(jìn)的情況下，螺桿鉆具能夠有效地提高機(jī)械鉆速，建議金華—秋林工區(qū)在各開(kāi)次鉆進(jìn)時(shí)使用螺桿鉆具，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，節(jié)約成本。

圖1 二開(kāi)井段同層段帶螺桿提速效果評(píng)價(jià)

圖2給出了工區(qū)內(nèi)使用旋導(dǎo)時(shí)是否帶動(dòng)力螺桿的實(shí)鉆效果對(duì)比。從圖中可以看出，工區(qū)不帶動(dòng)力螺桿的旋導(dǎo)平均機(jī)械鉆速為8.71 m/h，而使用旋導(dǎo)+動(dòng)力螺桿鉆進(jìn)的平均進(jìn)尺為1 405 m，平均機(jī)械鉆速為17.95 m/h，提升高達(dá)106 %。旋導(dǎo)+動(dòng)力螺桿鉆具組合提速效果顯著，優(yōu)先推薦旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+動(dòng)力螺桿的鉆具組合進(jìn)行軌跡控制。

圖2 旋導(dǎo)+動(dòng)力螺桿提速效果評(píng)價(jià)

2.4 鉆井參數(shù)強(qiáng)化技術(shù)

由于金華—秋林工區(qū)地層大都為強(qiáng)研磨性地層，除了通過(guò)采用與地層性質(zhì)相匹配的井下工具來(lái)提高機(jī)械鉆速外，還可通過(guò)強(qiáng)化水力參數(shù)來(lái)提高機(jī)械鉆速[9-10]。與牙輪鉆頭不同，PDC鉆頭的破巖原理為橫向剪切，破碎的巖石巖屑遠(yuǎn)小于牙輪鉆頭沖擊破碎所產(chǎn)生的巖屑，對(duì)于采用PDC鉆頭破巖的強(qiáng)研磨性地層，要增強(qiáng)水力參數(shù)輔助破巖，就需要增加鉆井液排量，使流過(guò)鉆頭噴嘴時(shí)的射流沖擊力變大[11-14]。由此推薦的二開(kāi)兩趟鉆，第一趟鉆采用進(jìn)口LWD+近鉆頭/遠(yuǎn)端方位伽馬+彎螺桿+水力振蕩器鉆進(jìn)，第二趟鉆采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+螺桿+旋流清砂器鉆進(jìn)。

2.5 鉆井液性能優(yōu)化及井眼清潔技術(shù)

圖3分別給出了?215.9 mm井眼中鉆井液環(huán)空流動(dòng)壓降隨鉆井液動(dòng)切力和塑性黏度的變化規(guī)律。對(duì)比圖3(a)、圖3(b)結(jié)果可知：當(dāng)其它條件相同時(shí)，鉆井液動(dòng)切力的變化對(duì)環(huán)空流動(dòng)壓耗的影響遠(yuǎn)大于鉆井液稠度系數(shù)對(duì)環(huán)空壓耗的影響，既在滿足鉆井液攜巖的前提下，適當(dāng)降低鉆井液的動(dòng)切力能夠有效降低井底動(dòng)壓力(或井底正壓差)，提高機(jī)械鉆速[15-16]。

圖3 井眼環(huán)空壓降梯度隨鉆井液性能變化規(guī)律

另外，為了防止大斜度井出現(xiàn)巖屑床、鉆頭泥包的情況，采用有清潔功能的鉆桿和加重鉆桿。清潔鉆桿結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，主要有清潔段和攜巖段組成，清潔鉆桿與其他常規(guī)螺旋鉆鋌的最大區(qū)別在于，前者的螺旋槽兩側(cè)的切割角度不同，分別為α和β；后者的螺旋槽兩側(cè)的角度都為Y，如圖4(b)所示[17-20]。

圖4 清潔鉆桿與常規(guī)鉆鋌對(duì)比

由于螺旋槽兩側(cè)的切割角不同，所以清潔段橫斷面呈勺型，β角邊可以將巖屑床上的巖屑挖起來(lái)，并將巖屑向上運(yùn)移；通過(guò)仿真可知，β角邊壓力梯度高，α角邊壓力梯度低，螺旋槽道中形成渦流效應(yīng)，將巖屑吸入槽道，并向上推舉。

攜巖段主要通過(guò)水動(dòng)力攜帶巖屑，并將巖屑向上推動(dòng)使其進(jìn)入循環(huán)體系。實(shí)際應(yīng)用中，在可能出現(xiàn)巖屑床的深度每27 m使用一根清潔鉆桿，在其余深度每54 m增加一根清潔鉆桿，這樣能在正常的排量和轉(zhuǎn)速下有效地保證井眼清潔。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向應(yīng)用情況

金華—秋林工區(qū)17口完鉆井中不帶旋導(dǎo)的平均機(jī)械鉆速為15.3 m/h，平均鉆井周期為30.6 d。帶旋導(dǎo)的平均機(jī)械鉆速為24.0 m/h，相比不帶旋導(dǎo)，平均機(jī)械鉆速提升57.1%;平均鉆井周期為15.4 d，相比不帶旋導(dǎo)，平均鉆井周期減少49.7 %。

3.2 PDC鉆頭應(yīng)用情況

圖5是秋林208-15H1井二開(kāi)井段使用的TK59型鉆頭出井后照片，鉆進(jìn)井段為400～2 040 m，純鉆時(shí)間53.75 h，平均機(jī)械鉆速達(dá)30.5 m/h。從圖5中可以看出，TK59型鉆頭一趟鉆鉆進(jìn)1 640 m后，鉆頭磨損較小。

圖5 秋林208-15H1井二開(kāi)井段TK59型鉆頭出井照片

3.3 提速配套技術(shù)應(yīng)用

金華—秋林區(qū)塊完鉆井全開(kāi)次共使用螺桿88次，其中發(fā)生故障12次，均出現(xiàn)在二開(kāi)井段，其中鹽亭201-7H1井共使用螺桿11次，故障7次，為完鉆井中螺桿故障最多的井。金華—秋林區(qū)塊二開(kāi)井段使用天津立林生產(chǎn)的螺桿次數(shù)最多，高達(dá)56次，占二開(kāi)井段螺桿使用總數(shù)的73.6 %。其中驅(qū)動(dòng)頭發(fā)卡和傳動(dòng)軸損壞故障發(fā)生的次數(shù)最多。立林的無(wú)故障螺桿使用最長(zhǎng)純鉆時(shí)間為130.84 h，最大進(jìn)尺為1 976 m；中成的無(wú)故障螺桿使用最長(zhǎng)純鉆時(shí)間為146.83 h，最大進(jìn)尺為1 724 m；NOV的無(wú)故障螺桿最長(zhǎng)純鉆時(shí)間為102.16 h，最大進(jìn)尺為1 638 m。二開(kāi)第一趟鉆優(yōu)先推薦國(guó)產(chǎn)立林和中成螺桿，第二趟鉆優(yōu)先推薦NOV進(jìn)口螺桿。立林的螺桿在發(fā)生故障前平均進(jìn)尺770 m，平均鉆進(jìn)時(shí)間48.40 h；中成的螺桿在發(fā)生故障前平均進(jìn)尺584 m，平均鉆進(jìn)時(shí)間33.33 h；NOV的螺桿發(fā)生故障前平均進(jìn)尺為840 m，平均鉆進(jìn)時(shí)間51.75 h。

3.4 鉆井參數(shù)強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用

金華—秋林區(qū)塊制定了二開(kāi)高效清砂鉆井參數(shù)方案，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，目前現(xiàn)場(chǎng)帶螺桿情況下采用轉(zhuǎn)速80～100 r/min，不帶螺桿采用100～120 r/min，排量>32 L/s，基本能滿足井眼凈化需求。同時(shí)根據(jù)不同工況，制定并實(shí)施了鉆井液循環(huán)方案，如表3所示。

表3 鉆井液幾種工況下循環(huán)方案

秋林207-5H2井在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速>65 r/min，排量在32 L/s左右，井眼凈化情況良好，劃眼、起下鉆阻卡情況較少。

從2 000 m至井底，平均轉(zhuǎn)速91 r/min，最大轉(zhuǎn)速118 r/min，平均泵排量36.7 L/s，最小泵排量23.7 L/s，最大泵排量47 L/s，井眼凈化情況良好，幾乎無(wú)劃眼、起下鉆阻卡情況，與秋林207-5H2井相比，秋林209-8H1的轉(zhuǎn)速和排量均相對(duì)較高，秋林209-8H1井鉆井周期比秋林207-5H2井縮短了1.3 d。

3.5 井眼清潔技術(shù)應(yīng)用

金華—秋林工區(qū)17口已完鉆井中，超過(guò)一半的井都使用了具有清潔功能的鉆桿，且大多都在容易導(dǎo)致沉砂卡鉆穩(wěn)斜段；有2口井在增斜段也使用了具有清潔功能的鉆桿，其中秋林203-H1井從造斜點(diǎn)開(kāi)始就使用了具有清潔功能的鉆桿直至井底，后期施工時(shí)套管全部順利下入，無(wú)遇阻情況。

4 結(jié)論與建議

(1)對(duì)金華—秋林工區(qū)井眼軌跡進(jìn)行了優(yōu)化，推薦使用雙二維井眼軌跡設(shè)計(jì)方法結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的軌跡控制方式，更精確地控制井眼軌跡。

(2)針對(duì)以砂巖和泥巖互層為主，巖性變化相對(duì)單一，UCS相對(duì)較低，基于巖石力學(xué)特性參數(shù)和鉆頭使用效果優(yōu)選：一開(kāi)鉆頭型號(hào)為T(mén)S1954GUV；二開(kāi)鉆頭型號(hào)為T(mén)K59。

(3)推薦一開(kāi)井段使用7LZ244×7.0型號(hào)螺桿，二開(kāi)井段使用7LZ172×7.0-XISF型號(hào)螺桿；二開(kāi)第一趟鉆優(yōu)先推薦國(guó)產(chǎn)立林和中成螺桿，第二趟鉆帶旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)優(yōu)先推薦NOV進(jìn)口螺桿；實(shí)現(xiàn)提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期。

(4)二開(kāi)兩趟鉆鉆具組合分別為：第一趟鉆采用TK59+國(guó)產(chǎn)彎螺桿+水力振蕩器鉆進(jìn)；第二趟鉆采用TK59+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+進(jìn)口動(dòng)力螺桿+隨鉆震擊器+旋流清砂器鉆進(jìn)。鉆壓均為100～150 kN，轉(zhuǎn)速分別為80～120 r/min、80～100 r/min，排量分別為32～38 L/s、32～36 L/s。

(5)形成致密氣鉆井提速模板：一開(kāi)TS1954GUV+直/彎螺桿7LZ244×7.0+鐘擺鉆具組合，二開(kāi)第一趟鉆TK59+彎螺桿7LZ172×7.0XISF+MWD+水力振蕩器+…，二開(kāi)第二趟鉆TK59+旋導(dǎo)+NOV直螺桿+隨鉆震擊器+旋流清砂器+…。應(yīng)用提速模板后，鉆井周期比第一階段縮短49.2 %，比第二階段縮短45.2 %，提速提效效果顯著。