賈 佳，夏忠躍，馮 雷，李 建，王 烊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

鄂爾多斯盆地神府區(qū)塊為中國海油致密氣主產(chǎn)區(qū)之一，普遍采用小井眼開發(fā)，井身結(jié)構(gòu)為：一開，采用φ241.3 mm 鉆頭鉆進，下入φ193.7 mm 表層套管；二開，采用φ165.1 mm 鉆頭鉆進，下入φ114.3 mm技術(shù)套管。該井身結(jié)構(gòu)具有一定的降本增效優(yōu)勢，但仍然存在機械鉆速慢、鉆井周期長和成本高等問題。針對類似問題，目前蘇里格氣田、勝利油田、長慶油田等，從改進井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鉆井參數(shù)、改善鉆井液性能等方面進行了一些研究，實現(xiàn)了二開兩趟鉆完鉆。但分析認為，機械鉆速和鉆井周期方面仍然存在很大的提升空間，其中二開階段應用一趟鉆技術(shù)盡管存在多方面的挑戰(zhàn)，還是具有可行性和很大的必要性。為此，筆者在分析神府區(qū)塊小井眼鉆井難點及技術(shù)需求的基礎上，進行了井眼軌道精確設計和基于提高鉆速的鉆頭優(yōu)化、鉆具組合優(yōu)化、鉆井液性能提升和鉆井參數(shù)優(yōu)化等方面的技術(shù)研究，形成了適合該區(qū)塊的小井眼優(yōu)快鉆井關鍵技術(shù)，實現(xiàn)了小眼井二開一趟鉆完鉆，達到了進一步降本增效的目的。

1 神府區(qū)塊小井眼鉆井難點及技術(shù)需求

神府區(qū)塊沉積條件復雜，儲層非均質(zhì)性強、連續(xù)性差，孔隙度、滲透率和自然產(chǎn)能低[1-2]。該區(qū)塊所鉆井的井眼尺寸小、環(huán)空間隙小，給優(yōu)快鉆井帶來了困難，主要包括以下幾個方面的技術(shù)難點：

1）該區(qū)塊的井眼軌道一般設計為“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”，穿過第四系基巖后開始造斜，穩(wěn)斜鉆穿劉家溝組，然后穿過石千峰組以后開始增斜，穩(wěn)穿地質(zhì)靶點。結(jié)合錄井和測井結(jié)果分析地層傾角變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)石千峰組以下地層逐漸呈現(xiàn)降斜趨勢，采用原設計方法時，需要頻繁進行定向調(diào)整，調(diào)整距離一般都會超過500 m，導致定向調(diào)整時間過長，影響機械鉆速。因此，需要精確設計井眼軌道。

2）該區(qū)塊主要鉆遇第四系、和尚溝組、劉家溝組、石盒子組、山西組、太原組和本溪組[3-4]。其中，劉家溝組以上地層可鉆性在4 級左右，以下地層可鉆性在6 級左右。由于下部地層可鉆性較差，機械鉆速明顯降低，同時鉆頭磨損和損壞情況較嚴重，一般在鉆穿劉家溝組后需要更換攻擊性更強的鉆頭，以完成后續(xù)層位的鉆進。

3）二開階段進行兩趟鉆鉆進時，需要使用2 根螺桿，單根螺桿使用壽命超過120 h，要一趟鉆完成二開，單根螺桿的使用壽命須延長一倍。因此，對螺桿的使用壽命和綜合性能提出了更高要求，需要有針對性地對現(xiàn)有螺桿進行改進和調(diào)整。

4）二開鉆小井眼時，一般采用φ88.9 mm 鉆桿，泵壓高，井底環(huán)空當量密度高，鉆具柔性大，容易出現(xiàn)正弦屈曲或者螺旋屈曲。為實現(xiàn)一趟鉆完成二開，需要對鉆具組合進行優(yōu)化研究。

5）目前，神府區(qū)塊小眼井完鉆井深超過2 500 m，二開裸眼段長度超過2 300 m，對鉆井液性能提出了更高要求。為了保證一趟鉆完成二開，鉆井液必須具備良好的防塌性能，能夠形成韌性較好的濾餅。同時，鉆井液還需要有非常好的潤滑性能，以降低二開裸眼段的摩阻，將摩阻控制在合理范圍內(nèi)，不至使鉆具發(fā)生螺旋屈曲。

6）該區(qū)塊小眼井二開裸眼段井徑為165.1 mm，環(huán)空間隙小，保證井眼清潔效果很關鍵，一旦井底巖屑不能被及時攜帶出去，會產(chǎn)生憋堵和卡鉆。為保證二開長裸眼段安全鉆進，需要進一步優(yōu)化鉆進參數(shù)。

2 小井眼優(yōu)快鉆井關鍵技術(shù)

根據(jù)上述小井眼鉆井難點及技術(shù)需求分析，從井眼軌道精確設計、基于鉆速的鉆頭優(yōu)選、配套鉆桿優(yōu)選、高性能螺桿優(yōu)化、提速工具應用、提高鉆井液潤滑性能、高效鉆井參數(shù)優(yōu)化等方面著手，開展了相關技術(shù)研究，形成了小井眼優(yōu)快鉆井關鍵技術(shù)。

2.1 井眼軌道精確設計

根據(jù)神府區(qū)塊鉆遇地層的變化趨勢，調(diào)整了井眼軌道設計思路，將“直—增—穩(wěn)—增—穩(wěn)”五段制井眼軌道優(yōu)化為“直—增—降—穩(wěn)”四段制井眼軌道。采用“直—增—降—穩(wěn)”四段制井眼軌道，經(jīng)過石千峰組后，井眼軌道隨著地層變化而自然降斜，不需要進行長井段的刻意穩(wěn)斜。優(yōu)化前和優(yōu)化后的井眼軌道分別見表1和表2。

表1 優(yōu)化前的井眼軌道Table 1 Design data of wellbore trajectory before optimization

表2 優(yōu)化后的井眼軌道Table 2 Design data of optimized wellbore trajectory

2.2 基于鉆速的鉆頭優(yōu)化

為了進一步提高機械鉆速，對鉆頭的布齒密度、切削齒尺寸和后傾角等方面進行了優(yōu)化研究。

2.2.1 布齒密度優(yōu)化

增大鉆頭的布齒密度，可以減緩磨損，但會降低機械鉆速；降低鉆頭的布齒密度，可以提高機械鉆速，但會加快磨損，使鉆頭使用壽命壽命縮短。因此，鉆頭切削齒的布置需要尋求一個平衡點。用井底覆蓋系數(shù)可評價鉆頭旋轉(zhuǎn)一周時切削齒侵入地層的能力[5-6]，計算公式為：

式中：?為鉆頭的井底覆蓋系數(shù)；n為鉆頭切削齒數(shù)量；li為第i個切削齒半徑中點處對應的弦長，mm；L為鉆頭冠部輪廓線長度，mm。

當?shù)貙哟_定、L一定時，井底覆蓋系數(shù)與切削齒數(shù)量成正比；但與此同時，隨著切削齒數(shù)量增多，單顆齒承受的鉆壓逐漸降低，攻擊性降低[7]。對于神府區(qū)塊而言，劉家溝組以下地層可鉆性差，需要進一步提高破巖效率。結(jié)合以上分析，將主切削齒數(shù)量由17 個減至15 個。

2.2.2 切削齒尺寸優(yōu)化

為評價切削齒的切削能力，引入一個參數(shù)——單齒的切削效率[8]。該參數(shù)等于破巖體積與切削齒所受合力的比值，用公式表示為：

式中：Φ為鉆頭單齒的切削效率；Vc為切削體積，mm3；Ft為切削齒所承受的合力，N。

Ft可以看作軸向力Fa、切向力Fc和側(cè)向力Fs的疊加，在鉆頭破巖過程中，形成的合力與切削齒直徑和地層可鉆性密切相關[9]。地層可鉆性差時，相同鉆壓下，切削齒易侵入地層，此時增大切削齒直徑有助于提高破巖效率；當?shù)貙涌摄@性好時，切削齒不易侵入地層，切削齒直徑增大，反而會降低破巖效率。因此，從提高破巖能力的角度考慮，地層可鉆性好時，應選用小尺寸切削齒。

選擇可鉆性分別為6 級和8 級的巖樣進行鉆頭切削試驗，用切削深度表示切削能力強弱，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 切削齒直徑對切削效率的影響Fig.1 Influence of cutting tooth diameter on cutting efficiency

從圖1可以看出：對于可鉆性為6 級的巖樣，φ16.0 mm 切削齒的鉆頭比φ13.0 mm 切削齒、φ19.0 mm 切削齒的切削效率更高；對于可鉆性為8 級的巖樣，φ13.0 mm 切削齒的切削效率最高。

對比使用φ16.0 和φ19.0 mm 切削齒的鉆頭鉆進神府區(qū)塊劉家溝組以下地層時的機械鉆速，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，五刀翼φ19.0 mm 切削齒鉆頭的平均機械鉆速為7.50 m/h，五刀翼φ16.0 mm 切削齒鉆頭的平均鉆速為13.00 m/h，可以看出，φ16.0 mm切削齒鉆頭的提速效果更明顯。

圖2 φ16.0 和φ19.0 mm 切削齒鉆頭的機械鉆速Fig.2 ROP of bits with φ16.0 mm and φ19.0 mm cutting teeth

2.2.3 后傾角優(yōu)化

后傾角是鉆頭結(jié)構(gòu)設計中的一個重要參數(shù)，其大小與巖石破巖效果密切相關。當鉆頭侵入巖石中進行切削作業(yè)時，切削齒受到的合力可以分解為垂直于巖石的力和平行于切削齒的力，其中垂直于巖石的力起主要作用。一定鉆壓下，后傾角增大，發(fā)揮切削作用的力減小，破巖效率隨之降低[10-11]。

神府區(qū)塊巖石的可鉆性約6 級，為有針對性地研究后傾角的影響規(guī)律，選擇可鉆性為6 級的巖樣進行了鉆頭切削試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 后傾角對鉆頭切削效率的影響Fig.3 Influence of caster angle on cutting efficiency

由圖3可知，同一鉆壓下，隨著后傾角增大，切削深度隨之增大；當傾角增至15°左右時，切削深度接近最大值，之后隨著后傾角增大呈逐漸減小趨勢。因此，為了整體提高切削效率，將鉆頭后傾角由之前的20°左右調(diào)整為15°。

2.3 配套鉆具組合優(yōu)化

2.3.1 鉆桿尺寸優(yōu)選

神府區(qū)塊二開裸眼段非常長，使用φ88.9 mm 鉆桿鉆進時，因其柔性大、抗扭性能低，容易出現(xiàn)螺旋屈曲；而且鉆進時泵壓較高，影響井眼清潔效果，需要優(yōu)選鉆桿尺寸。為此，對φ88.9 和φ101.6 mm 鉆桿的鉆深極限和安全扭矩極限進行了對比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 φ88.9 和φ101.6 mm 鉆桿的鉆深極限值對比Fig.4 Comparison of the drilling depth limits of φ88.9 mm and φ101.6 mm drill pipes

由圖4可知，在安全扭矩極限和鉆深極限方面，φ101.6 mm 鉆桿明顯優(yōu)于φ88.9 mm 鉆桿。

以1 000 L/min 的排量鉆進時，用φ88.9 mm 鉆桿，泵壓約23 MPa；用φ101.6 mm 鉆桿，泵壓約15 MPa，相差8 MPa（見圖5）?？梢姡褂忙?01.6 mm 鉆桿優(yōu)勢更大?；诖?，將鉆具組合優(yōu)化為：φ165.1 mm PDC 鉆頭+φ135.0 mm×1.25°螺桿+浮閥+φ127.0 mm短鉆鋌+φ150.0 mm 穩(wěn)定器+φ127.0 mm 定向接頭+φ127.0 mm 無磁鉆鋌+φ120.7 mm 鉆鋌+變扣接頭+φ101.6 mm 鉆鋌+φ101.6 mm 鉆桿。

圖5 φ88.9 和φ101.6 mm 鉆桿的泵壓對比Fig.5 Comparison of pump pressures of φ88.9 mm and φ101.6 mm drill pipes

2.3.2 螺桿鉆具改進

為了一趟鉆完成二開小井眼，螺桿使用壽命要求大于240 h，需要對螺桿進行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)：將金剛石復合片推力軸承應用于螺桿中，可提高軸向承壓能力；優(yōu)化螺桿短幅內(nèi)擺線線形，可增大其截流面積、減小偏心距；改用等壁厚定子橡膠注膠工藝，可提高螺桿密封壓力和效率；增大橡膠與定子預輪廓接觸面積，可增強散熱性[12]。通過上述改進，有效延長了螺桿的使用壽命，而且可使機械鉆速由12 m/h 提高至25 m/h 以上。

2.3.3 提速工具研制

為實現(xiàn)神府區(qū)塊二開裸眼段鉆井提速，研制了三維振動鉆井沖擊器。該沖擊器主要由扭轉(zhuǎn)沖擊單元、軸向沖擊單元和接頭組成。工作時，該沖擊器與螺桿和鉆頭相連，扭轉(zhuǎn)沖擊單元中的旋沖錘和換向器轉(zhuǎn)動，形成不斷變化的鉆井液通道，當鉆井液流經(jīng)沖擊單元下面的噴嘴時產(chǎn)生壓降和沖擊力，隨著轉(zhuǎn)動的不斷進行，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩和縱向沖擊力也會不斷變化，對鉆頭提供三維沖擊力，提高鉆頭的破巖效率，進一步提高機械鉆速[13-14]。其工作原理如圖6所示。

圖6 三維振動鉆井沖擊器工作原理示意Fig.6 Working principle of the 3D vibration impactor

2.4 鉆井液性能提升

為降低神府區(qū)塊二開裸眼井段的摩阻，要提高鉆井液的潤滑性能。分析蚯蚓分泌黏液的超低摩阻特征，以長鏈脂肪酸和多元醇為原料[15-16]，研制了仿生潤滑劑。該潤滑劑主要通過金屬螯合環(huán)和多重氫鍵發(fā)揮潤滑作用：一方面，潤滑劑中多分支極性吸附基團提供的配對電子與金屬鉆具表面鐵原子提供的空電子軌道產(chǎn)生螯合作用，提高了潤滑劑吸附膜的強度；另一方面，潤滑劑中的多分支極性吸附基團與井壁巖石表面形成“多重氫鍵”，提高了油膜吸附強度和潤滑油膜的抗剪切性能。

基于該仿生潤滑劑，研究形成了適合神府區(qū)塊二開裸眼井段的鉆井液，其基本配方為：1.0%膨潤土漿+0.2%燒堿+2.0%木質(zhì)素共聚物+1.0%超分子降濾失劑+1.0%PAC-LV+0.2%超分子包被劑+2.0%仿生潤滑劑+0.3%弱凝膠+8.0%KCl。室內(nèi)評價表明，該鉆井液黏度低，切力高，老化前后性能幾乎沒有變化，性能較為穩(wěn)定。

2.5 鉆進參數(shù)優(yōu)化

鉆進中，鉆壓影響鉆頭吃入地層的深度。對于劉家溝組以下地層，在其他條件不變的情況下，鉆壓越大，鉆頭的破巖效率越高，鉆速也越快。綜合分析后，將二開裸眼段的鉆壓優(yōu)化為50～100 kN。

轉(zhuǎn)速是影響井眼清潔效果的因素之一，隨著轉(zhuǎn)速提高，鉆頭切削齒與井底巖石的接觸時間縮短，切削深度減小。由此可知，在其他條件不變的情況下，轉(zhuǎn)速與鉆速具有一定的聯(lián)系。對于軟地層，井眼清潔效果好，轉(zhuǎn)速與鉆速基本呈正比；對于中硬地層，鉆頭依靠剪切、沖擊和壓碎形成破巖效果，鉆速對轉(zhuǎn)速的敏感度降低，兩者不呈正比；對于較硬地層，切削齒與巖石接觸時間要大于破巖時間，轉(zhuǎn)速對鉆速的影響進一步減弱[17-21]。對于神府區(qū)塊致密儲層而言，巖石可鉆性約6 級，屬于中硬地層，需要通過控制中等鉆速，配合中高鉆壓，提高機械鉆速。綜合分析后，優(yōu)選轉(zhuǎn)速為50～90 r/min。

由數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，對于φ165.1 mm 井眼，實現(xiàn)井眼清潔效果所需的最小排量為672.7 L/min（見圖7）。因此，為了保證鉆井泵安全工作，需在額定泵壓下調(diào)整排量；為了提高井眼清潔效果，提高鉆速，二開井段泵排量需控制在800～1300 L/min。

圖7 φ165.1 mm 井眼泵排量與泵壓的關系Fig.7 Relationship between pump displacement and pump pressure in φ165.1 mm wellbore

3 現(xiàn)場應用

神府區(qū)塊小井眼優(yōu)快鉆井關鍵技術(shù)已在該區(qū)塊8 口井進行了應用，均實現(xiàn)了二開井段一趟鉆鉆至完鉆井深，平均井深接近2 500 m，平均機械鉆速26.78 m/h，平均鉆井周期15.03 d，取得了很好的應用效果（見表3）。

表3 神府區(qū)塊二開一趟鉆鉆井指標Table 3 Statistics of one-trip drilling data of the secondspud section in Shenfu block

8 口井的主要鉆井情況，分析如下：

1）鉆具使用量。使用改進后的五刀翼φ16.0 mm切削齒的鉆頭，配合高性能螺桿鉆具進行鉆進，鉆速得到了有效提高，延長組、紙坊組的機械鉆速達到了60 m/h，和尚溝組、劉家溝組、石千峰組的機械鉆速達到了20 m/h；石盒子組、山西組的機械鉆速大于15 m/h；太原組、本溪組的機械鉆速大于25 m/h。整體而言，實現(xiàn)了1 只鉆頭、1 根螺桿鉆完二開井段。

2）機械鉆速。已應用的8 口井平均機械鉆速26.78 m/h（見表3），且多數(shù)井在使用優(yōu)質(zhì)鉆井液的情況下沒有發(fā)生卡鉆、掉塊等井下復雜情況。其中，5D 井平均機械鉆速達45.59 m/h，與前期所鉆井小井眼的機械鉆速相比，提高了50%以上。

3）鉆井周期。已應用8 口井的平均鉆井周期15.03 d（見表3）。其中，5D 井完鉆井深2 577 m，通過優(yōu)化井眼軌道、使用優(yōu)化的鉆井參數(shù)，保證了鉆井高效進行，該井鉆井周期11.13 d，2 000 m 當量鉆井周期8.64 d，創(chuàng)造了神府區(qū)塊的致密氣鉆井當量鉆井周期最短紀錄。與前期所鉆井相比，5D 井鉆井周期縮短了45%。

4 結(jié)論與建議

1）針對鄂爾多斯盆地神府區(qū)塊致密氣儲層機械鉆速慢、鉆井周期長等問題，從井眼軌道精確設計、基于鉆速的鉆頭優(yōu)選、配套鉆桿優(yōu)選、高性能螺桿優(yōu)化、提速工具應用、提高鉆井液潤滑性能、高效鉆井參數(shù)優(yōu)化等方面著手，開展了相關技術(shù)研究，形成了神府區(qū)塊小井眼優(yōu)快鉆井關鍵技術(shù)。

2）現(xiàn)場應用表明，神府區(qū)塊小井眼優(yōu)快鉆井關鍵技術(shù)可實現(xiàn)二開一趟鉆完鉆，平均機械鉆速可達26.78 m/h，平均鉆井周期僅15.03 d，為致密氣儲層小井眼高效鉆井提供了技術(shù)支撐。

3）受神府區(qū)塊地質(zhì)條件的影響和限制，小井眼優(yōu)快鉆井關鍵技術(shù)的針對性和適用性還不夠，建議繼續(xù)針對小井眼井壁穩(wěn)定、小間隙固井和小井眼水平井鉆井等開展深入研究，以形成完善的致密氣儲層小井眼優(yōu)快鉆井技術(shù)體系，指導神府區(qū)塊高效鉆井，助推該區(qū)塊致密氣增儲上產(chǎn)目標的實現(xiàn)。