沙韋達(dá) （大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司）

X 區(qū)塊位于松遼盆地北部，是大慶油田深層天然氣勘探開發(fā)的主要區(qū)域，該區(qū)塊具有氣藏埋藏深、地溫梯度高、地層壓力高、鉆遇層位多、巖性復(fù)雜、孔縫發(fā)育、巖石硬度高和可鉆性差等特點(diǎn)[1]，目前主要采用深層水平井進(jìn)行開發(fā)。鉆井施工由上至下依次鉆遇第四系、上白堊統(tǒng)明水組、四方臺(tái)組、下白堊統(tǒng)嫩江組、姚家組、青山口組、泉頭組、登婁庫組、營城組及沙河子組地層，地層情況復(fù)雜，機(jī)械鉆速低，起下鉆頻繁，施工周期長，嚴(yán)重制約了深層天然氣高效開發(fā)[2-4]。為進(jìn)一步提高鉆井施工效率，針對(duì)該區(qū)塊開展了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提速工具研選、配套PDC 鉆頭研選和抗高溫鉆井液體系優(yōu)化等技術(shù)研究，為X 區(qū)塊天然氣高效開發(fā)提供了技術(shù)保障[5-7]。

1 地質(zhì)概況及工程難點(diǎn)

上白堊統(tǒng)以上地層大段泥巖、粉砂巖發(fā)育，泥巖易水化膨脹，造成縮徑、卡鉆等復(fù)雜情況。例如在X-2H 井的施工過程中，在上部?311.2 mm 井段短起下時(shí)，發(fā)生了卡鉆，損失鉆井時(shí)間15 h。下白堊統(tǒng)至泉頭組泥巖、粉砂巖、頁巖發(fā)育，易發(fā)生剝落掉塊、井塌、井漏等復(fù)雜情況。例如在X-1 井的起下鉆過程中，發(fā)生了較為嚴(yán)重的剝落掉塊現(xiàn)象，并且起下鉆及下套管過程中均有刮卡現(xiàn)象，損失鉆井時(shí)間8 h。登婁庫組以下地層含火成巖和硬質(zhì)砂礫巖，地層硬度高、研磨性強(qiáng)，機(jī)械鉆速慢。X-3H 井在該層位的機(jī)械鉆速僅為1.6 m/h，施工周期36.8 d，大大影響了鉆井時(shí)效。目的層孔縫發(fā)育，主要為粒間孔、溶蝕孔隙、微孔及裂縫，孔縫大小在30～150 μm 之間，易發(fā)生井漏。X-4 井在該層位施工時(shí)，多次發(fā)生井漏，共計(jì)漏失鉆井液348 m3，進(jìn)行6 次堵漏施工，損失鉆井時(shí)間168 h。

2 鉆井提速技術(shù)研究

2.1 井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)松遼盆地北部X 區(qū)塊的地質(zhì)特性，以降本增效為目的，在兼顧施工安全的同時(shí)，優(yōu)化了表層套管與技術(shù)套管下入深度，為了進(jìn)一步降低施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)，將表層套管下深至明水組，技術(shù)套管下深至泉一段，從而確保鉆井施工安全。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比見圖1。

圖1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比Fig.1 Comparison of wellbore structure design

根據(jù)松遼盆地北部X 區(qū)塊水平井施工特點(diǎn)，通過對(duì)不同工況下的摩阻進(jìn)行對(duì)比，在井眼軌道優(yōu)化方面采用了雙增五段制剖面設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)為施工過程預(yù)留了足夠的井段用來調(diào)整實(shí)鉆軌跡、彌補(bǔ)工具造斜率誤差，并可以降低軌跡狗腿度，使井眼軌道更平滑，有利于鉆具和套管的順利下入，從而縮短建井周期，降低鉆井成本。不同設(shè)計(jì)剖面下的摩阻對(duì)比見表1。

表1 不同設(shè)計(jì)剖面下的摩阻對(duì)比Tab.1 Comparison of frictional resistance under different design profiles

2.2 ? 311.2 mm 井眼提速技術(shù)

2.2.1?311.2 mm 井眼高效PDC 鉆頭研選

松遼盆地北部X 區(qū)塊二開上部地層為明水組至泉頭組，井深300～3 000 m，地層主要以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、暗紫色泥巖、灰色粉砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，巖石可鉆性較好。針對(duì)該類地層的地質(zhì)情況，研選了5 刀翼?311.2 mm PDC 鉆頭，該鉆頭使用16 mm 主切削齒，為5 刀翼（2 長3 短）、單排齒結(jié)構(gòu)。合理的刀翼高度和寬度，既保證了鉆頭強(qiáng)度，又提高了鉆頭的攻擊性；將兩個(gè)長刀翼的心部采用復(fù)合片和球狀體結(jié)合的方式，既可以提高心部切削齒的露齒高度，進(jìn)而增強(qiáng)鉆頭心部攻擊能力，又可以提高心部齒的抗沖擊能力，有利于延長使用壽命[8-9]。研選的5 刀翼?311.2 mm PDC 鉆頭結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 5 刀翼? 311.2 mm PDC 鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of 5 Blade ? 311.2 mm PDC drill

2.2.2?311.2 mm 井眼提速工具研選

?311.2 mm 井眼引入了大慶鉆井工程技術(shù)研究院自主研發(fā)的DQY-279 型液動(dòng)旋沖工具來進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。該液動(dòng)旋沖工具通過與鉆井液作用產(chǎn)生周向高頻率沖擊，從而減少PDC 鉆頭的黏滑現(xiàn)象，達(dá)到提速效果。由于?311.2 mm 井眼鉆進(jìn)過程中鉆井液排量較大，該工具改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了中空流道旋轉(zhuǎn)軸，從而降低了工具的工作壓降，更適應(yīng)大排量的井下工作環(huán)境。同時(shí)還改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)管的連接方式，由銷軸連接改進(jìn)為螺紋直連，保證了旋轉(zhuǎn)管的居中度，提高了工具的穩(wěn)定性和使用壽命。

2.3 ? 215.9 mm 井眼提速技術(shù)

2.3.1 旋沖螺桿工具

剛開始自駕游時(shí)，大孫女李子宜還在上小學(xué)，現(xiàn)在她已經(jīng)上高三了。這些年的出游大大鍛煉了她的各種能力。從新疆回來后，她將自己的感受寫成了14頁紙的《天路行》，獲得“國家新聞獎(jiǎng)”。在學(xué)校，她制作的旅游幻燈片圖文并茂，很受同學(xué)們歡迎，為此，她成為學(xué)校的小記者。她的地理成績在全年級(jí)也是名列前茅。

為了進(jìn)一步提高鉆井時(shí)效，在?215.9 mm 井眼施工過程中引入了大慶鉆井工程技術(shù)研究院自主研發(fā)的?176 型旋沖螺桿工具。?176 型旋沖螺桿工具由定向動(dòng)力總成、彎殼體總成、傳動(dòng)軸總成和振動(dòng)沖擊總成四部分組成，鉆井液通過鉆柱進(jìn)入旋沖螺桿動(dòng)力馬達(dá)，推動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)速和扭矩通過振動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)傳遞給鉆頭；另外鉆井液進(jìn)入振動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高頻周向振動(dòng)和軸向水力脈沖，使鉆頭在旋轉(zhuǎn)切削的同時(shí)產(chǎn)生周向振動(dòng)，增加鉆頭的破巖效率，提高機(jī)械鉆速。旋沖螺桿工具結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 旋沖螺桿工具結(jié)構(gòu)Fig.3 Rotary punching screw tool

?176 型旋沖螺桿工具與常規(guī)螺桿工具相比，具有4 方面技術(shù)優(yōu)勢：①造斜率高。該工具減小了傳動(dòng)軸總成和振動(dòng)沖擊總成的尺寸，將工具彎點(diǎn)到鉆頭距離縮小至1.3 m，比常規(guī)螺桿縮短了20%，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)保證了造斜效率，造斜率可達(dá)11.2°/30 m。②扭矩大、壓降小。通過優(yōu)化馬達(dá)頭數(shù)及線型，提高了定、轉(zhuǎn)子嚙合率，并采用納米轉(zhuǎn)子鍍層材料，降低了鍍層孔隙度，縮短了馬達(dá)導(dǎo)程，增大了振動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)內(nèi)徑，當(dāng)鉆井液排量為31 L/s 時(shí)旋沖螺桿工具壓降可控制到5 MPa 以內(nèi)，工作扭矩可達(dá)到9.3 kN·m，比常規(guī)螺桿工具提高29.1%。③耐高溫。旋沖螺桿工具所用橡膠密封部件均采用了特殊材質(zhì)橡膠，抗溫可達(dá)180 ℃。④壽命長。通過改變振動(dòng)沖擊方式，并選擇抗沖擊性和韌性較好的合金材質(zhì)作為主要工作部件，同時(shí)采用硬質(zhì)合金強(qiáng)化技術(shù)提高表面耐磨性，使該工具的工作時(shí)間達(dá)到300 h 以上，比常規(guī)螺桿的工作壽命提高了50%。

2.3.2 φ215.9 mm 井眼高效PDC 鉆頭研選

針對(duì)火成巖、砂礫巖地層的巖性特點(diǎn)，研選了與旋沖螺桿相匹配的非平面齒高效PDC 鉆頭，該鉆頭具有以下2 方面的特點(diǎn)。

1）采用非平面齒復(fù)合片。非平面PDC 復(fù)合片高效鉆頭將切削方式由面-面接觸變?yōu)榫€-面接觸，提高了切削齒對(duì)巖石的切削力。復(fù)合片的脫鈷深度超過1 400 μm，使復(fù)合片耐磨性大幅提升。當(dāng)鉆遇含礫地層時(shí)，非平面齒的點(diǎn)接觸方式，綜合剪切破碎和應(yīng)力破壞破巖模式，可改善受力情況并提高鉆頭壽命。

常規(guī)切削齒切削巖屑時(shí)受力較集中，遇到極硬地層時(shí)，會(huì)大幅度降低切削齒的使用壽命，而非平面齒將切削方式由傳統(tǒng)的面-面接觸變?yōu)榫€-面接觸，非平面PDC 復(fù)合片切削受力情況見圖4。該種設(shè)計(jì)在提高切削齒壽命的同時(shí)加大了切削力；此外，復(fù)合片材質(zhì)的脫鈷深度超過1 400 μm，沖擊力大于540 J，進(jìn)一步提高了復(fù)合片的耐磨性。

圖4 非平面PDC 復(fù)合片切削受力情況Fig.4 Cutting force situation of non planar PDC composite sheet

2）結(jié)合旋沖螺桿進(jìn)行布齒設(shè)計(jì)?？紤]非平面齒高效PDC 鉆頭需要配合旋沖螺桿工具使用，針對(duì)旋沖螺桿特性加強(qiáng)了在鉆頭肩部的布齒密度，便于旋沖螺桿對(duì)鉆頭施加沖擊力，并使鉆頭磨損更均勻，提高了鉆頭使用壽命；采用雙排齒設(shè)計(jì)，并提高肩部布齒密度，使每個(gè)切削齒承受較小的鉆壓，以提高切削齒的壽命，提高破巖效率，延長鉆頭使用壽命；增加復(fù)合片后端刀翼上的控制切深設(shè)計(jì)，可限制復(fù)合片不追蹤前面的復(fù)合片軌跡，更有效與地層接觸；優(yōu)化后傾角，適度選用較大的復(fù)合片后傾角來緩解、消除地層和旋沖螺桿工具對(duì)復(fù)合片沖擊損傷。

非平面齒高效PDC 鉆頭與?176 型旋沖螺桿工具配合使用，能夠提高鉆頭在火成巖、致密砂礫巖等極硬地層鉆進(jìn)的能力，提高行程鉆速，縮短施工周期，降低鉆井施工成本。

2.4 鉆井液體系優(yōu)化

2.5 鉆井液回收利用

由于X 區(qū)塊同時(shí)作業(yè)井的數(shù)量較多，且所用鉆井液體系基本相同，所以不同井號(hào)、不同井段的鉆井液在進(jìn)行適度處理后，可以實(shí)現(xiàn)再利用，從而達(dá)到節(jié)約成本、減少排放、保護(hù)環(huán)境的目的。因此，在X 區(qū)塊建立了鉆井液回收處理站。每口井完鉆后將循環(huán)罐內(nèi)剩余的鉆井液密閉運(yùn)至處理站，并取樣進(jìn)行膨潤土含量和固相含量檢測，根據(jù)檢測結(jié)果加入相應(yīng)比例的高效抑制劑絮凝有害固相，并使用高速離心機(jī)最大限度地清除有害固相。將處理后的鉆井液與新配鉆井液按比例進(jìn)行混合后，加入流型調(diào)節(jié)劑進(jìn)行調(diào)整，使鉆井液性能達(dá)到開鉆需求，最后將處理好的鉆井液運(yùn)送至其他即將施工或正在施工的井隊(duì)。

3 提速技術(shù)在X 區(qū)塊應(yīng)用情況分析

3.1 典型井例分析

3.1.1 施工前準(zhǔn)備

以X-H19 井為例，收集鄰井施工深度、鉆遇層位和地層溫度、壓力、巖性等地層數(shù)據(jù)；收集臨井復(fù)雜事故情況、鉆具組合情況、鉆井液性能及注采信息等情況；根據(jù)設(shè)計(jì)了解地理位置、井深、井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡等基本信息。

3.1.2 施工情況

?311.2 mm 井段應(yīng)用?311.2 mm 高效PDC 鉆頭+DQY-279型液動(dòng)旋沖工具鉆具組合，?215.9 mm井眼應(yīng)用?215.9 mm 非平面齒PDC 鉆頭+?176 型旋沖螺桿工具鉆具組合。

液動(dòng)旋沖工具入井前進(jìn)行井口測試，正常工作排量48 L/s，泵壓4 MPa，測試結(jié)束后下鉆。施工層位為泉頭組以上地層，鉆遇泥巖、粉砂巖、油頁巖、泥質(zhì)砂巖，施工井段為290～2 832 m，單趟鉆進(jìn)尺2 542 m，純鉆時(shí)間173.8 h，平均機(jī)械鉆速14.62 m/h。對(duì)比鄰井X-H6 井，節(jié)省了一趟鉆，平均機(jī)械鉆速提高了73.42%，鉆井周期縮短2.3 d，提速效果明顯

旋沖螺桿工具入井前進(jìn)行井口測試，正常工作排量31 L/s，泵壓5 MPa，測試結(jié)束后下鉆。施工層位為登婁庫組登四段-營城組營四段，鉆遇礫巖、砂礫巖，施工井段為2 832～3 545 m，單趟鉆進(jìn)尺713 m，純鉆時(shí)間196.43 h，平均機(jī)械鉆速3.62 m/h ， 對(duì)比鄰井X-H6 井（施工井段為2 849～3 583 m，進(jìn)尺734 m，純鉆時(shí)間278.36 h，平均機(jī)械鉆速2.63 m/h），平均機(jī)械鉆速提高了37.64%，鉆井周期縮短了9.6 d，提速效果明顯。

3.2 區(qū)塊應(yīng)用效果

松遼盆地北部X 區(qū)塊水平井提速技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用19口井，平均井深4 769 m，平均機(jī)械鉆速14.87 m/h，平均鉆井周期73.63 d，施工過程中均無井下復(fù)雜情況發(fā)生。與應(yīng)用技術(shù)前相比，共計(jì)減少鉆井液配制量約1 900 m3，平均井深增加146 m，平均機(jī)械鉆速提高58.9%，平均鉆井周期縮短32.05 d，按照70D 鉆機(jī)日費(fèi)15 萬元計(jì)算，19 口井共節(jié)約鉆機(jī)日費(fèi)9 134.25 萬元。提速技術(shù)部分井現(xiàn)場試驗(yàn)情況見表2。

表2 提速技術(shù)部分井現(xiàn)場試驗(yàn)情況Tab.2 Field test results of some wells for speed-up technology

4 結(jié)論

1） 通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化井眼軌道設(shè)計(jì)、研選高效PDC 鉆頭、引入液動(dòng)旋沖工具和旋沖螺桿工具、優(yōu)化鉆井液體系等多種技術(shù)手段，形成了松遼盆地北部X 區(qū)塊水平井鉆井提速技術(shù)。

2）在松遼盆地北部X 區(qū)塊建立了鉆井液回收處理站，回收利用鉆井液約1 900 m3，取得了良好的環(huán)保效果。

3）鉆井提速技術(shù)在松遼盆地北部X 區(qū)塊共計(jì)應(yīng)用19 口井，平均機(jī)械鉆速提高了58.9%，平均鉆井周期縮短了32.05 d，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為大慶油田深層天然氣開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。