川西氣田須家河組致密堅(jiān)硬地層鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)

劉偉

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)管理部，四川成都610041）

0 引言

川西氣田位于四川盆地西部PZ-DY地區(qū)，以海相中三疊統(tǒng)雷口坡組為主要目的層，儲(chǔ)層埋深為5 500～6 300 m。2014年P(guān)Z1井測(cè)試天然氣產(chǎn)量為121×104m3／d，隨后多口井鉆獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，顯示了該地區(qū)蘊(yùn)含豐富的油氣資源量［1］。從實(shí)鉆資料分析，海相深井自上而下將鉆遇侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組、千佛崖組以及三疊統(tǒng)須家河組、小塘子組、馬鞍塘組等地層，其中須家河組厚度為1 700～3 050 m，巖石致密堅(jiān)硬，牙輪鉆頭可鉆性極值超過(guò)8.0，機(jī)械鉆速為1.41～2.22 m／h，該井段施工時(shí)間約占深井鉆井周期的50%，嚴(yán)重制約了氣田的高效開發(fā)。通過(guò)工程地質(zhì)參數(shù)精細(xì)描述、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提速工具優(yōu)選和強(qiáng)化鉆井參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了須家河組機(jī)械鉆速的提高和鉆井周期的縮短，為川西氣田有效開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 前期施工井概況

截止到2018年底，川西氣田鉆至須家河組及以深的井共計(jì)13口，均為四開制井身結(jié)構(gòu)的直井，采用Φ165.1mm鉆頭完鉆，氣田主體區(qū)域完鉆7口井，平均完鉆井深為6 105 m，平均機(jī)械鉆速為2.05 m／h，平均鉆井周期為285 d。須家河組厚度至西向東逐漸增厚［2-4］，平均厚度為2 577 m，其中須家河組五段平均厚度為690 m，平均機(jī)械鉆速為2.22 m／h；須家河組四段平均厚度為688 m，平均機(jī)械鉆速為2.18 m／h；須家河組三段平均厚度為718 m，平均機(jī)械鉆速為1.73 m／h；須家河組二段平均厚度為481 m，平均機(jī)械鉆速為1.41 m／h?？傮w來(lái)講，機(jī)械鉆速隨著埋深的增加和巖石可鉆性極值的增大而降低，須家河組各層段機(jī)械鉆速見(jiàn)圖1。因井身結(jié)構(gòu)差異，一開套管普遍下至須家河組五段中下部，須家河組五段井眼尺寸較其他井段大，3口井機(jī)械鉆速低于須家河組四段，PZ103井因須家河組五段埋深低于2 000 m，平均機(jī)械鉆速達(dá)到3.56 m／h。須家河組進(jìn)尺占深井總進(jìn)尺的42%，鉆井時(shí)間超過(guò)50%。

圖1須家河組機(jī)械鉆速對(duì)比圖

2 影響鉆井提速的工程地質(zhì)參數(shù)

眾所周知，影響機(jī)械鉆速最關(guān)鍵的地質(zhì)參數(shù)是巖石強(qiáng)度、可鉆性和研磨性，根據(jù)所獲取的巖心進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得須家河組四段和須家河組二段的關(guān)鍵工程地質(zhì)參數(shù)［5］（表1），為鉆頭選型和提速工具優(yōu)選提供了依據(jù)。

須家河組四段巖性以礫巖、中砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖為主，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，巖石硬度為360～1 040 MPa，平均硬度約為719 MPa，其中細(xì)砂巖硬度為1 040 MPa，中砂巖硬度為756 MPa，礫巖平均硬度為360 MPa左右，硬度中等偏高。研磨性為39～76 mg／5 min，平均研磨性為53 mg／5 min，研磨性中等。在常溫常壓下牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值為4.39～5.88，平均可鉆性極值為5.19，PDC鉆頭可鉆性級(jí)值為2.07～4.48，平均可鉆性極值為3.38；在地底條件下，牙輪鉆頭可鉆性極值為8.25～8.86，鉆頭平均可鉆性極值為8.49，PDC鉆頭為7.00～7.58，平均可鉆性極值為7.24，PDC鉆頭比牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值低。根據(jù)三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、巖性、井段長(zhǎng)度、鉆頭壽命可綜合選擇鉆頭型號(hào)，推薦高效PDC或混合鉆頭為主要破巖工具。

表1工程地質(zhì)參數(shù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

須家河組二段巖性以細(xì)砂巖和粗砂巖為主，局部含石英。測(cè)試硬度在353～1 959 MPa，平均巖石硬度為1 252 MPa，硬度較高。研磨性為12.90～34.90 mg／5 min，平均研磨性為24.43 mg／5 min，研磨性中等。在常溫常壓下牙輪鉆頭可鉆性極值我4.23，PDC鉆頭可鉆性極值為3.17；在地底條件下，牙輪鉆頭可鉆性極值平均為9.49，PDC鉆頭可鉆性極值為7.74，PDC鉆頭比牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值低，優(yōu)選研磨性強(qiáng)的PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)破巖。

3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

合適的井眼尺寸是鉆井提速的必要條件，隨著鉆頭尺寸的增大，單位進(jìn)尺所需的破巖能量增加，由圖2可知，高密度條件下，須家河組機(jī)械鉆速隨著可鉆性極值的增大而增大，隨著鉆頭尺寸的增大而減小［6-7］，為實(shí)現(xiàn)須家河組難鉆硬地層提速提效，應(yīng)優(yōu)選小尺寸鉆頭。

圖2不同鉆頭尺寸在硬地層的鉆速分析圖

從實(shí)測(cè)地層壓力梯度可以看出［8］，雷口坡組地層壓力梯度與上部的須家河組相差較大，雷口坡組實(shí)測(cè)地層壓力梯度為1.05～1.15 MPa／100 m，井筒承壓能力為1.30～1.70 g／cm3，而須家河組安全鉆進(jìn)的鉆井液密度高達(dá)2.00 g／cm3。從表2可以看出，在高密度條件下，雷口坡組壓差最大為44 MPa，前期多口井發(fā)生了卡鉆和井漏復(fù)雜情況。從安全鉆井和儲(chǔ)層保護(hù)的角度出發(fā)，雷口坡組宜專層專打。

根據(jù)前期施工井實(shí)鉆情況和三壓力剖面開展井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用至下而上的設(shè)計(jì)方法［9］，設(shè)置兩個(gè)必封點(diǎn)，必封點(diǎn)1設(shè)置在須家河組五段中下部穩(wěn)定地層，井深約為2 500 m，封隔上部易塌、易漏地層，通過(guò)強(qiáng)化鉆井液防塌性能保障本開次施工安全（圖3）；由實(shí)鉆和錄井巖屑剖面可以看出，馬鞍塘組二段底部易發(fā)生井壁失穩(wěn)、馬鞍塘組一段含頁(yè)巖夾層，必封點(diǎn)2設(shè)置在雷口坡組頂部，以封隔馬鞍塘組頁(yè)巖層為原則，為專層評(píng)價(jià)雷口坡組儲(chǔ)層提供良好的井筒條件。須家河組硬地層滿足在同一裸眼段內(nèi)安全施工。

綜合評(píng)估裸眼完井、射孔完井、襯管完井的優(yōu)缺點(diǎn)和完井工具的匹配性，優(yōu)選完井方式和完鉆井眼尺寸。川西氣田構(gòu)造主體部位經(jīng)前期YS1、PZ1等井證實(shí)不含水，具備裸眼完井的地質(zhì)條件，井眼尺寸不低于Φ127 mm；構(gòu)造邊部位，可能存在出水風(fēng)險(xiǎn)，宜采用尾管射孔完井，尾管尺寸不小于Φ127 mm。兼顧完井管柱下放裸眼封隔器的安全性、完井方式的互換性和裸眼封隔器承壓能力，裸眼完井時(shí)井眼尺寸應(yīng)滿足下入Φ127 mm尾管的需要，由此倒推最小完鉆井眼尺寸為Φ165.1 mm。根據(jù)鉆頭-套管匹配關(guān)系，二開鉆頭尺寸優(yōu)選Φ241.3 mm，典型井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)列如表3。

表2前期完鉆井雷口坡組復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)表

圖3井身結(jié)構(gòu)必封點(diǎn)設(shè)置圖

表3典型井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表

4 鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鉆頭優(yōu)選

須家河組普遍存在夾層包含礫石層，采用常規(guī)的PDC鉆頭和牙輪鉆頭無(wú)法兼顧鉆井提速和延長(zhǎng)使用壽命［10-11］。為充分發(fā)揮兩類鉆頭的優(yōu)勢(shì)，在“犁削+擠壓”混合破巖機(jī)理基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)選切削齒和三輪次的試驗(yàn)改進(jìn)，研制出“斧型齒+錐形齒”新型PDC和高效混合鉆頭，新型PDC鉆頭的特性是采用更鋒利的切削刃和更厚的金剛石層，提高切削效率。通過(guò)強(qiáng)化保徑、加強(qiáng)主切削齒和內(nèi)錐齒強(qiáng)度，提高鉆頭攻擊性。同時(shí)，選擇的錐形齒可提高鉆頭抗沖擊性及耐磨性［12］，有效提高單只鉆頭進(jìn)尺（圖4）。PZ5-2D通過(guò)優(yōu)選PDC鉆頭，一趟鉆鉆穿須五段進(jìn)尺749 m，機(jī)械鉆速達(dá)到4.8 m／h，須四段地層PDC單趟最高進(jìn)尺為499 m，日進(jìn)尺為140 m；新型PDC鉆頭在PZ7-1D井須家河組三段應(yīng)用，單只鉆頭進(jìn)尺為442.5 m，平均機(jī)械鉆速為3.41 m／h；PZ4-2D井在須家河組四段—須家河組三段地層應(yīng)用，鉆進(jìn)井段為3 445～3 763 m，總進(jìn)尺為318 m，平均機(jī)械鉆速為4.33 m／h?；旌香@頭切屑齒采用進(jìn)口復(fù)合片提高鉆頭抗研磨性，采用孕鑲齒強(qiáng)化鉆頭保徑，優(yōu)化牙輪軸承結(jié)構(gòu)提高螺桿鉆具鉆進(jìn)安全性，有效解決致密頁(yè)巖夾層造成的PDC鉆頭先期破壞，提高單只鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速。PZ7-1D井采用混合鉆頭5只，進(jìn)尺為1 192 m，在致密堅(jiān)硬的須家河組二段平均機(jī)械鉆速為2.92 m／h，須家河組二段底部機(jī)械鉆速達(dá)到3.46 m／h，減少起下鉆3～5趟。

圖4混合鉆頭和新型PDC鉆頭圖

根據(jù)前期鉆頭使用情況和地層巖性、巖石可鉆性綜合優(yōu)選刀翼數(shù)量和布齒。砂巖、細(xì)砂巖地層使用16 mm齒6刀翼鉆頭增加攻擊性，含礫巖和石英的地層使用13 mm齒7刀翼或6刀翼鉆頭提高抗研磨性，高含石英的須二段地層，優(yōu)選耐磨性更強(qiáng)的13／16 mm齒7刀翼鉆頭。PZ3-5D井鉆穿須三段僅用了2趟鉆，PZ7-1D井鉆穿須二段僅用了2趟鉆，鉆井周期較前期完鉆井大幅縮短，鉆完須家河組地層鉆井趟數(shù)從前期22趟已逐漸降到12.5趟，PZ6-2D井僅8趟（表4），提速提效明顯。

4.2 提速工具優(yōu)選

針對(duì)須家河組硬地層特性，以延長(zhǎng)鉆頭使用壽命、提高切削效率為原則優(yōu)選輔助破巖工具，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和評(píng)估發(fā)現(xiàn)：垂直鉆井工具、大扭矩螺桿、扭力沖擊器、射流沖擊器有利于須家河組硬地層鉆井提速提效［13］。

垂直鉆井工具防斜打直效果受鉆壓影響較小，是釋放鉆壓、提高鉆井速度、控制井斜的有效方案［14］，主要應(yīng)用于高陡構(gòu)造。由鉆速方程可知，須家河組硬地層提高鉆壓比提高轉(zhuǎn)速增加的比例更大，提高鉆壓更有利于鉆井提速提效。基于此理念，將垂直鉆井技術(shù)應(yīng)用于川西氣田上部硬地層，YS1井在二開Φ316.5 mm井眼入井3次，進(jìn)尺為1 824 m，平均機(jī)械鉆速為7.27 m／h，出井鉆頭無(wú)崩齒，新度達(dá)80%，最大井斜為0.7°。

動(dòng)力鉆具作為輔助破巖工具已廣泛應(yīng)用在川西氣田，針對(duì)鉆頭尺寸、可鉆性極值，以增加輸出扭矩為目的，與廠家聯(lián)合研制了大扭矩螺桿，在PZ4-2D等井推廣應(yīng)用。須家河組五段采用Φ244.5 mm大尺寸等應(yīng)力螺桿，降低應(yīng)力幅值，保證輸出扭矩與功率平穩(wěn)，改善井底鉆具震動(dòng)，輸出扭矩超過(guò)18 000 N·m；須家河組四段—二段采用Φ185 mm低速大扭矩等壁厚螺桿，配備螺旋扶正器，造斜井段采用1.5°單彎螺桿，縮短彎點(diǎn)距，提高造斜率，須家河組二段最大造斜率為7.14°／30 m。

扭力沖擊器能將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成高頻、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，減弱或消除井下鉆頭破巖過(guò)程中的粘滑現(xiàn)象，整個(gè)鉆柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，延長(zhǎng)鉆頭及鉆具的壽命。PZ115井在須家河組三段應(yīng)用國(guó)產(chǎn)扭力沖擊器工具，進(jìn)尺為287 m，平均機(jī)械鉆速為2.31 m／h，PZ6-4D井在須家河組三段應(yīng)用，進(jìn)尺為117m，平均機(jī)械鉆速為2.54 m／h，出井鉆頭新度90%～95%，相比須家河組三段平均鉆速1.67 m／h提高了

表4須家河組鉆頭數(shù)量對(duì)比表

25.75%～52.1%。

射流沖擊器與扭力沖擊器的工作原理相似，以鉆井液流體為工作介質(zhì)，通過(guò)沖擊器的射流元件產(chǎn)生按一定頻率變化的射流，形成沖擊器腔體內(nèi)不同部位的壓力變化，從而推動(dòng)活塞與沖錘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將流體能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量［15-18］。2012年在川西須家河組應(yīng)用，通過(guò)抗沖蝕材質(zhì)優(yōu)選、流道結(jié)構(gòu)和壓蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，目前國(guó)內(nèi)已研制出Φ228 mm和Φ177.8 mm兩類較為成熟工具，適用于Φ215.9～Φ 333.4 mm井眼的硬地層。PZ4-2D井在須家河組五段和須家河組四段應(yīng)用Φ228射流沖擊器，進(jìn)尺為294 m，平均機(jī)械鉆速為3.95 m／h，與上部相鄰復(fù)合鉆井井段機(jī)械鉆速3.3 m／h相比，提高了19.7%，較鄰井YS1井同層段螺桿＋PDC鉆進(jìn)時(shí)平均機(jī)械鉆速2.5 m／h提高了58%。

4.3 鉆井參數(shù)強(qiáng)化

通過(guò)強(qiáng)化鉆井參數(shù)有利于提高機(jī)械鉆速，在其它參數(shù)不變的情況下，機(jī)械鉆速隨著鉆壓的增加、轉(zhuǎn)速的增大而增大，與累積進(jìn)尺成反比。根據(jù)工程地質(zhì)研究成果，結(jié)合川西氣田須家河組地層巖石特性，分層段確定了鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)和鉆井液密度差等相關(guān)系數(shù)［19-20］，定量預(yù)測(cè)出須家河組四個(gè)井段各參數(shù)下的機(jī)械鉆速。以設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)三開制井身結(jié)構(gòu)、井眼尺寸Φ241.3 mm為例，鉆遇地層為須家河組三段，對(duì)井深為4 600 m，鉆井液密度為2.00 g／cm3，施工排量為35 L／s的井進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示，當(dāng)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速維持在70 r／min不變時(shí)，鉆壓由80 kN逐步提高到250 kN，機(jī)械鉆速將提高9倍；當(dāng)鉆壓維持在140 kN不變時(shí)，轉(zhuǎn)速由60 r／min逐步提高至230 r／min時(shí)，機(jī)械鉆速將提高2.57倍，因此，提高須家河組鉆井速度可最大限度地強(qiáng)化鉆井參數(shù)，并配合使用螺桿、扭力沖擊器等提速工具，須家河組五段推薦鉆壓為170～210 kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為50～80 r／min，排量為45～55 L／s；須家河組四段—二段推薦鉆壓為140～170 kN，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為60～80 r／min，排量為35～43 L／s。現(xiàn)場(chǎng)要求配備52 MPa高壓鉆井泵及配套管線，以保證鉆井參數(shù)的有效釋放。

圖5鉆井參數(shù)與機(jī)械鉆速的關(guān)系圖

6口開發(fā)井在須家河組通過(guò)強(qiáng)化鉆井參數(shù)，在提高鉆壓、轉(zhuǎn)速和施工排量的基礎(chǔ)上，每米鉆時(shí)大幅減小，須家河組平均鉆時(shí)為13.94～22.08 min，PZ6-4井在須家河組五段井深為2 070～2 769 m井段施工時(shí)，在鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速降低的情況下，通過(guò)提高鉆井液排量，平均泵壓28.77 MPa，泵壓提高了31.37%，平均鉆時(shí)僅9.8 min；PZ5-2D井在須家河組四段井深為2 847～3 537 m井段，鉆壓提高了53.65%、泵壓提高了41.31%的情況下，平均鉆時(shí)為12.37 min；須家河組三段在鉆壓提高47.66%、扭矩提高13.91%、泵壓提高20.92%的情況下，平均鉆時(shí)為21.02 min，因地層含頁(yè)巖夾層，3口井定向鉆進(jìn)，提速效果不明顯，還需要進(jìn)一步優(yōu)選破巖工具；須家河組二段平均鉆時(shí)為22.08min，在鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、排量均提高的情況下，鉆時(shí)顯著下降。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

形成的川西氣田須家河組硬地層鉆井關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于PZ4-2D等6口開發(fā)井，應(yīng)用井均為三開制井身結(jié)構(gòu)，須家河組五段鉆頭尺寸為Φ320.6 mm，須家河組四段—二段鉆頭尺寸為Φ241.3 mm。通過(guò)鉆頭和破巖工具優(yōu)選、強(qiáng)化鉆井參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了硬地層鉆井速度大幅提升，其中須家河組五段平均鉆時(shí)為13.94 min，較前期PZ115井提速53.15%；須家河組四段平均鉆時(shí)為16.21 min，提速24.99%；須家河組三段平均鉆時(shí)為21.02 min，提速15.70%；須家河組二段平均鉆時(shí)為22.08 min，提速33.18%（表5）。須家河組平均機(jī)械鉆速為3.19 m／h，鉆井周期為84 d。

表5須家河組鉆時(shí)對(duì)比表

6 結(jié)論及建議

1）形成的集“工程地質(zhì)參數(shù)評(píng)價(jià)、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、破巖工具優(yōu)選、鉆井參數(shù)強(qiáng)化”于一體的硬地層鉆井關(guān)鍵技術(shù)有利于須家河組鉆井提速提效，有力地支撐了川西氣田產(chǎn)能建設(shè)工作。

2）通過(guò)切削刃材質(zhì)、布齒、刀翼數(shù)量?jī)?yōu)化研制的混合鉆頭和高效PDC鉆頭，配合提速工具實(shí)現(xiàn)了須家河組硬地層機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺的提高。

3）強(qiáng)化鉆井參數(shù)是提高鉆井速度的有效手段，多口應(yīng)用井施工泵壓超過(guò)32 MPa，目前深井鉆機(jī)普遍配備F1600泵，額定壓力較低，建議配備高壓鉆井泵和配套管線，確保鉆井參數(shù)的有效實(shí)現(xiàn)。