大慶油田調(diào)整井示范井
——杏1-丁2—水149井鉆井固井配套技術(shù)

2021-12-02 06:40:12楊海波

西部探礦工程 2021年11期

楊海波

（大慶鉆井工程技術(shù)研究院鉆井機(jī)械研究所，黑龍江大慶163413）

1 概況

1960年大慶石油會(huì)戰(zhàn)以來，廣大職工發(fā)揚(yáng)大慶精神鐵人精神，戰(zhàn)勝了重重困難，不斷組織科技攻關(guān)，取得巨大成果，1976年年產(chǎn)原油達(dá)到5000×104t。截止到1980年，主要依靠基礎(chǔ)井網(wǎng)、提高注水壓力、放大壓差和自噴開采保持了穩(wěn)產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)長期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，油田進(jìn)一步開展了地下大調(diào)查，發(fā)現(xiàn)約有三分之一油層動(dòng)用較好，三分之一油層動(dòng)用較差，三分之一油層甚至沒有動(dòng)用。經(jīng)過詳細(xì)討論和分析，制定了油田開發(fā)“三個(gè)轉(zhuǎn)變”的技術(shù)方針，即增產(chǎn)挖潛要由高滲透主力油層轉(zhuǎn)變?yōu)橹械蜐B透層；挖潛措施由同井分層開采轉(zhuǎn)變?yōu)殂@加密調(diào)整井細(xì)分層系開采；開采方式由自噴采油轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械采油。實(shí)施三個(gè)轉(zhuǎn)變的首要任務(wù)就是要在薩爾圖、喇嘛甸、杏樹崗三個(gè)主力油田（以后簡稱薩喇杏油田）鉆加密調(diào)整井。

鉆調(diào)整井的主要目的，是為了提高儲(chǔ)層的開發(fā)效果和采收率，為此，保證封固井段的固井質(zhì)量，提高油層的動(dòng)用程度成為鉆調(diào)整井的首要目標(biāo)。調(diào)整井鉆井和固井是一項(xiàng)完整的系統(tǒng)工程，因此要在鉆井全過程中，為固好井創(chuàng)造條件。同時(shí)，在保證封固質(zhì)量的基礎(chǔ)上不斷提高鉆井速度，以滿足長期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的需要。

大慶薩喇杏油田屬陸相非均質(zhì)多油層砂巖油田，平均井深1220m，由薩爾圖、葡萄花、高臺(tái)子三套油層共100多個(gè)小層組成，單層厚度20m到0.2m(二次加密調(diào)整井還包括表外儲(chǔ)層），跨度約300~600m，滲透率差異很大。三個(gè)油田經(jīng)過早期高壓注水后，地下壓力系統(tǒng)發(fā)生了很大變化，形成了高壓層和欠壓層同時(shí)存在的動(dòng)態(tài)多壓力層系，鉆井和固井的難度極大。

鉆井系統(tǒng)科技人員在地質(zhì)開發(fā)系統(tǒng)的配合下，開展了以提高固井質(zhì)量為核心的聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過近10年刻苦鉆研，總結(jié)出一套“固井八字”（壓穩(wěn)、居中、替凈、密封）指導(dǎo)方針和相應(yīng)的鉆井固井配套技術(shù)，完善了薄層固井技術(shù)，固井質(zhì)量合格率由1980年的66.9%提高到1990年的99%以上，優(yōu)質(zhì)率由1980年的不足30%提高到1995年的95%；平均機(jī)械鉆速由1980年的13.31m/h提高到1995年的23.61m/h，提高了77.4%。“調(diào)整井鉆井固井技術(shù)”成為1985年《大慶油田長期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的注水開發(fā)技術(shù)》項(xiàng)目、“薄層固井技術(shù)”成為1996年《大慶油田高含水期“穩(wěn)油控水”系統(tǒng)工程》項(xiàng)目兩個(gè)國家級(jí)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)的重要組成部分。

1995年以后，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率始終保持在95%以上。鉆調(diào)整井?dāng)?shù)量逐年增加，1979年年鉆井122口，1986年上升到996口，1994年為2126口，1996年達(dá)到2606口，以后一直保持在2500口井以上。從1979年起鉆一次加密調(diào)整井11092口；1990年起鉆二次加密調(diào)整井11488口；2000年起鉆三次加密調(diào)整井，為原油年穩(wěn)產(chǎn)5000×104t27年，之后又穩(wěn)產(chǎn)4000×104t12年，做出了重大貢獻(xiàn)。

2 調(diào)整井示范井——杏1-丁2—水149井

杏1-丁2—水149井，位于大慶杏樹崗油田北部，是一口目的層為下白堊系嫩江組、姚家組薩爾圖、葡萄花油層的二次加密注水井。設(shè)計(jì)和實(shí)際井深均為1230m。井身結(jié)構(gòu)為導(dǎo)管+F203mm井眼，下入日本產(chǎn)鋼級(jí)J55、F139.7mm油層套管，上部壁厚6.2mm，井口及油層部位用壁厚7.22mm。本井于1992年10月1日搬遷安裝，10月3日23:00開鉆，10月4日22:00完鉆，電測7:00，10月6日固井，10月7日10:00聲檢完畢，測定為優(yōu)質(zhì)井。本井經(jīng)鄰近注水井停注放溢后，鉆井液密度控制在1.65~1.71g/cm3之間，應(yīng)用高密度優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)，用一只高效能噴射式金剛石三刮刀鉆頭、23h鉆完一口1230m的井，實(shí)現(xiàn)了調(diào)整井1d一只鉆頭鉆完一口中深井的“大三一”優(yōu)質(zhì)井。機(jī)械鉆速達(dá)到72.4m/h，比該地區(qū)平均機(jī)械鉆速41m/h提高76%。創(chuàng)出了調(diào)整井鉆井的最高水平。

2.1 鉆井配套技術(shù)

1986年起，大慶鉆井三公司相繼開展了高密度鉆井液（1.60g/cm3以上)高壓噴射鉆井和優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)，取得成功后及時(shí)組織全面推廣。本井按照高密度鉆井液優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)要求，進(jìn)行了六項(xiàng)裝備配套：配備2臺(tái)1000~1300馬力鉆井泵；耐35MPa的高壓管匯；自制中型鉆機(jī)固控裝置；六參數(shù)鉆井儀表；雙鐘擺鉆具組合；鉆井泵易損件。應(yīng)用了高密度鉆井液優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)成果，既達(dá)到了為保證固井質(zhì)量創(chuàng)造了良好的井眼條件，又提高了鉆井速度。

2.1.1 應(yīng)用高密度三鉀聚合物鉆井液

為了進(jìn)一步改善鉆井液性能，使井壁更穩(wěn)定，井徑擴(kuò)大率更小，更適合于優(yōu)選參數(shù)鉆井，本井選用1989年鉆井二公司研制的高密度三鉀聚合物鉆井液。其中聚丙烯酸鉀（K-PAM）為包被絮凝劑，丹寧酸鉀（KTN）為稀釋劑，氫氧化鉀（KOH）為pH值調(diào)節(jié)劑。鉆井液中用K+離子能較好地代替Na+離子，提高了鉆井液抑制粘土水化分散和造漿能力。該鉆井液有適中的粘度和切力，失水低，泥餅薄而致密，平均井徑擴(kuò)大率較低。本井在鉆穿流砂層后，鉆開油層前，進(jìn)行兩次處理，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，認(rèn)真搞好了正常鉆進(jìn)中鉆井液性能維護(hù)。分段鉆井液性能見表1。

表1 全井鉆井液性能表

2.1.2 應(yīng)用高效能噴射式金剛石刮刀鉆頭

刮刀鉆頭和牙輪鉆頭在井底流場、磨損方式、井底實(shí)際水功率計(jì)算和破巖方式等四個(gè)方面有所不同。經(jīng)過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和分析，提出用井底壓力梯度、漫流速度和射流沖擊面積綜合評(píng)價(jià)井底流場的三項(xiàng)指標(biāo)，為研制高效能噴射式三刮刀鉆頭（簡稱3BP)提供依據(jù)。

根據(jù)對(duì)刮刀鉆頭井底流場分析，本井應(yīng)用了研制的F203mm3BP，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、噴嘴組合、射流角等方面進(jìn)行了特殊考慮，充分發(fā)揮了水功率的作用。同時(shí)，在金剛石材料、燒結(jié)工藝、設(shè)計(jì)強(qiáng)度、保徑等方面做了很大改進(jìn)。使用該鉆頭，全井實(shí)現(xiàn)噴射鉆井二階段，最高泵壓17.0MPa，最大比水功率17.5W/mm2，鉆壓150kN，轉(zhuǎn)速240r/min，排量45~38L/s。

2.1.3 應(yīng)用“雙鐘擺”防斜、防卡鉆具組合

本井應(yīng)用的“雙鐘擺”鉆具組合是應(yīng)用連續(xù)梁縱橫理論設(shè)計(jì)出來的。經(jīng)過多口井現(xiàn)場試驗(yàn)，防斜防卡效果好，鉆壓可由120kN提高到200kN，提高了鉆速。“雙鐘擺”鉆具組合為：

?203mm鉆頭+?178mm鉆鋌2根（20m)+?195mm穩(wěn)定器（1.6m)+?178mm鉆鋌1根（9.86m)+?195mm穩(wěn)定器（1.6m)+?178mm鉆鋌1根（9.86m)+?159mm鉆鋌8根（70.6m)+?127mm鉆桿。

本井完鉆電測最大井斜1.8°，全井變化率很小，為固井提供了一個(gè)曲率很小的井眼。鉆井中也沒有發(fā)生卡鉆及其他鉆具事故。

2.1.4 施工情況

開鉆前對(duì)設(shè)備、工具、配件進(jìn)行全面檢查，確保正常施工。施工中做到：上部地層快打，高泵壓、大排量、快轉(zhuǎn)速全壓鉆進(jìn)。中部地層巧打，司鉆集中精力，判斷硬夾層。鉆遇多層鈣質(zhì)硬砂層和磺鐵礦硬夾層時(shí)，做

到“兩界面、兩減壓、兩劃眼”，保護(hù)了鉆頭，修平了井眼，順利穿過軟硬交叉夾層。該隊(duì)工人編了一段順口溜：“手握剎把心向黨，‘四聽’、‘四看’又‘四想’，思想隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)，巧打夾層日上千”。很形象地說明了全隊(duì)對(duì)判斷夾層、巧打夾層的重視程度。下部地層穩(wěn)打，合理施放鉆壓，均勻送鉆，防止久跳折斷刮刀片。鉆桿單根連接大鉗緊扣，防止倒扣、錯(cuò)扣。全井處理和加重鉆井液不停鉆，大量節(jié)省非生產(chǎn)時(shí)間。班班進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)，預(yù)防機(jī)械出現(xiàn)故障。經(jīng)過全隊(duì)職工努力，僅用23:00鉆完一口1230m中深井，實(shí)現(xiàn)了調(diào)整井鉆成“大三一”井（即用一只鉆頭1d鉆完一口井）。純鉆進(jìn)時(shí)間僅17:00，平均機(jī)械鉆速達(dá)到72.4m/h，比同類地區(qū)同類井平均機(jī)械鉆速41m/h提高了70.8%。

2.2 固井配套技術(shù)

2.2.1 應(yīng)用先進(jìn)固井施工設(shè)備

大慶油田經(jīng)多年實(shí)踐，總結(jié)出實(shí)施紊流注替連續(xù)施工是減少鉆井液和水泥漿混竄、防止漏失、提高固井質(zhì)量最重要的措施，以前固井作業(yè)以AC-400A（太脫拉）和SNC-N300（黃河）水泥車為主，人工操作，功率小、排量低，耐壓低，為了在F203mm井眼中達(dá)到注替水泥的紊流速度（1.5m/s）和連續(xù)施工（注水泥與替水泥間隔不超過2min)都采取多車（一般3臺(tái)黃河車注水泥，3臺(tái)太脫拉替水泥漿）分注分替方式。雖經(jīng)施工隊(duì)多方努力，達(dá)到指標(biāo)有一定難度。為此用重金購進(jìn)由油田提要求，美國BJ公司制造的先進(jìn)的大功率雙機(jī)雙泵水泥車28臺(tái)（見表2），徹底改變了固井施工的被動(dòng)局面。

表2 三種水泥車機(jī)型參數(shù)對(duì)比表

大功率BJ水泥車還有以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)水泥漿進(jìn)行2次混配，密度均勻；自動(dòng)計(jì)量；自動(dòng)化操作程度高，每口井僅用2臺(tái)車就實(shí)現(xiàn)了分注分替。本井注替速分別達(dá)1.5m/s，注替時(shí)間間隔不足2min，水泥漿平均密度達(dá)到1.92g/cm3。很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

另外，引進(jìn)和購置下灰車100多臺(tái)，完全實(shí)現(xiàn)了注水泥自動(dòng)化操作。引進(jìn)和研制多臺(tái)儀表車，使固井施工參數(shù)（水泥漿密度、流量、壓力顯示等）自動(dòng)準(zhǔn)確計(jì)量。用封固段的每米電測井徑，結(jié)合各個(gè)鉆井隊(duì)的不同情況，確定注水泥的用量，取得明顯效果。用自制的管匯車使固井施工時(shí)套管活動(dòng)距離達(dá)到3~10m。以上技術(shù)措施，在本井都得到應(yīng)用。滿足了固井設(shè)計(jì)的要求。

2.2.2 劃眼技術(shù)

用每米電測井徑衡量對(duì)小于鉆頭直徑的井徑井段（980~1030m)和井底50m進(jìn)行認(rèn)真劃眼，劃眼速度小于30m/h，修正了井眼，修平了井壁。

2.2.3 應(yīng)用限位彈性套管扶正器

1991年，鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)公司研制成功彈性限位套管扶正器(圖1)，提高了套管居中度。其特點(diǎn)是：扶正條由一個(gè)大撓度改成兩個(gè)連續(xù)的小撓度，增強(qiáng)了扶正條的剛性，減少了變形。又由于安放在套管接箍處，變形受到套管接箍的限制，有更好的扶正效果。經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，剛度增強(qiáng)約8倍；對(duì)加放位置經(jīng)過測算，油層部位每根套管加放一個(gè)扶正器，效果最好。大面積推廣應(yīng)用后，使固井套管居中度設(shè)計(jì)由原來的67%提高到80%以上，提高水泥環(huán)均勻度。1992年，在油田全面推廣，并遠(yuǎn)銷國內(nèi)外油田。

圖1 限位彈性套管扶正器

本井在油層部位每根套管上加放1個(gè)，共放15個(gè)，在下套管及固井施工時(shí)上下活動(dòng)套管時(shí)，未發(fā)生遇卡現(xiàn)象。

2.2.4 使用粘砂套管和新型井下附件

從1024m（油層部位）到底，使用了壁厚為7.72mm的粘砂套管。與光滑套管相比，粘砂套管的強(qiáng)度提高了近三倍。應(yīng)用了新型下提式浮鞋、浮箍，實(shí)現(xiàn)了敞壓候凝，可防止候凝期間水泥和套管壁產(chǎn)生間隙而造成層間竄通，并可確保套管內(nèi)不留水泥。

2.2.5 使用FDN水泥減水劑

在大慶油田調(diào)整井固井施工中，為了防止水泥漿和鉆井液混竄，一般要求水泥漿的密度要比鉆井液密度高0.2g/cm3以上。使用45°C（或稱A級(jí)）油井水泥固井，當(dāng)水泥漿密度達(dá)到1.92g/cm3以上時(shí)，流動(dòng)度僅為16.5~15.0cm，流動(dòng)性和可泵性極差，嚴(yán)重影響注水泥作業(yè)。FDN是一種β苯磺酸鹽，屬減水分散劑。按一定比例加入水泥漿，在降低水灰比情況下，改善水泥漿流動(dòng)性和可泵性，使密度1.92~2.0g/cm3的A級(jí)油井水泥的流動(dòng)度由16.5~15.0cm提高到23~19.3cm，同時(shí)，能夠起到控制自由水，提高水泥石強(qiáng)度，減少水泥體積收縮的作用。1981年研制成功后，每口調(diào)整井都使用。

2.2.6 嚴(yán)格地面施工考核

固井地面施工是確保固井質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一，十幾分鐘到幾十分鐘的施工過程就決定一口井的命運(yùn)，因此從1983年起，鉆井部針對(duì)固調(diào)整井實(shí)際，制定了八項(xiàng)固井施工地面標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格進(jìn)行考核。八項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）減少井內(nèi)鉆井液結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，停泵后20min內(nèi)必須施工；

（2）使用車載二次混配裝置，水泥漿密度差控制在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的0.5g/cm3以內(nèi)；

（3）提高注灰速度，平均注速不低于1.2m/s；

（4）下灰罐串聯(lián)，從注到替不超過2min；

（5）分車注替，套管內(nèi)不留殘余水泥漿；

（6）一律采用紊流頂替（特殊情況除外），替速達(dá)到1.5m/s以上；

（7）儀表車計(jì)量，誤差不超過3%；

（8）合理控制注灰數(shù)量，環(huán)形空間水泥面符合設(shè)計(jì)要求。

施工隊(duì)嚴(yán)格執(zhí)行上述標(biāo)準(zhǔn)后，地面施工合格率由1988年的76.4%提高到1993年的98%。

本井由鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)公司三分公司負(fù)責(zé)施工，由2臺(tái)BJ水泥車、1臺(tái)載重15t水泥的下灰車、1臺(tái)儀表車、1臺(tái)管匯車組成，于1992年10月6日施工，按固井設(shè)計(jì)和八項(xiàng)地面施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，同時(shí)，在注水泥和替漿過程中，上下活動(dòng)套管。其主要指標(biāo)完成如表3所示。

表3 固井設(shè)計(jì)主要指標(biāo)完成表

3 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

通過鉆杏1-丁2-水149井，取得以下成果、經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)：

（1）明確了鉆該調(diào)整井的首要目標(biāo)是提高封固井段的固井質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上也要不斷提高鉆速。經(jīng)過努力，實(shí)現(xiàn)了提高固井質(zhì)量和鉆速的雙豐收。

（2）本井取得好水平是認(rèn)真執(zhí)行調(diào)整井“固井八字”（壓穩(wěn)、居中、替凈、密封）指導(dǎo)方針和相關(guān)配套技術(shù)的結(jié)果，這些相關(guān)技術(shù)先后都獲得省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)。

（3）對(duì)大慶調(diào)整井的地下情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究。分析了油田經(jīng)過早期高壓注水后地下形成高壓憋壓層、欠壓層的原因，正確地提供了上述小層的位置和壓力值。提出了停注放溢流措施，為適當(dāng)降低鉆井液密度，順利鉆井和確保固井質(zhì)量創(chuàng)造了必要條件。

（4）為解決調(diào)整井固井候凝期水竄問題，在國內(nèi)首先開展了“水竄”機(jī)理的研究，提出了“壓穩(wěn)系數(shù)”的概念和計(jì)算方法，研制了各種抗竄外加劑，應(yīng)用效果明顯。