胡大梁,鐘敬敏,趙雯,伍代金
1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院(四川德陽 618000)
2.中國石油青海油田分公司采氣二廠技術(shù)中心(甘肅敦煌 736202)
3.中石化江鉆石油機(jī)械有限公司(湖北 武漢 430200)
四川盆地須家河組具有大面積含氣特征,是致密砂巖氣藏勘探開發(fā)的主要層系之一,目前已相繼發(fā)現(xiàn)了新場、廣安、合川、通南巴等多個(gè)大中型氣田。其中川西新場氣田須家河組氣藏位于川西坳陷中北段,探明儲(chǔ)量1 250×108m3,2020年以來部署實(shí)施的X8-2 井、SH201、SH204 井相繼獲高產(chǎn)工業(yè)氣流,最高無阻流量246×104m3/d,證實(shí)了氣藏具有良好的開發(fā)前景[1-2]。針對(duì)一直以來制約氣藏效益開發(fā)的深部地層可鉆性差、研磨性強(qiáng)、機(jī)械鉆速低的問題,在XH8-5 井開展鉆井提速試驗(yàn),通過研選高效PDC 鉆頭,開展鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn),單趟鉆進(jìn)尺比優(yōu)化前增加1.6 倍,基本解決須三段非均質(zhì)軟硬交錯(cuò)地層的鉆井提速難題。
川西須家河組深井自上而下鉆遇第四系、蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組和須家河組,其中須家河組埋深約為2 700~5 300 m,厚度2 800 m 左右,分為須五段、須四段、須三段和須二段,須二段為主要目的層。須三段埋深3 850~4 750 m,厚度約為800~900 m,巖性為淺灰、灰色中粒巖屑(石英)砂巖、細(xì)粒巖屑(石英)砂巖、粉砂巖與灰黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖略等厚互層夾泥質(zhì)粉砂巖及黑色煤層(線),如圖1 所示。采集須三段巖心樣品開展巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn),包括抗張強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、巖石壓縮實(shí)驗(yàn)、點(diǎn)載荷實(shí)驗(yàn)以及微可鉆實(shí)驗(yàn)[3-6]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,須三段巖石密度2.56~2.65 g/cm3,抗張強(qiáng)度9.1~10.1 MPa,泊松比0.21~0.32,抗壓強(qiáng)度81~219 MPa,平均值約157 MPa,在施加圍壓55 MPa條件下,抗壓強(qiáng)度達(dá)到392 MPa,巖石軟硬交錯(cuò)變化頻率非常高。根據(jù)三軸抗壓實(shí)驗(yàn)中抗壓強(qiáng)度和圍壓的關(guān)系,利用應(yīng)力莫爾圓來求取內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角,巖石內(nèi)摩擦角一般在39°~46°。微鉆時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,須三段可鉆性級(jí)值5.9~7.6,屬于中硬-硬地層。
圖1 須三段地層可鉆性剖面圖
前期完鉆井實(shí)鉆資料表明,由于須三段地層軟硬交錯(cuò)、非均質(zhì)性強(qiáng)、可鉆性差,頁巖和砂巖地層對(duì)鉆頭特性要求不同,導(dǎo)致鉆頭選型困難,鉆頭型號(hào)多樣,應(yīng)用效果參差不齊。如X8-3 井須三段鉆厚908 m,使用5 種型號(hào)9 只鉆頭,平均單趟進(jìn)尺100.8 m;SH101 井須三段鉆厚850 m,使用4 種型號(hào)8 只鉆頭,平均單趟進(jìn)尺106.3 m,均存在進(jìn)尺短、趟數(shù)多的問題。
XH8-5 井是部署在川西坳陷新場構(gòu)造的一口水平井,以須家河組為主要目的層,設(shè)計(jì)井深5 738 m,水平段長788 m,設(shè)計(jì)三開制井身結(jié)構(gòu),一開Φ444.5 mm 鉆頭鉆至下沙溪廟組頂部,封隔蓬萊鎮(zhèn)組和上沙溪廟組低壓采空區(qū),井深2 500 m 左右;二開Φ311.2 mm 鉆頭鉆至須三段中部,封造斜點(diǎn)之上30 m 地層,井深4 320 m 左右;三開Φ215.9 mm 鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深,下入Φ139.7 mm套管射孔完井。
三開造斜段鉆遇地層主要為須三段,巖性以砂巖和頁巖為主,夾有煤層,具有硬度高、可鉆性差的特點(diǎn)。針對(duì)地層巖性特點(diǎn),首先考慮耐磨性,其次是攻擊性,優(yōu)選V616型PDC鉆頭(圖2),它采用6刀翼16 mm 切削齒,雙排布齒,6 個(gè)主刀翼布置后排齒;肩部易磨損區(qū)域采用360°可旋轉(zhuǎn)切削齒,保持鉆頭邊緣的鋒利度,實(shí)現(xiàn)高研磨性地層的持續(xù)高效破巖,防泥包噴嘴設(shè)計(jì),加強(qiáng)對(duì)切削齒的冷卻。備選JSD1662型PDC 鉆頭,6 刀翼16 mm 齒,應(yīng)用復(fù)合片超深脫鈷技術(shù),耐磨性提高30%;采用低應(yīng)力布齒技術(shù),模擬PDC齒穿越硬夾層的受力峰值狀況,優(yōu)化后傾角和布齒密度,降低穿夾層時(shí)單齒受力峰值,關(guān)鍵部位切削齒承擔(dān)的鉆壓及扭矩幅值下降15%。
圖2 V616鉆頭及局部特征圖
1)第1趟鉆。2022年11月4日15:00開始鉆進(jìn),鉆具組合為Φ215.9 mmV616 鉆頭+Φ172 mmAuto-Trak 旋導(dǎo)工具+無磁承壓鉆桿+Φ172 mm 旋導(dǎo)馬達(dá)+Φ127 mm 加重鉆桿1 根+回壓閥+濾網(wǎng)短節(jié)+Φ127 mm 加重鉆桿2根+旁通閥+Φ127 mm 加重鉆桿2根+震擊器+Φ127 mm 加重鉆桿7 根+Φ139.7 mm 鉆桿,11 月6 日4:40 鉆進(jìn)至井深4 390 m 由于鉆時(shí)變慢起鉆,鉆進(jìn)井段4 325~4 390 m,進(jìn)尺65 m,平均機(jī)械鉆速2.47 m/h。
鉆井參數(shù):鉆壓70~170 kN,頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為80 r/min,排量35 L/s,泵壓32 MPa。
鉆井液性能:強(qiáng)封堵白油基鉆井液,密度為1.90 g/cm3,黏度68 s,破乳電壓710 V。
2)第2趟鉆。針對(duì)上一趟鉆Φ172 mm馬達(dá)扭矩不足(最大扭矩11.5 kN·m),鉆頭存在黏滑現(xiàn)象,第2 趟鉆優(yōu)選Φ172 mm 大扭矩螺桿(最大扭矩19.5 kN·m)配合旋導(dǎo)工具,11月8日6:00開始鉆進(jìn),鉆具組合為Φ215.9 mm JSD1662鉆頭+Φ172 mmAutoTrak旋導(dǎo)工具+無磁承壓鉆桿+Φ172 mm 大扭矩旋導(dǎo)馬達(dá)+Φ127 mm加重鉆桿1根+回壓閥+濾網(wǎng)短節(jié)+Φ127 mm 加重鉆桿2根+旁通閥+Φ127 mm 加重鉆桿2根+震擊器+Φ127 mm加重鉆桿7根+Φ139.7 mm鉆桿,11月9日0:00鉆至井深4 429 m后鉆時(shí)由16 min/m左右升至40~50 min/m,調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速,鉆時(shí)無明顯改善后起鉆。鉆進(jìn)井段4 390~4 434 m,進(jìn)尺44 m,平均機(jī)械鉆速2.97 m/h。
鉆井參數(shù):鉆壓80~130 kN,頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為80 r/min,排量35 L/s,泵壓32 MPa。
鉆井液性能:強(qiáng)封堵白油基鉆井液,密度為1.90 g/cm3,黏度69 s,破乳電壓800 V。
根據(jù)出井情況,V616鉆頭磨損特征主要以崩齒為主,共計(jì)13 顆齒發(fā)生崩齒,包括12 顆平面齒和1顆旋轉(zhuǎn)齒,位置集中在鼻部和肩部,復(fù)合片邊緣金剛石層呈現(xiàn)明顯剝落;前排主切削齒未見明顯磨損特征,由于前排發(fā)生崩齒,導(dǎo)致部分后排齒出現(xiàn)磨損。JSD1662 型鉆頭鼻內(nèi)錐到鼻肩部1~2 級(jí)磨損,肩部崩齒6顆,如圖3所示。
圖3 出井鉆頭磨損情況
綜合以上分析,2 只鉆頭失效的主要特征均為崩齒,分析原因:①須三段地層砂巖和頁巖互層,頁巖硬度低、砂巖硬度高,導(dǎo)致地層軟硬交錯(cuò),鉆頭在交界面處由于吃入深度的變化,易發(fā)生崩齒;②鉆進(jìn)時(shí)按照強(qiáng)化鉆井參數(shù)的技術(shù)思路,采用高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、高泵壓、大扭矩、大排量“三高兩大”鉆井參數(shù),在鉆時(shí)變慢時(shí)進(jìn)一步強(qiáng)化鉆壓和轉(zhuǎn)速,如R616 鉆頭在4 356 m 鉆時(shí)持續(xù)變慢后,鉆壓由100 kN 增大至160~180 kN,導(dǎo)致切削齒受力過大(圖4);③鉆頭選型不夠合理,2 只鉆頭都是以攻擊性為主,抗沖擊性略有不足。
圖4 鉆壓-鉆時(shí)變化曲線
應(yīng)用有限元軟件建立須三段地應(yīng)力分析模型,模擬結(jié)果表明,不同方向巖石骨架應(yīng)力差異達(dá)35.5%,向最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn),井底巖石骨架應(yīng)力高,破巖難度更大,而且井壁巖石更易發(fā)生應(yīng)力崩落掉塊。XH8-5 井須三段骨架應(yīng)力與X8-3 井相似,比X8-2井高7.3 MPa(13%),見表1。
表1 不同鉆進(jìn)方位井底巖石骨架應(yīng)力對(duì)比
在地應(yīng)力作用下,井壁因被地應(yīng)力擠壓[7],呈現(xiàn)一定的橢圓特征,沿最小水平應(yīng)力方向傾斜鉆進(jìn)時(shí),井筒低邊為橢圓井筒長軸方向,曲率半徑偏小,鉆具靠近井筒低邊并旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)時(shí),接觸面積大,摩擦阻力大,不利于鉆壓和扭矩傳遞;XH8-5與X8-3 相似,更偏向最小地應(yīng)力方向鉆進(jìn),鉆進(jìn)時(shí)鉆壓與扭矩傳遞效率相對(duì)較低,如圖5所示。
圖5 井眼形狀與鉆柱形態(tài)示意圖
巖石可鉆性受礦物組分、粒度、膠結(jié)、孔隙度、致密程度等多方面影響,從鉆伽馬值與鉆時(shí)變化曲線(圖6)可以看出,隨著伽馬值降低,鉆速變慢,伽馬值大于300對(duì)應(yīng)鉆時(shí)15.7 min/m,伽馬值200~300對(duì)應(yīng)鉆時(shí)22.7 min/m,伽馬值小于200 對(duì)應(yīng)鉆時(shí)27.8 min/m;總體上呈現(xiàn)頁巖鉆速快、砂巖鉆速慢的特點(diǎn)。其中4 662、4 703 m 等井段鉆時(shí)特別高,Si 元素含量中等,Ca 和Mg 元素含量明顯偏高,反映了地層有異常膠結(jié)物質(zhì),鉆頭破巖困難。
圖6 鉆時(shí)隨伽馬值變化曲線
針對(duì)前期出現(xiàn)的鉆頭崩齒、抗沖擊性和耐磨性不足的問題,結(jié)合工程地質(zhì)環(huán)境因素分析結(jié)果,認(rèn)為須三段地層強(qiáng)非均質(zhì)性地層首要考慮鉆頭的抗沖擊性和耐磨性[8-10];其次是攻擊性,要求鉆頭具有雙排布齒、力平衡設(shè)計(jì)、適合定向的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。優(yōu)選BTS616 型PDC 鉆頭,前排齒配置超耐磨切削齒,采用16 mm+13 mm 齒復(fù)配設(shè)計(jì),保徑位置采用13 mm 齒,可減小側(cè)向扭矩;優(yōu)化冠部形狀,增加工具面穩(wěn)定性。對(duì)前期使用的KSD1662 鉆頭進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),針對(duì)肩部主切削齒崩齒問題,在肩部前排齒和后排齒設(shè)計(jì)22顆三棱齒以提高抗沖擊性,鼻部設(shè)計(jì)16 mm平面齒以保證攻擊性。優(yōu)化后的KSD1662鉆頭如圖7所示。
圖7 優(yōu)化后的KSD1662鉆頭結(jié)構(gòu)特征
針對(duì)前2 趟鉆加大鉆壓后崩齒的問題,利用Surfer模擬軟件建立鉆井參數(shù)優(yōu)化模型,結(jié)合鉆速敏感性影響因素分析結(jié)果,確定各井段最適宜的鉆井參數(shù),從前期的鉆井參數(shù)“剛性強(qiáng)化”發(fā)展為“柔性強(qiáng)化”,鉆遇砂巖鉆時(shí)變慢后及時(shí)降低鉆壓和轉(zhuǎn)速,頁巖鉆壓100~120 kN、轉(zhuǎn)速75~80 r/min,砂巖鉆壓70 ~90 kN、轉(zhuǎn)速60~70 r/min,保證鉆頭平穩(wěn)穿過夾層,避免發(fā)生早期崩齒損壞,如圖8所示。
圖8 鉆壓-轉(zhuǎn)速與鉆速敏感性關(guān)系圖
第3 趟鉆使用優(yōu)選出的Φ215.9 mmBTS616 鉆頭+Φ172 mmAutotrak Curve 旋導(dǎo)工具+Φ172 mm 低速大扭矩螺桿,2022 年11 月9 日4:00 開始鉆進(jìn),11月13 日16:00 鉆至井深4 596 m,由于鉆時(shí)變慢起鉆,鉆進(jìn)井段4 434~4 596 m,鉆壓基本控制在90~140 kN,進(jìn)尺162 m,平均機(jī)械鉆速2.75 m/h。第4趟應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)加工的KSD1662 鉆頭,配合Φ172 mmAutotrak Curve 旋導(dǎo)工具+Φ172 mm 低速大扭矩螺桿,11 月14 日22:40 開始鉆進(jìn),11 月17 日21:50 鉆至井深4 719 m 由于鉆時(shí)變慢起鉆,鉆進(jìn)井段4 596~4 719 m,鉆壓80~120 kN,進(jìn)尺123 m,平均機(jī)械鉆速2.14 m/h。
通過優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)特征和鉆井參數(shù)后,2 趟鉆累計(jì)進(jìn)尺285 m,平均單趟進(jìn)尺142.5 m,與優(yōu)化前2趟鉆相比,回次進(jìn)尺增加160%,同比鄰井進(jìn)尺增加40%以上,減少起下鉆2~4 趟,出井基本正常磨損,無崩齒現(xiàn)象,表明優(yōu)化后的PDC 鉆頭和鉆井參數(shù)基本能夠解決須三段非均質(zhì)地層的鉆頭崩齒和進(jìn)尺短問題。
1)川西須三段地層砂巖和頁巖互層,非均質(zhì)性強(qiáng)、軟硬交錯(cuò)、砂巖地層研磨性強(qiáng)、鉆頭切削齒吃入困難,鉆頭設(shè)計(jì)和選型首要考慮因素是抗沖擊性和耐磨性,其次是攻擊性,正常鉆進(jìn)時(shí)過高的鉆壓和轉(zhuǎn)速易導(dǎo)致鉆頭提前損壞。
2)對(duì)于須三段非均質(zhì)性地層,推薦選用6刀翼、切削齒16/13 mm、雙排布齒、肩部采用抗沖擊齒型設(shè)計(jì)的PDC 鉆頭;鉆進(jìn)時(shí)適合采用鉆井參數(shù)柔性強(qiáng)化的方式,根據(jù)巖性和鉆時(shí)變化實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù),避免鉆頭崩齒,有利于延長鉆頭使用壽命。