深井超深井大尺寸井眼鉆井提速技術(shù)應(yīng)用

張茂林，張 偉，王 雷，楊雅琴，陳 濤

（1.西部鉆探工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依 834000；2.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司,新疆克拉瑪依 834009）

準(zhǔn)噶爾盆地地層構(gòu)造復(fù)雜，目的層埋藏深，近年來加大了超深層油氣資源的勘探開發(fā)力度，為了滿足井身結(jié)構(gòu)的要求，實現(xiàn)安全鉆井,大尺寸井段固井設(shè)計時一般要求套管盡量下深一些。如在盆地南緣中段下組合的天然氣井[1]，井深為7700m，四開333.4mm 井眼鉆深5700m，大尺寸井眼占全井的74%，隨著大尺寸井段的加深，各次鉆完井施工效率問題越來越突出，影響到全井的鉆井周期和鉆井成本，如何提高深井超深井大尺寸段井眼的鉆井效率已成為必須解決的問題。

1 南緣超深井施工簡況

1.1 地質(zhì)簡介與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

南緣中段下組合地質(zhì)工程難點(diǎn)突出，構(gòu)造地質(zhì)情況復(fù)雜，壓力系統(tǒng)呈“低—高—低—高—低”趨勢，施工實鉆存在鉆井故障多、復(fù)雜時率高、周期長等難題。根據(jù)三壓力剖面和完井工具的匹配性開展井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，為應(yīng)對超深井鉆探過程中必封點(diǎn)多、常規(guī)井身結(jié)構(gòu)難以完全封隔的技術(shù)需求，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計為六開六完[2-3]，中上部井眼尺寸大、套管段重，下入深度見圖1。

圖1 南緣呼圖壁呼西背斜井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 大尺寸井段鉆井施工簡況

隨著大尺寸井段的加深，井眼尺寸大，地層巖性多變，機(jī)械鉆速低，井眼穩(wěn)定性差、攜砂困難、井身質(zhì)量難于控制及各次完鉆作業(yè)時效，影響了鉆井效率的提高。

（1）高地應(yīng)力下呈現(xiàn)理化破碎特征，易發(fā)生井壁垮塌復(fù)雜。上部獨(dú)山子組大段高水敏性泥巖段易縮徑，塔西河組地層理化破碎特征，相鄰探井在該井段，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重，井徑擴(kuò)大率達(dá)89%，嚴(yán)重影響鉆井速度。

（2）山前受構(gòu)造應(yīng)力影響，地層傾角變化大，地層自然造斜強(qiáng)，應(yīng)力性井壁垮塌，造成井徑變化大，鉆遇夾層的破碎或振動等帶來的載荷變化等，造成井斜控制困難[4-5]，在防斜糾斜作業(yè)時，主要是輕壓吊打來保證打直，嚴(yán)重制約了破巖參數(shù)優(yōu)化與強(qiáng)化。

（3）地層壓力復(fù)雜多變，鉆井液壓持效應(yīng)強(qiáng)，巖石抗壓強(qiáng)度高、可鉆性差，機(jī)械鉆速低。隨著井身增加，巖石抗壓強(qiáng)度增大，東溝組以泥巖為主砂礫巖交互頻繁，連木沁組至呼圖壁組大套泥巖呈現(xiàn)硬塑性，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到130MPa 以上，鉆頭破巖吃入困難，鉆頭平均機(jī)械鉆速低于2m/h。

2 大尺寸井段優(yōu)快鉆井技術(shù)

2.1 鉆頭和鉆井方式優(yōu)選

（1）鉆頭優(yōu)選。通過呼圖壁背斜構(gòu)造地層及力學(xué)特征分析，結(jié)合前期鉆井資料，二開井段第四系至獨(dú)山子組上部砂礫巖段，以復(fù)合鉆頭配合減震器提速；三開安集海河組—紫泥泉子組泥巖壓實度高，鉆頭切削齒吃入地層困難，采用高性能平齒+屋脊齒中低密度混合布齒（16.0mm 或19.0mm），以增加鉆頭的攻擊性為主；四開在東溝組—連木沁組地層泥巖段多呈現(xiàn)塑性特征，局部含礫，易崩齒失效。考慮大尺寸鉆頭線速度高，設(shè)計PDC鉆頭時，兼顧鉆頭的攻擊性和耐磨性能，優(yōu)化采用四刀翼后排布平面齒，低密度混合布齒（16.0mm）。

（2）復(fù)合鉆井技術(shù)。PDC 鉆頭切削齒在鉆壓和扭矩作用下克服地層應(yīng)力吃入地層，隨著鉆壓的增大，牙齒吃入巖石深度以及破碎體積增大，相應(yīng)的扭矩也會增大，造成大尺寸鉆頭機(jī)械破巖能量不足，從而影響機(jī)械鉆速；在軟硬交錯的非均質(zhì)地層，鉆頭扭矩變化較大，只有當(dāng)鉆頭能量積累到一定程度后才能達(dá)到破巖要求，因此采用井下動力鉆具等進(jìn)行復(fù)合鉆井有利于改善鉆頭穩(wěn)定性和提高鉆頭使用效果[6-7]。在中—硬地層中，高轉(zhuǎn)速下切削齒與地層接觸時間太短[8]，高轉(zhuǎn)速比高鉆壓更容易產(chǎn)生過大沖擊載荷，不利于保護(hù)PDC鉆頭，需要選擇“大扭矩—高鉆壓—低轉(zhuǎn)速”的鉆井參數(shù)模式，選用螺桿配合抗研磨性較強(qiáng)的PDC 鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)措施利于鉆頭效率的提高。

2.2 垂鉆工具與等壁厚螺桿鉆具組合提速技術(shù)

“垂直鉆井工具+等壁厚大扭矩螺桿”在高陡構(gòu)造、高抗壓強(qiáng)度及高含礫地層能夠有效地控制井斜，實現(xiàn)優(yōu)化強(qiáng)化參數(shù)、保護(hù)鉆頭、提高破巖效率的目的。采用等壁厚螺桿鉆具能提高工作扭矩、延長鉆頭使用壽命，進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井參數(shù)，實現(xiàn)鉆井提速[9]。

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；應(yīng)用于高陡構(gòu)造，硬地層提高鉆壓比提高轉(zhuǎn)速增加的比例更大，相應(yīng)對于深井鉆頭工作穩(wěn)定，使用井下動力鉆具和提高鉆壓更有利于鉆井提速提效。因此在大尺寸井眼鉆井方式上采用螺桿+垂鉆在鉆井參數(shù)優(yōu)化方面有更大的范圍，H02井強(qiáng)化鉆井參數(shù)見表1。

表1 H02井各開次垂鉆+大扭矩螺桿鉆井參數(shù)表

2.3 優(yōu)化鉆井參數(shù)

大尺寸井眼鉆井施工在優(yōu)化鉆頭，鉆井泵系統(tǒng)、鉆柱設(shè)計和優(yōu)化參數(shù)對實現(xiàn)最佳機(jī)械鉆速起到主要作用。鉆壓是由鉆鋌重量或加壓裝置實現(xiàn)優(yōu)化控制，轉(zhuǎn)速由頂驅(qū)系統(tǒng)/方鉆桿驅(qū)動系統(tǒng)/水力馬達(dá)優(yōu)化控制，通過控制鉆井液流量，改變泵排量能清除鉆頭底部產(chǎn)生的巖屑并攜帶。在可實時操作優(yōu)化鉆井的三個參數(shù)中，使用過高的鉆壓會產(chǎn)生大的扭矩，會導(dǎo)致鉆柱折斷、屈曲、嚴(yán)重粘滑和其他井下復(fù)雜和事故，PDC 鉆頭在剪切地層產(chǎn)生了更高的扭矩，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振蕩，這些振蕩以及鉆柱上的能量損失和井下粘滑，阻礙能量向鉆頭的傳遞，鉆頭水力性能不佳，巖屑可能無法完全被鉆井液攜起，導(dǎo)致在井底沉降，發(fā)生重復(fù)破碎，甚至鉆頭泥包，機(jī)械鉆速下降[10-11]。

（1）優(yōu)化、強(qiáng)化鉆壓參數(shù)，提高機(jī)械鉆速。根據(jù)鉆井工具的性能及所鉆層位巖性及巖石強(qiáng)度，分析確定鉆井參數(shù)配置對機(jī)械鉆速影響。預(yù)測鉆具屈曲和彎曲臨界鉆壓計算，作為下部鉆具垂鉆和鉆鋌一次彎曲的臨界鉆壓，鉆壓的強(qiáng)化同時使得地面扭矩保持在24~28kN·m。在二開和三開軟—中地層以增大排量、提高鉆頭轉(zhuǎn)速、提高環(huán)空返速的提速措施；在四開東溝組以下抗壓強(qiáng)度高的地層，計算預(yù)測鉆壓至226.1kN下部鉆具組合出現(xiàn)正弦屈曲，鉆壓至298.8kN時會出現(xiàn)螺旋屈曲，確定鉆壓強(qiáng)化至220~250kN，提高破巖能量。

（2）優(yōu)化鉆頭比水功率。水力參數(shù)主要作用體現(xiàn)在水力破巖、螺桿轉(zhuǎn)速和井底凈化方面。通過鉆頭噴嘴的水力射流產(chǎn)生的沖擊力，輔助鉆頭破巖，鉆進(jìn)大尺寸井眼時產(chǎn)生的巖屑量要遠(yuǎn)多于常規(guī)井眼。根據(jù)實際鉆井液性能及井眼狀況進(jìn)行具體分析計算，保證滿足達(dá)到攜巖排量和立管壓力條件下，對配備的鉆井泵功率,使用的大尺寸鉆桿,以減少沿程壓耗,盡可能提高鉆頭壓降，以提高水力破巖和攜巖效果。

在571.5mm 井眼以?286mm 螺桿的推薦排量，實鉆中排量保持在75~87L/s，泵壓30~36MPa，以鉆屑顆粒傳輸比大于0.5作為井眼清潔預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)，使環(huán)空返速高于到最低臨界返速，每次起下鉆井眼暢通，井底無沉砂。

（3）優(yōu)化井下鉆具組合。根據(jù)井眼尺寸、剛度要求、目標(biāo)鉆壓和中完通井下套管等方面的考慮，確定穩(wěn)定器安放位置，鉆進(jìn)中避免屈曲和旋轉(zhuǎn)等功能障礙，將彎曲應(yīng)力保持在疲勞極限以下，中完通井基于實際井眼中通井底部鉆具組合與套管彎曲變形能計算，使用大尺寸279mm 鉆鋌或245mm 鉆鋌+欠尺寸穩(wěn)定器組合，提高通井效果，使用?149.2mm鉆桿為大排量鉆進(jìn)使用創(chuàng)造很好的條件。

2.4 井壁穩(wěn)定技術(shù)

二開段采用KCl 有機(jī)鹽聚合物鉆井液體系，具有抑制能力強(qiáng)、封堵防塌效果好、性能穩(wěn)定周期長等優(yōu)點(diǎn)，在塔西河組以上強(qiáng)水敏、強(qiáng)分散性泥巖地層，抑制鉆屑的水化分散防止污染鉆井液，有利于鉆井液性能控制，抑制巖石組分水化分散膨脹防止井壁垮塌，抑制巖屑的水化分散，減少鉆井液中劣質(zhì)鉆屑含量、減少鉆井液中微米、亞微米粒子，有助于提高機(jī)械鉆速。大尺寸井眼堅持“三強(qiáng)一低”，使用聚合物降濾失劑有效控制失水，增強(qiáng)造壁性，保證井眼穩(wěn)定，使用瀝青類提高鉆井液對地層的封堵膠結(jié)能力，通過K+、Ca2+復(fù)配使用強(qiáng)化鉆井液對鉆屑的抑制作用。

三開安集海河組及以下井段優(yōu)選油基鉆井液，綜合性能優(yōu)良，在溫度180℃、密度2.60g/cm3的條件下，流變性優(yōu)良、乳化性能穩(wěn)定，抗污染性能強(qiáng)，添加復(fù)合封堵劑形成的高密度防漏型油基鉆井液，大幅降低了井下復(fù)雜事故，提高鉆井速度[12-13]。

3 實施效果分析

3.1 優(yōu)選鉆頭實施效果

二開?571.6mm 井眼，獨(dú)山子組中上部砂礫巖地層優(yōu)選混合鉆頭+減震器，單只鉆頭進(jìn)尺1065m，機(jī)械鉆速8.42m/h；下部使用強(qiáng)攻擊性和強(qiáng)保徑KS1952ARY+垂鉆+螺桿，平均機(jī)速9.68m/h，同比DF1 井井眼擴(kuò)大28.5%，提速10.62%。

三開?431.8mm 井眼，使用GT56KS 鉆頭+垂鉆+螺桿鉆具組合，用時5.6d 完成996m 進(jìn)尺，創(chuàng)安集海河組最快鉆速、431.8mm大尺寸井眼進(jìn)尺周期最短和“一趟鉆”，平均機(jī)速11.08m/h，較鄰井HT1井提高465.3%。

四開?333.4mm 井眼，使用GT55S、GT46S、簡雙排齒GT45DS 鉆頭+垂鉆+螺桿鉆具組合，通過強(qiáng)化參數(shù)，大幅提高趟鉆進(jìn)尺及機(jī)械鉆速，平均機(jī)速3.81m/h，HT1井提速53.63%。

3.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化

在呼西背斜相繼上鉆的2 口評價井四開在井下螺桿轉(zhuǎn)動和地面頂驅(qū)轉(zhuǎn)動的復(fù)合鉆井條件下，H02 井在東溝組至連木沁組，將PDC 鉆頭由五刀翼16mm 復(fù)合片優(yōu)化為四刀翼16mm 復(fù)合片設(shè)計，強(qiáng)化鉆壓提高破巖能力的提高了機(jī)械鉆速，平均鉆速達(dá)到3.26m/h，同比H01井機(jī)械鉆速提高34.2%，鉆頭單趟鉆進(jìn)尺404m，同比H01井提高27%。見圖2。

圖2 H02井四開井段鉆井參數(shù)與機(jī)械鉆速對應(yīng)圖

3.3 井身質(zhì)量全優(yōu)

通過防斜打直技術(shù)提速，在提速及井身質(zhì)量控制方面均取得了非常好的效果。已完成3口井二開至四開大尺寸井眼采用主動防斜垂鉆鉆井系統(tǒng)，為強(qiáng)化鉆井參數(shù)創(chuàng)造條件，配合大扭矩抗壓螺桿井斜控制在1°以內(nèi)，完鉆后測井和下套管前通井順利，各次技術(shù)套管安全順利下入預(yù)定井深。

4 結(jié)論與建議

（1）二開至四開5700m大尺寸井眼，上部礫石層采用混合鉆頭+減震器，其余井段采用主動防斜垂鉆+大扭矩螺桿鉆井系統(tǒng)，為強(qiáng)化鉆井參數(shù)創(chuàng)造條件，大幅度提高了機(jī)械鉆速。同時也為固井提供優(yōu)質(zhì)井筒，縮短了完井作業(yè)時間。

（2）在鉆井裝備、地面設(shè)備及工器具等設(shè)備能力穩(wěn)定可靠的前提下，通過實施參數(shù)優(yōu)化和強(qiáng)化，提高鉆頭破巖效率實現(xiàn)鉆井提速。實時識別鉆進(jìn)過程中影響鉆頭破巖效率的主要因素，為鉆井工程技術(shù)人員掌握井下情況、優(yōu)化作業(yè)措施提供方向。

（3）隨著對地層認(rèn)識的提高，積極開展多種復(fù)合鉆井防斜打快的研究推廣，加大國產(chǎn)垂鉆系統(tǒng)的使用，推進(jìn)準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)防斜打快技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。