海塔盆地直快鉆井技術(shù)及發(fā)展方向

段曉巖 孫妍 王楚 路蕊

(1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院,黑龍江大慶 163413;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油一廠,黑龍江大慶 163001;3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司,黑龍江大慶 163453)

海塔盆地直快鉆井技術(shù)及發(fā)展方向

段曉巖1孫妍1王楚2路蕊3

(1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院,黑龍江大慶 163413;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油一廠,黑龍江大慶 163001;3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司,黑龍江大慶 163453)

近年來隨著大慶油田穩(wěn)產(chǎn)形勢的需要,海塔探區(qū)逐步成為大慶油田又一主戰(zhàn)場。經(jīng)過多年的勘探,雖已形成了一套適合海塔探區(qū)的鉆井工藝技術(shù),但還沒有達到海塔增儲上產(chǎn)降低成本的要求,鉆井提速勢在必行。通過采用復(fù)合鉆進、機械式隨鉆測斜儀引入、鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選等方法以及渦輪鉆井技術(shù)等新工藝的應(yīng)用,海塔盆地開展的直快鉆井技術(shù)取得了一定的效果,較好地解決了大傾角地層的提速問題。結(jié)果表明自行研制有效的防斜打快工具有著良好的市場前景。

海塔探區(qū) 復(fù)合鉆進 機械式隨鉆測斜儀 參數(shù)優(yōu)選 直快鉆井

海塔盆地位于我國東北部，蒙古國東部，屬于巨大的中亞-蒙古坳拉槽的一部分。近年來隨著大慶油田穩(wěn)產(chǎn)形勢的需要，海拉爾、塔木察格探區(qū)逐步成為大慶油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的又一主戰(zhàn)場。經(jīng)過多年的勘探，雖已形成了一套適合海塔探區(qū)的鉆井工藝技術(shù)，但與海塔增儲上產(chǎn)降低成本的要求還有一定的差距，鉆井提速勢在必行。

1 海塔盆地直快鉆井技術(shù)最新成果

1.1 復(fù)合鉆進技術(shù)

1.1.1 復(fù)合鉆進提速機理

為解決使鉆頭獲得較高的機械能量和水力能量的同時提高鉆頭進尺這一難題，在海塔地區(qū)[1]開展了螺桿鉆具配高效PDC、牙輪鉆頭提高機械鉆速的推廣應(yīng)用試驗。增大鉆壓和提高轉(zhuǎn)速都可以大幅度提高鉆速。但在深部井段，鉆壓受到地層條件、鉆頭承壓能力及鉆井工藝技術(shù)措施的限制。鉆壓大，鉆柱承受的扭矩過大，容易引起鉆柱疲勞破壞，造成井下事故，必將延誤鉆井時間，除此外還引起井斜，故在深井鉆井中采用大鉆壓鉆進是不明智的。但只靠轉(zhuǎn)盤速度提高鉆頭的轉(zhuǎn)速是不夠的，因為轉(zhuǎn)盤擋數(shù)有限，并且轉(zhuǎn)速高后，一旦遇到特殊情況，轉(zhuǎn)盤很難控制，容易造成鉆具事故。在硬地層與鉆頭相互作用及鉆柱與井壁碰撞誘發(fā)的劇烈振動嚴重損壞鉆具。相比之下，在保證井眼凈化充分的前提下，利用螺桿鉆具提高鉆頭的轉(zhuǎn)速對提高鉆速是相當有利的，特別是對于PDC鉆頭，由于其結(jié)構(gòu)上的特殊性和破巖方式的不同，使之能承受較高的轉(zhuǎn)速[2]。

表1 巖石可鉆性試驗結(jié)果

表2 海塔鉆頭優(yōu)選結(jié)果

1.1.2 復(fù)合鉆進方式的優(yōu)點

通過海塔盆地現(xiàn)場的復(fù)合鉆進方式的試驗，結(jié)合實際數(shù)據(jù)，總結(jié)如下：

(1)能有效的減輕轉(zhuǎn)盤負荷，提高鉆機的穩(wěn)定性，延長設(shè)備的使用壽命，增加鉆機的有效鉆井能力。

(2)單彎螺桿在井內(nèi)，可以適時進行糾斜作業(yè)，實現(xiàn)了井斜的連續(xù)控制，可穩(wěn)斜、降斜。(3)間接起到減震器的作用。(4)機械鉆速相對提高。(5)防止鉆具粘卡。

1.1.3 復(fù)合鉆進現(xiàn)場應(yīng)用情況

2009年，海塔盆地鉆井施工全部推廣了復(fù)合鉆進工藝技術(shù)，在直井段采用旋轉(zhuǎn)加滑移鉆進，在糾斜段采用滑移鉆進，隨時調(diào)整井斜和方位，可以連續(xù)有效地控制井眼軌跡。實現(xiàn)了適時糾斜作業(yè)，及對井斜的連續(xù)控制，減少起下鉆頻次及時間，有效地縮短建井周期。在定向井施工中一套鉆具結(jié)構(gòu)即可完成造斜段和穩(wěn)、降斜段施工。還試驗了高速牙輪鉆頭，嘗試和應(yīng)用了牙輪鉆頭復(fù)合鉆進方式，采取降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)的方式，使之與牙輪鉆頭的轉(zhuǎn)數(shù)配伍。牙輪鉆頭的平均機械鉆速由去年的2.8m/h提高到2009年的4.3m/h，提高了53.57%。有效地解決了純轉(zhuǎn)盤鉆進的諸多難點。

表3 優(yōu)化鉆井參數(shù)后與優(yōu)化前平均機械參數(shù)對比表

1.2 機械式隨鉆測斜儀引入

在實際的應(yīng)用過程中機械式隨鉆測斜儀的優(yōu)點有以下幾個方面：

(1)隨鉆測斜儀節(jié)約了單點測斜時間;(2)能夠及時檢測井斜情況;(3)減少了鉆具組合的起下鉆次數(shù);(4)發(fā)生井斜時，可以直接進行吊打糾斜或螺桿降斜;(5)在不易斜的井段可以解放鉆壓。

采用機械式隨鉆測斜儀配合單彎螺桿組成的鐘擺鉆具進行隨鉆測斜與控斜，在大磨拐河組以下地層——最深達到2989m，平均每次降斜1.70d，與使用鐘擺鉆具相比，平均每口井縮短工期近3d。共進行螺桿降斜作業(yè)42次，降斜進尺2382.88m。同時解決了因使用常規(guī)鉆具產(chǎn)生的鉆具振動，造成的鉆具疲勞破壞，避免了斷鉆具事故的發(fā)生，2009年短鉆具事故僅2次。

1.3 鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選

1.3.1 巖石可鉆性試驗和硬度試驗

巖石的可鉆性是決定鉆井效率的基本因素。它反映了鉆進時巖石破碎的難易程度，它是合理選擇鉆進方式、鉆頭類型和設(shè)計鉆進參數(shù)的依據(jù)。所以，研究巖石(或地層)的可鉆性對提高鉆井效率具有重要的實際意義[3]。

通過對海拉爾-塔木察格盆地已鉆井巖心的分析，選擇了代表性強的部分井進行巖石的地面實驗，從而得出巖石的可鉆性及硬度情況(如表1所示）。

1.3.2 鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

該方法的優(yōu)點具有如下優(yōu)點：(1)可以掌握單井所使用的鉆頭數(shù)量及型號;(2)可以直接得到每只鉆頭鉆達的深度、層位、進尺和鉆速;(3)可直觀得到單只鉆頭的鉆速對比曲線;(4)形成了鉆頭在深度上的使用剖面和全井的鉆速曲線。

通過該種分析手段，可同時瀏覽整口井使用的鉆頭的所有信息。通過對比試驗，海塔盆地鉆頭優(yōu)選結(jié)果如表2。

同時2008年針對海塔地區(qū)地層特性，優(yōu)化鉆井參數(shù)，提高了機械鉆速。如表3所示給出了上部井段參數(shù)優(yōu)化前后機械鉆速對比情況，優(yōu)化后相對于優(yōu)化前機械鉆速提高了35.04%。

以增加排量，提高鉆頭水馬力為主要技術(shù)手段，保證泵排量在38L/S～45L/S之間，縮小牙輪鉆頭的水眼，提高鉆頭水馬力，因上部第四系地層大多是粘土和疏松泥巖，充分發(fā)揮鉆頭水馬力的破巖作用，機械鉆速顯著提高(詳見表4)。通過增大排量和使用較大尺寸的表層鉆頭，使表層井眼偏大，有利于表層套管的下入，加快了下套管的速度，并且63口無一次遇阻。取得了非常好的效果。

2 海塔盆地直快鉆井技術(shù)發(fā)展方向

海塔盆地通過直快鉆井技術(shù)的配套，鉆井速度和質(zhì)量得到了全面大幅度的提升，隨著渦輪鉆具的出現(xiàn)和國產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)的實驗，海塔盆地的鉆井速度有望再上新臺階。

2.1 渦輪鉆井技術(shù)

減速器渦輪式在普通的渦輪鉆具的下方連接一個減速比為i的充油齒輪減速器，使渦輪鉆具轉(zhuǎn)速降低至1/i，而渦輪的扭矩增加i倍，從而實現(xiàn)大扭矩、中轉(zhuǎn)速的動力性能。同時與渦輪配套的PDC鉆頭近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟指標[4]。

渦輪鉆井的優(yōu)點：(1)機械鉆速高，行程鉆速快，可縮短建井周期，大幅度地降低鉆井成本。(2)井身質(zhì)量好，井徑規(guī)則;(3)減少鉆具疲勞消耗;(4)維修費用低，平均工作100-150h后，僅需更換價格為5000元左右的軸承即可。

2.2 機械式垂直鉆井工具

當井眼發(fā)生傾斜，偏重機構(gòu)在自身重力作用下，穩(wěn)定在井眼低邊，上盤閥的扇形口則穩(wěn)定在井眼高邊。鉆柱帶動殼體和下盤閥旋轉(zhuǎn)，下盤閥有3個導(dǎo)流孔，分別對應(yīng)活塞，當上盤閥扇形口與下盤閥導(dǎo)流孔重合時，通道被打開，高壓鉆井液進入活塞缸，推動活塞靠向高邊井壁，井壁的反作用力使得鉆頭在井眼低邊的切削量增加，井斜逐漸降低。鉆柱繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當下盤閥導(dǎo)流孔與上盤閥扇形口錯開時，流體通道關(guān)閉，不再驅(qū)動活塞推靠井壁。如此循環(huán)往復(fù)，井斜被適時感應(yīng)和修正，獲得較高鉆井速度[5]。目前該工具已完成設(shè)計加工與組裝，正處于調(diào)試階段。

3 結(jié)語

近年來，海塔盆地開展直快鉆井技術(shù)取得了一定的效果，較好地解決了大傾角地層的提速問題。實鉆結(jié)果表明各種防斜措施都具有一定的適應(yīng)性，綜合各種因素，自行研制有效的防斜打快工具有著良好的市場前景。

復(fù)合鉆井技術(shù)在海塔地區(qū)大面積推廣應(yīng)用試驗證明復(fù)合鉆進技術(shù)能夠大幅度提高機械鉆速，有效控制井斜。通過巖石可鉆性研究，優(yōu)選牙輪和PDC鉆頭，現(xiàn)場應(yīng)用良好，鉆井周期顯著縮短。在易斜井段應(yīng)用機械式隨鉆測斜儀配合單彎螺桿組成的鐘擺鉆具組合隨鉆測斜和控斜效果顯著，平均每口井縮短工期近3d。渦輪鉆井有可能在海塔盆地取得突破性進展。

[1]陳嘉玉.提高海拉爾地區(qū)鉆井速度技術(shù)研究[D].2007.6.

[2]云海濤.大慶徐深氣田提高鉆速技術(shù)研究[D].2007.6.

[3]吳鵬.復(fù)合鉆井工況下牙輪鉆頭井底軌跡仿真分析及鉆頭改進[J].江漢石油科技2007,17(3)：37-40.

[4]周英操,張書瑞,劉永貴.大慶外圍探井鉆井速度的影響因素分析[J].石油學(xué)報,2007,28(2)：113-116.

[5]高德利,張輝,潘起峰等.流花油田地層巖石力學(xué)參數(shù)評價及鉆頭選型技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2006,28(2)：1-3,6.