順南地區奧陶系卻爾卻克組地層優快鉆井技術

王　龍

（中石化西北油田分公司石油工程監督中心，新疆輪臺841600）

順南地區奧陶系卻爾卻克組地層優快鉆井技術

王龍*

（中石化西北油田分公司石油工程監督中心，新疆輪臺841600）

順南地區是中國石化塔里木盆地外圍勘探的主要區塊，鉆井地質環境復雜，其中奧陶系主力氣層埋藏深，卻爾卻克組作為上覆蓋層，厚度大，且井斜控制困難。采用垂直鉆井工藝、“單彎螺桿+ MWD+PDC”復合鉆井工藝進行現場作業，綜合考慮2種鉆井工藝的性價比及實現效果，形成一套以“單彎螺桿（或直螺桿）+MWD+PDC”復合鉆井工藝為主的優快鉆井方案。在順南區塊三開全井段使用4口井，應用效果顯著。其中，順南5-2井全井段采用“1.25°單彎螺桿+MWD+PDC”復合鉆井工藝，僅2趟鉆完成三開進尺，以22.5d創該區塊三開最短周期記錄。

卻爾卻克組；垂直鉆井；復合鉆井；井斜控制

順南地區位于塔里木盆地塔中區塊的東北方向，地處順托果勒南古城墟隆起西傾斜坡區，是中國石化塔里木盆地外圍勘探的主要區塊，鉆井地質環境復雜，奧陶系主力氣層埋藏深（超過7000m）、地溫梯度高（2.4℃～2.7℃）。卻爾卻克組地層作為上覆蓋層，厚度大（超過2000m）、地層傾角大（15°～25°），常規鉆井方式難以滿足井身質量控制要求，嚴重制約了安全鉆井效率。

1　地層巖石特性分析

順南地區三開井段卻爾卻克組地層較長（3700～6300m），主要巖性為泥巖、泥灰巖、灰質泥巖互層。根據已鉆井測井資料分析，卻爾卻克組地層巖石抗壓強度分布范圍從40～140MPa，平均為76.55MPa。由此可見，該組地層縱向地層單軸抗壓強度分布不高，屬于中等硬度巖石，地層可鉆性較好。以順南7井巖石內摩擦角計算分析為例，三開卻爾卻克組地層內摩擦角范圍從37°～43°，其波動幅度較小，平均內摩擦角為39.48°。

綜上所述，順南地區三開卻爾卻克組地層巖石呈現出中等硬度且抗剪切性不強，較為適合PDC鉆頭鉆進。

2　垂直鉆井工藝

傳統直井的井斜控制主要是采用鐘擺鉆具組合，但其降斜能力受鉆壓影響嚴重，在鉆遇地層傾角大的易斜地層時，利用該鉆具組合控制井斜只能采取輕壓吊打，以犧牲鉆井效率的方式保證井身質量。因此，采用井下專用工具防斜糾斜，大力釋放鉆壓，可以大幅度提高鉆井效率。目前，在現場應用的國外垂直鉆井工具以Baker Hughes（貝克休斯）公司的VertiTrak垂直鉆井系統和Schlumberger（斯倫貝謝）公司的Power-V自動垂直鉆井系統為主要代表［1-4］。國內各石油公司及科研院所也相繼開展了攻關研究，國內克拉瑪依、大港、勝利等油田和中國石油大學等單位都擁有各自研發的垂直鉆井系統［5］。下面以國產UPC-VDS垂直鉆井系統為例闡述其工作原理及技術參數。

2.1國產UPC-VDS系統的工作原理及技術參數

UPC-VDS系統是中國石油大學自主研發的垂直鉆井系統，由井斜感應系統、導向控制系統和信號傳輸系統3個子系統組成（見圖1）。在鉆進時該系統通過井斜感應系統確定井底的井斜角和井斜方位角，然后驅動執行機構鎖定所需控制的井斜方位角；導向控制系統是一套液壓機械執行裝置，下接鉆頭，上接井斜感應系統，主要由側向推靠機構和鉆井液導流閥組成。鉆井液導流閥由井斜感應系統控制，側向推靠機構由鉆井液導流閥控制。在井眼高邊（即井斜感應系統鎖定的控制井斜方位角）側向推靠機構的推靠巴掌伸出，推靠井壁，井壁的反作用力則將鉆頭推向低邊；而在井眼的其他位置，側向推靠機構則不工作，實現鉆進過程中對井斜的修正。系統在井斜感應系統和信號傳輸系統內建有2個獨立的井斜測量裝置，根據鉆井施工要求的不同，信號傳輸系統選用實時傳輸和間斷傳輸2種模式［5］。

圖1　UPC-VDS系統結構示意圖

2.2現場應用效果分析

順南區塊三開井段共進行5口井的垂直鉆井系統使用試驗，使用效果較好的為順南4、順南5、順南501，機械鉆速較相鄰的順南1、古隆2、古隆3、順南3的機械鉆速（2～2.83m/h）均有所提高，鉆壓大幅度解放，井斜得到很好地控制；但順南401和順南7因井下情況或工具自身問題出現使用過程中的異常，造成工具磨損或鉆頭的先期損壞，增加了起下鉆處理異常周期，降低了鉆井效率。如表1所示。

以順南501井為例，該井三開掃塞結束將井底清理干凈后，第一趟鉆在3746m開始使用復合鉆井工藝鉆進至4428m，因MWD儀器電池弱，信號傳輸衰減起鉆，井斜保持在0.32°～1.4°；第二趟鉆使用同一鉆具組合鉆進至4949m，測得最大井斜2.42°/4920m，計算水平位移38.5m，井斜呈現上升趨勢；經上報決定起鉆更換貝克休斯垂直鉆井系統。

第一、二趟鉆具組合：

?311.2mmPDC（SF56H3）+?244.mm直螺桿+ ?228.6mmDC×1根+?310mm扶正器+?228.6mmDC× 2根+?203mmNWDC×1根+?203mmDC×9根+ ?177.8mmDC×9根+?127mm無磁承壓鉆桿+?127mm HWDP×12根+?139.7mmDP；

鉆井參數：鉆壓60kN，轉速60r/min，排量50L/s，泵壓20MPa，鉆時3～10min/m；鉆井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度 48～50s，API失水 4.2mL；HTHP失水11mL。

鉆進過程中參數正常，每鉆進40m測斜一次，井斜有增大趨勢時，采取輕壓吊打方式，利用鐘擺作用控制井斜，但第二趟鉆控制井斜效果不佳。

第三、四趟鉆下入VertiTrak垂直鉆井系統糾斜，使用鉆井井段為4949～6049m，進尺1100m，純鉆時間118h，平均機械鉆速9.32m/h，作業排量：43～46L/s；第三趟鉆于5354m因儀器通訊中斷起鉆，降斜效果明顯，自測深4920m的2.42°降至0.53°，且一直保持；第四趟鉆于6049m完成垂直鉆井任務起鉆，井斜控制良好，井斜在0.53°～1.32°之間。使用垂鉆工具期間，鉆井參數有所強化。

第三、四趟鉆具組合：

?311.2mmPDC（SF55H3）+垂鉆工具+?310mm扶正器+?203.2mmDC×2根+?310mm扶正器+?203.2mm DC×8根+?177.8mmDC×1根+?127mmHWDP×11 根+?139.7mmDP；

鉆井參數：鉆壓80kN；轉速100r/min；排量46L/s；泵壓19MPa；；鉆井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度48～50s，API失水4.2mL；HTHP失水11mL。

圖2　順南501井三開井段井斜變化曲線

3　“單彎螺桿+MWD+PDC”復合鉆井工藝

通過對前期測井資料及已鉆井施工資料的分析，認為卻爾卻克組3700～4400m井段地層產狀穩定，傾角較小，平均在2°左右，使用“直螺桿++MWD+PDC”或“單彎螺桿+MWD+PDC”復合鉆井工藝不易發生井斜；4400～5400m地層產狀不穩定，傾角變化大，其中4400～4500m地層傾角在2°～10°，5300～5400m處地層傾角為2°～16°，常規鉆井工藝易發生井斜，可采用垂直鉆井系統進行控斜鉆進，從順南1井、順南401及順南7井鉆井情況可知使用“單彎螺桿+MWD+PDC”復合鉆井工藝可以有效控制井斜。綜上所述，三開井段311.2mm井眼主要采用“單彎螺桿+MWD+PDC”復合鉆井工藝，計劃四趟鉆完成，如復合鉆井工藝不能滿足控制井斜的要求，則在井斜控制難度大的井段使用UPCVDS-311垂直鉆井系統配合螺桿完成鉆井施工任務。

3.1優化鉆頭和工具

通過對順南5、順南7等已鉆井使用的鉆頭進行分析評價，從ES1935SG、KM1652AR、DFS1605U、M5265LA、TMX5377YSJ優選出新疆DBS產SF56H3 （5刀翼，19mm齒）、SF55H3（5刀翼，16mm齒）和四川深遠產DFS1605U鉆頭，以新疆DBS生產的SF系列鉆頭為例，其具有以下特點：①耐磨性提高，通過降低復合片磨損來保持邊緣的鋒利；②抗沖擊性增強，可以防止切削齒在正常鉆進時因受到動態應力和振動而脫落；③抗溫能力增強，金剛石復合片不易脫落。采用抗高溫抗高壓測量儀器，要求抗高溫175℃以上，抗壓強度大于125MPa；選用抗高溫螺桿，要求抗高溫175℃以上，防止高溫狀態下電子原件失效或脫膠。順南501井在3746～4949m使用PDC（SF系列）+MWD+直螺桿鉆井工藝，平均機械鉆速達6.68m/h，較前期工區最高水平的4.23m/h提高57.92%。

表2　復合鉆井工藝實施方案

3.2強化水力參數

三開井眼尺寸大且段較長，優選使用?139.7mm非標雙臺階大水眼高強度鉆桿。該鉆桿與普通鉆桿的區別：①接頭處水眼內徑為?101.6mm，普通鉆桿為?76.2mm；②接頭外徑?177.8mm，普通鉆桿為?190.5mm。根據水力學方程計算，該鉆具在不影響鉆具整體強度的前提下，壓耗較常規?127mm鉆桿可降低1.17MPa/km，較常規?139.7mm鉆桿可降低0.33MPa/km。在相同機泵的條件下，該鉆桿能確保鉆頭水功率的高效輸出，同時能確保大扭矩螺桿等井下動力鉆具的正常使用。

3.3優化鉆井液性能

嚴格控制鉀胺基聚磺鉆井液體系轉型，保持鉆井液粘度、切力、失水等性能指標良好，優選出聚胺最佳加量0.3%～0.5%，氯化鉀最佳加量3%～5%，氯根25000～30000ppm；組織開展鉆井液抗溫性能評價實驗工作，利用ST180、PAMS901、AP220等抗高溫材料增強體系高溫穩定能力；優化易垮塌層位的鉆井液密度為1.28～1.30g/cm3，控制API≤5mL，HTHP≤11mL，優選高軟化點瀝青配合多元醇等防塌，配合DF-1非滲透等無機材料改善泥餅質量，泥頁巖段加大抑制劑比例至1%以上，封堵強化井眼，防止剝落掉塊和垮塌。

3.4現場應用效果分析

直（單彎）螺桿+MWD+PDC復合鉆井工藝在順南區塊三開全井段使用4口井，應用效果顯著，井身質量符合設計要求。其中順南4-1、順南5-1井全井段使用單彎螺桿鉆進，平均周期28.11d，較設計周期縮短率為37.5%；順南5-2井全井段使用1.25°單彎螺桿鉆進，僅2趟鉆就完成三開進尺，以22.5d創該區塊三開最短周期記錄。

表3　復合鉆井工藝使用效果分析表

以順南5-2井為例，三開全井段采用1.25°單彎螺桿+MWD+PDC復合鉆井，期間進行2趟鉆施工。鉆井過程中參數正常，每鉆進30m測斜一次。第一趟鉆井段3710～4976m，井斜0.47°～1.8°，在4100～4570m井斜大于1.5°，且有增大趨勢，通過降低鉆壓（60～80kN降低至40～60kN）控時鉆進，在原基礎上加密井斜測量，控制效果明顯，在4770m降至0.5°以內。第二趟鉆井段4976～6288.5m，井斜均控制在1.5°以內，鉆井過程中參數正常平穩。

第一、二趟鉆具組合：

?311.2mmPDC鉆頭（第一趟鉆使用SF56H3，第二趟鉆使用SF55H3）+?244mm1.25°單彎螺桿+單流閥+MWD坐鍵短節+?203mm無磁鉆鋌（MWD儀器）+631×NC560+309mm扶正器+?203mm鉆鋌×6 根+?197mm鉆鋌×6根+?139.7mm加重鉆桿×14根+ ?139.7mm鉆桿；

鉆井參數：鉆壓40～80kN；轉速50r/min+螺桿；排量55L/s；泵壓23MPa；鉆井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度48～50s，API失水4.2mL；HTHP失水11mL。

4　結論

（1）在順南地區三開井段采用“單彎螺桿+MWD+ PDC”復合鉆井工藝的優快鉆井方案可行且應用效果顯著。如不能滿足控制井斜的要求，可在井斜控制難度大的井段使用UPC-VDS-311垂直鉆井系統控制井斜。

（2）復合鉆井施工中優選性能可靠的抗高溫螺桿及測量儀器，加強鉆井液抗高溫評價有利于減少非鉆井時效，提高鉆井效率。

圖3　順南5-2井三開井段井斜變化曲線

（3）在使用垂直鉆井工具前，應確保井下干凈，防止因固井附件碎片等異物造成工具磨損或鉆頭先期損壞。

（4）從結構和制造性能提高國產垂直鉆井工具各關鍵部件的穩定性，對于超深井井斜控制推廣使用具有積極作用。

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［3］龔勛，劉白雁，陳新元，等.自動垂直鉆井工具糾斜控制實驗研究［J］.石油鉆采工藝，2009，31（4）：16-20.

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［6］羅發強.VTK垂直鉆井系統在阿北1井鉆井中的應用［J］.石油機械，2011，39（9）：13-14.

TE242

A

1004-5716（2016）06-0029-04

2015-05-29

2015-06-09

王龍（1982-），男（漢族），山東泰安人，工程師，現從事現場鉆井技術管理工作。