大慶油田深井提速及降本增效技術研究

權俊生（大慶鉆探工程公司鉆井三公司）

大慶油田徐家圍子深部地層主要包括泉頭組二段以下地層，其中營城組和沙河子組為天然氣的主力產層，埋藏深度一般在4 000～5 000 m。營城組巖性以安山巖、角礫巖、凝灰巖、礫巖、流紋巖為主，裂縫和微裂縫發育；沙河子組以泥巖夾凝灰巖、白色礫巖及煤層為主，在營城組上面的登婁庫層位巖性均質性差，且出水量大。這些層位可鉆性極差，且地層松散，鉆井過程中極易發生鉆井液漏失和井塌埋鉆具等事故。通過開展鉆頭選型、提速工具研究、鉆完井液處理劑合成等配套技術研究，在大慶油田深井提速和降本增效方面取得了顯著的效果。

1 現狀

1.1 地質特點

大慶深部地層的巖性較為復雜，主要為砂巖、泥巖、火山巖和砂礫巖及其過渡性巖石，并且部分地層夾雜煤層，具有多套儲集類型，主力氣層孔隙度2.0%～10.0%，滲透率在0.04～2.5 mD，地層壓力系數為0.9～1.2，局部存在異常壓力層系。泉頭組二段以下到沙河子組地層堅硬，可鉆性級值8～10.38級，營城組可鉆性級值大于10級，沙河子組可鉆性級值8～9級，在以上層位機械鉆速極低，鉆頭磨損嚴重，嚴重影響了勘探開發的進程[1]。

1.2 鉆井施工難點

1）巖石強度高，機械鉆速低。由于儲層硬度高，抗壓強度2 000～5 000 MPa，其中火山巖在4 000～5 000 MPa，機械鉆速極低，鉆頭磨損嚴重。

2）地層傾角大，防斜難度高。登婁庫以下地層傾角最高達60°，地層巖性均質性差，泉頭組以下地層造斜能力強，常規提速工具在這些地層都存在易斜的風險。

3）井底溫度高，鉆井液性能易惡化。深部地層平均地溫梯度為4.1℃/100 m，井深多在5 000 m左右，井底溫度最高在200℃以上，鉆井液處理劑易高溫降解，導致鉆井液性能惡化和流變性失去控制。

4）地層情況多變，井下復雜情況多發。登婁庫組以上層位水層較多、出水量大，泥巖水敏性強，井壁易吸水膨脹導致失穩；青山口組屬于微裂縫和微孔隙發育的硬脆性泥巖地層，被水浸泡后常發生剝落、掉塊和井塌等事故；營城組火山巖地層，裂縫發育的同時，還夾雜煤層，屬于典型的深部破碎帶地層，鉆進中鉆井液漏失情況多發，漏失發生率超過20%，致使多口井側鉆和提前完鉆。

2 深井提速技術研究

為解決深層安全鉆進技術難題，提高鉆井速度，達到降本增效的目的，針對深層地質特點和鉆井施工難點，從優化鉆井設計、研選高效鉆頭、研發提速工具、研發抗高溫鉆井液體系和研發固井配套技術等幾個方面開展技術攻關。

2.1 優化鉆井設計

大慶油田深層天然氣井一般采用三層井身結構設計，表層套管封隔上部松散地層和保護地下水層，四方臺組完鉆；技術套管封隔上部水層、高壓層和青山口組，在登二段完鉆，生產套管在沙河子組完鉆。經過多年技術積累和鉆井工藝整體進步，鉆井設計現在主要考慮地層壓力、閉封點設計和工藝優化設計幾方面，從而使井身結構設計更加合理。

以往鉆井設計的二開井段較長，需要2個鉆頭才能完成鉆進，二開完鉆后下尾管懸掛和回接，使得成本較高。優化設計后，通過一次全封固井工藝的完善、鉆頭優選和提速工具的使用，使井身結構更為合理：二開完鉆層位由登婁庫組二段提高至泉頭組二段上部，減少技術套管長度和水泥用量，并取消尾管懸掛和回接，進一步降低成本；二開完鉆使用低密度水泥漿一次全封固井，使技術套管封固長度加長，使二開固井成本和鉆井周期都大幅度下降；二開段長度減少，PDC鉆頭的使用數量由2個減少為1個，一趟鉆完鉆，減少鉆頭成本；三開堅硬地層使用液動旋沖工具和渦輪鉆具，使鉆速明顯提高，進一步縮短鉆井周期。

2.2 研選高效鉆頭

通過前期積累的錄井、測井資料可確定各井段的地層特性和巖石可鉆性極值，從而對大慶深部地層使用的鉆頭進行優選。泉頭組地層為粉砂巖，呈不等厚互層，從泉三段開始巖石強度逐漸增加，應注意優化鉆井液水力學參數提高機械鉆速；登四段以下為泥巖和粉砂巖不等厚互層，夾層較多，地層可鉆性變化較大應注意牙輪鉆頭的保徑，匹配合適的鉆壓和轉速。通過鉆頭優選，二開井段基本實現1～2只PDC鉆頭完鉆，在提高機械鉆速的同時還減少了起下鉆等停時間，二開鉆進周期控制在25天以內，與臨井相比鉆進時間縮短10天以上，取得了明顯的提速降耗效果。大慶深層巖石情況及鉆頭適用類型見表1。

2.3 研發提速工具

在前期引入國外先進提速工具的基礎上，開展了液動旋沖工具和渦輪鉆具的自主研發，并針對不同井型形成了系列化產品。

2.3.1 液動旋沖工具

液動旋沖工具是在常規鉆具組合基礎上，加裝一套液動沖擊器，將鉆頭的破巖方式從單純的切削轉變為附加高頻機械沖擊和高壓水力脈沖的復合破巖，從而大幅度提高機械鉆速。其技術特點：通過高頻周向沖擊力預先使巖石形成裂紋，從而改善PDC鉆頭的使用環境，減少鉆頭黏滑現象，起到輔助破巖的作用；高頻水力脈沖波動輔助破巖，由于液動旋沖工具內部特殊的水力學轉化機構，可改變鉆井液的流態，形成高頻震蕩波，輔助破巖并提高井底巖屑的清洗效果；純機械構造，抗溫性強，可滿足高溫環境使用需求；操作簡單，無需其他配套設備[2]。

目前大慶油田自主研發的液動旋沖工具已在深層鉆井施工中推廣應用，機械鉆速顯著提高，取得了良好的應用效果。液動旋沖工具的應用情況見表2。

表1 大慶深層巖石情況及鉆頭適用類型

表2 液動旋沖工具應用效果對比

2.3.2 渦輪鉆具

渦輪鉆具是一種通過鉆井液驅動的井下液動馬達。工作時高壓鉆井液沖擊葉片和彎曲的渦輪定子，將鉆井液的壓能和動能轉化為機械能，進而驅動鉆頭高速轉動研磨地層。該工具具有耐高溫性能好、橫向振幅小、耐油基鉆井液腐蝕、井眼規則、穩定性高等優點，比螺桿鉆具更適合用于深部高溫油氣井的開采[3]。

大慶油田自主研發的渦輪鉆具配合優選的孕嵌金剛石鉆頭，并在宋深9H等井進行了現場試驗。其中宋深9H三開一趟鉆鉆至設計井深，大幅度提高了機械鉆速，減少了起下鉆等停時間和鉆頭使用數量，整體指標已接近國外同類產品。自研渦輪鉆具與進口鉆具的提速對比見表3。

2.4 研發抗高溫鉆井液體系

大慶深部地層由于地質情況復雜、井底溫度高等原因，易發生鉆井液處理劑高溫降解、鉆井液流變性惡化等復雜情況，早期主要使用油基鉆井液。近年來隨著環保要求的不斷提高和鉆井成本的嚴格控制，環保型的抗高溫水基鉆井液成為研究和應用的重點[4]。

為了滿足大慶深部地層對鉆井液抑制性、抗溫性、潤滑性和防漏堵漏能力的要求，開展了針對性的攻關研究：抑制性方面，以自主合成的聚胺抑制劑為主，配合聚合醇抑制劑和無機鹽抑制劑，利用“多元協同抑制”原理大幅度提高了鉆井液抑制性[5]；以自主研發的抗高溫降濾失劑和抗高溫增黏劑為主，保障了鉆井液體系在高溫下的流變性能和濾失量，并提高了鉆井液的井眼清潔能力；以優選的納米封堵劑、超細碳酸鈣和可變性封堵材料復配使用，解決了剝落、掉塊和井塌等井壁失穩難題[6]；使用自主合成的抗高溫環保潤滑劑，配合固體潤滑劑進一步提高了鉆井液潤滑能力，減少了托壓和摩阻；利用架橋填充理論，通過優選剛性、柔性和彈性顆粒，研發出一套深部地層的防漏堵漏技術。

研發的抗高溫高性能鉆井液體系在4口深井的應用過程中性能穩定，有效解決了以往該區塊使用水基鉆井液存在的機械鉆速低、井下事故多等問題。與臨井相比，平均縮短鉆進周期30天，平均井徑擴大率4.1%。徐深23-平1創造了大慶油田使用水基鉆井液鉆進的最短鉆井周期（109天）和井深最深（5 048 m）的鉆井記錄。提高溫性能鉆井液應用效果對比見表4。

2.5 固井水泥漿外加劑及工藝技術

為了滿足深層天然氣勘探對固井質量的要求，通過開展技術攻關，研發了具有自主知識產權的低密度水泥漿外加劑，并研究了包括固井防氣竄、防腐蝕、大溫差等水泥漿固井工藝技術，降低了固井施工過程中的環空壓耗，進一步提高了水泥封隔段長度，實現長井段一次全封固固井技術。同時，還研制了套管居中扶正器、漂浮下套管工具、遇水膨脹工具等，使固井質量合格率和優質率進一步提高。

3 提速效果及經濟效益分析

大慶油田深部地層提速技術及工藝在現場應用過程中取得了顯著效果。在原有井身層次基礎上，優化井身結構可以大量減少水泥和套管成本，鉆頭使用數量也相應減少，真正達到了降低成本的目的；提速工具的使用，使平均鉆井周期減少了37天以上；抗高溫鉆井液的良好性能也保證了安全鉆井的實施，減少了鉆井液漏失和井下復雜；低密度水泥漿體系使固井質量合格率和優質率提高，減少了氣竄等事故帶來的損失。

表3 渦輪鉆具應用效果對比

表4 抗高溫高性能鉆井液應用對比

2012—2016年大慶油田累計完成深井72口。平均井深3 996 m，平均機械鉆速3.87 m/h，平均鉆井周期112天。同比2007—2011年平均鉆井周期縮短37天。以50D鉆機日費15.7萬元計算，單井鉆機日費即可節約580.9萬元，72口井僅鉆機日費就節約4 000萬元以上。另外，也大幅度減少了鉆井液漏失和處理復雜的造成的經濟損失。

4 結論及建議

1）大慶深部地層存在地質條件復雜、井底溫度高、巖石可鉆性差等特點，這是造成機械鉆速慢、鉆井周期長、鉆井成本居高不下的主要原因。

2）通過開展井身結構設計、鉆頭優選、提速工具研發和鉆完井液體系等配套技術措施的研究和應用，在72口井的現場累計應用中取得了良好的提速效果，大幅度縮短了鉆井周期，有效降低了鉆井成本，為保障大慶油田深部天然氣資源的高效開發提供了有效的技術支撐。

3）旋轉導向鉆井系統是目前國際上廣泛使用的提速工具，尤其適用于深層水平井的使用，但進口設備使用成本較高，需要進一步加大國產旋轉導向技術的研發和試驗工作。