大慶深層天然氣提速技術研究

孫 莉

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163000）

1 大慶深層天然氣鉆井技術現狀

1.1 基本情況

大慶天然氣年產50×108m3，是油田可持續發展的重要組成部分，其中，深層天然氣產量31×108m3，是大慶天然氣開發的主力氣田。近年來，深層天然氣鉆井，通過持續攻關，打造了以氣體鉆井、液動旋沖工具、渦輪鉆具等技術產品為代表的先進提速技術，鉆井速度逐年提高。但總體經濟效益不高，尤其是中下部地層進尺僅占30%，但周期占70%，是制約大慶深井提速提效的一項主要因素。因此，重點攻關中下部地層，開展技術完善、適應性評價以及集成應用，是實現大慶深層提速提效的重要技術手段。

1.2 技術難題

一是各單項技術不同區塊、不同層段應用效果差異大，工具的穩定性和使用的針對性還有待進一步提高。如：相同型號的液動旋沖工具在徐深6井區兩口相鄰井，實鉆效果差異大。徐深6-306井泉二段—營城組（井底），僅用2只鉆頭，平均進尺550.45m，平均機械鉆速5.70m/h；徐深6-302井泉二段—營城組，用6只鉆頭，平均進尺180.31m，平均機械鉆速2.52m/h。

二是多項技術集成應用度不高，存在單項技術應用效果好，但整體綜合應用效果不明顯的現象。如：宋深9H井的直導眼井采用多種提速技術，鉆井周期僅86.77d。而鄰井宋深10井主要依賴液動旋沖提速，雖然該井段提速54%，但鉆井周期達到100.21d。

三是大慶深層地溫梯度高，上下溫差大，鉆井液、水泥漿性能控制難度大，助劑種類多，且多數依賴外購，費用高。如：鶯深6井三開起下鉆后，終切高達20Pa以上，開泵循環時間長，且不利于井壁穩定；在升深1-斜3等井多次出現工具失效導致的回接插入失敗、座掛失敗等情況，造成后期拔套管作業。

四是大慶深層天然氣鉆井技術雖然起步較晚，但通過近年來的快速發展，形成了以液動旋沖、渦輪為主的提速配套技術，達到國內領先水平，但在鉆頭、抗高溫鉆井液、固井方面與國外先進技術還存在一定差距。

2 提速技術研究

2.1 地質預測技術

針對松遼盆地深層巖性差異大的特點，開展了以巖芯室內實驗為基礎，以測錄井單井分析預測技術為依托，以地震反演技術為推演手段的深層巖性、巖石可鉆性、三壓力及裂縫/破碎帶預測研究，以此進行工程設計各部分優化，形成了一套集“地質預測、工程優化”為一體的綜合提速技術，提高了鉆井工程設計的針對性和實用性。

通過鉆前綜合預測分析，一方面對井身結構、鉆頭選型、鉆井參數等開展針對性優化設計，提高鉆井施工效率；另一方面可根據裂縫形態和發育特征，提前50m采用針對性的隨鉆堵漏措施，降低實鉆過程中井下漏失風險，保證施工安全。

為了提高鉆前地質預測的時效性，優選了表1中的深層重點區塊，開展井震結合的點—線—面—體的分析研究，形成目標區塊地質綜合數據體，巖石可鉆性計算模型與室內試驗數據平均相對誤差7.48%，相似巖性頂面埋深平均相對誤差1.12%，相似巖性厚度平均相對誤差1.78%，孔隙壓力預測平均相對誤差6.66%，破裂壓力預測平均相對誤差8.85%，實現了區塊內布井可迅速提取地質資料，及時進行施工方案優化，提高生產效率。

表1 推廣范圍

2.2 井身結構設計

結合勘探目標和提速需求，依據井身結構設計標準和井控細則，在保證鉆井施工安全的前提下，系統開展了井身結構優化研究，考慮地質及提速等方面，較前幾年優化了各開次下深，并增加了雙城區塊的研究，確定了圖1中的五種主要的標準井身結構，實現了“降本增效”。

圖1 標準井身結構

2.3 鉆頭序列優選

針對深層火成巖、致密砂礫巖地層特性差異大的特點，在巖石力學參數預測基礎上，統計分析不同巖性地層鉆進難易程度發現，大慶深層“難鉆巖性”主要為礫巖、流紋質角礫巖、流紋巖。在深層難鉆巖性中礫巖、流紋質角礫巖、流紋巖的可鉆性最差，且抗壓強度較高，其中流紋巖可鉆性最差，抗壓強度最高。在此基礎上，依據PDC鉆頭吃入極限理論（抗壓強度≤18000psi）和地層含礫情況，建立了大慶深層各區塊常規PDC使用極限深度，通過個性化鉆頭優選、改進與試驗，形成了大慶深層高效鉆頭序列。

2.4 鉆井參數強化

通過配套35MPa高壓泥漿泵、5-1/2″S級鉆桿等設備，持續開展“三大兩高”提速攻關，以臨界鉆速所需排量、鉆壓等參數為底線，研究排量與轉速匹配關系，進行強化鉆井參數試驗，提升鉆井效率，圖2為隔開次鉆井參數。

圖2 強化鉆井參數

通過采取“三大兩高”強化鉆井參數、優選高效PDC鉆頭等措施，2020年肇深區塊施工的3口深井技套全部使用1只四川萬吉WS605鉆頭鉆至泉一段完鉆，相比鄰井節省1只鉆頭，鉆井周期縮短2.74d，具體應用效果見表2，泉一段平均機械鉆速31.14m/h，泉二段—泉三段平均機械鉆速22.56m/h。

表2 應用效果

2.5 液動旋沖工具改進完善

液動旋沖工具經過對三種工具先后四次改進完善后已實現了系列化，可適用于6″、8-1/2″、9-1/2″和12-1/2″井眼鉆進，截止到2020年初，累計施工127口井，總進尺9.2×104m，平均提速126%，各項指標超過國內外同類產品。

一是研制了液動旋沖工具性能檢測系統，實現了轉速、頻率、扭矩、壓降、沖擊力等參數的精確檢測，從而提高了工具的可靠性，使工具整體質量得到有效控制（QA/QC），為進一步優化液動旋沖工具提供數據支撐。

二是為了適應“三大兩高”提速要求，對工具流道（實心軸→空心+可調噴嘴）、連接方式（銷軸→錐形螺紋）進行了改進，保證施工排量增加28%（28~30L/s→36~38L/s）的同時，工具性能不變（工具壓耗、沖擊頻率等）。

2019年改進后的工具累計應用22支，壽命提高14.84%（155h→178h），平均鉆速再提高37%（126%→163%）。其中，改進后279型工具在630重點工程——升平庫平1井成功應用，進尺780m，鉆速提高175%，2020年正在鉆的肇深16-平1井，進尺228m，鉆速提高276%，創歷史最好成績，具體提速效果見表3。

表3 2020年液動旋沖工具提速效果

2.6 鉆井液體系優化改進

為提高鉆井液封堵防塌效果，對瀝青類封堵防塌劑進行了優選評價實驗。通過單劑評價和體系的配伍性實驗，最終優選了FT-1A，同時增加納米聚合物用量，與FT-1A配合使用，達到了良好的封堵防塌能力，鉆井液性能參數見表4。

存在問題：原體系使用的抗高溫降濾失劑類型單一，在水平井施工后期，鉆井液溫度越來越高，起下鉆過程中，井底鉆井液經過長時間高溫老化后，聚合物結構會發生變化，易出現高溫降解的現象，造成HTHP失水增加，流變性變差。

改進措施：引進HFR-1抗高溫降失水劑，與原配方中的JY-1復配使用，在已經完鉆的徐深1-平6井和正在施工的昌深1HC井中取得了良好的使用效果，HTHP失水基本控制在9~12mL范圍內，并且鉆井液在長時間高溫老化后，保持良好流變狀態。

2.7 完善深層防氣竄固井配套技術

針對深層氣井固井難點，圍繞抗高溫、防腐蝕、防竄、防漏等技術難題，以提高固井質量、預防井口帶壓為目標，推廣應用固井配套技術措施。

固井方案：應用尾管及尾管回接固井工藝，結合井身質量、居中度、鉆井液性能、固井前置液、水泥漿、固井工藝及施工參數等，優化固井方案。

抗高溫外加劑：為了提高外加劑產品穩定性和適應性，自主生產緩凝劑、降失水劑和穩定劑等核心外加劑，保障現場施工安全。

多級沖洗頂替：根據數值模擬分析，優化了固井前置液方案，形成多級沖洗方案，優化前后，模擬頂替效率提高了7.91%。

水泥漿技術：應用抗高溫膠乳水泥漿，提高防竄能力；應用1.30~1.50g/cm3大溫差低密度水泥漿，保障易漏井施工安全；應用自修復水泥漿，預防井口帶壓。

最終形成了以“壓穩、居中、替凈、密封”為原則的深層天然氣井固井配套技術。2019~2020年推廣應用13井次，未發生井口帶壓，合格率100%，固井后無井口帶壓問題。

3 應用效果

3.1 推廣規模

通過可鉆性預測、鉆頭優選評價、參數優化、提速工具等多種技術手段的集成應用，開展了個性化設計，優化集成后的技術成果在大慶深層各個區塊推廣應用，其中包括徐深、宋深、升深、肇深、中央隆起等區塊探井和開發井共13口，均取得了良好的應用效果，保障了施工快速順利進行，從而為深層天然氣勘探開發提供了技術支撐。

3.2 經濟效益

分別統計近三年的深層直井和水平井數據，應用了深層天然氣鉆井技術優化與集成應用技術后，直井的平均機械鉆速提高了43.5%，平均鉆井周期縮短了40.46d，水平井的平均機械鉆速提高了37.7%，平均鉆井周期縮短了51.07d。近三年的深層天然氣直井鉆井情況見表5，近三年的深層天然氣水平井鉆井情況見表6。

表5 近三年的深層天然氣直井鉆井情況

表6 近三年的深層天然氣水平井鉆井情況

直井經濟效益：節省鉆機日費=40.46×15=606.9（萬元）

水平井經濟效益：節省鉆機日費=51.07×15=766.05（萬元）

50鉆機、70鉆機日費按15萬元/d。

經過計算本項目每口直井節省鉆井成本606.9萬元，每口水平井節省鉆井成本766.05萬元，總體經濟效益顯著。

3.3 社會效益

項目通過頂層優化設計、技術優選與集成配套，充分發揮各項技術優勢，建立大慶深井鉆井技術模版，優化施工工序，并為深層天然氣上產提供了鉆井技術支撐，因此，該項研究具有良好的經濟效益、社會效益和廣泛的市場前景。

4 結論

(1)強化鉆井參數，在保證井眼清潔的同時，充分發揮螺桿的功率，從而提高機械鉆速，是深層水平井提速的關鍵措施[6]；

(2)在地質設計基礎上，通過裂縫/破碎帶詳細預測，并根據裂縫形態和發育特征，提前50m采用針對性的隨鉆堵漏措施，可有效降低井漏發生的幾率；

(3)通過尾管+尾管回接方式固井，配合自愈合水泥漿，可有效解決井口帶壓問題；

(4)針對深層主要區域，綜合考慮多種提速技術對比評價，明確各項技術應用界限，分區塊建立了“降本增效鉆井技術”模板。