金華—秋林區(qū)塊沙溪廟組致密砂巖鉆井提速技術(shù)

王 文,劉家屹,陳 捷,黃 兵

1中國石油西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部 2中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦 3中國石油西南油氣田分公司致密油氣勘探開發(fā)事業(yè)部 4中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

金華—秋林區(qū)塊位于四川盆地川北古中坳陷低緩帶東部，歷經(jīng)了四川盆地的歷次沉積演化和構(gòu)造運動，形成了中下三疊統(tǒng)及其以下的以碳酸鹽巖為主的海相地層和上三疊統(tǒng)-侏羅系以砂泥巖為主的陸相地層。秋林207-5-H2、秋林211-8-H1、秋林209-8-H1三口試采井累計無阻流量超過450×104m3/d，致密氣勘探開發(fā)潛力巨大[1-2]。統(tǒng)計分析前期10口完鉆井平均完鉆井深3 519 m，平均鉆井周期為30.6 d，平均機械鉆速為15.8 m/h，為加快金華—秋林致密氣勘探開發(fā)速度，開展鉆井提速研究意義重大。

1 金華—秋林區(qū)塊鉆井難點

秋林區(qū)塊沙溪廟組致密砂巖儲層共發(fā)育38套河道砂，橫向上河道大面積分布，縱向上多期疊置，其中8號砂組規(guī)模大，埋藏深度介于200～2 400 m，河道寬度介于600～1 400 m，儲層厚度介于10～25 m；以中—細粒長石砂巖為主，巖屑長石砂巖次之；礦物組分中石英、長石、巖屑分別占45.0%、33.3%、21.3%。

前期鉆井實踐表明，主要存在以下技術(shù)難點：

(1)井眼軌跡設(shè)計及控制難度大。受地面條件限制，井眼軌跡的靶前位移大，中靶困難，軌跡調(diào)整頻繁，定向托壓嚴重，制約鉆井提速；區(qū)塊沉積環(huán)境為辮狀河道沉積，非均質(zhì)性極強，儲層段軌跡控制難度大。

(2)工區(qū)全井段巖性主要以砂巖和泥巖互層為主，常規(guī)PDC鉆頭對地層攻擊性不足，制約了該區(qū)提速提效。

2 安全高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對金華—秋林地區(qū)鉆井技術(shù)難點及技術(shù)現(xiàn)狀，開展了井眼軌跡及控制技術(shù)優(yōu)化、高效PDC鉆頭優(yōu)選,配套提速技術(shù),強化鉆井參數(shù)、鉆井液性能及井眼清潔措施等，形成致密砂巖地層高效鉆井技術(shù)。

2.1 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計及控制技術(shù)

優(yōu)化井眼軌跡及控制技術(shù)能夠為致密氣儲層內(nèi)鉆遇率和產(chǎn)量提供保障[3-5]。基于此開展了研究工區(qū)內(nèi)井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計和控制技術(shù)研究，結(jié)果見表1。由表1可知，在靶點相同的情況下，大三維井眼軌跡剖面的累計摩阻比雙二維井眼軌跡剖面的累計摩阻大。

表1 雙二維軌跡與常規(guī)三維軌跡的摩阻扭矩對比表

控制技術(shù)方面，由于需要實時調(diào)整軌跡，對底部鉆具組合造斜率要求高，因此優(yōu)選斯倫貝謝PowerDrive Archer與貝克休斯AutoTrack Curve兩種高造斜率旋轉(zhuǎn)導向工具，滿足實時調(diào)整軌跡的需求。

2.2 高效PDC鉆頭優(yōu)選

金華—秋林區(qū)塊一開井段完鉆井鉆頭均為百施特公司的5刀翼PDC鉆頭，復合片為19 mm，均為一趟鉆中完，TS1954GUV鉆頭的最大鉆速為65.10 m/h，TS1952鉆頭的最大鉆速為48.02 m/h，TS1953鉆頭的最大鉆速為44.17 m/h[6-7]。因此，一開井段優(yōu)先推薦TS1954GUV鉆頭。

二開井段主要供應(yīng)商有Smith和NOV，也使用了鉆采科技公司的國產(chǎn)PDC鉆頭。二開井段所有鉆頭的平均機械鉆速15.05 m/h，最大機械鉆速62.07 m/h，由NOV的TK59鉆頭所創(chuàng)造；平均單只鉆頭進尺852.5 m，最大單只進尺2 158 m，由NOV的TK59鉆頭所記錄，實現(xiàn)單只鉆頭完成二開導眼井段的作業(yè)。綜上分析，二開井段優(yōu)選NOV的TK59鉆頭作為配套鉆頭。

2.3 提速配套技術(shù)

金華—秋林區(qū)塊20口已完鉆井中，二開?215.9 mm井眼鉆具組合中大多使用了進口NOV水力振蕩器鉆進。表2給出水平段使用水力振蕩器，鉆速可提高43.35 %，推薦在大斜度井段和水平段使用進口水力振蕩器[8]。

表2 水力振蕩器應(yīng)用效果

圖1給出了金華—秋林區(qū)塊三口井二開井段某一層段無螺桿鉆進和帶螺桿鉆進時的機械鉆速對比。由圖1可得，在同一口井同一層段使用相同鉆頭鉆進的情況下，螺桿鉆具能夠有效地提高機械鉆速，建議金華—秋林工區(qū)在各開次鉆進時使用螺桿鉆具，提高機械鉆速，縮短鉆井周期，節(jié)約成本。

圖1 二開井段同層段帶螺桿提速效果評價

圖2給出了工區(qū)內(nèi)使用旋導時是否帶動力螺桿的實鉆效果對比。從圖中可以看出，工區(qū)不帶動力螺桿的旋導平均機械鉆速為8.71 m/h，而使用旋導+動力螺桿鉆進的平均進尺為1 405 m，平均機械鉆速為17.95 m/h，提升高達106 %。旋導+動力螺桿鉆具組合提速效果顯著，優(yōu)先推薦旋轉(zhuǎn)導向+動力螺桿的鉆具組合進行軌跡控制。

圖2 旋導+動力螺桿提速效果評價

2.4 鉆井參數(shù)強化技術(shù)

由于金華—秋林工區(qū)地層大都為強研磨性地層，除了通過采用與地層性質(zhì)相匹配的井下工具來提高機械鉆速外，還可通過強化水力參數(shù)來提高機械鉆速[9-10]。與牙輪鉆頭不同，PDC鉆頭的破巖原理為橫向剪切，破碎的巖石巖屑遠小于牙輪鉆頭沖擊破碎所產(chǎn)生的巖屑，對于采用PDC鉆頭破巖的強研磨性地層，要增強水力參數(shù)輔助破巖，就需要增加鉆井液排量，使流過鉆頭噴嘴時的射流沖擊力變大[11-14]。由此推薦的二開兩趟鉆，第一趟鉆采用進口LWD+近鉆頭/遠端方位伽馬+彎螺桿+水力振蕩器鉆進，第二趟鉆采用旋轉(zhuǎn)導向工具+螺桿+旋流清砂器鉆進。

2.5 鉆井液性能優(yōu)化及井眼清潔技術(shù)

圖3分別給出了?215.9 mm井眼中鉆井液環(huán)空流動壓降隨鉆井液動切力和塑性黏度的變化規(guī)律。對比圖3(a)、圖3(b)結(jié)果可知：當其它條件相同時，鉆井液動切力的變化對環(huán)空流動壓耗的影響遠大于鉆井液稠度系數(shù)對環(huán)空壓耗的影響，既在滿足鉆井液攜巖的前提下，適當降低鉆井液的動切力能夠有效降低井底動壓力(或井底正壓差)，提高機械鉆速[15-16]。

圖3 井眼環(huán)空壓降梯度隨鉆井液性能變化規(guī)律

另外，為了防止大斜度井出現(xiàn)巖屑床、鉆頭泥包的情況，采用有清潔功能的鉆桿和加重鉆桿。清潔鉆桿結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，主要有清潔段和攜巖段組成，清潔鉆桿與其他常規(guī)螺旋鉆鋌的最大區(qū)別在于，前者的螺旋槽兩側(cè)的切割角度不同，分別為α和β；后者的螺旋槽兩側(cè)的角度都為Y，如圖4(b)所示[17-20]。

圖4 清潔鉆桿與常規(guī)鉆鋌對比

由于螺旋槽兩側(cè)的切割角不同，所以清潔段橫斷面呈勺型，β角邊可以將巖屑床上的巖屑挖起來，并將巖屑向上運移；通過仿真可知，β角邊壓力梯度高，α角邊壓力梯度低，螺旋槽道中形成渦流效應(yīng)，將巖屑吸入槽道，并向上推舉。

攜巖段主要通過水動力攜帶巖屑，并將巖屑向上推動使其進入循環(huán)體系。實際應(yīng)用中，在可能出現(xiàn)巖屑床的深度每27 m使用一根清潔鉆桿，在其余深度每54 m增加一根清潔鉆桿，這樣能在正常的排量和轉(zhuǎn)速下有效地保證井眼清潔。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 旋轉(zhuǎn)導向應(yīng)用情況

金華—秋林工區(qū)17口完鉆井中不帶旋導的平均機械鉆速為15.3 m/h，平均鉆井周期為30.6 d。帶旋導的平均機械鉆速為24.0 m/h，相比不帶旋導，平均機械鉆速提升57.1%;平均鉆井周期為15.4 d，相比不帶旋導，平均鉆井周期減少49.7 %。

3.2 PDC鉆頭應(yīng)用情況

圖5是秋林208-15H1井二開井段使用的TK59型鉆頭出井后照片，鉆進井段為400～2 040 m，純鉆時間53.75 h，平均機械鉆速達30.5 m/h。從圖5中可以看出，TK59型鉆頭一趟鉆鉆進1 640 m后，鉆頭磨損較小。

圖5 秋林208-15H1井二開井段TK59型鉆頭出井照片

3.3 提速配套技術(shù)應(yīng)用

金華—秋林區(qū)塊完鉆井全開次共使用螺桿88次，其中發(fā)生故障12次，均出現(xiàn)在二開井段，其中鹽亭201-7H1井共使用螺桿11次，故障7次，為完鉆井中螺桿故障最多的井。金華—秋林區(qū)塊二開井段使用天津立林生產(chǎn)的螺桿次數(shù)最多，高達56次，占二開井段螺桿使用總數(shù)的73.6 %。其中驅(qū)動頭發(fā)卡和傳動軸損壞故障發(fā)生的次數(shù)最多。立林的無故障螺桿使用最長純鉆時間為130.84 h，最大進尺為1 976 m；中成的無故障螺桿使用最長純鉆時間為146.83 h，最大進尺為1 724 m；NOV的無故障螺桿最長純鉆時間為102.16 h，最大進尺為1 638 m。二開第一趟鉆優(yōu)先推薦國產(chǎn)立林和中成螺桿，第二趟鉆優(yōu)先推薦NOV進口螺桿。立林的螺桿在發(fā)生故障前平均進尺770 m，平均鉆進時間48.40 h；中成的螺桿在發(fā)生故障前平均進尺584 m，平均鉆進時間33.33 h；NOV的螺桿發(fā)生故障前平均進尺為840 m，平均鉆進時間51.75 h。

3.4 鉆井參數(shù)強化技術(shù)應(yīng)用

金華—秋林區(qū)塊制定了二開高效清砂鉆井參數(shù)方案，進行了現(xiàn)場應(yīng)用，目前現(xiàn)場帶螺桿情況下采用轉(zhuǎn)速80～100 r/min，不帶螺桿采用100～120 r/min，排量>32 L/s，基本能滿足井眼凈化需求。同時根據(jù)不同工況，制定并實施了鉆井液循環(huán)方案，如表3所示。

表3 鉆井液幾種工況下循環(huán)方案

秋林207-5H2井在水平段鉆進過程中，轉(zhuǎn)速>65 r/min，排量在32 L/s左右，井眼凈化情況良好，劃眼、起下鉆阻卡情況較少。

從2 000 m至井底，平均轉(zhuǎn)速91 r/min，最大轉(zhuǎn)速118 r/min，平均泵排量36.7 L/s，最小泵排量23.7 L/s，最大泵排量47 L/s，井眼凈化情況良好，幾乎無劃眼、起下鉆阻卡情況，與秋林207-5H2井相比，秋林209-8H1的轉(zhuǎn)速和排量均相對較高，秋林209-8H1井鉆井周期比秋林207-5H2井縮短了1.3 d。

3.5 井眼清潔技術(shù)應(yīng)用

金華—秋林工區(qū)17口已完鉆井中，超過一半的井都使用了具有清潔功能的鉆桿，且大多都在容易導致沉砂卡鉆穩(wěn)斜段；有2口井在增斜段也使用了具有清潔功能的鉆桿，其中秋林203-H1井從造斜點開始就使用了具有清潔功能的鉆桿直至井底，后期施工時套管全部順利下入，無遇阻情況。

4 結(jié)論與建議

(1)對金華—秋林工區(qū)井眼軌跡進行了優(yōu)化，推薦使用雙二維井眼軌跡設(shè)計方法結(jié)合旋轉(zhuǎn)導向的軌跡控制方式，更精確地控制井眼軌跡。

(2)針對以砂巖和泥巖互層為主，巖性變化相對單一，UCS相對較低，基于巖石力學特性參數(shù)和鉆頭使用效果優(yōu)選：一開鉆頭型號為TS1954GUV；二開鉆頭型號為TK59。

(3)推薦一開井段使用7LZ244×7.0型號螺桿，二開井段使用7LZ172×7.0-XISF型號螺桿；二開第一趟鉆優(yōu)先推薦國產(chǎn)立林和中成螺桿，第二趟鉆帶旋轉(zhuǎn)導向鉆進優(yōu)先推薦NOV進口螺桿；實現(xiàn)提高機械鉆速、縮短鉆井周期。

(4)二開兩趟鉆鉆具組合分別為：第一趟鉆采用TK59+國產(chǎn)彎螺桿+水力振蕩器鉆進；第二趟鉆采用TK59+旋轉(zhuǎn)導向+進口動力螺桿+隨鉆震擊器+旋流清砂器鉆進。鉆壓均為100～150 kN，轉(zhuǎn)速分別為80～120 r/min、80～100 r/min，排量分別為32～38 L/s、32～36 L/s。

(5)形成致密氣鉆井提速模板：一開TS1954GUV+直/彎螺桿7LZ244×7.0+鐘擺鉆具組合，二開第一趟鉆TK59+彎螺桿7LZ172×7.0XISF+MWD+水力振蕩器+…，二開第二趟鉆TK59+旋導+NOV直螺桿+隨鉆震擊器+旋流清砂器+…。應(yīng)用提速模板后，鉆井周期比第一階段縮短49.2 %，比第二階段縮短45.2 %，提速提效效果顯著。