東海X區塊鉆井提速研究與應用

孫乾坤

(中海油能源發展股份有限公司工程技術上海分公司,上海 200335)

近年來,海洋石油鉆探提出了“向深海求發展,向深層要資源”的戰略目標,這使得東海海域油氣鉆探深度進一步加大。東海X區塊深部地層以致密砂巖為主,局部含礫,從花港組下部開始,地層可鉆性變差;鉆至主要目的層平湖組后,砂巖孔隙度進一步降低,偶見硬質夾層,使得鉆頭的可鉆性進一步削弱。由于深部地層可鉆性差,鉆頭機械鉆速偏低、鉆頭易損壞、單只鉆頭進尺短,需要頻繁起鉆更換鉆頭,使得鉆井周期進一步延長[1-3]。鉆井周期延長又使得井眼浸泡時間增加,引發了一系列井壁穩定問題,導致鉆具遇阻和卡鉆等情況的出現,嚴重制約了油氣勘探進度,因而鉆井提速勢在必行[4-5]。目前整個行業鉆井提速的技術主要有沖擊鉆井技術、鉆頭優化技術、脈沖射流提速技術等[6-8]。針對PDC鉆頭在硬地層中使用效果較差的問題,國內外在PDC鉆頭的切削齒、結構設計、水力設計等方面不斷改進創新,一定程度上提升了PDC鉆頭在硬地層中的表現,但當地層巖性非均質性強以及局部存在特殊巖性時,一款PDC鉆頭很難做到同時兼顧。如何實現較高機械鉆速的同時又能保證鉆頭不被過早損壞是一大技術難題。復合沖擊器將鉆頭與提速工具合二為一,作為沖擊鉆井技術的主要工具,可將水力能量轉化為脈沖能量,為鉆頭提供一個均勻的機械沖擊力,既能提高鉆頭的破巖效果,又能延長鉆頭的使用壽命[9-10],特別適合東海深部致密砂巖地層,可作為東海鉆井作業提速提效的重要工具,具有廣闊的運用前景。

1 項目概況

1.1 X區塊地質特征

東海X區塊地層軟硬交錯頻繁、斷層發育,地質構造十分復雜,致使鉆井周期長。其中,花港組中部以上為軟-中硬地層,地層巖石抗壓強度2 000～6 000 psi,可鉆性好;花港組下部至平湖組上部地層巖石硬度大、研磨性高,該層位巖石抗壓強度達6 000～18 000 psi,局部含硬夾層,抗壓強度超過22 000 psi,可鉆性變差。此外,花港組中下部地層局部含礫,礫徑可達2～5 mm,最大8 mm,易造成鉆頭沖擊損壞,導致單只鉆頭進尺短。平湖組頂部蓋層為泥質膠結,局部含灰,鉆頭“吃入”困難,機械鉆速進一步降低;平湖組底部地層抗壓強度繼續增大,可鉆性進一步惡化。

1.2 鉆頭使用情況

歷史資料表明,在X區塊,井眼直徑為311.15 mm時,平均每口井需3趟鉆鉆至中完井深,大多數鉆頭磨損嚴重;井眼直徑為215.90 mm時,井眼每口井需2～3趟鉆鉆至完鉆井深。其中,311.15 mm井眼均從玉泉組開始,X1井在花港組地層使用鉆頭較多,磨損嚴重,故在花港組中部中完;X2井和X3井311.15 mm井眼均鉆穿花港組中完。215.90 mm井眼X1井僅在花港組下段就造成2只鉆頭磨損,在平湖組則使用了3只鉆頭,整體使用鉆頭數量最多;X2井和X3井215.90 mm井眼在平湖組地層鉆進,2只鉆頭即完成了進尺任務,但機械鉆速較低。

對鉆頭使用情況整體分析可知,X1井使用鉆頭數量最多,整井鉆井效率最低;X3井使用鉆頭數量最少,整井鉆井效率最高。

1.3 提速難點

結合地層抗壓強度數據及鄰井鉆頭的整體表現來看,提速主要面臨以下幾個問題:

1)玉泉組及以上地層屬于松軟地層,地層巖石抗壓強度普遍小于2 000 psi,整體可鉆性好,為提高鉆井作業效率,鉆頭需具有較強攻擊性,且要保證一趟鉆鉆至設計井深。

2)龍井組、花港組地層抗壓強度高,地層巖石抗壓強度普遍大于2 000 psi,尤其是花港組地層抗壓強度明顯變大,且含礫,可鉆性變差,易造成鉆頭沖擊損壞,常規鉆頭純鉆時間超過30 h磨損嚴重,機械鉆速持續低于15 m/h。攻擊性強的鉆頭不能適應該地層,攻擊性弱的鉆頭機械鉆速偏低,影響作業時效,鉆頭對上下地層有效兼顧難度大。

3)平湖組地層硬夾層較多,地層巖石抗壓強度普遍大于6 000 psi,局部硬夾層巖石抗壓強度超過22 000 psi,泥巖致密,部分井段為灰質膠結,可鉆性差,常規鉆頭“吃入”困難,純鉆時間超過20 h,機械鉆速持續低于10 m/h,鉆進效率大大降低。

2 技術對策研究

針對項目實際情況,制定的提速技術思路為:根據區域地層巖性特點對PDC鉆頭進行針對性設計改進,配合復合沖擊器提速工具,根據復合沖擊器的使用壽命優化井身結構。

2.1 復合沖擊器原理

常規鉆具在可鉆性差的地層中鉆進時,上部鉆具的轉速相對穩定,不斷積蓄扭矩,而下部鉆具在PDC鉆頭“吃入”地層時轉速降低,破碎巖石時轉速突增,扭矩瞬間釋放,從而出現“黏滑”現象。復合沖擊器通過內部能量轉換裝置將鉆井液的水力能量轉化為脈沖沖擊能量,而后通過能量分配裝置將部分流體能量轉換成一定頻率、周向扭轉、沖擊型的機械能[11-12],工具的內部結構為純金屬機械結構,無電子元器件和橡膠密封件,通過換向機構將泥漿水力能量轉化為高頻、穩定的周向沖擊和軸向沖擊能量,可以提供17～28 Hz的沖擊頻率,總能量可達到300～500 J。此外,給鉆頭施加高頻穩定的周向和軸向沖擊力,扭矩波動幅度較小。該工具除具備傳統扭沖工具扭力沖擊的特點和優勢外,還開創性集成了軸向沖擊功能,減輕近鉆頭位置的托壓和黏滑,讓鉆頭受到的應力更均勻更平穩,配合專用PDC鉆頭獨有的錐形沖擊齒在高硬度地層形成預破碎作用,提高了穿透硬夾層的能力,延長了PDC鉆頭的使用壽命,從而增加單只鉆頭的工作進尺。復合沖擊器在設計時,為了使軸向脈沖和扭轉反沖兩個模塊有效工作,使用測井方法,結合鄰井測井數據和鉆井參數,獲取地層巖性數據,以判斷地層巖石的軟硬強度,比較地層巖性與鉆井的動態變化,并結合有效信息,實時判斷和啟動復合沖擊鉆具的軸向脈沖模塊或扭轉反沖模塊。鉆進中硬、高研磨地層時,通過增大泵注排量、提高鉆壓等作業指令啟動復合沖擊鉆具的軸向脈沖模塊。當鉆入軟到中硬且相對均勻的地層時,啟動復合沖擊鉆具的扭轉反沖模塊,以實現PDC鉆頭的高效扭轉切削功能[13-14]。

2.2 復合沖擊器配合鉆頭優選

一般情況下,在地層質地較軟且研磨性較低的地層中,常采用具有較長的錐形剖面鉆頭,這有利于提高鉆頭的機械鉆速并極大的改善鉆頭的穩定性。鉆頭的外錐越長,可布齒量越多,鉆頭在“吃入”地層時,內外齒磨損會更加均勻,有利于提高鉆頭的使用壽命。在硬質地層或者研磨性較強的地層中,常采用具有較平緩剖面的鉆頭,有利于提高鉆頭的穩定性,從而提高鉆速。此外,切削齒的加速磨損和沖擊碎裂是影響PDC鉆頭在強研磨性硬地層中鉆進效果的主要因素。采用高密度布齒,可以提高PDC鉆頭的耐磨性,但較大的接觸面積會影響鉆進速度,所以高密度布齒的鉆頭應考慮其單個齒的地層“吃入”效果,為提高鉆進速度,高密度布齒的鉆頭要嚴格考慮切削齒后傾角的設計。在鉆進硬地層時,后傾角對破巖效率影響較小,且鉆頭受沖擊力大導致鉆頭壽命較短,此時鉆頭壽命為首要考慮因素。對于較軟地層,后傾角對破巖效率影響較大,此時破巖效率為首要考慮因素。在東海X區塊,針對花港組第7小層以上軟-中硬地層,常采用破巖效果更佳的5刀翼鉆頭配合提速工具使用,可極大提高鉆井效率;花港組底部直至目的層,通常使用研磨性更強的6刀翼鉆頭配合提速工具使用,可提高鉆頭的使用壽命,有利于一趟鉆完成鉆井作業。

由于復合沖擊器高效工作時對鉆頭具有保護作用,因此設計鉆頭時可適當增強其攻擊性,冠部設計成中等拋物線,同時拉長拋物線剖面外翼長度,可以布置更多的切削齒,提高耐磨性,增加外肩齒壽命,來應對外肩線速度高、線位移長的問題。

2.3 井眼軌跡優化設計

參考相鄰區塊井位歷史資料(包括鉆井設計、地質資料、鉆井參數)是新井鉆井設計的重要環節,根據地層特點、可鉆性及復合沖擊器的工作特性和前期使用經驗,優化井眼軌跡是實現一趟鉆工程的關鍵所在。在滿足三壓力(孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力)設計原則的情況下,盡可能在龍井組及以下地層使用復合沖擊器提速,同時每一尺寸井眼結合前期使用經驗評估開泵120 h復合沖擊器能取得的進尺長度,然后恰當設計井眼軌跡。反之,設計過長則需要多趟鉆完成鉆進任務,浪費起下鉆時間;設計過短則浪費工具高效工作壽命,需要更多的井眼開次才能鉆至完鉆井深,浪費成本。

X4井鉆井設計時,結合歷史鄰井機械鉆速表現以及復合沖擊器的壽命優化井眼軌跡。根據歷史地質資料,平湖組上段地層,復合沖擊器對地層的“吃入”效果較好,按照機械鉆速25 m/h,復合沖擊器的開泵壽命140 h設計,預估復合沖擊器開泵140 h的純鉆時間為84 h,鉆頭使用壽命長,井深可適當延伸。井眼軌跡設計時,平湖組以上地層進行增斜或者穩斜鉆進,此時井斜角較大,井眼軌跡較長,大斜度鉆進可以更快地接近目的層,提高鉆井效率,該段設計井眼直徑為311.15 mm,進尺為2 115 m。平湖組以下地層,巖石孔隙度、滲透率突降,地層可鉆性變差,為減少鉆井周期,井眼軌跡采用小井斜、短長度、小井眼的設計方式,降低井斜角,減少水平位移,降低在復雜井段的鉆進深度,進一步提高作業時效,該段設計井眼直徑為212.725 mm,進尺為832 m。

3 現場應用與效果分析

3.1 現場應用

X4井311.15 mm井眼所用鉆具組合為:φ311.15 mm PDC鉆頭+φ203.20 mm復合沖擊器+φ228.60 mm Powerdrive+φ209.60 mm MWD+φ203.20 mm NMDC+φ203.20 mm F/V+φ307.90 mm Stabilizer+φ196.80 mm JAR+φ139.70 mm HWDP+φ139.70 mm DP。鉆井參數為:鉆壓3～15 t,轉速100～130 RPM,排量3 500～4 300 L/min。總開泵時間116.94 h,純鉆時間66.02 h,一趟鉆完成了該井段的作業任務。

215.9 mm井眼所用鉆具組合為:φ215.90 mm PDC鉆頭+φ165.10 mm復合沖擊器+φ171.50 mm Powerdrive+φ171.50 mm ARC+φ171.50 mm MWD+φ171.50 mm NMDC+φ171.50 mm F/V+φ165.10 mm JAR+φ139.70 mm HWDP+φ139.70 mm DP。鉆井參數為:鉆壓5～12 t,轉速50～110 RPM,排量1 800～2 000 L/min。總開泵時間104.81 h,純鉆時間55.06 h,一趟鉆完成了該井段的作業任務。

兩個井段均一趟鉆完成了相應井段的作業任務,與鄰井相比至少節約一趟鉆。

3.2 效果分析

X4井最大程度地發揮了復合沖擊器的壽命和功效。通過優化井身結構,最終實現了各開次井眼一趟鉆的高效鉆井作業任務,創造了該區塊單只鉆頭進尺和機械鉆速新記錄。311.15 mm井眼總進尺2 071 m,平均機械鉆速31.37 m/h,鉆頭磨損評價1-2-WT-A-X-I-NO-TD(圖1);215.90 mm井眼總進尺930 m,平均機械鉆速16.89 m/h,鉆頭磨損評價1-1-WT-A-X-I-NO-TD(圖2)。鉆頭輕微磨損,大幅節約了鉆井時間。

圖1 311.15 mm PDC鉆頭入井(a)和出井(b)照片

圖2 215.90 mm PDC鉆頭入井(a)和出井(b)照片

實際作業周期相比工程設計,節省鉆井周期6.8 d,提質增效效果明顯。與區塊歷史鄰井相比,311.15 mm井段提速80.2%,215.90 mm井段提速177.3%。鉆頭數據統計對比如表1、表2所示。

表1 X4井鉆頭數據統計

表2 X4井與歷史鄰井對比

4 結論

1)復合沖擊器在中硬-硬地層有較明顯鉆井提速效果,對PDC鉆頭有較強保護作用,能大幅延長PDC鉆頭壽命,提高機械鉆速80%以上;對鉆頭進行優選,可以提升鉆頭的破巖效果,獲得較高的機械鉆速。

2)使用復合沖擊器、優化井身結構、針對性改進PDC鉆頭,是鉆遇致密地層、硬質夾層提效提速的重要舉措,對鉆井提速具有極大的借鑒意義;其中,對井身結構進行優化是實現一趟鉆工程的關鍵所在。