松遼盆地北部X 區塊水平井鉆井提速技術研究*

沙韋達 （大慶油田有限責任公司鉆探工程公司）

X 區塊位于松遼盆地北部，是大慶油田深層天然氣勘探開發的主要區域，該區塊具有氣藏埋藏深、地溫梯度高、地層壓力高、鉆遇層位多、巖性復雜、孔縫發育、巖石硬度高和可鉆性差等特點[1]，目前主要采用深層水平井進行開發。鉆井施工由上至下依次鉆遇第四系、上白堊統明水組、四方臺組、下白堊統嫩江組、姚家組、青山口組、泉頭組、登婁庫組、營城組及沙河子組地層，地層情況復雜，機械鉆速低，起下鉆頻繁，施工周期長，嚴重制約了深層天然氣高效開發[2-4]。為進一步提高鉆井施工效率，針對該區塊開展了井身結構優化設計、提速工具研選、配套PDC 鉆頭研選和抗高溫鉆井液體系優化等技術研究，為X 區塊天然氣高效開發提供了技術保障[5-7]。

1 地質概況及工程難點

上白堊統以上地層大段泥巖、粉砂巖發育，泥巖易水化膨脹，造成縮徑、卡鉆等復雜情況。例如在X-2H 井的施工過程中，在上部?311.2 mm 井段短起下時，發生了卡鉆，損失鉆井時間15 h。下白堊統至泉頭組泥巖、粉砂巖、頁巖發育，易發生剝落掉塊、井塌、井漏等復雜情況。例如在X-1 井的起下鉆過程中，發生了較為嚴重的剝落掉塊現象，并且起下鉆及下套管過程中均有刮卡現象，損失鉆井時間8 h。登婁庫組以下地層含火成巖和硬質砂礫巖，地層硬度高、研磨性強，機械鉆速慢。X-3H 井在該層位的機械鉆速僅為1.6 m/h，施工周期36.8 d，大大影響了鉆井時效。目的層孔縫發育，主要為粒間孔、溶蝕孔隙、微孔及裂縫，孔縫大小在30～150 μm 之間，易發生井漏。X-4 井在該層位施工時，多次發生井漏，共計漏失鉆井液348 m3，進行6 次堵漏施工，損失鉆井時間168 h。

2 鉆井提速技術研究

2.1 井身結構和井眼軌道設計優化

根據松遼盆地北部X 區塊的地質特性，以降本增效為目的，在兼顧施工安全的同時，優化了表層套管與技術套管下入深度，為了進一步降低施工難度和施工風險，將表層套管下深至明水組，技術套管下深至泉一段，從而確保鉆井施工安全。井身結構設計對比見圖1。

圖1 井身結構設計對比Fig.1 Comparison of wellbore structure design

根據松遼盆地北部X 區塊水平井施工特點，通過對不同工況下的摩阻進行對比，在井眼軌道優化方面采用了雙增五段制剖面設計。該設計為施工過程預留了足夠的井段用來調整實鉆軌跡、彌補工具造斜率誤差，并可以降低軌跡狗腿度，使井眼軌道更平滑，有利于鉆具和套管的順利下入，從而縮短建井周期，降低鉆井成本。不同設計剖面下的摩阻對比見表1。

表1 不同設計剖面下的摩阻對比Tab.1 Comparison of frictional resistance under different design profiles

2.2 ? 311.2 mm 井眼提速技術

2.2.1?311.2 mm 井眼高效PDC 鉆頭研選

松遼盆地北部X 區塊二開上部地層為明水組至泉頭組，井深300～3 000 m，地層主要以泥巖、泥質粉砂巖、暗紫色泥巖、灰色粉砂巖、泥質砂巖為主，巖石可鉆性較好。針對該類地層的地質情況，研選了5 刀翼?311.2 mm PDC 鉆頭，該鉆頭使用16 mm 主切削齒，為5 刀翼（2 長3 短）、單排齒結構。合理的刀翼高度和寬度，既保證了鉆頭強度，又提高了鉆頭的攻擊性；將兩個長刀翼的心部采用復合片和球狀體結合的方式，既可以提高心部切削齒的露齒高度，進而增強鉆頭心部攻擊能力，又可以提高心部齒的抗沖擊能力，有利于延長使用壽命[8-9]。研選的5 刀翼?311.2 mm PDC 鉆頭結構見圖2。

圖2 5 刀翼? 311.2 mm PDC 鉆頭結構Fig.2 Structure of 5 Blade ? 311.2 mm PDC drill

2.2.2?311.2 mm 井眼提速工具研選

?311.2 mm 井眼引入了大慶鉆井工程技術研究院自主研發的DQY-279 型液動旋沖工具來進一步提高機械鉆速。該液動旋沖工具通過與鉆井液作用產生周向高頻率沖擊，從而減少PDC 鉆頭的黏滑現象，達到提速效果。由于?311.2 mm 井眼鉆進過程中鉆井液排量較大，該工具改進了旋轉動力機構，設計了中空流道旋轉軸，從而降低了工具的工作壓降，更適應大排量的井下工作環境。同時還改進了旋轉管的連接方式，由銷軸連接改進為螺紋直連，保證了旋轉管的居中度，提高了工具的穩定性和使用壽命。

2.3 ? 215.9 mm 井眼提速技術

2.3.1 旋沖螺桿工具

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為了進一步提高鉆井時效，在?215.9 mm 井眼施工過程中引入了大慶鉆井工程技術研究院自主研發的?176 型旋沖螺桿工具。?176 型旋沖螺桿工具由定向動力總成、彎殼體總成、傳動軸總成和振動沖擊總成四部分組成，鉆井液通過鉆柱進入旋沖螺桿動力馬達，推動馬達轉子旋轉，將轉速和扭矩通過振動沖擊機構傳遞給鉆頭；另外鉆井液進入振動沖擊機構時還會產生高頻周向振動和軸向水力脈沖，使鉆頭在旋轉切削的同時產生周向振動，增加鉆頭的破巖效率，提高機械鉆速。旋沖螺桿工具結構見圖3。

圖3 旋沖螺桿工具結構Fig.3 Rotary punching screw tool

?176 型旋沖螺桿工具與常規螺桿工具相比，具有4 方面技術優勢：①造斜率高。該工具減小了傳動軸總成和振動沖擊總成的尺寸，將工具彎點到鉆頭距離縮小至1.3 m，比常規螺桿縮短了20%，在提高機械鉆速的同時保證了造斜效率，造斜率可達11.2°/30 m。②扭矩大、壓降小。通過優化馬達頭數及線型，提高了定、轉子嚙合率，并采用納米轉子鍍層材料，降低了鍍層孔隙度，縮短了馬達導程，增大了振動沖擊機構內徑，當鉆井液排量為31 L/s 時旋沖螺桿工具壓降可控制到5 MPa 以內，工作扭矩可達到9.3 kN·m，比常規螺桿工具提高29.1%。③耐高溫。旋沖螺桿工具所用橡膠密封部件均采用了特殊材質橡膠，抗溫可達180 ℃。④壽命長。通過改變振動沖擊方式，并選擇抗沖擊性和韌性較好的合金材質作為主要工作部件，同時采用硬質合金強化技術提高表面耐磨性，使該工具的工作時間達到300 h 以上，比常規螺桿的工作壽命提高了50%。

2.3.2 φ215.9 mm 井眼高效PDC 鉆頭研選

針對火成巖、砂礫巖地層的巖性特點，研選了與旋沖螺桿相匹配的非平面齒高效PDC 鉆頭，該鉆頭具有以下2 方面的特點。

1）采用非平面齒復合片。非平面PDC 復合片高效鉆頭將切削方式由面-面接觸變為線-面接觸，提高了切削齒對巖石的切削力。復合片的脫鈷深度超過1 400 μm，使復合片耐磨性大幅提升。當鉆遇含礫地層時，非平面齒的點接觸方式，綜合剪切破碎和應力破壞破巖模式，可改善受力情況并提高鉆頭壽命。

常規切削齒切削巖屑時受力較集中，遇到極硬地層時，會大幅度降低切削齒的使用壽命，而非平面齒將切削方式由傳統的面-面接觸變為線-面接觸，非平面PDC 復合片切削受力情況見圖4。該種設計在提高切削齒壽命的同時加大了切削力；此外，復合片材質的脫鈷深度超過1 400 μm，沖擊力大于540 J，進一步提高了復合片的耐磨性。

圖4 非平面PDC 復合片切削受力情況Fig.4 Cutting force situation of non planar PDC composite sheet

2）結合旋沖螺桿進行布齒設計。考慮非平面齒高效PDC 鉆頭需要配合旋沖螺桿工具使用，針對旋沖螺桿特性加強了在鉆頭肩部的布齒密度，便于旋沖螺桿對鉆頭施加沖擊力，并使鉆頭磨損更均勻，提高了鉆頭使用壽命；采用雙排齒設計，并提高肩部布齒密度，使每個切削齒承受較小的鉆壓，以提高切削齒的壽命，提高破巖效率，延長鉆頭使用壽命；增加復合片后端刀翼上的控制切深設計，可限制復合片不追蹤前面的復合片軌跡，更有效與地層接觸；優化后傾角，適度選用較大的復合片后傾角來緩解、消除地層和旋沖螺桿工具對復合片沖擊損傷。

非平面齒高效PDC 鉆頭與?176 型旋沖螺桿工具配合使用，能夠提高鉆頭在火成巖、致密砂礫巖等極硬地層鉆進的能力，提高行程鉆速，縮短施工周期，降低鉆井施工成本。

2.4 鉆井液體系優化

2.5 鉆井液回收利用

由于X 區塊同時作業井的數量較多，且所用鉆井液體系基本相同，所以不同井號、不同井段的鉆井液在進行適度處理后，可以實現再利用，從而達到節約成本、減少排放、保護環境的目的。因此，在X 區塊建立了鉆井液回收處理站。每口井完鉆后將循環罐內剩余的鉆井液密閉運至處理站，并取樣進行膨潤土含量和固相含量檢測，根據檢測結果加入相應比例的高效抑制劑絮凝有害固相，并使用高速離心機最大限度地清除有害固相。將處理后的鉆井液與新配鉆井液按比例進行混合后，加入流型調節劑進行調整，使鉆井液性能達到開鉆需求，最后將處理好的鉆井液運送至其他即將施工或正在施工的井隊。

3 提速技術在X 區塊應用情況分析

3.1 典型井例分析

3.1.1 施工前準備

以X-H19 井為例，收集鄰井施工深度、鉆遇層位和地層溫度、壓力、巖性等地層數據；收集臨井復雜事故情況、鉆具組合情況、鉆井液性能及注采信息等情況；根據設計了解地理位置、井深、井身結構、井眼軌跡等基本信息。

3.1.2 施工情況

?311.2 mm 井段應用?311.2 mm 高效PDC 鉆頭+DQY-279型液動旋沖工具鉆具組合，?215.9 mm井眼應用?215.9 mm 非平面齒PDC 鉆頭+?176 型旋沖螺桿工具鉆具組合。

液動旋沖工具入井前進行井口測試，正常工作排量48 L/s，泵壓4 MPa，測試結束后下鉆。施工層位為泉頭組以上地層，鉆遇泥巖、粉砂巖、油頁巖、泥質砂巖，施工井段為290～2 832 m，單趟鉆進尺2 542 m，純鉆時間173.8 h，平均機械鉆速14.62 m/h。對比鄰井X-H6 井，節省了一趟鉆，平均機械鉆速提高了73.42%，鉆井周期縮短2.3 d，提速效果明顯

旋沖螺桿工具入井前進行井口測試，正常工作排量31 L/s，泵壓5 MPa，測試結束后下鉆。施工層位為登婁庫組登四段-營城組營四段，鉆遇礫巖、砂礫巖，施工井段為2 832～3 545 m，單趟鉆進尺713 m，純鉆時間196.43 h，平均機械鉆速3.62 m/h ， 對比鄰井X-H6 井（施工井段為2 849～3 583 m，進尺734 m，純鉆時間278.36 h，平均機械鉆速2.63 m/h），平均機械鉆速提高了37.64%，鉆井周期縮短了9.6 d，提速效果明顯。

3.2 區塊應用效果

松遼盆地北部X 區塊水平井提速技術現場應用19口井，平均井深4 769 m，平均機械鉆速14.87 m/h，平均鉆井周期73.63 d，施工過程中均無井下復雜情況發生。與應用技術前相比，共計減少鉆井液配制量約1 900 m3，平均井深增加146 m，平均機械鉆速提高58.9%，平均鉆井周期縮短32.05 d，按照70D 鉆機日費15 萬元計算，19 口井共節約鉆機日費9 134.25 萬元。提速技術部分井現場試驗情況見表2。

表2 提速技術部分井現場試驗情況Tab.2 Field test results of some wells for speed-up technology

4 結論

1） 通過優化井身結構、優化井眼軌道設計、研選高效PDC 鉆頭、引入液動旋沖工具和旋沖螺桿工具、優化鉆井液體系等多種技術手段，形成了松遼盆地北部X 區塊水平井鉆井提速技術。

2）在松遼盆地北部X 區塊建立了鉆井液回收處理站，回收利用鉆井液約1 900 m3，取得了良好的環保效果。

3）鉆井提速技術在松遼盆地北部X 區塊共計應用19 口井，平均機械鉆速提高了58.9%，平均鉆井周期縮短了32.05 d，取得了良好的經濟效益，為大慶油田深層天然氣開發提供了有力的技術支撐。