定北區塊優快鉆井技術研究與應用

2012-11-08 04:46:23王錦昌鄧紅琳袁立鶴中石化華北分公司工程技術研究院河南鄭州450006

長江大學學報(自科版) 2012年1期

王錦昌，鄧紅琳，袁立鶴 (中石化華北分公司工程技術研究院，河南鄭州 450006)

陳恒 (油氣地質國家重點實驗室(西南石油大學)，四川成都 610500 )

定北區塊優快鉆井技術研究與應用

王錦昌，鄧紅琳，袁立鶴 (中石化華北分公司工程技術研究院，河南鄭州 450006)

陳恒 (油氣地質國家重點實驗室(西南石油大學)，四川成都 610500 )

定北區塊古生界探井機械鉆速低，鉆井周期長，在一定程度上制約了該區勘探開發進程。為有效提升該區塊的鉆井指標，針對該區上部地層鉆頭易泥包、井眼易縮徑、阻卡，石千峰、劉家溝地層研磨性強，下古生界地層易漏失等鉆井技術難點，從優選適配地層的高效PDC鉆頭、復合鉆進模式、鉆井液技術、井身結構優化等方面開展了技術措施優化和現場試驗。現場試驗的定北11井、定北12井較優化前探井平均機械鉆速提高了29.83%，平均鉆井周期縮短了23.46%，定北12井鉆進至3539m，僅17.46d，全井平均機械鉆速9.59m/h。應用效果表明，采取的提速技術措施是可行的，基本形成了一套適合該區的優快鉆井技術，對該區探井的進一步提速增效具有指導和借鑒意義。

定北區塊；機械鉆速；PDC鉆頭；復合鉆進；鉆井液；井身結構

定北區塊位于鄂爾多斯盆地北部地區，勘探面積888.43km2，古生界天然氣評價資源量1853.35×109m3。定北8井在上古生界太原組試獲6950m3/d的工業氣流，下古生界奧陶系馬四段也獲得了低產氣流，都驗證了定北區塊在古生界具有良好的勘探潛力。定北區塊古生界氣藏具有埋藏深、溫度高和壓力高等特點，且地質年代跨度大，地層巖性、物性差異性大，井下復雜情況多，給鉆井施工帶來了很大困難，導致了該區鉆井指標較低。2010年之前已完鉆的6口古生界探井平均井深4132m，平均鉆井周期長達77.09d，平均機械鉆速僅有5.89m/h。因此，需要開展提升定北區塊鉆井指標(提高機械鉆速和縮短鉆井周期)的技術措施研究，從而加快定北區塊勘探開發進程。

1 研究區概況

定北區塊構造上處于鄂爾多斯盆地中部的伊陜斜坡西翼與天環向斜的交接部位[1]，地層自上而下第四系黃土層，膠結疏松，侏羅系的安定組、直羅組地層的泥頁巖易吸水膨脹，延安組夾煤層及煤線，三疊系的石千峰組、上石盒子組含褐色、棕紅色泥巖，二疊系地層部分井段含砂質礫巖，地層較硬，山西組、太原組地層發育不等厚煤層，原生裂隙較為發育，裂隙內部充填光亮膠結物質；下古生界奧陶系馬家溝組及寒武系張夏組地層以灰巖、白云巖為主，裂縫孔隙較為發育[2]。

表1 截止2010年底古生界探井鉆井指標

截止2010年12月，以古生界為目的層的探井共實施6口，下古生界探井完鉆2口，平均完鉆井深4559m，平均鉆井周期長達121.45d，平均機械鉆速僅有5.21m/h；上古生界探井完鉆4口，平均井深3919.75m，平均鉆井周期54.91d，平均機械鉆速也僅有6.38m/h，詳細指標如表1所示。

2 鉆井技術難點及提速潛力分析

2.1鉆井技術難點

1)鉆頭易泥包，井眼易縮徑、阻卡中生界地層泥巖互層段長，易發生鉆頭泥包，井眼縮徑。以定北5井為例，鉆至607.55m(志丹組)和2520.28m(紙坊組)時都發生了嚴重鉆頭泥包。定北5井從志丹組到太原組長達3000m裸眼段發生了嚴重的縮徑阻卡，劃眼通井耗時11d。二開裸眼段長一般都大于3000m，長裸眼井段的防斜打直及安全施工是一個比較大的挑戰。因此，控制井斜顯得尤為重要。

2)井內溫度高、鉆具及鉆井液易失效根據定北5井、定北6井試氣資料，地面年平均溫度為7.2℃，實測地溫梯度為3.37℃/100m，按此地溫梯度推算，4000m井底溫度達142℃。高溫下鉆井液易出現處理劑失效，鉆具易疲勞失效。定北5井鉆進至3296.57m(石千峰)發生鉆具本體刺漏，定北6井鉆進至2102.13m(延長組)，一根鉆桿本體刺漏一個20mm×30mm洞。定北6井鉆進至2493.83m(延長組)時泵壓忽然下降，起鉆后發現底部第4根鉆鋌斷裂3/4圈，另外定北11井也發生過2次鉆具斷裂事故。

3)下古地層易漏、研磨性強下古生界以及前古生界多為碳酸鹽巖地層，并存在多個侵蝕面且漏失嚴重，其漏失量隨井深加深而增大。定北5井在3859～4040m多次出現井漏，最大漏速16.20m3/h,定北6井在3900m發生井漏，漏速平均為3m3/h，定北8井鉆遇前古生界地層共發生漏失255m3，定北11井也發生了嚴重漏失。進入寒武系后，地層硬度大，達7～8級，研磨性強，鉆速極低，定北5井鉆至張夏組地層，機械鉆速低至1.15m/h，P167M (152.4mm)鉆頭磨損非常嚴重，外徑磨至130mm，牙齒全部磨平。

2.2提速潛力分析

定北探井一開井段較淺(500～800m)，定北5～定北10井一開井段平均機械鉆速18.81m/h,最高達28.34m/h(定北7井選用P273鉆頭在0～508.03m井段平均機械鉆速28.34m/h)，所以一開井段提速空間不大。資料統計表明，定北5～10井二開之后的井段平均機鉆僅有6.23m/h，提速空間大。從鉆井時效上分析，定北5～定北10井純鉆時間僅占鉆井周期的39.77%，而起下鉆、接單根、循環泥漿、劃眼沖孔、處理復雜情況等輔助時間占鉆井周期的40.56%，所以提高純鉆利用率是提速增效的又一重要舉措。

3 提速技術措施及實施效果

3.1提速技術措施

1)井身結構優化定北以上古生界為目的層的探井試驗過2種井身結構，分別是定北6、7、9井采用的2級井身結構和定北10井采用的3級井身結構，雖然該井身結構鉆井風險低，但較2級井身結構周期長，效率低，投資成本高。綜合考慮，最終確定定北上古生界探井采用2級井身結構，一開采用311.1mm鉆頭進入基巖300～500m，下244.5mm套管封隔第四系黃土層、淺水層；二開采用215.9mm鉆頭進入奧陶系50m完鉆，下139.7mm套管，環空注水泥全封固。采取上述措施后，有效縮短了鉆井周期。

2)優選適配地層的PDC鉆頭鉆頭是破碎巖石的直接工具,優選鉆頭不僅要考慮鉆頭本身的性能,更要考慮鉆頭和地層之間的相互匹配程度[3-5]。通過總結不同井段已鉆井鉆頭使用經驗并結合巖石可鉆性及地層特性研究，優選出適應不同井段的PDC鉆頭。二開開鉆-延長組底(井深≤2500m)屬于軟到中硬地層，優選出SKH447G、P5365MJ鉆頭，其中P5365MJ鉆頭為圓弧冠部胎體、PDC復合片雙級切削結構、中高密度刀翼式布齒、大排屑槽水力結構設計，較好地適應了該段地層鉆進過程。在定北11井、定北12井分別實現單只鉆頭進尺2026.21m和1641.73m，取得了良好效果。延長組底、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組等地層(井深2500～3500m)研磨性強、硬度高和夾層多，針對其特點及實鉆經驗優選出GD1605ST和P156M 2種型號的鉆頭。定北12井應用GD1605ST鉆頭在2583.05～3425.71m井段實現一趟鉆進尺842.66m，機械鉆速高達8.01m/h，較以往該井段平均鉆速提高89.83%。進入石盒子組(井深≥3500m)后，為了滿足錄井需要，以牙輪鉆頭使用為主，由于牙輪鉆頭本身的缺陷，所以鉆速相對較低，該井段應用較好的牙輪鉆頭有HJ537G和HA537，最高鉆速達4.63m/h。分層鉆頭推薦如表2所示。

表2 定北分層鉆頭優選結果

3)采取轉盤+螺桿復合動力鉆進模式針對二開上部井段(直羅組～延長組)地層膠結性差、可鉆性高和易井斜的特點，優化采用“簡化四合一”的鉆具組合，即215.9mm Bit+172mm直螺桿+214mm扶+177.8mm DC 6根+158.8mm DC 7根+127mm DP，該鉆具組合的優點如下：①防斜效果好。由于螺桿轉速較高,在相同進尺下切削下井壁的轉數比常規組合高出幾倍,只要鉆頭緊貼下井壁,其防斜效果非常好。特別是在傾斜地層,效果十分明顯。②機械鉆速快。由于螺桿鉆速高,機械鉆速明顯提高,對于軟～中軟地層,機械鉆速可提高50%～100%[6]。該鉆具組合的實質是鐘擺+螺桿，其機理是直螺桿上部的214mm扶正器使下部螺桿鉆具具有鐘擺效應，螺桿的高速旋轉增加了橫向切屑力和橫向切削頻率，從而具有一般鐘擺鉆具組合所沒有的防斜能力，另外螺桿的高轉速配合高效鉆頭也使得機械鉆速大為提高。該鉆具組合首次在定北11井、定北12井應用后取得了良好效果，定北11井在二開上部井段(505.5～2531.71m)使用該鉆具組合，機械鉆速高達24.56m/h；定北12井二開上部(538.27～2180m)井段使用該鉆具組合，機械鉆速高達32.83m/h。

4)改進鉆井液體系該區塊地層壓力系數較低，因而鉆井液技術思路是在保證井下安全的情況下，盡量降低鉆井液密度以確保提高機械鉆速[7]。在鉀銨基聚合物鉆井液體系的基礎上優化了具有強抑制、強封堵防塌性能的聚胺鉆井液體系，成功實現了二開上部井段(二開～延長組底)鉆井液坑式循環。坑式循環的優點是鉆井液可以在較大體積的泥漿坑充分沉降，避免鉆屑重復入井、重復切削，從而保證了入井鉆井液無固相、低密度，其缺點是鉆井液失水難以控制，侏羅系及三疊系褐色、棕紅色泥巖易膨脹縮徑、剝落形成掉塊，井壁失穩，因而要求鉆井液具有非常強的抑制性以保證井下安全。二開下部井段由于井深較深，為確保井下安全，恢復常規罐式循環，控制鉆井液失水小于5ml，要求鉆井液具有低密度、強抑制和強封堵性能，以確保安全鉆井。定北11井、定北12井應用效果表明，鉆井液技術措施滿足了鉆井提速的需要。

3.2實施效果