塔東古城區塊鉆井提速配套技術及應用

2016-09-15 03:49:22遲家俊

西部探礦工程 2016年1期

遲家俊

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411）

塔東古城區塊鉆井提速配套技術及應用

遲家俊*

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411）

塔東古城區塊目的層埋藏深，巖性致密、可塑性強、韌性大，PDC和牙輪鉆頭可鉆性差，機械鉆速低，壽命短。通過鉆頭優選形成的鉆頭序列、直螺桿與PDC復合鉆井提速技術與新型井下工具（扭力沖擊器或液動旋沖工具）配合專用PDC鉆頭提速鉆井技術的綜合應用，能夠大幅度提高機械鉆速，縮短鉆進周期。提速技術在古城7井、城探1井和東探1井等3口的綜合應用，提速效果非常明顯，3口井平均機械鉆速3.71m/h，平均鉆進周期184.8d，同比鄰井古城4井和古城6井平均機械鉆速提高95.26%，平均鉆進周期縮短133.5d。鉆井提速技術的綜合應用為塔東古城區塊深井鉆井提速提供了技術保障。

新型井下工具；提速；塔東區塊；現場試驗

塔東地區位于塔里木盆地東部，塔東庫魯克塔格斷隆與車爾臣斷裂之間，西為中央古隆起的東界古城4井一線，南達車爾臣斷裂，北至孔雀河斜坡，東為阿爾金山，面積約12.57×104km2。塔東區塊油氣資源豐富，將成為大慶油田天然氣勘探的戰略接替區。該區塊勘探程度低，鉆井速度緩慢。古城區塊主要目的層平均埋深超過5000m，礫石層及高硬度、高研磨性砂泥巖發育、可鉆性差，機械鉆速慢，嚴重制約鉆井速度。經過對該區塊底層巖性分析，通過一系列技術措施，先后在古城7井、城探1井和東探1井等3口井在鉆井提速方面取得了不錯的進展。在塔東古城區塊初步形成了一套可行的鉆井提速技術。

1　深井提速難點分析

古城地區下古生界厚度巨大，基本在5000m以上，志留系、泥盆系分布局限，主要發育在古城鼻隆北部傾末端，石炭系基本全區分布，缺失二疊系；中生界厚約1000m，三疊系向東南減薄缺失，侏羅系—白堊系由西向東、由南向北增厚，并不整合在三疊系、石炭系和奧陶系不同地層之上。根據實鉆資料總結鉆井提速難點有以下幾點：

（1）上部地層（第四系和第三系上部）巖性疏松，成巖性較差，易塌、易漏；

（2）三疊系底部礫石層發育，可鉆性相對較差，不適合使用PDC鉆頭，只能應用牙輪鉆頭鉆進；

（3）奧陶系卻爾卻克組“黑被子”地層泥巖發育，研磨性強、可鉆性差，常規鉆進機械鉆速較低，在鉆井提速上為重點需要攻關井段；

（4）目的層（奧陶系下部和寒武系）為碳酸鹽地層，對于高硬度、高研磨性的灰巖及白云巖，需要做好相應的鉆頭選型工作。

綜上可知提速難點主要為地質條件復雜，上部地層松軟成巖性差，鉆進過程中易塌、易漏；中部地層奧陶系卻爾卻克組“黑被子”地層為提速難點，泥巖發育，研磨性強，可鉆性差；下部地層碳酸鹽地層高硬度、高研磨性，導致機械鉆速低，鉆井周期長。

2　鉆井配套提速技術及應用

通過理論和現場應用分析，實行鉆頭優選，并在第二、三和四次開鉆井段分別配合相應的提速措施實行提速，具體為：二開井段提速技術措施為直螺桿配合PDC鉆頭復合鉆井提速；三開井段上部井段施工采用直螺桿配合PDC復合鉆進提速，下部井段奧陶系卻爾卻克組“黑被子”地層采用新型井下工具進行提速；四開井段由于井深較深及井眼尺寸相對較小的實際情況，提速工具的應用受到限制，因此均采取常規鉆進方式。

2.1鉆頭優選提速技術及應用效果

2.1.1鉆頭優選提速技術原理

表層井段（井深500～800m）巖性疏松，成巖性差，因此優選牙輪鉆頭和PDC鉆頭；二開井段（井深3200m左右）上部和下部地層適合PDC鉆進，中部地層三疊系底部礫石層發育需要使用牙輪鉆頭，因此PDC鉆頭優選5刀翼?19mm復合片鋼體鉆頭，配合直螺桿進行復合鉆進提速，牙輪鉆頭選擇使用517級別的鉆頭；三開井段（井深5500m左右）提速重點主要是卻爾卻克組“黑被子”地層，該地層巖石可鉆性中等（圖1），但由于碳晶泥巖的存在，巖石抗壓強度增加，塑性增強，PDC鉆進“卡—滑”現象嚴重；以往常規鉆頭機械鉆速較低、鉆進施工緩慢，為此優選阿特拉配合扭力沖擊器工具使用的U系列PDC鉆頭、配合鉆井研究院液動旋沖工具使用的國產Q系列PDC鉆頭、進口PDC及牙輪鉆頭，用以攻克“黑被子”地層，其上部地層施工國產PDC鉆頭配合直螺桿采取復合鉆進提速；四開井段（平均井深6700m左右）目的層（奧陶系下部和寒武系）為碳酸鹽地層，對于高硬度、高研磨性的灰巖及白云巖，上部井段選擇使用國產PDC和牙輪鉆頭，中下部井段選擇使用進口高效PDC和牙輪鉆頭，由于井深較深及井眼尺寸相對較小的實際情況，提速工具的應用受到限制，因此均采取常規鉆進方式。

圖1　“黑被子”地層巖性指標

2.1.2應用效果與分析

通過古城7、東探1和城探1井3口井的現場試驗，完成了鉆頭優選工作，鉆頭使用數據見表1。

3口試驗井平均完鉆井深6704.7m，同比古城4和古城6井完鉆井深增加345.2m的情況下，平均鉆頭用量減少21只、平均機械鉆速提高了95.26%。

表1　3口井整體鉆頭使用數據表

通過3口試驗井的鉆頭優選和現場試驗，基本固化了古城區塊的鉆頭使用序列（表2），對于后續鉆井施工起到了指導作用。

2.2直螺桿與PDC鉆頭復合鉆井技術

2.2.1螺桿復合鉆提速原理

螺桿與轉盤復合鉆進時，PDC鉆頭轉速等于轉盤與螺桿轉子轉速之和，從而能夠高轉速切削巖石，提高破巖效率和機械鉆速；同時螺桿+PDC鉆頭高轉速復合鉆進時，由于鉆壓相對較小，減少鉆柱的彎曲程度，達到防斜打快的目的。

2.2.2應用效果與分析

通過古城7井和東探1井等2口井在二開和三開上部井段進行了直螺桿和PDC復合鉆井的應用，應用地層為三疊系和石炭系，提速效果過明顯（表3）。

古城7井和東探1井的應用直螺桿配合PDC鉆頭鉆井提速效果顯著，2口井在二開和三開井段平均單只鉆頭進尺分別為1357.59m和194.05m，平均機械鉆速分別為13.19m/h和2.71m/h，與鄰井相比在二開井段單只鉆頭進尺提高了338.43%，平均機械鉆速提高了233.08%；三開井段單只鉆頭進尺提高了271.47%，平均機械鉆速提高了230.49%。直螺桿配合PDC鉆頭復合鉆進技術對于塔東地區古城區塊三疊系和石炭系地層提速效果好。

2.3新型井下工具與專用PDC鉆頭提速技術

2.3.1新型井下工具原理及優點

為了攻克卻爾卻克組“黑被子”地層鉆速慢的難題，優選新型井下工具（引進國外的扭力沖擊器和自主研發的液動旋沖工具），2種工具具有相同工作原理和優點。在正常鉆井條件下，PDC鉆頭能夠連續的剪切地層（圖2-a），而PDC鉆頭在鉆堅硬的地層時，鉆頭時常由于扭矩不足憋停（圖2-b），扭矩能量就會聚集在鉆柱上，導致鉆柱像發條一樣打卷扭曲（圖2-c），當所需扭矩能量達到剪切破碎地層的能量，鉆頭將以高于正常轉速破巖（圖2-d）。這種猛烈變化運動即“卡—滑”現象，會導致鉆頭使用壽命降低，下部鉆具事故增加。

表2　塔東古城區塊鉆頭使用序列

表3　螺桿+PDC鉆井與鄰井對比表

圖2　井底鉆頭工作狀態示意圖

新型井下工具將鉆井液的流體能量轉換成高頻（680～2400次/min）、均勻穩定的扭向機械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭實現瞬時破巖，此時PDC鉆頭上就有2個力在切削地層，一個是轉盤提供的扭力，一個是工具提供的扭向沖擊力，相當于每分鐘額外680～2400次切削地層，鉆頭不需要等待積蓄足夠的能量就可以切削地層，消除了“卡—滑”現象，保持鉆頭對地層切削的連續性和穩定性（圖2-e），因此能夠大幅度提高機械鉆速，延長鉆柱壽命，提高鉆井效率。

新型井下工具的優點：消除“卡—滑”現象，減少反沖扭力和扭力震蕩；高頻扭向沖力能夠提高破巖效率和機械鉆速；工具為純機械構造，無橡膠件、電子元件，失效后不影響正常鉆進；能夠延長鉆頭的壽命，減少起下鉆次數，減少下部鉆具組合的復雜程度及降低鉆桿的疲勞度。

2.3.2應用效果與分析

在古城7井奧陶系“黑被子”地層使用引進阿特拉扭力沖擊器進行現場試驗，總進尺1727.79m；平均鉆速4.36m/h，使用扭力沖擊器鉆進井段同比鄰井古城6井的機械鉆速提高170.80%，平均單只鉆頭進尺提高896.79m，節省鉆頭4只（表4）。