松遼盆地深層鉆井提速實踐與認識

王海波

（大慶鉆探工程公司國際事業部，黑龍江大慶163411）

松遼盆地深層鉆井提速實踐與認識

王海波*

（大慶鉆探工程公司國際事業部，黑龍江大慶163411）

為加快松遼盆地深層天然氣勘探開發步伐，深井鉆井施工中全面推廣了鉆頭選型、復合鉆井、井身質量控制、井下復雜事故預防、氣體鉆井等鉆井提速的相關配套技術，并不斷應用新技術、新工藝，鉆井速度得到了大幅度提高，技術水平也由此上了一個新臺階。但目前大慶油田的總體水平仍落后于國際先進國家，深井鉆井效率還有提高空間，一些瓶頸技術難題有待突破。論述了松遼盆地深層鉆井提速的主要技術難點，以及在鉆井施工過程中取得的經驗與成果，總結出了一系列配套技術工藝與措施，并對下一步深井鉆井提速工作提出了認識與建議。

松遼盆地；鉆井提速；技術難題；實踐

松遼盆地深層提速一直都是大慶油田鉆井提速的重點和難點。為進一步加快松遼盆地深井施工速度，實現深井再次提速，在近三年的深井施工中，大慶油田全面推廣了復合鉆井技術、優選了新型高效鉆頭、完善了氣體鉆井工藝、完善了深層降斜手段、研究了加重解卡技術，還積極進行了渦輪鉆具實驗等新技術、新工藝的應用，實現了深井再次提速目標。但仍有一些瓶頸技術難題亟需解決，同時，新的問題也不斷出現。

1　松遼盆地深層鉆井技術難點

大慶深井泉二段以下地層稱之為深層，營城組為主要目的層。巖性特點是“三高一強”，即：硬度高、可鉆性級值高、地溫梯度高、研磨性強。深層硬度最高達5000MPa、可鉆性級值最高達10.38級，4500m左右的深井井底溫度約180℃，5000m左右深井的井底溫度高達200℃以上。

由于松遼盆地深層特定的地質特點，增加了深井鉆井難度，導致機械鉆速慢、鉆井周期長，成為制約深井鉆井技術水平提高的主要原因。一是對鉆頭、井下工具、鉆具的抗研磨、抗沖擊能力要求高，鉆頭保護、鉆具失效問題突出。二是對井下工具、鉆井液、完井液抗高溫能力要求高，高溫鉆井和高溫固井問題突出。三是上部地層泥巖水化膨脹、深層存在破碎帶，井壁穩定問題突出。四是存在易斜地層，井斜控制難度大，防斜打快問題突出。

目前制約深井鉆井技術發展的瓶頸問題主要有：泉二段以下地層PDC鉆頭的應用受到限制；深層致密火山巖地層牙輪鉆頭鉆進效率低，影響深井鉆井速度的提高；營城組破碎帶地層井塌問題沒有得到很好解決，關系到鉆井的成敗；空氣鉆井技術須進一步完善配套，需要解決井斜不易控制、氣液轉換后井壁剝落等問題；水基鉆井液和水泥漿體系還滿足不了220℃以上高溫鉆井需求，超深井自主施工能力不足。

2　深層提速主要技術工藝

自2003年徐深1井深層天然氣勘探獲得重大發現以來，按照集團公司“加快天然氣勘探開發步伐，提高深層天然氣的轉化率，以氣補油，油氣并重”的指示精神和建設“百年油田”的需求，大慶油田于2004年下半年以來開展了轟轟烈烈的深井會戰。2003年以前，施工一口4000m左右的深層探井，全井鉆井周期185d左右，全井機械鉆速僅為2.9m/h，平均每口井事故損失時間6d、復雜損失時間12d。按照這一施工能力，根本無法滿足提高深井鉆井速度、加快深層勘探開發步伐的需求。為此，開展了深井提速配套技術攻關研究和現場試驗。通過三年的攻關與鉆井實踐，形成了一套適合松遼盆地深層特點的鉆井提速配套技術，2007年施工的深井同比會戰之前的水平，一口4000m左右的井，鉆井周期縮短到120d左右，機械鉆速達到了3.0m/h以上，事故復雜時率降到了3%以下，深井提速獲得了重大突破。2007年之后，特殊工藝井（定向井、深層水平井、側鉆水平井）超深井、外圍井（方正地區、吉林地區）增多，油田的鉆井技術、工藝得到全面發展。

2.1深井、超深井

2.1.1鉆頭優選

（1）?215.9mm牙輪鉆頭。松遼盆地深層營城組地層上部巖性主要為砂礫巖，下部主要為凝灰巖、火山角礫巖、流紋巖、安山巖等火山巖，巖石硬度高（5000MPa以上）、地溫高（平均地溫梯度4.1℃/100m）、可鉆性級值高（最高為10.38級）、研磨性強，導致深井牙輪鉆頭不能正常使用。營城組地層鉆頭磨損主要表現為鉆頭外徑磨損嚴重、牙輪磨心和掉齒嚴重，造成鉆頭用量大，機械鉆速低、單只鉆頭進尺少，嚴重的甚至造成掉牙輪、劃眼和縮徑卡鉆等事故和復雜情況。鑒于此，主要從預防鉆頭斷齒、掉齒、牙輪磨心及加強保徑等幾個方面對牙輪進行了改進。

古龍1井是松遼盆地最深的一口井，完鉆井深6300.00m，該井集中了深層鉆井施工的全部難點，其中深部地層牙輪鉆頭的使用即為其中之一。該井四開應用了江鉆HJT型、江鉆HF型和貝克休斯MXL型3種型號的牙輪鉆頭。四開進尺1804.50m，累計使用牙輪鉆頭22只，平均進尺81.37m，平均純鉆時間64.94h，平均機械鉆速1.27m/h，單只鉆頭進尺最高133.97m，未發生鉆頭復雜、事故。綜合3種型號鉆頭（應用情況如表1所示）的進尺、機械鉆速和應用井段這3個指標來看，江鉆HF型牙輪鉆頭的使用效果最好，可以在深層推廣應用。

表1　古龍1井四開井段不同型號牙輪鉆頭平均指標

（2）?311.2mmPDC鉆頭。針對深井泉二段以下地層還沒有合適的?311.2mmPDC鉆頭，嚴重影響深井施工進度的實際，對?311.2mmPDC鉆頭做了以下改進：刀翼由5刀翼改為6刀翼，采用拋物線型冠部，這種冠部形狀載荷分布均勻，無明顯過度區，減少了鉆進扭矩；采用美國進口爪形PDC切削齒，尺寸由?19mm改為?13mm，保證鉆頭具有較高的抗沖擊和抗研磨能力，能適應硬地層；調整了切削角度，采用30°后角設計，實現鉆頭較強攻擊性的同時保護復合片不會崩損。

改進后的?311.2mm M1366SR鉆頭在古深2井泉一段至登四段應用，鉆進井段2940.02～3250.00m，進尺309.98m，機械鉆速2.57m/h。與牙輪鉆頭相比，進尺提高80.55%，機械鉆速提高107.26%。而且首次實現了深井3000m以上技套井段國產?311.2mmPDC鉆頭完鉆。

2.1.2復合鉆井技術

在古深2井施工中，針對牙輪鉆頭鉆時慢的實際，及時捕捉信息，認真研究地層巖性特點，優選PDC鉆頭和螺桿鉆具，在沙河子組泥巖地層開展了復合鉆井試驗。試驗井段4984～5161m，應用引進?215.9mmDSX系列PDC鉆頭配合?172mm低轉速大扭矩螺桿，2只PDC鉆頭總進尺187m，平均機械鉆速1.10m/h，與該井復合鉆井前牙輪鉆頭轉盤鉆進相比（4936.17～4984.92m，進尺48.75m，機械鉆速0.6m/h），進尺提高92%，機械鉆速提高83%。該項試驗首次在油田5000m以下深度進行，突破了井下高硬度、高溫（200℃）地層不適合使用PDC鉆頭和螺桿的禁區，為深井提速提供了有力的技術支持。

2.1.3氣體鉆井技術

自2005年首次在升深2-17井進行泡沫鉆井試驗以來，大慶油田進行了氣體鉆井技術的大規模推廣應用。氣體鉆井施工層位主要在泉一段—營城組地層，實際施工中根據井下情況，應用了空氣、氮氣和空氣霧化/泡沫鉆井工藝，取得了顯著的效果，氣體鉆井技術得到了進一步完善和發展。2007～2009這三年的氣體鉆井施工情況見表2。

2.1.4渦輪鉆具試驗

2009年在徐深41井營城組井段首次開展渦輪鉆具試驗，以尋求提高深層火山巖地層機械鉆速的新途徑。渦輪鉆具采用俄羅斯研制生產的2TCIII－178T型減速器渦輪鉆具，具有井下工作性能穩定、抗溫性強、輸出扭矩大等特點。另外，還針對地質巖性特點，與鉆頭廠家經過研討，設計、制造了個性化孕鑲PDC鉆頭。

渦輪鉆具試驗井段4414.11～4424.50m，累計進尺10.39m，純鉆9.98h，機械鉆速1.04m/h，渦輪鉆具使用21.98h，井下工作溫度170℃左右。與牙輪鉆頭的進尺、機械鉆速等指標相比，此次渦輪鉆具的應用并沒有發揮優勢。

2.2外圍井

表2　氣體鉆井施工情況

2.2.1鉆頭優選

通過改進鉆頭來提高鉆井速度，是外圍井提速的有效手段之一。由于外圍井大部分地層為砂礫巖和含礫砂巖，只有寶一段含有大段泥巖適合PDC鉆頭的應用。為此，對PDC進行了改進，以提高寶泉嶺組泥巖段機械鉆速，并在達二段以下地層進行了PDC鉆頭適應性試驗。

方10井在寶一段使用?311.2mm M1955R鉆頭進尺728.93m，平均機械鉆速5.83m/h；在達二段、新安村+烏云組的砂礫巖層進行了?215.9 mmM1365R鉆頭試驗，進尺170.77m，機械鉆速2.22m/h，與同層位牙輪鉆進相比，機械鉆速提高了29%。

2.2.2垂直鉆井技術

井斜問題一直是外圍井鉆井施工的一大難題。近兩年方正區塊的施工實踐證明，垂直鉆井技術是提高機械鉆速、保證井身質量和縮短鉆井周期的一項關鍵技術。2009年在方正區塊的3口井應用了Powerv-MWD垂直鉆井技術，取得了很好的效果。見表3。

表3　2009年方正區塊垂直鉆井系統應用情況

2.3特殊工藝井

2.3.1深層水平井

在松遼盆地北部深層進行水平井施工，集中了水平井和深井施工的全部技術難點，主要體現在以下幾方面：①深層礫巖巖石可鉆性極值高、造斜率低，造斜段與水平段井眼軌跡控制難度大；②登婁庫組易剝落、營城組礫巖易掉塊，發生硬卡鉆及沉砂卡鉆幾率大；③深層地溫高，鉆井工具的使用壽命短，易發生螺桿失效現象；④深層巖石硬度大，機械鉆速低、周期長，易發生鉆具疲勞破壞，并且對技套磨損大。⑤無線隨鉆測量儀器測量最低點離鉆頭約9m，井眼軌跡控制難度較大。解決好以上問題，對提高水平井施工效率來說至關重要。

（1）采用“六勤法”來精確控制井眼軌跡，即“勤測量、勤計算、勤分析、勤預測、勤發現和勤調整”。

（2）選擇適合的鉆頭，提高單只鉆頭進尺及機械鉆速；按照實際造斜率比設計造斜率高10%～20%的原則優選抗高溫、低轉速、大扭矩的單彎螺桿鉆具。

（3）復雜事故預防方面：保證鉆井液攜砂能力，控制固相含量，及時補充足夠的潤滑劑；優化鉆具組合，保證井眼軌跡平滑過渡；下鉆中途分段循環舉砂，執行提前循環劃眼到底，按技術要求活動鉆具等措施，防止卡鉆；使用防磨套，降低扭矩、摩阻，減輕鉆具與套管壁的磨損和碰撞。

2.3.2側鉆水平井

為了進一步評價宋站地區營城組三段火山巖巖性氣藏的含氣情況，爭取產能上有所突破，以實現該區塊的儲量升級，2009年施工了大慶油田第一口深層套管開窗側鉆水平井宋深CP102井。通過側鉆工藝技術、鉆頭和螺桿鉆具優選、地質導向軌跡控制技術、事故復雜預防技術、尾管封隔器完井液填充工藝等技術的研究與應用，取得了很好的經濟效益，形成了一套適合大慶油田深層側鉆水平井鉆井完井配套技術。

宋深CP102井優選了新疆萬吉PDC鉆頭，并根據需要使用了定向鉆具、穩斜鉆具和鐘擺鉆具，很好地控制了井眼軌跡，提高了鉆井效率。該井完鉆斜深3655.00m，水平位移577.18m，水平段長398.50m，最大井斜角74.73°，平均機械鉆速1.04m/h，投入產出比約為1∶5.13。

3　存在的問題

3.1鉆頭優選

深井技套泉二段以下地層，特別是12-1/4″井眼，地層硬度高，而且由于鉆井液密度大（＞1.25g/cm3）而造成的壓持效應，使得牙輪鉆頭機械鉆速很慢（1.0m/h左右），而此深度以下還沒有適合的PDC鉆頭。雖然近年來PDC的使用效果已經取得突破，但目前還不能夠完全實現PDC鉆頭技套完鉆，仍有提速空間，這就需要繼續改進、優選出更適合泉頭組、登婁庫組鉆進的PDC鉆頭。

3.2氣體鉆井

現場施工實踐證實，氣體鉆井提高機械鉆速、縮短鉆井周期的效果明顯，但由于該工藝自身特點而存在一些技術難題懸而未決，而且隨著氣體鉆井施工的不斷推廣、深入，各種新問題亦隨之暴露。

（1）地層出水情況不能準確預測，而且在發現出水后，尚無能夠有效測定出水量的手段。

（2）井斜角問題仍未能徹底解決。塔式鉆具、鐘擺鉆具和滿眼鉆具均不能主動防斜，當井斜角增大時，均須同時控制鉆壓和鉆速，影響了機械鉆速的提高。

（3）井壁穩定問題，包括兩方面：鉆進過程中的井壁不穩定，氣液轉換后的井壁失穩。

（4）對后續鉆井施工的影響：氣體鉆進井段井徑大、極不規則，造成后期鉆進扭矩大、測井遇阻，還會影響固井質量。

3.3井下動力鉆具

3.3.1渦輪鉆具

上文所述的渦輪鉆具應用效果不理想的原因：沒有適合渦輪鉆具在火山巖地層鉆進的鉆頭。

（1）牙輪鉆頭轉速滿足不了硬地層鉆進的需要，牙齒抗沖擊、抗研磨能力不足，會出現斷齒、磨齒速度加快的現象，甚至掉牙輪。

（2）PDC鉆頭適合高轉速，但復合片抗沖擊能力更差，配合渦輪鉆進時復合片很快會碎裂。

盡管效果較差，但渦輪鉆具高轉速、抗高溫及扭矩大的特性得到了發揮，并且較安全地進行了施工，為今后深井提速探索了一條可行之路。建議下一步在泉二段以下地層進行渦輪鉆具配合超高轉速牙輪鉆頭鉆進試驗，并繼續尋找適合渦輪鉆具的PDC鉆頭。

3.3.2螺桿鉆具

螺桿鉆具在深井施工中主要有3個作用：配合PDC鉆頭或者高速牙輪鉆頭進行復合鉆井，提高機械鉆速；單彎螺桿糾斜鉆進，保證井身質量；用于水平井、定向井的導向鉆進，控制井眼軌跡。

慶深氣田地溫梯度較高，約4.1℃/100m，井深4000m靜止溫度達160℃，循環溫度約120℃。高溫會使螺桿鉆具的橡膠和金屬膨脹，減少定、轉子之間的配合值，嚴重影響螺桿鉆具的性能。螺桿鉆具的薄弱環節是定子橡膠耐高溫程度低、軸承易損壞。目前國產螺桿的抗溫性、使用壽命還不能滿足深井施工要求。徐深平32井完鉆垂深3861m，三開鉆進所用螺桿只能下井使用一次，工作時間平均80h，造成鉆頭、螺桿用量大，影響了鉆井經濟效益。

4　認識及建議

（1）經過長期的鉆井實踐，已經形成松遼盆地深層提速的配套集成技術系列，也在現場應用中取得了很好的效果。但仍須解決一些瓶頸技術難題，并不斷探索提速的新途徑。

（2）控斜打快仍是提速工作的重點，須進一步開展鉆頭優選和改型、復合鉆井等技術的研究與推廣。

（3）實踐證明，氣體鉆井是一項極具潛力的提速技術，但仍存在井斜角的控制、鉆具腐蝕及井壁穩定等難題有待解決。

（4）雖然渦輪鉆具試驗并未取得預期效果，但為深層提速做出了有益的嘗試。建議下一步試驗超高壓噴射鉆井、高壓水力脈沖空化射流鉆井等新技術、新工藝。

（5）隨著外圍疑難井、特殊工藝井的增多，鉆井施工難度不斷加大，需要不斷總結經驗、開拓創新，再次促進技術進步。

［1］劉占魁，等.莫深1井復雜超深井鉆井技術應用［M］.石油工業出版社，2008.

［2］范興沃，等.空氣鉆井技術難點與對策分析［M］.石油工業出版社，2008.

TE242

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1004-5716（2016）01-0091-04

2015-11-12

2015-11-16

王海波（1984-），男（漢族），湖北大冶人，工程師，現從事海外市場管理工作。