大慶油田深井提速及降本增效技術(shù)研究

權(quán)俊生（大慶鉆探工程公司鉆井三公司）

大慶油田徐家圍子深部地層主要包括泉頭組二段以下地層，其中營城組和沙河子組為天然氣的主力產(chǎn)層，埋藏深度一般在4000～5000m。營城組巖性以安山巖、角礫巖、凝灰?guī)r、礫巖、流紋巖為主，裂縫和微裂縫發(fā)育；沙河子組以泥巖夾凝灰?guī)r、白色礫巖及煤層為主，在營城組上面的登婁庫層位巖性均質(zhì)性差，且出水量大。這些層位可鉆性極差，且地層松散，鉆井過程中極易發(fā)生鉆井液漏失和井塌埋鉆具等事故。通過開展鉆頭選型、提速工具研究、鉆完井液處理劑合成等配套技術(shù)研究，在大慶油田深井提速和降本增效方面取得了顯著的效果。

1 現(xiàn)狀

1.1 地質(zhì)特點

大慶深部地層的巖性較為復(fù)雜，主要為砂巖、泥巖、火山巖和砂礫巖及其過渡性巖石，并且部分地層夾雜煤層，具有多套儲集類型，主力氣層孔隙度2.0%～10.0%，滲透率在0.04～2.5mD，地層壓力系數(shù)為0.9～1.2，局部存在異常壓力層系。泉頭組二段以下到沙河子組地層堅硬，可鉆性級值8～10.38級，營城組可鉆性級值大于10級，沙河子組可鉆性級值8～9級，在以上層位機械鉆速極低，鉆頭磨損嚴重，嚴重影響了勘探開發(fā)的進程[1]。

1.2 鉆井施工難點

1）巖石強度高，機械鉆速低。由于儲層硬度高，抗壓強度2000～5000MPa，其中火山巖在4000～5000MPa，機械鉆速極低，鉆頭磨損嚴重。

2）地層傾角大，防斜難度高。登婁庫以下地層傾角最高達60°，地層巖性均質(zhì)性差，泉頭組以下地層造斜能力強，常規(guī)提速工具在這些地層都存在易斜的風險。

3）井底溫度高，鉆井液性能易惡化。深部地層平均地溫梯度為4.1℃/100m，井深多在5000m左右，井底溫度最高在200℃以上，鉆井液處理劑易高溫降解，導致鉆井液性能惡化和流變性失去控制。

4）地層情況多變，井下復(fù)雜情況多發(fā)。登婁庫組以上層位水層較多、出水量大，泥巖水敏性強，井壁易吸水膨脹導致失穩(wěn)；青山口組屬于微裂縫和微孔隙發(fā)育的硬脆性泥巖地層，被水浸泡后常發(fā)生剝落、掉塊和井塌等事故；營城組火山巖地層，裂縫發(fā)育的同時，還夾雜煤層，屬于典型的深部破碎帶地層，鉆進中鉆井液漏失情況多發(fā)，漏失發(fā)生率超過20%，致使多口井側(cè)鉆和提前完鉆。

2 深井提速技術(shù)研究

為解決深層安全鉆進技術(shù)難題，提高鉆井速度，達到降本增效的目的，針對深層地質(zhì)特點和鉆井施工難點，從優(yōu)化鉆井設(shè)計、研選高效鉆頭、研發(fā)提速工具、研發(fā)抗高溫鉆井液體系和研發(fā)固井配套技術(shù)等幾個方面開展技術(shù)攻關(guān)。

2.1 優(yōu)化鉆井設(shè)計

大慶油田深層天然氣井一般采用三層井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，表層套管封隔上部松散地層和保護地下水層，四方臺組完鉆；技術(shù)套管封隔上部水層、高壓層和青山口組，在登二段完鉆，生產(chǎn)套管在沙河子組完鉆。經(jīng)過多年技術(shù)積累和鉆井工藝整體進步，鉆井設(shè)計現(xiàn)在主要考慮地層壓力、閉封點設(shè)計和工藝優(yōu)化設(shè)計幾方面，從而使井身結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。

以往鉆井設(shè)計的二開井段較長，需要2個鉆頭才能完成鉆進，二開完鉆后下尾管懸掛和回接，使得成本較高。優(yōu)化設(shè)計后，通過一次全封固井工藝的完善、鉆頭優(yōu)選和提速工具的使用，使井身結(jié)構(gòu)更為合理：二開完鉆層位由登婁庫組二段提高至泉頭組二段上部，減少技術(shù)套管長度和水泥用量，并取消尾管懸掛和回接，進一步降低成本；二開完鉆使用低密度水泥漿一次全封固井，使技術(shù)套管封固長度加長，使二開固井成本和鉆井周期都大幅度下降；二開段長度減少，PDC鉆頭的使用數(shù)量由2個減少為1個，一趟鉆完鉆，減少鉆頭成本；三開堅硬地層使用液動旋沖工具和渦輪鉆具，使鉆速明顯提高，進一步縮短鉆井周期。

2.2 研選高效鉆頭

通過前期積累的錄井、測井資料可確定各井段的地層特性和巖石可鉆性極值，從而對大慶深部地層使用的鉆頭進行優(yōu)選。泉頭組地層為粉砂巖，呈不等厚互層，從泉三段開始巖石強度逐漸增加，應(yīng)注意優(yōu)化鉆井液水力學參數(shù)提高機械鉆速；登四段以下為泥巖和粉砂巖不等厚互層，夾層較多，地層可鉆性變化較大應(yīng)注意牙輪鉆頭的保徑，匹配合適的鉆壓和轉(zhuǎn)速。通過鉆頭優(yōu)選，二開井段基本實現(xiàn)1～2只PDC鉆頭完鉆，在提高機械鉆速的同時還減少了起下鉆等停時間，二開鉆進周期控制在25天以內(nèi)，與臨井相比鉆進時間縮短10天以上，取得了明顯的提速降耗效果。大慶深層巖石情況及鉆頭適用類型見表1。

2.3 研發(fā)提速工具

在前期引入國外先進提速工具的基礎(chǔ)上，開展了液動旋沖工具和渦輪鉆具的自主研發(fā)，并針對不同井型形成了系列化產(chǎn)品。

2.3.1 液動旋沖工具

液動旋沖工具是在常規(guī)鉆具組合基礎(chǔ)上，加裝一套液動沖擊器，將鉆頭的破巖方式從單純的切削轉(zhuǎn)變?yōu)楦郊痈哳l機械沖擊和高壓水力脈沖的復(fù)合破巖，從而大幅度提高機械鉆速。其技術(shù)特點：通過高頻周向沖擊力預(yù)先使巖石形成裂紋，從而改善PDC鉆頭的使用環(huán)境，減少鉆頭黏滑現(xiàn)象，起到輔助破巖的作用；高頻水力脈沖波動輔助破巖，由于液動旋沖工具內(nèi)部特殊的水力學轉(zhuǎn)化機構(gòu)，可改變鉆井液的流態(tài)，形成高頻震蕩波，輔助破巖并提高井底巖屑的清洗效果；純機械構(gòu)造，抗溫性強，可滿足高溫環(huán)境使用需求；操作簡單，無需其他配套設(shè)備[2]。

目前大慶油田自主研發(fā)的液動旋沖工具已在深層鉆井施工中推廣應(yīng)用，機械鉆速顯著提高，取得了良好的應(yīng)用效果。液動旋沖工具的應(yīng)用情況見表2。

表1 大慶深層巖石情況及鉆頭適用類型

表2 液動旋沖工具應(yīng)用效果對比

2.3.2 渦輪鉆具

渦輪鉆具是一種通過鉆井液驅(qū)動的井下液動馬達。工作時高壓鉆井液沖擊葉片和彎曲的渦輪定子，將鉆井液的壓能和動能轉(zhuǎn)化為機械能，進而驅(qū)動鉆頭高速轉(zhuǎn)動研磨地層。該工具具有耐高溫性能好、橫向振幅小、耐油基鉆井液腐蝕、井眼規(guī)則、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，比螺桿鉆具更適合用于深部高溫油氣井的開采[3]。

大慶油田自主研發(fā)的渦輪鉆具配合優(yōu)選的孕嵌金剛石鉆頭，并在宋深9H等井進行了現(xiàn)場試驗。其中宋深9H三開一趟鉆鉆至設(shè)計井深，大幅度提高了機械鉆速，減少了起下鉆等停時間和鉆頭使用數(shù)量，整體指標已接近國外同類產(chǎn)品。自研渦輪鉆具與進口鉆具的提速對比見表3。

2.4 研發(fā)抗高溫鉆井液體系

大慶深部地層由于地質(zhì)情況復(fù)雜、井底溫度高等原因，易發(fā)生鉆井液處理劑高溫降解、鉆井液流變性惡化等復(fù)雜情況，早期主要使用油基鉆井液。近年來隨著環(huán)保要求的不斷提高和鉆井成本的嚴格控制，環(huán)保型的抗高溫水基鉆井液成為研究和應(yīng)用的重點[4]。

為了滿足大慶深部地層對鉆井液抑制性、抗溫性、潤滑性和防漏堵漏能力的要求，開展了針對性的攻關(guān)研究：抑制性方面，以自主合成的聚胺抑制劑為主，配合聚合醇抑制劑和無機鹽抑制劑，利用“多元協(xié)同抑制”原理大幅度提高了鉆井液抑制性[5]；以自主研發(fā)的抗高溫降濾失劑和抗高溫增黏劑為主，保障了鉆井液體系在高溫下的流變性能和濾失量，并提高了鉆井液的井眼清潔能力；以優(yōu)選的納米封堵劑、超細碳酸鈣和可變性封堵材料復(fù)配使用，解決了剝落、掉塊和井塌等井壁失穩(wěn)難題[6]；使用自主合成的抗高溫環(huán)保潤滑劑，配合固體潤滑劑進一步提高了鉆井液潤滑能力，減少了托壓和摩阻；利用架橋填充理論，通過優(yōu)選剛性、柔性和彈性顆粒，研發(fā)出一套深部地層的防漏堵漏技術(shù)。

研發(fā)的抗高溫高性能鉆井液體系在4口深井的應(yīng)用過程中性能穩(wěn)定，有效解決了以往該區(qū)塊使用水基鉆井液存在的機械鉆速低、井下事故多等問題。與臨井相比，平均縮短鉆進周期30天，平均井徑擴大率4.1%。徐深23-平1創(chuàng)造了大慶油田使用水基鉆井液鉆進的最短鉆井周期（109天）和井深最深（5048m）的鉆井記錄。提高溫性能鉆井液應(yīng)用效果對比見表4。

2.5 固井水泥漿外加劑及工藝技術(shù)

為了滿足深層天然氣勘探對固井質(zhì)量的要求，通過開展技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低密度水泥漿外加劑，并研究了包括固井防氣竄、防腐蝕、大溫差等水泥漿固井工藝技術(shù)，降低了固井施工過程中的環(huán)空壓耗，進一步提高了水泥封隔段長度，實現(xiàn)長井段一次全封固固井技術(shù)。同時，還研制了套管居中扶正器、漂浮下套管工具、遇水膨脹工具等，使固井質(zhì)量合格率和優(yōu)質(zhì)率進一步提高。

3 提速效果及經(jīng)濟效益分析

表3 渦輪鉆具應(yīng)用效果對比

表4 抗高溫高性能鉆井液應(yīng)用對比

大慶油田深部地層提速技術(shù)及工藝在現(xiàn)場應(yīng)用過程中取得了顯著效果。在原有井身層次基礎(chǔ)上，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)可以大量減少水泥和套管成本，鉆頭使用數(shù)量也相應(yīng)減少，真正達到了降低成本的目的；提速工具的使用，使平均鉆井周期減少了37天以上；抗高溫鉆井液的良好性能也保證了安全鉆井的實施，減少了鉆井液漏失和井下復(fù)雜；低密度水泥漿體系使固井質(zhì)量合格率和優(yōu)質(zhì)率提高，減少了氣竄等事故帶來的損失。

2012—2016年大慶油田累計完成深井72口。平均井深3996m，平均機械鉆速3.87m/h，平均鉆井周期112天。同比2007—2011年平均鉆井周期縮短37天。以50D鉆機日費15.7萬元計算，單井鉆機日費即可節(jié)約580.9萬元，72口井僅鉆機日費就節(jié)約4000萬元以上。另外，也大幅度減少了鉆井液漏失和處理復(fù)雜的造成的經(jīng)濟損失。

4 結(jié)論及建議

1）大慶深部地層存在地質(zhì)條件復(fù)雜、井底溫度高、巖石可鉆性差等特點，這是造成機械鉆速慢、鉆井周期長、鉆井成本居高不下的主要原因。

2）通過開展井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆頭優(yōu)選、提速工具研發(fā)和鉆完井液體系等配套技術(shù)措施的研究和應(yīng)用，在72口井的現(xiàn)場累計應(yīng)用中取得了良好的提速效果，大幅度縮短了鉆井周期，有效降低了鉆井成本，為保障大慶油田深部天然氣資源的高效開發(fā)提供了有效的技術(shù)支撐。

3）旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)是目前國際上廣泛使用的提速工具，尤其適用于深層水平井的使用，但進口設(shè)備使用成本較高，需要進一步加大國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)的研發(fā)和試驗工作。