蘇里格南部氣田大斜度井鉆井技術(shù)

史配銘 肖春學 王建軍

川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司

蘇里格南國際合作項目區(qū)塊(簡稱蘇南區(qū)塊)是中石油與道達爾石油公司在蘇里格南部共同成立的蘇里格作業(yè)分公司聯(lián)合投資開發(fā)的重點項目區(qū)塊，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗蘇里格南部，該區(qū)域構(gòu)造屬于鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷構(gòu)造帶，是在西傾的單斜背景上發(fā)育數(shù)排向西南傾的寬緩鼻狀構(gòu)造帶，主要儲層為上古生界二疊系下石盒子組的盒8段及山西組的山1、山2段，鉆穿山西組進入馬家溝組65 m完鉆，屬于低滲、低壓、低豐度、大面積分布的巖性氣藏，氣藏埋藏垂深3 400～3 600 m，平均完鉆井深3 900 m。鉆井提速是蘇里格南氣田降低鉆井成本的最有效途徑。鉆井提速主要以技術(shù)提速為主，隨著近年來技術(shù)的不斷改進，逐步形成了定向井鉆井配套技術(shù),但該區(qū)塊鉆井速度均以鉆頭螺桿選配不合理、軌跡控制效率低等原因?qū)е绿崴俜炔淮蟆榇耍槍υ搮^(qū)塊大位移定向井施工難點，開展了蘇南大斜度井高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，形成一套蘇南大斜度井高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)，通過現(xiàn)場應(yīng)用，鉆井周期縮短2.56 d，提速17.64%。

1 地層特點及鉆井技術(shù)難點

1.1 地層特點

蘇南區(qū)塊地層自上而下分為：第四系，白堊系志丹統(tǒng)，侏羅系安定組、直羅組、延安組，地層可鉆性3.5～4.45；三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組,地層可鉆性4.63～5.11；二疊系石千峰組、石盒子組、山西組,地層可鉆性5.3～5.6；石炭系太原組、本溪組地層可鉆性5.78，馬家溝組地層可鉆性6.1。根據(jù)鉆遇地層特性分析：志丹組至延安組地層易發(fā)生井斜，志丹組、直羅組易出水；直羅組、延長組容易縮徑垮塌；紙坊組、劉家溝組和石盒子組含有砂礫巖和石英砂巖夾層，石千峰組地層裂隙發(fā)育、水敏性強，鉆井液長期浸泡容易垮塌。

1.2 技術(shù)難點

(1)難以利用地層自然增降斜規(guī)律［1］，延長組中下部地層漂移規(guī)律性不強、降斜嚴重，井身軌跡嚴格按照設(shè)計軌跡±3°要求施工，滑動調(diào)整井段多，易托壓，機械鉆速低。

(2)鉆具組合中短鉆鋌優(yōu)選困難。短鉆鋌過長，鉆穿延長組進入紙坊組后復(fù)合增斜率高達5～7(°)/100 m；短鉆鋌過短，延長組降斜段降斜率高達3～4(°)/100 m，不利于軌跡控制。

(3)穩(wěn)斜段長達2 400 m，井斜起伏大，深井段滑動托壓嚴重，調(diào)整困難，完鉆前扭矩達到峰值30～36 kN·m。

(4)劉家溝組地層研磨性強，可鉆性差，PDC鉆頭容易發(fā)生先期磨損；石盒子組至馬家溝組地層泥巖砂巖互層，非均質(zhì)性強，PDC鉆頭易崩片，進尺少，機械鉆速低，起下鉆趟數(shù)多，增加鉆井周期，嚴重制約全井機械鉆速提高。

(5)石千峰組、石盒子組(簡稱“雙石層”)紫紅色泥巖、棕褐色泥巖易分散，造漿嚴重，鉆井液固相含量偏高，鉆頭頻繁泥包，直接影響鉆井速度。

2 提速工具優(yōu)選

2.1 個性化鉆頭優(yōu)選

根據(jù)地層特征，利用已鉆井測井資料，采用鉆頭選型軟件對測井解釋數(shù)據(jù)進行處理分析，結(jié)合實鉆鉆時、地層可鉆性劃分和巖石硬度分級以及實鉆PDC鉆頭使用情況綜合優(yōu)選個性化鉆頭［2］。(1)針對二開直羅組至延長組地層巖性為砂泥巖互層、延長組底部含有少量礫石、劉家溝組地層研磨性強的問題，優(yōu)選六刀翼螺旋長保徑PDC鉆頭。其特征：刀翼采用強攻擊性雙圓弧冠部輪廓設(shè)計，主切削齒直徑16 mm，雙排齒布齒，切削齒角度后傾角15°，達到提高鉆頭攻擊性、抗研磨性、不易崩齒目的；為實現(xiàn)高效率定向鉆井施工需要，采用螺旋長保徑、深內(nèi)錐設(shè)計，強化保徑齒，提高工具面穩(wěn)定性；(2)對下部雙石層、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組非均質(zhì)性、夾層頻繁、砂礫含量較多的地層，采用短刀翼短保徑、寬排屑槽、主切削齒直徑16 mm、雙排齒設(shè)計的四刀翼PDC鉆頭，提高布齒數(shù)量，增強鉆頭攻擊性、研磨性。

2.2 低速大扭矩螺桿優(yōu)選

全井段采用PDC+螺桿鉆具［3］鉆進，根據(jù)地層可鉆性劃分標準和巖石硬度分級、實鉆鉆頭出井情況，分井段優(yōu)選不同級數(shù)低轉(zhuǎn)速、大扭矩螺桿，匹配個性化PDC鉆頭，增加單只鉆頭進尺，提高機械鉆速。第1趟鉆所鉆地層直羅組至劉家溝組，優(yōu)選7LZ172×1.5°(?213 mm 扶正器)3.5 級低轉(zhuǎn)速、等壁厚螺桿,額定排量39 L/s，轉(zhuǎn)速136 r/min，最大扭矩13.6 kN·m，其特點是轉(zhuǎn)速低、扭矩大、性能穩(wěn)定、使用壽命長，有利于上部軟地層快速鉆進和提高第1只鉆頭進尺；第2趟鉆所鉆地層石千峰組至馬家溝組，優(yōu)選 7LZ172×1.25°(?210 mm 扶正器)3 級中轉(zhuǎn)速常規(guī)螺桿，額定排量39 L/s，轉(zhuǎn)速97 r/min，最大扭矩12.8 kN·m，較3.5級低轉(zhuǎn)速、等壁厚螺桿轉(zhuǎn)速低39 r/min，最大扭矩與等壁厚螺桿相近，有利于防止高轉(zhuǎn)速、低扭矩螺桿在鉆遇石盒子組礫石層時，PDC鉆頭存在瞬間制動導(dǎo)致失速或偏移，造成鉆頭先期破壞，被迫起鉆換鉆頭。

由表1可知：在額定排量39 L/s時7LZ172×1.5°等壁厚螺桿較5級常規(guī)高速螺桿轉(zhuǎn)速低32 r/min，單只鉆頭平均進尺增加439 m，平均純鉆時間增加37 h，平均鉆井周期縮短4.18 d，實現(xiàn)了提高單只鉆頭進尺目的。

表1 3.5級低轉(zhuǎn)速、等壁厚螺桿與5級常規(guī)高速螺桿實鉆情況對比Table 1 Comparison of actual drilling situations between the 3.5-strage screw rod of low rotation speed and equal wall thickness and the 5-strage conventional high-speed screw rod

3 鉆具組合優(yōu)化

3.1 “四合一”鉆具組合優(yōu)化

“四合一”鉆具組合中短鉆鋌太長，紙坊組至劉家溝組地層穩(wěn)斜井段復(fù)合增斜率高達4～5(°)/100 m，通過頻繁滑動降斜控制，滑動段長，機械鉆速低，鉆具組合穩(wěn)斜效果差。通過不斷優(yōu)化短鉆鋌長度，形成鉆具組合［4-6］：?215.9 mmPDC鉆頭+7LZ172×1.5°+?165 mm 短鉆鋌×1.5～1.8 m+?210 mm 扶正器+?168 mmMWD+?168 mm無磁鉆鋌+?165 mm鉆鋌×9 根，復(fù)合增斜率 1～2(°)/100 m，穩(wěn)斜效果好，減少了滑動井段。由表2可知：3 m短鉆鋌鉆具組合復(fù)合增斜率高達 4～5(°)/100 m，滑動進尺超過120 m，而縮短短鉆鋌長度至1.5～1.8 m，復(fù)合增斜率達到1.2～1.8(°)/100 m，滑動進尺較3 m短鉆鋌鉆具組合減少30～40 m，復(fù)合井段增加，穩(wěn)斜效果好。

表2 不同長度短鉆鋌復(fù)合增斜率統(tǒng)計Table 2 Statistical combination buildup rate of drill collars with different lengths

3.2 降斜鉆具組合優(yōu)化

針對常規(guī)鐘擺鉆具組合降斜率不穩(wěn)定、軌跡無法微調(diào)控制、機械鉆速低問題，采用螺桿鉆具代替短鉆鋌，形成螺桿鐘擺降斜鉆具組合：?215.9 mmPDC鉆頭+7LZ172×1.25°(?210 mm 扶正器+?212 mm 扶正器+?168 mmMWD+?168 mm無磁鉆鋌+?165 mm鉆鋌×9根，可根據(jù)對靶降斜要求隨時微調(diào)控制，提高機械鉆速。實驗表明：螺桿鐘擺鉆具組合較常規(guī)鐘擺鉆具組合平均進尺增加37 m，平均機械鉆速提高1.76 m/h，平均機械鉆速提高率18.03%。

4 軌跡控制技術(shù)

大斜度井軌跡控制就是利用“PDC鉆頭+螺桿+短鉆鋌+扶正器”(簡稱“四合一”)鉆具組合特性，結(jié)合地層增降斜規(guī)律，按照預(yù)期設(shè)計的“直-增-穩(wěn)-緩降”剖面，對實鉆井眼進行控制。

4.1 剖面優(yōu)化

采用“直-增-穩(wěn)-降”三段制剖面存在以下問題［7-8］：(1)根據(jù)設(shè)計要求，入靶井斜必須小于15°，降斜段降斜率高達10～13(°)/100 m，井斜變化大，導(dǎo)致后期施工摩阻、扭矩大；(2)降斜段通過經(jīng)驗選用不同長度短鉆鋌組成的常規(guī)鐘擺鉆具組合，降斜率不穩(wěn)定，很難滿足設(shè)計要求；(3)降斜段井深3 200～3 900 m，地層可鉆性差，機械鉆速低。因此結(jié)合地層增降斜規(guī)律，由“直-增-穩(wěn)-降”剖面優(yōu)化為“直-增-穩(wěn)-緩降”三段制剖面。第1趟鉆(800～3 200 m井段)應(yīng)用“四合一”鉆具組合完成直增+穩(wěn)斜井段，鉆穿劉家溝組進入石千峰組地層，完成了主要軌跡控制井段；第2趟鉆(3 200～3 900 m井段)應(yīng)用降斜鉆具組合完成緩降井段，復(fù)合降斜率2～4(°)/100 m，實現(xiàn)降斜段降斜率可調(diào)控，防止降斜率偏高導(dǎo)致摩阻、扭矩增大，達到提高深井段機械鉆速目的。 “直-增-穩(wěn)-降”剖面，降斜率高達 7～13(°)/100 m，井斜突降，降斜段軌跡變化大；優(yōu)化為“直-增-穩(wěn)-緩降”剖面，降斜率只有 2.9～4.9(°)/100 m,降斜平緩，軌跡平滑。

4.2 軌跡控制技術(shù)

根據(jù)地層自然增降斜規(guī)律，通過設(shè)計水平位移形成不同軌跡控制技術(shù)［9-11］。

(1)1 000 m 水平位移：初始井斜角 18～22°，初始方位3～5°，上部微調(diào)，進入延長組降斜段井深1 800 m前，井斜比靶心井斜大4°，利用延長組地層降斜規(guī)律，微調(diào)控制，鉆穿延長組，進入紙坊組，井斜比對靶井斜小3～4°，后期利用紙坊組、和尚溝組、劉家溝組地層增斜規(guī)律，增斜鉆進；1 400 m水平位移：初始井斜角 25～28°，初始方位 3～5°，進入延長組降斜段井深1 800 m前，井斜比靶心井斜大6°，最大井斜控制在33～35°，通過大井斜來抑制延長組中下部強降斜段降斜趨勢，微調(diào)控制鉆進通過延長組降斜段，減少大段滑動調(diào)整。

(2)第1趟鉆采用“四合一”鉆具組合完成“直-增-穩(wěn)”井段，直羅組、延安組地層屬于定向增斜井段，增斜率10～15(°)/100 m；延長組上部增斜率2～3(°)/100 m，延長組下部地層屬強降斜井段，井斜變化率-4～-10(°)/100 m，方位變化率-2～-5(°)/100 m；紙坊組、和尚溝組復(fù)合增斜率1.2～2.2(°)/100 m；進入劉家溝組隨著井斜增大，復(fù)合增斜率達到2～5(°)/100 m；因此根據(jù)地層規(guī)律應(yīng)用鉆具組合特性在延長組底部、紙坊組、劉家溝組微調(diào)穩(wěn)斜鉆進，施工過程中微調(diào)控制最大井斜，防止井斜超標。

(3)第2趟鉆采用螺桿鐘擺降斜鉆具組合鉆完成“緩降”井段，鉆穿劉家溝組進入石千峰組，井斜對靶降斜率2～4(°)/100 m，微降斜鉆進完鉆。

5 CQCG-G鉆井液優(yōu)化維護技術(shù)

天然高分子水基鉆井液體系(簡稱CQCG-G)是由天然高分子降濾失劑NAT20、有機鹽抑制劑weigh2、無熒光白瀝青封堵防塌劑NFA-25、天然高分子強抑制包被劑IND30、黃原膠提黏劑XCD、聚合醇潤滑劑PGCS-1等天然可降解高分子材料進行優(yōu)配形成的一種環(huán)保鉆井液體系，該體系是根據(jù)蘇南區(qū)塊直羅組、延長組易井塌，雙石層紅膠泥分散造漿、鉆頭易泥包(簡稱“上塌下包”)的地層特點，進行分井段優(yōu)化，具有以下特性：強抑制防塌性、性能穩(wěn)定、井徑較規(guī)則；低黏高切性，良好的流變性，攜砂和懸浮能力強；封堵護壁性強，井壁穩(wěn)定。

5.1 聚合物鉆井液體系配方優(yōu)化

二開直羅組至劉家溝組上部地層，使用低固相聚合物鉆井液體系，突出鉆井液體系封堵防塌性。配方優(yōu)化為：0.2%～0.5%IND30+0.1%～0.2%K-PAM+0.5%NAT20+0.5%NFA-25+1%～1.5%膨潤土+0.1%XCD+潤滑劑。加入0.2%～0.5% IND30、0.1%～0.2%K-PAM提高鉆井液抑制絮凝效果；加入0.5%NAT20降低鉆井液失水；加入0.5%NFA-25和1%～1.5%水化膨潤土漿增強封堵性，改善濾餅質(zhì)量，可以有效防止直羅組、延長組地層前期垮塌造成井下復(fù)雜。鉆進期間鉆井液性能：密度 1.02～1.06 g/cm3， 漏斗黏度 33～38 s，F(xiàn)LAPI＞16 mL，pH 值 7～8，動切力 2～5 Pa。

5.2 鉆井液轉(zhuǎn)化后配方優(yōu)化

二開進入劉家溝組中部，逐步轉(zhuǎn)化為強抑制天然高分子鉆井液體系，提高鉆井液體系抑制性，突出防塌、防泥包效果。配方優(yōu)化為： 0.5%～1%NAT20+ 0.5%～1%NFA-25+0.3%～0.5%PGCS-1+3%～5%weigh2+0.1%XCD+潤滑劑。加入3%～5%weigh2提高鉆井液抑制性，改善鉆井液流變性；加入0.3%～0.5%聚合醇PGCS-1，增強鉆井液潤滑性；雙石層鉆進要求低黏切，適當減少NAT20、XCD等增黏藥品加量，將PGCS-1加量增至0.5%，降低雙石層鉆頭泥包頻次，保障鉆進順利。鉆井液性能要求：密度 1.08～1.12 g/cm3，漏斗黏度 35～45 s，API濾失量 8～5 mL，pH 值 8～10，動切力 3～7 Pa，塑性黏度 12～24 mPa·s。

5.3 完井液重復(fù)利用技術(shù)

采用0.5%～1%聚合氯化鋁和0.3%～0.6%高效絮凝劑G321對完井液進行固液分離，分離液性能：黏度28～29 s，密度1.02 g/cm3，通過加入PAM和燒堿將分離液調(diào)整處理，進行重復(fù)利用，用于下口井施工，二開一次性加入，整體循環(huán)均勻后，根據(jù)失水大小調(diào)整性能。

6 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過優(yōu)選個性化PDC鉆頭，匹配不同級數(shù)、轉(zhuǎn)速的螺桿，優(yōu)化“直-增-穩(wěn)-微降”剖面設(shè)計、采用“兩趟鉆”軌跡控制技術(shù)、“四合一”鉆具組合、CQCG-G鉆井液體系，形成了一套蘇南大斜度井高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)，大幅度提高了鉆井速度。通過應(yīng)用上述技術(shù)，2016年蘇南區(qū)塊共完成15口定向井，其中2趟鉆2口，占比13.33%，2017年完井9口定向井，兩趟鉆完成4口，占比44.4%。自2016年開始應(yīng)用上述技術(shù)后，鉆井周期不斷縮短，其中2017年平均鉆井周期11.95 d，較2016年縮短2.56 d，提速17.64%。

7 結(jié)論與建議

(1)把地層規(guī)律、PDC鉆頭能力、四合一鉆具特性3方面因素優(yōu)化結(jié)合，按照“直-增-穩(wěn)-微降”剖面設(shè)計，通過“兩趟鉆”軌跡控制，有效解決了大斜度井施工過程中摩阻、扭矩大的問題。

(2)個性化高效鉆頭、低速大扭矩螺桿優(yōu)選匹配，提高單只鉆頭進尺和平均機械鉆速，是實現(xiàn)快速鉆井的關(guān)鍵；“四合一”鉆具組合的優(yōu)化，提高了鉆具組合穩(wěn)斜能力，利用地層增降斜規(guī)律，減少軌跡控制過程中滑動調(diào)整井段，提高了全井機械鉆速。

(3)根據(jù)蘇里格南區(qū)塊地層特點分段優(yōu)化鉆井液體系配方，形成了一套CQCG-G鉆井液 技術(shù)，以其強抑制、強封堵護壁防塌性、低黏高切等特性，解決了直羅組、延長組等易垮塌地層坍塌、雙石層鉆頭泥包等問題，達到了安全快速鉆井目的。