大位移水平井鉆井提速技術研究

周志剛

（中海油服油田生產事業部鉆修井作業中心，天津 300459）

對能源需求的增加進一步推動了石油資源開發，石油資源開發地質、地形復雜多樣，傳統的鉆井施工技術應用具有一定局限性，可能會影響甚至限制石油開采工作的正常開展。在石油開采工程進行及發展過程中，水平井鉆井提速技術衍生并發展，解決了目前地質地形復雜多樣化的問題，同時利用該技術在減少井控難度的同時還實現對油氣井流體特征的有效控制，從而保障石油開發工作的順利開展。在當前大位移水平井鉆井提速技術發展中，必須不斷進行優化和發展。

1 大位移水平井鉆井技術發展現狀

提高單井產量的重要技術之一是不斷提升水平井技術，以提升油氣開采的質量和水平。以加拿大和美國為代表的發達國家在水平井技術的發展方面起源于20世紀中期，但是在其發展初期的時候因技術發展水平有限而一度發展緩慢，經過近半個世紀的發展之后，于20世紀90年代開始大規模應用發展這一技術。在經過十年的應用之后，大位移水平井技術被提出并被應用，但和水平井技術相比難度更大，該技術良好應用于湖泊以及沙漠等地，有效提升其單井產量，給石油開采工程帶來較高的經濟收益。我國和西方發達國家相比，大位移水平鉆井技術發展和起步較晚，雖然經過多年發展但技術水平亟待提高，尤其是技術難點亟待突破。

2 大位移水平井鉆井提速技術應用制約因素

2.1 巖質較差，巖石強度高

前面分析指出大位移水平井的應用環境主要是地形復雜的地區，包括湖泊以及沙漠地帶，在石油開采過程中由于鉆井深度的不斷增加，巖質呈現多樣化，硬度和密度也不斷增加，石油開采的難度增加，鉆井開采效率必將下降。以某大氣油田深部潛山地層巖石下的石油開采工程為例進行分析，其抗壓強度高達172～207MPa，屬于典型的極硬地層，石油開采和可鉆性極差（可鉆性級值＞7），其開采內摩擦角達到40°，地層研磨性極強（研磨性＞5級）。面臨這種巖質，進行石油開采難度極大，若采用常規鉆井工藝，不僅周期長、鉆速慢，而且成本高、效果差。

2.2 井內溫度高

在石油開采和鉆井深度不斷加深的情況下，井下溫度會隨深度增加而不斷提升，面臨高溫乃至超高溫，鉆井設備中的塑料及橡膠材料會不斷老化，使用壽命大幅下降，影響鉆井工作正常開展。某大氣油田深部潛山地層大氣田地溫梯度為3.2～3.5℃/100m，呈現出梯度升高、局部異常高溫的特征，高溫位置超過150℃。在進行鉆井和石油開采過程中，鉆井液性能受外界環境影響極大，在高溫及超高溫下鉆井液發生交聯以及降解，可能影響其穩定性而發生失效。另外在某些地層的鉆井中鉆速較低，會導致鉆井過程中產生的顆粒較小的巖屑，這些巖屑混入鉆井液中影響鉆井液的性能。除此之外，鉆井液溫度受到外界溫度的影響可能對鉆井設備及工具的密封性產生影響，進而影響破巖效率。

2.3 壓持效應

在實際石油開采和鉆井工程當中，隨開采深度不斷增加，鉆井的鉆頭呈現出彎曲化特征，最終可能導致鉆井過程中出現斜井，斜井的產生導致鉆頭無法正常實現加壓。尤其是在地形相對復雜及斜度較大的地區，工程施工過程中會引入輕壓吊的方法規避鉆井井斜的現象，但是這種施工方法會影響鉆頭鉆速。這種效應叫作壓持效應，同時壓持效應中還會產生一些細小微粒，這些微粒的產生必然也影響了鉆井液性能。壓持效應的存在也導致原本硬度較高的巖石強度增加，破巖難度也必將進一步提高。

3 大位移水平井鉆井提速關鍵技術研究

3.1 鉆頭優化

面對當前復雜多樣的地層，要求進行快速鉆進，鉆頭在外界各種因素的影響下必然會導致其側向力大小和方向呈現出不穩定的狀態，可能引起鉆頭失效等各種問題，最終導致施工過程中需要頻繁更換鉆頭以滿足工程需求，因此在進行鉆頭優化過程中需要充分考慮其穩定性和攻擊性。

3.1.1 非等圓周分割刀翼的設定

本文針對鉆頭穩定性優化提出了鉆頭的非等圓周分割刀翼設計，如圖1所示。通過這種鉆頭設計能夠有效解決井底產生的周期性振動問題，從而有效規避鉆頭回旋工況問題。通過這種設計還能夠降低鉆井鉆頭的側向沖擊載荷，提升鉆井鉆頭穩定性。

圖1 刀翼設計

3.1.2 切削結構的設定

鉆井過程中部分地層存在破碎性較高的特征，從而導致PDC 切削齒出現吃入地層不均的現象，如果鉆頭中的某一刀翼過深切入地層，但是其他的刀翼吃入較淺，最終會導致鉆頭因不均反扭發生打滑，本文對其進行優化，如圖2所示，PDC鉆頭設計中采用了較大的錐部圓弧，這樣保障了地層和錐部之間具有較大的接觸面積，從而有效規避切削齒受沖擊過大而過早受損的問題。

圖2 載荷示意圖

3.2 提速工具

對于鉆井設備中的減摩工具、電動機、減扭工具的優選原則而言，一般滿足克服地層傾角、鉆頭高轉速、降摩扭的要求，利用提速工具的不斷優化最終選擇最優鉆具組合。

3.2.1 螺桿鉆具優選

以某3000m 鉆井提速段為例進行分析，作為深底層的代表，建議采用PDC 鉆頭進行鉆進，但是該地層的地層傾角相對較大，超過15°，在井斜控制方面存在一定難度，傳統鉆井技術中采用改變鉆具結構、降鉆壓吊打等方法實現鉆井防斜，但是這種方法會對鉆井速度產生一定影響，甚至面對井斜程度較大的情況需要利用相應鉆具進行糾斜，鉆井提速必然受到限制。對傳統的鐘擺鉆具和塔式鉆具進行優化，采用1.25°螺桿鉆來有效規避地層傾角的不良影響，同時結合預彎曲動力防斜打快技術，兩者協調配合保證鉆井速度的同時，保障鉆井質量。

3.2.2 水力振蕩器

對于石油開采及鉆井過程中溝組地層傾角較大的情況，極易出現嚴重井斜超標問題。而且某些工程當中巖層的巖性相對致密，導致直井穩斜的難度較大。為保障工具面的連續性和穩定性，建議引入水力振蕩器，通過水力振蕩器的縱向振動影響并提高鉆進的有效性，同時還能夠降低井眼之間存在的摩擦阻力。在以有螺桿鉆具的定向滑動鉆進施工為代表的眾多鉆進模式中，采用水力振蕩器能夠有效改善鉆壓傳遞，如圖3所示，有效提升定向鉆井的施工效率。

圖3 水力振蕩器

3.3 井眼軌跡控制

井眼軌跡控制是提高大位移水平井鉆井提速的重要方式，基于全井使用 PDC（牙輪）+單彎螺桿+穩定器+MWD 鉆具組合復合鉆進的原則進行，分界線是中溝組，對于井底的位移和上部的井斜進行有效控制，基于此下部控制地層方位穩斜鉆進。

實際的鉆井和施工過程中，要保障2.5°以內的中溝組地層控制井斜，同時保障30～35m 的反向位移，對于鉆進而言采用穩斜鉆井的方式（下部地層控制方位），對于傾角較大的地層，在進行鉆井施工過程中可能產生自然增斜問題，一般其傾斜角度超過60°，不能有效控制井斜方位，在這種情況下采用直螺桿“單 2”鐘擺鉆具，其主要原因是直螺桿“單 1”鐘擺鉆具在實際的鉆井施工中其穩斜效果相對較差，不能滿足實際施工需求。采用 PDC（牙輪）鉆頭單彎螺桿（1.25°）配合 NOV 水力振蕩器，滑動鉆進中工具面穩定，緩解了定向托壓黏卡現象，井斜方位能得到有效控制，根據井斜情況及時調整鉆井參數控制井眼軌跡，保證了后期井身質量，加快了鉆井速度。

4 結論

對于大位移水平鉆井施工而言，進行技術提速十分關鍵，采用更優的大位移水平井鉆井提速技術，能夠進一步提升我國油田開采的水平和質量。本文研究指出目前影響限制大位移水平井鉆井提速的主要制約因素包括巖質較差、硬度較高，井內溫度較高、壓持效應等，在進行提取研究及優化當中需要充分考慮各個方面因素，不斷發展、完善及優化。未來我國大位移水平井鉆井提速將朝著體系完善化及設備優良化的方向發展。