順北石炭系以淺地層關(guān)鍵提速技術(shù)研究

張晨開(kāi)

摘要：隨著順北油氣田勘探開(kāi)發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，不斷研發(fā)、改進(jìn)、優(yōu)選提速工具，優(yōu)化提速方案，攻克提速技術(shù)瓶頸，順北區(qū)塊提速提效工作取得了較好的指標(biāo)。但順北區(qū)塊在石炭系以淺地層，依然存在諸多技術(shù)難題，導(dǎo)致施工周期長(zhǎng)，鉆井成本高，嚴(yán)重制約提速提效。為加快順北區(qū)塊勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)度，加快產(chǎn)能建設(shè)，深入開(kāi)展本課題的專項(xiàng)研究，從鉆頭螺桿優(yōu)選、鉆井液性能優(yōu)化、鉆井參數(shù)強(qiáng)化、防泥包技術(shù)措施制定等方面，形成一套石炭系以淺地層鉆井提速工藝技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：砂礫巖;玄武巖;高抗沖;異型齒;混合鉆頭

順北油氣田經(jīng)過(guò)近幾年的勘探開(kāi)發(fā)，油氣產(chǎn)量逐年遞增，將打造千萬(wàn)噸級(jí)大油氣田，已成為中國(guó)石化勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)。順北區(qū)塊地層復(fù)雜，且呈現(xiàn)由北向南施工難度逐漸增大的情況，經(jīng)過(guò)不斷地突破技術(shù)瓶頸，攻克了諸多技術(shù)難題，但仍然存在提速瓶頸。通過(guò)收集施工井資料，對(duì)順北區(qū)塊石炭系以淺地層的發(fā)育、巖石物理特性、分布規(guī)律及可鉆性進(jìn)行深入研究，從鉆頭研選、提速工具優(yōu)選、鉆井液技術(shù)優(yōu)化、技術(shù)措施改善等方面開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，形成針對(duì)性的技術(shù)方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，最后形成一套完善的順北區(qū)塊石炭系以淺地層優(yōu)快鉆進(jìn)提速提效關(guān)鍵技術(shù)。

1? ? 石炭系以淺地層調(diào)研，地層可鉆性對(duì)比分析

基于巖石力學(xué)特性測(cè)試，獲取了石炭系以淺地層彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度、壓入硬度、可鉆性級(jí)值等參數(shù)[1]，建立了巖石主要力學(xué)參數(shù)的計(jì)算模型，計(jì)算得到了8種巖石力學(xué)參數(shù)剖面，確定了各參數(shù)的分層分布特征。

從巖石力學(xué)參數(shù)與地層可鉆性剖面可知，二疊系以淺地層，以砂泥巖互層為主，單軸抗壓強(qiáng)度20～65 MPa，地層可鉆性極值2～4.5，屬于中軟地層。二疊系地層火成巖發(fā)育，單軸抗壓強(qiáng)度50～150 MPa，地層可鉆性極值5～7.2，屬于中硬-硬地層。地層可鉆性：二疊系上部砂泥巖<二疊系凝灰?guī)r<二疊系英安巖<二疊系玄武巖。

2? ? 順北5條帶石炭系以淺地層施工井?dāng)?shù)據(jù)

順北5條帶北部311.2 mm井眼石炭系以淺地層平均施工周期63.35天，平均施工趟數(shù)9.28趟，平均機(jī)速7.4 m/h。順北5條帶中部311.2 mm井眼石炭系以淺地層平均施工周期48.88天，平均施工趟數(shù)7.6趟，平均機(jī)速9.19 m/h。順北5區(qū)南部石炭系以淺地層333.38 mm尺寸的井眼，包括整個(gè)順北5號(hào)斷裂帶，只有順北53X和順北53-2H兩口井是該井眼尺寸的井，且順北53-2H井二開(kāi)在二疊系提前申請(qǐng)完鉆，后續(xù)施工井眼為250.88 mm井眼，二疊系地層施工數(shù)據(jù)無(wú)對(duì)比性。順北53X井石炭系以淺地層333.38 mm井眼，施工周期87.6天。其中在二開(kāi)施工期間，因二疊系發(fā)生失返性漏失，導(dǎo)致鉆具被埋，處理故障耗時(shí)14.95天，扣除故障時(shí)效后施工周期為72.65天。施工趟數(shù)10趟，平均機(jī)速5.74 m/h。

順北5區(qū)北部石炭系以淺地層施工指標(biāo)最優(yōu)井是順北5-12H井，該井石炭系以淺地層共施工4趟鉆，平均機(jī)械鉆速9.26 m/h，刷新順北5區(qū)北部石炭系以淺地層機(jī)械鉆速最快指標(biāo)。見(jiàn)表2。

針對(duì)二疊系火成巖地層，施工指標(biāo)最好的是順北5-11H井，采用江鉆產(chǎn)混合鉆頭，2趟鉆完成二疊系火成巖及以下地層施工進(jìn)尺任務(wù)。

3? ? 石炭系以淺地層提速難點(diǎn)技術(shù)分析

（1）三疊系阿克庫(kù)勒組、柯吐?tīng)柦M含雜色砂礫巖，難以實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成二疊以上地層進(jìn)尺。

（2）二疊系層段火成巖發(fā)育且厚度大，英安巖、玄武巖可鉆性差，常規(guī)PDC鉆頭易崩齒、進(jìn)尺短。

（3）石炭系以淺致密泥巖地層易造成鉆頭泥包。

鉆頭泥包的原因分析：

①地質(zhì)因素：泥巖含量高，易于水化分散，導(dǎo)致有害固相含量高，形成厚泥餅，造成鉆頭泥包。

②泥漿因素：抑制性差，無(wú)法控制泥巖水化分散;潤(rùn)滑性差，劣質(zhì)固相易吸附在鉆頭上。

③工程技術(shù)因素：排量小，不能有效清洗井底及鉆頭;長(zhǎng)裸眼下鉆未中途循環(huán)，及時(shí)清洗鉆頭上剮蹭的泥餅。

④操作水平因素：下鉆時(shí)遇阻未開(kāi)泵沖洗鉆頭;下鉆到底盲目鉆進(jìn)，未清洗鉆頭，造成鉆頭泥包。

4? ? 提速技術(shù)方案制定

4.1 鉆頭研選

（1）二疊系以淺地層鉆頭研選? 針對(duì)三疊系施工難點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)鉆頭進(jìn)行改造升級(jí)，升級(jí)復(fù)合片性能，提高復(fù)合片的抗沖擊能力;對(duì)導(dǎo)流槽進(jìn)行水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保巖屑運(yùn)移順暢。研選型號(hào)為KS1952DGR雙排齒高抗沖擊PDC鉆頭。

（2）二疊系地層鉆頭研選? 二疊系碎屑巖地層：優(yōu)選復(fù)合片進(jìn)行升級(jí)后的KS1652DGRX異型齒鉆頭。采用尖形齒、斧型齒等異形齒混布技術(shù)，降低地層破巖強(qiáng)度，提高破巖效率。匹配大扭矩等壁厚螺桿鉆具，增強(qiáng)鉆頭破巖能量。

（3）二疊系玄武巖地層：優(yōu)選高性能混合鉆頭KPM1342DST。采用梯度和處理的硬質(zhì)合金齒，控制鈷含量，提高其抗斷性能;4刀翼2牙輪結(jié)構(gòu)，牙輪齒覆蓋內(nèi)錐;第四代高抗沖復(fù)合片，性能提升27%。

4.2 螺桿優(yōu)選

根據(jù)不同的地層，不同巖性特性，優(yōu)選江鉆等壁厚螺桿。該螺桿鉆具采用等壁厚馬達(dá)技術(shù)，同等規(guī)格在相同排量下，功率和輸出扭矩更大，輔助提高鉆頭破巖效果;等壁厚螺桿定子橡膠在螺桿井下作業(yè)時(shí)受力更加均勻，有效減少了應(yīng)力，可以延長(zhǎng)螺桿馬達(dá)使用壽命;同時(shí)優(yōu)選耐高溫膠粘劑，研制出耐高溫（205 ℃）馬達(dá)橡膠材料，提高了螺桿的耐高溫能力，延長(zhǎng)螺桿的使用壽命。

二疊系以淺地層優(yōu)選高轉(zhuǎn)速大扭矩等壁厚螺桿，二疊系為減少對(duì)地層的碰撞，優(yōu)選低轉(zhuǎn)速等壁厚螺桿。

4.3 鉆井參數(shù)強(qiáng)化

（1）鉆壓強(qiáng)化? 二疊系以淺地層比較松軟，鉆時(shí)快，鉆壓基本保證60～80 kN;二疊系地層可鉆性差，鉆壓保持120～160 kN;采用MWD直井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)井身質(zhì)量，充分釋放鉆壓，實(shí)現(xiàn)防斜打直提速。

（2）轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)化? 二疊系以淺地層可鉆性較好，施工扭矩較小，轉(zhuǎn)速保證60～80轉(zhuǎn)/分，提高鉆頭的破巖效率;二疊系地層防止人為井壁碰撞，轉(zhuǎn)速保證45～55轉(zhuǎn)/分;嚴(yán)格設(shè)定扭矩上限，正常鉆進(jìn)扭矩基礎(chǔ)上附加3 kN·m。

（3）排量強(qiáng)化? 二疊系以淺地層不易漏失，在設(shè)備承受的情況下使用180 mm缸套，保證最大排量70 L/s，增大環(huán)空返速;二疊系易漏地層，在強(qiáng)化鉆井液封堵能力，確保無(wú)漏失的情況下，保障排量不低于35 L/s;井深增加泵壓升高，缸套直徑180→170→160→150，確保設(shè)備承壓能力滿足大排量施工要求。

4.4 鉆井液性能優(yōu)化

（1）固相控制? 機(jī)械控制：使用好四級(jí)固控設(shè)備，第一時(shí)間清除劣質(zhì)固相;快速鉆井期間勤排放錐形罐沉砂，及時(shí)清除循環(huán)罐內(nèi)沉砂、絮凝物[2]。化學(xué)控制：堅(jiān)持使用大分子包被抑制劑PMHC、K-PAM等，減小鉆屑分散，包被絮凝成顆粒形態(tài)便于被固控設(shè)備第一時(shí)間除去。控制坂含25～30 g/L、固相≤13%、含砂≤0.1%。

（2）性能指標(biāo)優(yōu)化? 流變性能。控制塑性黏度15～25 mPa·s，動(dòng)切力4～6 Pa，靜切力0-2/1-5，保持良好的鉆井液流型。失水造壁性。堅(jiān)持使用超細(xì)碳酸鈣、瀝青等材料，保持泥餅質(zhì)量致密、堅(jiān)韌。防塌抑制性能。三疊系以深鉆井液滾動(dòng)回收率≥90%，線性膨脹率降低60%。隨鉆封堵性能。使用1～2%竹纖維、1～2%聚合物凝膠、2～4%不同目數(shù)石灰石填充地層裂縫、孔隙，隨鉆封堵。

4.5 防泥包技術(shù)措施

（1）增強(qiáng)鉆井液的抑制性和潤(rùn)滑性，降低鉆井液失水;

（2）全面使用好四級(jí)固控設(shè)備，及時(shí)清除有害固相;

（3）采用大排量鉆進(jìn)，增大環(huán)空返速，及時(shí)攜帶巖屑;

（4）長(zhǎng)裸眼段下鉆必須進(jìn)行分段循環(huán)，清洗鉆頭剮蹭的泥餅，降低環(huán)空巖屑濃度;

（5）遇阻及時(shí)開(kāi)泵循環(huán)，清洗鉆頭;下鉆到底后首先大排量清洗鉆頭，不急于鉆進(jìn)，加壓時(shí)由小到大緩慢加壓，循序漸進(jìn)。

4.6 配套技術(shù)方案形成

對(duì)影響提速的因素進(jìn)行了分析，通過(guò)開(kāi)展鉆頭研選、螺桿優(yōu)選、鉆具組合和鉆井參數(shù)優(yōu)化工作，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)，完善了技術(shù)方案，形成了順北區(qū)塊石炭系以淺地層關(guān)鍵提速配套技術(shù)，可以在工區(qū)內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。見(jiàn)表4。

5? ? 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

5.1 技術(shù)指標(biāo)

（1）二疊系以淺地層? 順北5-16H井二開(kāi)第一趟鉆采用KS1952DGR高抗沖長(zhǎng)壽命PDC鉆頭，配合244 mm等壁厚大扭矩螺桿，鉆進(jìn)井段1583～4877 m，進(jìn)尺3294 m，純鉆173 h，機(jī)速19.04 m/h，一趟鉆鉆進(jìn)至二疊系31 m。

（2）二疊系碎屑巖地層? 順北5-17H井二疊系上部碎屑巖段，采用KS1652DGRX異型齒鉆頭，配合244 mm等壁厚大扭矩螺桿，碎屑巖井段4570～4744 m，進(jìn)尺174 m，純鉆45 h，機(jī)速3.87 m/h，較設(shè)計(jì)機(jī)速2.5 m/h提高了54.8%。

（3）二疊系玄武巖地層? 順北5-16H井二開(kāi)二疊系火成巖段，優(yōu)選江鉆混合鉆頭KPM1342DST，鉆進(jìn)井段4877～5130 m，進(jìn)尺253 m，純鉆116 h，機(jī)速2.18 m/h，刷新順北5號(hào)條帶北部區(qū)塊二疊系火成巖段單趟鉆最長(zhǎng)進(jìn)尺、機(jī)速最快兩項(xiàng)指標(biāo)。

5.2 周期節(jié)約及機(jī)械鉆速提高情況? 順北5-16H井石炭系以淺地層311.2 mm井眼施工共6趟鉆，進(jìn)尺3797.64m，純鉆時(shí)間405h，機(jī)械鉆速9.38m/h，較平均機(jī)速7.4m/h提高26.76%;施工周期45天，較平均周期63.35天節(jié)約28.97%。

順北5-17H井石炭系以淺地層333.38 mm井眼施工共7趟鉆，進(jìn)尺3669.5 m，純鉆時(shí)間510.5 h，機(jī)械鉆速7.19 m/h，較平均機(jī)速5.74 m/h提高26.26%;施工周期53.92天，較平均周期72.65天節(jié)約25.78%。

6? ? 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)順北區(qū)塊石炭系以淺地層開(kāi)展關(guān)鍵提速技術(shù)研究，形成了完善配套的順北區(qū)塊石炭系以淺地層關(guān)鍵提速配套技術(shù)方案，同時(shí)針對(duì)二疊系高風(fēng)險(xiǎn)地層施工，形成了二疊系安全優(yōu)快鉆進(jìn)體系，具有較高的推廣價(jià)值。

6.2 建議

順北區(qū)塊口井差異性強(qiáng)，地層復(fù)雜多變，針對(duì)二疊系玄武巖可鉆性差、研磨性強(qiáng)的巖性特點(diǎn)，較高純度的玄武巖仍不能實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭鉆進(jìn)，還需牙輪鉆頭進(jìn)行過(guò)渡，后續(xù)仍需進(jìn)行高純度玄武巖的可鉆性研究，攻克技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)順北工區(qū)石炭系以淺地層全面提速提效。針對(duì)順北區(qū)塊非常規(guī)四級(jí)結(jié)構(gòu)井（333.38 mm及以上井眼）石炭系以淺地層提速仍有較大的提速空間，在鉆頭優(yōu)選、提速工具優(yōu)選等方面，仍需持續(xù)開(kāi)展技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提速。

參考文獻(xiàn)

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