山西臨興致密氣鉆井鉆頭優選及提效分析

王志超，陳真，袁則名，和鵬飛，孟瑄，鄭卓

中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司（天津300452）

臨興區塊位于山西省呂梁市，構造位置屬于鄂爾多斯盆地。本區地層沉積相對平緩，是由東向西的單斜傾斜，該區域發育構造主要為鼻狀構造，屬于黃土塬地貌，地形以黃土丘陵為主，地勢起伏較大[1-2]。鄂爾多斯地區的整體開發程度較低，但隨著近年來國家天然氣的大量勘探和開采，該盆地迎來前所未有的大開發。但該區塊地層復雜，單趟鉆進尺少，鉆井過程中鉆進速度慢，起下鉆次數多，非生產時間及鉆井周期長；同時井眼井壁穩定性差，井下漏失、溢流、井塌等復雜情況頻發，有時甚至會造成重大的鉆井事故[3-4]。基于這些問題，鉆井提效迫在眉睫，既可提高鉆井機械鉆速，縮短鉆井周期，又極大地降低了復雜情況的發生。

1 鉆井技術難點

對臨興區塊近年鉆井資料進行分析，發現造成現階段鉆井機械鉆速慢、鉆井周期長的主要原因為地質因素，具體分析如下：

1）地表條件復雜，山體陡峭，溝谷切割，斷層不發育。地層橫向分布廣，多層疊置，砂體平面連續性差，易發生漏失，且漏失存在不可預見性和不可控制性。

2）砂層厚度較小，多薄層發育，砂泥巖互層和夾層較多，鉆頭鉆遇不同巖石可鉆性相差較大，鉆頭選型困難。

3）下部地層普遍較硬，鉆井機械鉆速低，鉆井周期較長。

4）區塊內地層存在一定差異，穩定性較差，易發生井下漏失、井壁縮徑、井塌等復雜情況，復雜情況處理困難，周期長，處理過程中井況易惡化。

2 鉆井技術優化措施

2.1 優化鉆頭選型

通過理論研究與臨興區塊地質特點相結合及多井間進行數據對比，從鉆頭構造、噴嘴傾斜角、布齒密度、井底流場、力平衡和強度、負載等多方面多角度對比和優化，力爭選擇井底巖屑清理速度快，抗研磨性強，攻擊力和切削齒機械效率高，壽命長的鉆頭[5-8]。鉆頭壽命長可以大大提高單趟鉆進尺，有效地減少起下鉆更換鉆具時間；鉆頭研磨性強，攻擊力和機械切削效率高可以提高機械鉆速，在相同時間內進尺更多。

臨興區塊上部井段為第四系黃土層，該井段地層可鉆性較好，通過統計、分析該地區歷年鉆井資料，發現5刀翼、短冠型、19 mm切削齒的PDC鉆頭使用效果良好，與上部井段地層匹配性較高。

臨興區塊下部井段地層可鉆性相差較大，石千峰以上地層主要為粉砂巖、砂巖及泥巖，地層相對較軟，巖石致密程度稍低，選用鋼體、5刀翼、單排步齒、雙錐型冠部的PDC鉆頭壽命長，進尺多，機械破巖效率高；石千峰以下地層主要為石英砂巖、泥巖及煤層，地層致密，可鉆性差，歷年鉆井所用常規PDC鉆頭保徑和切削齒均磨損嚴重，但胎體、6刀翼、雙排齒、保徑加強的PDC鉆頭使用效果良好，耐磨損強度顯著提高，鉆頭壽命和進尺更多，同時不影響機械鉆速。

2.2 優化鉆具組合

鉆具組合使用的基本原則是：保證軌跡和井身質量，有效控制井斜角和全角變化率；保證鉆頭工作穩定性，鉆進期間能夠施加較高鉆壓，提高機械鉆速；同時減少憋壓、蹩扭矩和卡鉆等復雜情況，保證起下鉆順利，在條件允許情況下盡可能優化鉆具組合。優化鉆具組合為：大尺寸井眼660.4 mm（26″）和428.75 mm（17?″）井眼采用塔式鉆具組合，較小尺寸井眼311.15 mm（12? ″）和215.9 mm（8? ″）井眼采用鐘擺鉆具組合。針對個別井特殊情況，調整鉆具組合選用防斜、糾斜鉆具，可以采用PDC鉆頭和螺桿鉆具低鉆壓輕打鉆進，加強井眼軌跡的防斜效果。

2.3 優化鉆井液體系

合理的鉆井液體系對鉆井作業非常重要，鉆井液可以及時清除井底巖屑，保持井底清潔，避免鉆頭重復切削，降低鉆頭切削齒的磨損，提高鉆進速度，同時能夠平衡井壁側向擠壓力，在井壁形成薄而韌的泥餅，封閉和穩定井壁，防止井內油氣資源污染、井壁坍塌和井眼縮徑。

臨興區塊屬于鄂爾多斯盆地，該地區地層部分缺失，夾層多，鉆進過程中井下漏失、井塌和縮徑等復雜情況頻繁發生，井壁穩定性較差，針對該地區地層的特殊性，采用抑制性較高的超低滲透鉆井液體系。超低滲透鉆井液體系中的聚合物黏附在地層縫隙的終端創造“橋頭”，與流體中其他物質相結合，穿過地層縫隙形成表面橋，石油行業中稱為“墊層”，這些墊層為多層纖維墊層，極大地提高了鉆井液抑制性，減少了鉆井液中流體侵入地層，有效地維護了地層的穩定性，鉆井周期和裸眼裸露時間較長情況下，亦能保證井眼穩定，大大減少了鉆井過程中井漏、井壁坍塌和縮徑等復雜情況。

3 現場應用效果

近年來，臨興致密氣進行了多口鉆井作業，其中比較有代表性的有LX-6、LX-1、LX-5、LX-4和LX-8井等5口井，這5口井互為鄰井，井深和井身結構類似，鉆井方面數據相近，具有很好的對比效果。對這5口井在上部井段和下部井段鉆井作業期間的單趟鉆進尺、鉆井機械鉆速和鉆井工期進行全面對比，通過對比發現，采用優化鉆頭選型、優化鉆具組合和鉆井液體系等提效措施后，單趟鉆進尺和鉆井機械鉆速顯著提高，鉆井工期相應減少，提速效果明顯。具體分析如下。

3.1 單趟鉆進尺和機械鉆速對比

由表1可知，上部井段提效前LX-6井、LX-1井和LX-5井鉆進期間總進尺為1 535.66 m，單趟鉆平均進尺為255.94 m，總純鉆時間為334.5 h，總體平均機械鉆速為4.59 m/h；后續鉆井作業中采用優化鉆頭選型、優化鉆具組合和鉆井液體系等提效措施，提效后LX-4井和LX-8井單趟鉆進尺和總體機械鉆速都有顯著提高，總進尺為3 915.94 m，單趟鉆平均進尺為748.01 m，總純鉆時間為508.53 h，總體平均機械鉆速為7.70 m/h，提效后單趟鉆平均進尺為提效前的2.92倍，單趟鉆增加進尺比例達到192%；提效后鉆頭總體平均機械鉆速為提效前的1.68倍，提速比例達到68%，單趟鉆進尺和機械鉆速均有明顯提高。

表1 臨興致密氣上部井段單趟鉆進尺和機械鉆速對比

由表2可知，下部井段提效前LX-6井、LX-1井和LX-5井鉆進期間總進尺為514.29 m，單趟鉆平均進尺為73.47 m，總純鉆時間為206.5 h，總體平均機械鉆速為2.49 m/h；后續鉆井作業中采用優化鉆頭選型、優化鉆具組合和鉆井液體系等提效措施，提效后LX-4井和LX-8井鉆頭單趟鉆進尺和總體機械鉆速都有顯著提高，總進尺為3 084.2 m，單趟鉆平均進尺為371.66 m，總純鉆時間為712.08 h，總體平均機械鉆速為4.33 m/h，提效后單趟鉆平均進尺為提效前的5.06倍，單趟鉆增加進尺比例達到406%；提效后鉆頭總體平均機械鉆速為提效前的1.74倍，提速比例達到74%，單趟鉆進尺和機械鉆速均有明顯提高。

表2 臨興致密氣下部井段單趟鉆進尺和機械鉆速對比

3.2 鉆井工期對比

提效前LX-6井、LX-1井和LX-5井，鉆井工期分別為43.51 d、53.18 d和42.16 d，平均鉆井工期為46.27 d；后續鉆井作業中采用優化鉆頭選型、優化鉆具組合和鉆井液體系等提效措施，提效后LX-4井和LX-8井鉆井工期分別為35.03 d和34.11 d，平均鉆井工期為34.57 d，提效后平均鉆井工期相比提效前縮短了11.71 d，鉆井工期縮短比例達到25.3%，提效措施效果明顯。

4 結論

臨興區塊地質情況復雜，夾層多，鉆井過程中井下漏失、井塌和縮徑等復雜情況頻發，針對該區塊的地質難點，通過采用優化鉆頭選型、優化鉆具組合和鉆井液體系等提效措施，不僅提高了鉆進中的單趟鉆進尺和機械鉆速，縮短了整體鉆井工期，同時有效地降低了鉆進過程中復雜情況的發生，并保證了起下鉆過程的順利，很好地解決了該區塊地質難點。該提效措施符合臨興致密氣的地層特點，在鉆井作業中的促進效果明顯，為后續臨興致密氣油氣資源的大開發提供了現場經驗。