大港油田“一趟鉆”鉆井關鍵技術

楊 燦，李 偉，李曉涵，羅 碩，劉 英，王小寧

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 300280；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司頁巖氣管理部，天津 300280；3.液化空氣<天津>有限公司，天津 300074）

一趟鉆技術，緣起于北美頁巖油氣、致密油氣開發經濟性而逐步形成的一項技術，并被譽為2016 年國際石油十大科技進展之一。但其并非類似于旋轉導向技術這類單一技術，而是集成裝備、鉆井工具、施工設計、技術服務、鉆井管理及其它高效工藝技術為一體的綜合性技術的高度概括。廣義上的一趟鉆，并非指一口井一趟鉆，是指某一開次一趟鉆完成鉆井進尺，另外也用于特殊井段一趟鉆完成，如水平井水平段一趟鉆完成[1-2]。

1 大港油田基本概況

大港油田地處京津冀協同發展區，重點開發多類型斜坡區、多層系潛山、閉塞湖盆致密油、第三系深層、深層低滲透等油氣藏，目的層系800～6000m，自上而下因成藏壓實，南北地層藏深差異較大，可鉆性差異大[3]。深井鉆井一趟鉆技術的形成，難度較大。

2 制約一趟鉆的關鍵因素

2.1 大港油田一趟鉆技術基本要求

不考慮工程技術應用的因素，實現“一趟鉆”，也有其相對的局限性，從地質巖性、井眼軌跡、裝備能力方面表現出[4]。

2.1.1 地質巖性

地質巖性影響一趟鉆技術作用較大，尤其是在2017年之前，鉆頭技術、螺桿技術等發展未有較大突破時，一趟鉆技術幾乎無法形成。大港油田上第三系館陶組Ng底部發育底礫巖，厚度約為30～150m 之間，斜深長度30～180m，以石英質礫石為主，可鉆性極差，較難使用常規PDC鉆頭，多使用1～2只三牙輪鉆頭鉆穿。下第三系東營組Ed、沙河街組Es因地質壓實作用，泥巖致密，可鉆性差，對鉆頭、鉆井工具性能要求較高。

2.1.2 井眼軌跡

在井眼軌跡設計時，受油藏、地質、井口位置、經濟性等眾多條件的影響，設計軌跡會呈現多段制，除常規三段制、水平井外，五段制井、三維定向井、雙臺階水平井、雙增雙穩井型逐步增多，導致在進行井眼軌跡調控時，需要消耗更多的時間處理軌跡問題，而鉆頭、井下工具、儀器的工作壽命是有限的，進一步降低一趟鉆成功率。

2.1.3 裝備能力

裝備能力對一趟鉆的影響，主要是由于較高故障率導致。一是鉆井主要設備出現故障，如頂驅故障、鉆井泵故障、鉆井大繩磨損嚴重等，必須起鉆或停轉檢修；二是設備易損件修換，如鉆井泵缸套刺漏、井口工具損壞、高壓閘門刺漏更換等，增長非鉆井時效，降低一趟鉆成功率。

2.2 影響一趟鉆的工程因素

工程因素，受限于鉆頭技術、螺桿技術、井下測量技術、鉆井液技術的影響，均會對一趟鉆技術的形成產生負面影響。

2.2.1 鉆頭技術受限

鉆頭影響其一是在破巖過程中切削齒的磨損，導致后期機械鉆速低或者無進尺，必須起鉆更換鉆頭；其二是地質巖性發生改變，原有鉆頭不適應新地層，必須起鉆更換更加高效的鉆頭入井，如鉆遇礫巖，PDC鉆頭受限且進尺較少，最少進尺2m 即可報廢一只鉆頭，見圖1為港X井鉆頭下井前、圖2為該鉆頭鉆遇礫巖進尺13m后起出圖。

圖1 港XX井鉆頭入井前

圖2 鉆遇礫巖起出照片

2.2.2 螺桿技術受限

螺桿鉆具是軌跡控制、鉆井提速必不可少的井下工具，但是其密封件多為橡膠材質，壽命有限，常規螺桿下井工作推薦時間120h，高性能螺桿工作時間140～160h。超時工作容易引起螺桿事故發生（圖3）。因此，必須在此時間段內完成目標進尺，否則將無法實現一趟鉆。

圖3 超時工作引起螺桿事故

2.2.3 井下隨鉆測量儀器受限

井下隨鉆測量儀器因其供電方式，有自發電供電類和攜帶電池類測量儀器。自發電供電類儀器可以在井下長時間工作，時間受限有限。攜帶電池類測量儀器因電池供電有限。如常用的YST-48R泥漿脈沖隨鉆測量儀，由高溫鋰—亞硫酰氯電池供電，更根據工作電流，其井下工作壽命130～200h之間（圖4），因此一趟鉆技術必須在該電池工作時間內完成。

圖4 工作電流與使用時間關系曲線

3 二開（?311.1mm井眼）一趟鉆關鍵技術

3.1 異型齒鉆頭技術破解礫巖破巖瓶頸

在異型齒廣泛應用前（約2017 年前），二開?311.1mm 井眼均是以先下入PDC 鉆頭鉆進至Ng底礫巖上部約10m，起出鉆頭更換為三牙輪鉆頭，約1～2只穿過礫巖進入Ed地層。

近年，變革傳統思維推出礫巖破巖的個性化PDC鉆頭，主要是在切削齒上以傳統的平面齒，變革為異型齒。如圖5 所示，可實現中深井、深井在二開井段（?311.1mm井眼），由一只異型齒PDC鉆頭鉆穿Nm、Ng，鉆穿Ng底礫巖[5]，進入Ed組地層中完這一整個過程，并完成過程中的造斜、穩斜等施工實現一趟鉆。

圖5 平面齒到異型齒的轉變

比如大港油田常用的異型齒鉆頭MD9431，該鉆頭主切削齒采用PX齒（圖5最后一個樣式），類似于斧頭工作原理；后排輔助齒采用圓錐齒（見圖5 第二個樣式），錐形部分徑向吃入地層的同時，能產生橫向平衡力，控制鉆頭的橫向振動，降低鉆頭因破巖應力不均或應力集中而產生的結構性破壞，提高了鉆頭使用壽命，以“壓”與“切”的組合方式破巖，達到鉆破礫巖層的目的。在大港油田頁巖油井二開廣泛應用實現“一趟鉆”，機械鉆速平均24.91m/h，與應用其它鉆頭的鄰井相比，平均機械鉆速提高了65.4%，平均每口井節約鉆井時間108h。

3.2 激進式鉆井參數設計

開展激進式鉆井參數設計，提高排量5～10L/s，轉速、泵壓、鉆壓值均提高10%～50%，見表1，各項施工參數的提高，必然帶動鉆井速度的提高，但對主體設備要求高。在大港油田二開井段一趟鉆技術發展過程中，從固控設備、頂驅、鉆井泵、管匯、鉆具、網電設備等方面，完成裝備換新、升級，滿足激進式施工需求[6-7]。試驗“高轉速、高泵壓、高扭矩、大排量”鉆井參數設計，提高水力破巖效率，進一步提高機械鉆速與井眼清潔。

表1 激進式設計對比

開展條件一是承壓提升，循環系統承壓能力提升為52MPa，滿足激進式鉆井高泵壓的需求；二是主體高配，對固控系統、驅動系統等實行高配，提高鉆探能力；三是綠色鉆井，實行網電技術，動力保障充裕；四是鉆具優配，使用高強度非標鉆具。

4 三開（?215.9mm井眼）一趟鉆關鍵技術

三開井眼地層，一般從Ed組開始，完鉆層位Es1、Es2、Es3、Ek1、Ek2、Ek3及中古生界均有，完鉆層位不大相同，中北部地區Es1-Es2目標油藏較多，但底層壓實作用強，層系深、可鉆性較差，受制于鉆頭、井下工具、測量儀器時間限制的影響，能完成一趟鉆完鉆幾乎為0，有待科學技術的進一步發展與完善。南部地區多以Ek組油藏開發為主。

4.1 深層PDC技術

三開PDC鉆頭技術與一趟鉆相關性強，優選PDC鉆頭解決機械鉆速低、鉆壓傳遞困難、定向工具面難以穩定的問題，實現高效鉆井。因此，深層PDC 優選復合條件如下要求：

（1）滿足直井、造斜、穩斜、水平段全軌跡作業需求，適應旋轉導向、提速工具、LWD等配套作業需求與激進式水力參數設計需求。

（2）滿足工作壽命長、磨損衰減低的特性，劃眼過程中的保護外徑。

（3）適應中高速螺桿工具持續破巖需求，適應頁巖油層泥頁巖破巖特性。

因此，一是設計子彈型高窄刀翼，增強鉆頭攻擊性；二是實行淺錐設計，增強破巖穩定性；三是減小肩部齒背傾角，增強鉆頭的持久性，確保一趟鉆技術的實現。如現場使用的TM1653RS、MD6521ZC，均是類似設計，見圖6。

圖6 鉆頭設計圖

4.2 定制式大扭矩螺桿技術

螺桿方面，一是提高螺桿造斜率，壓縮軌跡定向時間，定制螺桿彎點到傳動軸下端面距離縮短8%，扶正器中心距傳動軸下端面距離縮短26.6%。二是針對中深部地層常規螺桿輸出扭矩低、后期輸出功率下降、進尺變慢的問題，研制大扭矩長壽命馬達，輸出扭矩比常規螺桿扭矩提高30%以上，具體性能見表2；三是應用耐鹽水泥漿碳化鎢噴涂轉子技術，提高螺桿工作時間。

表2 常規與改進螺桿扭矩增大

4.3 提速減扭工具應用

減扭工具以水力振蕩器為主，大港油田深部地層鉆井提速需求特點：長時間作業、對工具穩定性要求高、整體高效鉆井。優選提速工具、最優設計安裝位置、鉆具結構性調整等措施，進一步提高行程機械鉆速，促進一趟鉆技術的形成。在官東地區頁巖油井鉆井數據統計得知，使用水力振蕩器滑動效率可提高45%以上。

4.4 鉆井液抑制與潤滑

鉆井液抑制、潤滑、低摩阻，有限保障鉆井低托壓、起下鉆正常附加拉力，事故復雜預防不可或缺的重要因素。主要使用的潤滑材料有無熒光水基潤滑劑HRH-101、液體潤滑劑BZ-YRH、改性植物油BZRH-I等，含量2%～3%，保持摩阻系數小于0.08以下。

4.5 其它一趟鉆保障技術

在一些特殊井，使用新工藝新工具來保障一趟鉆的完成，如頁巖油井使用旋轉導向技術、變徑扶正器技術、大數據分析決策、遠程監測等；同時在施工組織中，精選優秀操作人員、注重過程監控、專家盯井等，促進一趟鉆形成。

5 典型案例

GY10-2-1L井位于大港油田滄東凹陷，完鉆井深3960m，鉆井周期20.54d，機械鉆速22.76m/h，成功實現一開、二開、三開“一趟鉆”方式完鉆（一開不作闡述），刷新大港油田周期紀錄，同比鄰井整體提速15%～37%。

5.1 GY10-2-1L井基本情況

GY10-2-1L井為一口三開大斜度井，井眼軌跡近似水平，自上而下地層依次為Qp-Nm-Ng-Es-Ek五個層位，其中Ng底礫巖垂深1482～1524m；Es抗鉆性級別4～6級，硬塑性泥巖為主；Ek地層抗鉆性級別4～6.5 級，其中Ek1垂深2075～2152m 為黑色玄武巖，Ek2垂深2982～3238m為致密泥巖、油頁巖。

5.2 二開井段一趟鉆技術應用

二開311.1mm井眼選用異形齒ES1942H鉆頭，設計激進式鉆井參數，鉆壓60～80kN，轉速100～120r/min，排量65～70L/s，泵壓17～21MPa。礫巖段略降低鉆井參數，減小礫巖對鉆頭的沖擊破損，鉆穿Ng底礫巖后2327m 至中完，仍然保持在0.8～4.5min/m 的較快鉆時，起出鉆頭可再次使用。一趟鉆完成進尺1922m，機械鉆速45.76m/h，同比鄰井機械鉆速提高127.5%，二開鉆井時間節省43.5h。

5.3 三開一趟鉆技術應用

三開215.9mm 井眼優選高效PDC 鉆頭TM1653RS，以致密泥巖、油頁巖為主，鉆井參數：鉆壓80kN，轉速60r/min，排量35L/s，最高泵壓26MPa。其次，鉆具組合中使用178mm 水力振蕩器消除托壓問題，定向過程中保持鉆壓120～160kN，提高滑動鉆進機械鉆速。第三，保持鉆井液摩擦系數在0.07以下，API失水小于3.0mL、HTHP 失水小于11mL，形成良好的泥餅及潤滑性，3960m完鉆。在鉆頭選型、水力振蕩器使用、鉆井液性能優化等綜合作用下，一趟鉆完成進尺1633m，機械鉆速12.96m/h，同比鄰井機械鉆速提高55.96%，鉆井時間節省221h。優質螺桿循環時長181h，在螺桿的有效使用時間內實現“一趟鉆”。

6 結論

（1）形成一趟鉆技術，是由鉆井工程的多個先進細化專業技術組成，每項技術均具有較強的針對性，可以解決一項問題，每項技術“不掉鏈子”的發揮，方可實現一趟鉆。

（2）一趟鉆技術，可以有效提高口井機械鉆速、縮短鉆井周期，節約時間與提高經濟效益，是一項石油鉆探技術發展的重要趨勢，并有著很好的推廣應用前景。

（3）一趟鉆技術發展的同時，對井下工具、地面設備、鉆井液性能、專業化技術服務等現存問題，尤其是針對4000m以上的深井，還需要解決進一步攻克，更高效、更長壽、更穩定等技術還需要更加高端的科技技術支撐。