大慶深層鉆井提速技術研究

王曉明

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江大慶163000）

大慶深層勘探目的層的平均深度超過2500m，其巖層組成主要為砂巖、泥巖以及火山巖等等，巖層具有整體密度較高、可鉆性較差、工作效率低等諸多問題。為了提升深井鉆井的質(zhì)量和效率，大慶油田進行了一系列針對性的改進，引入了諸多新興技術，主要有氣體鉆井技術、水力脈沖鉆井技術等等，并將上述技術切實應用于實際鉆井過程中，取得了一定的成效；但是實際應用過程中上述技術仍然存在適用范圍較窄、針對性不強以及難以進行泛化等諸多問題，各項技術之間相互制約互相干擾，使得實際適用過程中經(jīng)濟成本有所增加、深井鉆井速度難以得到有效提升。

因此為了提升大慶油田深層鉆井質(zhì)量和效率，本文主要從技術優(yōu)化、設備更換以及不同技術間的匹配等方面著手，結(jié)合現(xiàn)場試驗對設計的方案進行驗證，切實提升大慶油田深層鉆井的效率和質(zhì)量。

1 地質(zhì)特點及鉆井難點

1.1 地質(zhì)特點

大慶油田地層構造比較復雜，包括：砂巖、泥巖、熔巖以及過渡性巖層等諸多類別，具體特征主要包括：①井段平均深度較深，最深處深度能夠達到6300m；②溫升速率較快，每100m的溫升約為4.0℃；③巖層整體密度較大，密度最大處能夠達到2.75g/cm3；④物理力學性能較差，滲透率約為0.02mD，孔隙度約為4.0%；⑤儲集空間非常復雜，主要有天然氣孔、裂縫組合、單純裂縫等。

1.2 鉆井難點

（1）巖層硬度偏高，平均強度可達5000MPa，因此鉆井過程中鉆頭磨損較為嚴重，尤其是經(jīng)過火山巖等巖層時，不僅鉆井速率顯著下降，鉆頭的使用壽命也明顯下降。

（2）溫升速率較快，平均溫升能夠達到4.0℃/100m，尤其是深度在4000～5500m 的井段，溫升能夠達到10.0℃/100m，因此對于鉆井過程中使用的設備、配套的材料要求較高，使用過程中設備故障率較高，整體施工周期較長。

（3）深層圍巖整體密度較高。孔隙率和滲透率數(shù)值較低。尤其是徐家圍子區(qū)域，孔隙度僅為5.0%左右，滲透率僅為1mD 左右，通常情況下壓力系數(shù)的范圍在0.90～1.10之間，不同巖層的壓力系數(shù)相差較大。

（4）部分區(qū)域裂隙分布較為密集，因此鉆井過程中由于裂縫發(fā)育容易導致巖層出現(xiàn)垮落等現(xiàn)象，嚴重的甚至會導致鉆井事故出現(xiàn)。

2 鉆井設計優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構優(yōu)化

井身結(jié)構是鉆井速率的重要影響因素之一，因此在井身優(yōu)化過程中要充分考慮鉆井深度、巖層屬性、壓力系數(shù)等多項參數(shù)，并結(jié)合實際施工需求進行優(yōu)化。在二開井區(qū)，PDC鉆頭在直井技術中完成了井下完鉆，在三開井段應用了PDC復合鉆井與氣體鉆井等技術相結(jié)合的技術，以加快鉆井進度，降低鉆井費用。通過對古龍等區(qū)塊四開井段的數(shù)據(jù)進行分析，得出了69.14d的完井周期，因此必須對其進行合理的井體布局，確定各個開次的完井層位。以古深3井為實例，對其進行了井身結(jié)構的優(yōu)選：①采用352m 的表殼下深度，對地表疏松的巖層進行了封閉；②排水預測軟件分析顯示，在3180～4388m深的井段，由于天然氣鉆探技術具有較好的實用性，故將技術套管下深調(diào)整到3180m（泉1 井），對泉頭組上水層進行了封閉，同時選用了高效PDC 鉆頭，并應用了復合型鉆機，通過改進二開井段的機械鉆速，使PDC鉆頭在二開井段完成鉆井；③三開井區(qū)采用氣體鉆井、渦輪鉆井等一體化輔助加速技術，實現(xiàn)鉆井作業(yè)（參見圖1）。由圖1可得古深3 井的鉆井深為4920m，完成時間比兩種方法都要短19.37d。

圖1 直井井身結(jié)構優(yōu)化前后示意

2.2 高效鉆頭優(yōu)選

大慶深層氣井巖性與測井數(shù)據(jù)結(jié)合實際鉆井數(shù)據(jù)，通過對地層巖性、測井數(shù)據(jù)的分析，找出了適合的鉆頭類型，并與現(xiàn)場鉆井數(shù)據(jù)相結(jié)合，對其進行了綜合評價。采用最優(yōu)化理論和聚類分析法對第二開口段和第三開口段進行了優(yōu)化，從而確定了適用范圍（見表1），形成了深井鉆頭序列，實現(xiàn)了在第二開口段完成了1～2個PDC鉆頭，并將鉆井周期控制在25d內(nèi)。

表1 大慶深層巖石力學參數(shù)及適用鉆頭類型

古深3 井技術套管的下限為3.18km，砂泥巖的抗壓強度超過137.9MPa，哈里伯頓MM64DH 鉆頭在2503.90～3180.00m 之間的井段中進行了優(yōu)選和試驗，該鉆頭的進尺為676.10m，純鉆時間287.7h，機械鉆速2.35m/h。與常規(guī)鉆頭相比，節(jié)省了成本和時間，突破了泉頭組下部地層無法應用PDC鉆頭的技術瓶頸。

3 提速工具的研制

根據(jù)鉆井速度低、起落頻繁等特點，通過對鉆井歷史數(shù)據(jù)及巖體力學的研究，探討了深層天然氣井加速、破碎機制及耐高溫加速工具的研制。因此，深井的鉆速就會大大加快。

3.1 液動旋沖提速工具

流體轉(zhuǎn)動鉆具利用鉆井液中的液體能轉(zhuǎn)換成機械能，對PDC 鉆頭施加周向周期性的沖擊和軸向的壓力脈動，改進了破巖方法，提升了破巖效率和鉆孔速度，同時減緩了鉆頭的磨損。工具的主要特點是：①能提供附加的周向高頻沖擊，并能對巖石進行剪切；②改善了鉆頭的易用性和使用壽命；③輔助巖石破碎；④采用純粹的機械式結(jié)構，具有適應較高的溫度；⑤操作簡便，安全可靠。

3.2 渦輪鉆具

渦輪鉆具是利用高壓鉆井液對渦輪機的定子、轉(zhuǎn)子葉進行沖擊，在壓力能與機械能之間進行相互轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)鉆頭的快速轉(zhuǎn)動，從而達到粉碎巖石的目的。其主要特征如下：①采用全金屬制造，能適應溫差大的環(huán)境；②能夠輸出穩(wěn)定的扭矩，震動幅度小，故障率低；③鉆孔規(guī)則，孔徑變化小；④與金剛石鉆頭相互配合，從而提高單個鉆頭的進尺和沖程鉆速。

4 氣體鉆井配套技術

在此之前，大慶油田已有23口采用了該技術，其單井的進尺達668.86m，平均速度6.08m。是常規(guī)鉆井的5～6 倍，并且在深度速度提高方面取得了良好的效果。但是，依舊存在一些問題，例如卡鉆、井斜角超標等。此后，對地層出水的預報技術進行了優(yōu)化，從設備、施工技術等方面進行了改進，共投入6口。不但能大幅度地加快鉆井速度，還能實現(xiàn)井下無故障。

4.1 完善地層出水預測技術

傳統(tǒng)的地層水量預報方法不夠準確，不能實現(xiàn)鉆井技術的廣泛應用。通過重新識別預測參數(shù)，構建了不同滲透率條件、不同邊界情況下的儲層含水量計算方法，其計算結(jié)果的準確率可達80%以上。

4.2 改進配套設備

（1）通過對鉆具的受力和載巖效應的分析，對鉆具組合進行了優(yōu)化設計，既能加快鉆井速度，又能確保井身的安全。

（2）通過對注氣井各項指標進行實時監(jiān)控，增加了存儲、回放、曲線分析、預警等功能模塊，并通過遠程視頻傳輸和實時顯示技術，達到了實時監(jiān)控的目的。另外，采用了濕度傳感器、輔助降塵設備，保證了監(jiān)控的連續(xù)性和實時性。并利用遠程視頻和實時監(jiān)控技術進行實時監(jiān)控。

（3）利用內(nèi)噴外侵注白油的方法，既保證了井壁的穩(wěn)定，又降低了卡鉆的危險。

5 提速技術集成應用

采用優(yōu)化井身結(jié)構，優(yōu)化高效鉆頭，液壓旋轉(zhuǎn)沖頭、汽輪機鉆井與天然氣鉆探技術相結(jié)合的方式，加快了深井鉆進的進度，并制訂了加速技術的實施準則，使其與其他技術相結(jié)合：

（1）一開時，鉆頭的選型為B535E（鉆速每小時20m以上）。

（2）二開孔深度低于2100.00m 的情況下，使用TL951-DB鉆機，鉆速超過12m/h。在井下2100～2500m的井段，采用T1951DB+CK606/506鉆具組合，其鉆速超過8.00m/h；井深2500～3000m 的井段，采用T1951DB+MM64DH鉆具組合，鉆速超過5.00m/h。

（3）三開時，根據(jù)地層情況，采用不同的工藝組合：①當氣井適應長度大于900.00m，井深低于3800.00m時，則使用U613M 液動旋沖工具+氣體鉆井技術結(jié)合；②當氣井適應長度大于900.00m、井深大于3800.00m、可鉆性等級為7 的情況下，使用氣體鉆井+DD5560MA1渦輪鉆機技術；③當適用于井段數(shù)小于900.00m，井深不超過3800.00m 時，使用T1365DB 螺桿+U613M 液動旋沖工具技術結(jié)合；④當適用于氣體鉆孔長度小于900.00m、深度大于3800.00m、可鉆性等級大于7 時，使用T1365DB螺桿+U613M液動旋沖工具+DD5560M-A1渦輪鉆具技術結(jié)合。

6 現(xiàn)場應用效果分析

6.1 專項技術應用效果

6.1.1 液動旋沖工具

通過不斷改進液壓旋轉(zhuǎn)沖洗工具，研制出了134、182、196、279 等4 種不同規(guī)格的鉆具，分別適用于?152.4mm、?215.9mm、?241.3mm 和?311.1mm 井眼。本儀器已廣泛用于深孔提速，已完成13個鉆孔，總進尺4067.07m，平均速度3.643.64m/h，取得了較好的效果。見表2。

表2 液動旋沖工具部分應用井情況統(tǒng)計

6.1.2 渦輪鉆具

美國和俄羅斯的渦輪機鉆機和自行開發(fā)的DQW-178渦輪機在大慶2個深水井中的使用情況見表3。如表3 所示，DQW-178 渦輪鉆井工具與國際上的同類鉆井設備相比，其鉆井速度明顯增加。

表3 DWQ-178型渦輪鉆具與引進渦輪鉆具提速效果對比

6.1.3 氣體鉆井技術

改造后的天然氣鉆探技術已獲得了較好的推廣，其單井的進尺達到了820.52m，平均每小時7.38m。與改造之前比較，該工藝的單井進尺增加20.58%，鉆速增加10.31%，且未出現(xiàn)安全事故。鉆進時間平均減少25.70d，節(jié)約8.30個鉆頭，井斜角度控制在規(guī)范以內(nèi)，降低了生產(chǎn)費用，天然氣鉆探的速度和效益得到了明顯的改善。

6.2 典型井例

達深16 井已完成鉆井深度4400.00m，沙河子組已完成鉆井，可鉆性等級控制在7以下，將井身結(jié)構優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選等配套技術相組合并進行應用，鉆井時長僅為64.96d，開創(chuàng)了松遼地區(qū)直接鉆孔深度的新記錄。

古深3 井已完成鉆孔深度4920.00m，完成鉆孔位置為營城組，氣體鉆進適應層段大于900.00m，登婁庫組以下的巖體可鉆性等級為7，同上將配套技術組合應用，該井的鉆井時間只有126.29d，比古深1 井用時短199.12d，比古深2井少109.54d。

7 結(jié)論

（1）大慶深層運用頂層優(yōu)化設計、引進先進技術進行先導試驗、自主攻關研發(fā)的提速思路，分層、分井段研制多種提速技術手段，針對單井實際情況選擇了最優(yōu)組合提速技術，形成了集成配套技術，克服了提速技術單一、組合集成應用少的問題。

（2）建議深入研究深井巖石可鉆性、研磨性和硬度的分布規(guī)律，分層建立三維巖性剖面，針對性地選擇鉆頭型號并改良工具，從而進一步提升速度和效率。