哈薩克斯坦濱里海油田鉆井提速技術(shù)

徐 泓， 王 濤， 黃新成， 張慶榮

(1.中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，河南濮陽(yáng) 457001；2.中石化中原石油工程有限公司鉆井四公司，河南濮陽(yáng) 457321；3.中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001)

?鉆井完井?

哈薩克斯坦濱里海油田鉆井提速技術(shù)

徐 泓1， 王 濤2， 黃新成2， 張慶榮3

(1.中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，河南濮陽(yáng) 457001；2.中石化中原石油工程有限公司鉆井四公司，河南濮陽(yáng) 457321；3.中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001)

為了提高哈薩克斯坦濱里海油田的鉆井速度，針對(duì)地層特點(diǎn)開展了鉆井提速技術(shù)研究。研究應(yīng)用了水力加壓器鉆頭保護(hù)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)垂直導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)、“MWD+彎螺桿”技術(shù)以及“孕鑲金剛石鉆頭+高速渦輪”組合技術(shù)，有效解決了二開蹩跳鉆、井斜難以控制和三開鉆遇灰?guī)r地層機(jī)械鉆速低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了二開、三開快速鉆進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的18口井中，施工井段平均機(jī)械鉆速達(dá)到4.54 m/h，同比提高了103％，節(jié)約鉆井時(shí)間共計(jì)196.29 d?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，濱里海地區(qū)的綜合鉆井提速技術(shù)應(yīng)用已趨成熟，能夠大幅度提高機(jī)械鉆速，經(jīng)濟(jì)效益良好，可在該地區(qū)推廣應(yīng)用。

渦輪鉆具 垂直導(dǎo)向 無(wú)線隨鉆 水力加壓器 機(jī)械鉆速

哈薩克斯坦濱里海油田地層古老、巖性復(fù)雜，可鉆性差。近年來(lái)，在哈薩克斯坦濱里海盆地鹽下油氣藏勘探開發(fā)中，因?yàn)榈貙涌摄@性問(wèn)題，常規(guī)鉆井技術(shù)的鉆井效率一直徘徊在中等水平，影響了油氣田開發(fā)進(jìn)度[1-2]。2012年以來(lái)，在深入分析研究地層特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鉆井提速技術(shù)研究，選擇鉆頭保護(hù)技術(shù)減少二開地層蹩跳鉆，使用導(dǎo)向鉆井技術(shù)有效控制井斜，使用高速渦輪鉆井技術(shù)提高灰?guī)r地層機(jī)械鉆速，有效實(shí)現(xiàn)了濱里海油田優(yōu)快鉆井，取得了良好效果。

1 鉆井難點(diǎn)

哈薩克斯坦濱里海油田上部地層屬古生代二疊系，油層為石炭系淺海碳酸鹽巖[3]。濱里海油田鉆井設(shè)計(jì)中，井深一般為2 900～3 900 m，存在以下鉆井技術(shù)難點(diǎn)：

1)地層巖性復(fù)雜。上二疊系地層巖性混雜，泥巖、砂巖、灰質(zhì)泥巖、礫巖、石膏等頻繁交替[4]，部分井段夾層多，蹩跳鉆嚴(yán)重，嚴(yán)重影響鉆頭使用壽命，造成頻繁起下鉆,斷鉆具及鉆頭故障時(shí)有發(fā)生，以往遇到這種情況時(shí)只能采用降轉(zhuǎn)速、降鉆壓的方法來(lái)減輕蹩跳鉆，嚴(yán)重影響鉆井速度。

2)上部地層易斜。上二疊系地層部分井段存在地層軟硬交錯(cuò)、地層傾角大、容易產(chǎn)生井斜的問(wèn)題，且地層傾向上下基本一致，方位變化較小，由于沒(méi)有合適的技術(shù)手段，為保證井身質(zhì)量，往往采用降低鉆壓吊打的方式，難以實(shí)現(xiàn)全壓鉆進(jìn)。

3)灰泥巖地層PDC鉆頭選型困難。下二疊系的孔谷階、阿爾琴階、阿舍利階和石炭系的 KT-1、KT-2 為灰泥巖地層，尤其 KT-2油層上面的泥板巖蓋層主要是致密堅(jiān)硬的粉砂巖和含鈣質(zhì)泥巖、泥板巖，地層可鉆性差，目前尚未優(yōu)選出適合該硬脆地層的PDC鉆頭，雖然試用了不同大小復(fù)合片、不同刀翼的PDC鉆頭配合轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)或者螺桿鉆具鉆進(jìn)，但效果依然極差，使用普通牙輪鉆頭常規(guī)鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速較慢[5-10]。

2 鉆井提速技術(shù)措施

2.1 鉆頭減振保護(hù)技術(shù)

上二疊系地層巖性混雜，夾層多，蹩跳鉆嚴(yán)重，嚴(yán)重影響鉆頭使用壽命。為了改善鉆頭工作狀態(tài)，為鉆頭提供良好的工作環(huán)境，在鉆頭上加裝水力加壓器等減振工具。

水力加壓器主要由伸縮接頭、一級(jí)活塞、二級(jí)活塞、三級(jí)活塞、缸筒和上接頭等組成(見(jiàn)圖1)。工具上端與鉆具連接，伸縮接頭與鉆頭或其他鉆具連接。開泵循環(huán)鉆井液時(shí)，由于鉆頭產(chǎn)生的壓降，使水力加壓器的各級(jí)活塞產(chǎn)生向下的推力，并作用在鉆頭或其他工具上，從而給鉆頭施加壓力[11]。

圖1 水力加壓器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hydraulic thruster

根據(jù)水力加壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把機(jī)械式加壓改為液力加壓，可為鉆頭提供穩(wěn)定鉆壓，實(shí)現(xiàn)柔性加壓鉆進(jìn)，從而可改善鉆頭的工作狀態(tài)，提高機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)鉆頭、鉆具的使用壽命，尤其是在蹩跳鉆嚴(yán)重的地層中使用效果更為突出。

SJ-242 型水力加壓器直徑242 mm，自由行程240 mm，最大推力300 kN，現(xiàn)場(chǎng)送鉆以每次150～200 mm為宜，降低了司鉆的加壓頻率，實(shí)現(xiàn)了短行程的自動(dòng)送鉆。水力加壓器應(yīng)盡可能地接在靠近鉆頭的位置，如使用螺桿鉆具，可將水力加壓器接在螺桿鉆具之上，每次起鉆后應(yīng)丈量自由行程，若發(fā)現(xiàn)自由行程大于或等于300 mm必須停止使用。

2.2 自動(dòng)垂直導(dǎo)向鉆井技術(shù)

針對(duì)二開井段地層傾角大、井斜難以控制的特點(diǎn)，采用自動(dòng)垂直導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)，能夠最大限度地解放鉆壓，控制井斜。特別是南阿里別克里海油田對(duì)井身質(zhì)量要求嚴(yán)格，最大井斜角不能超過(guò)3°，已完成井往往因?yàn)榭刂凭碣|(zhì)量而影響了鉆速。

Power V垂直鉆井系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式下采用大鉆壓鉆進(jìn)，通過(guò)地面控制實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的連續(xù)控制，從而提高機(jī)械鉆速。該系統(tǒng)既可應(yīng)用于定向井、水平井的井眼軌跡控制，也可用于直井井眼軌跡的控制[12]。

Verti Trak系統(tǒng)綜合應(yīng)用了Autotrack(閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng))、X-TREME馬達(dá)和MWD等3種技術(shù)，可以很好地控制井斜。鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)MWD重力傳感器檢測(cè)到有井斜趨勢(shì)時(shí)，即時(shí)啟動(dòng)液壓部件，通過(guò)1～2個(gè)肋板向井壁施加作用力以對(duì)抗這一趨勢(shì)，同時(shí)MWD傳送實(shí)時(shí)井斜等數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)，方便跟蹤和監(jiān)測(cè)。當(dāng)井眼垂直時(shí)，3個(gè)肋板全部伸出，并對(duì)井壁施加相同的力，將鉆頭居中，保持井眼按垂直方向鉆進(jìn)[13]。

2.3 “MWD+彎螺桿”鉆井技術(shù)

Power V和Verti Trak垂直導(dǎo)向系統(tǒng)能夠非常精準(zhǔn)地控制井斜，是比較理想的垂直鉆進(jìn)工具。但是，這2種系統(tǒng)為專利工具，租賃費(fèi)用很高，造成鉆井成本增加。為了合理控制鉆井成本，可以在對(duì)井斜要求不是很高的情況下，使用“MWD+彎螺桿”鉆井技術(shù)控制井斜。

使用“MWD+彎螺桿”鉆井技術(shù)在易斜井段進(jìn)行鉆井施工，主要是利用其定向控制井眼軌跡能力強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)，該鉆井方式可以隨時(shí)監(jiān)控井斜、方位，可以根據(jù)井斜、方位變化情況及時(shí)采取技術(shù)措施，如定向糾斜或繼續(xù)開動(dòng)轉(zhuǎn)盤導(dǎo)向鉆進(jìn)，定向糾斜能保證井身質(zhì)量合格，導(dǎo)向鉆進(jìn)能大幅度提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

2.4 “高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭”鉆井技術(shù)

三開地層研磨性強(qiáng)，不適合使用PDC鉆頭，因此選用了高速渦輪鉆具組合。利用渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速，加速鉆頭對(duì)地層的切削作用，以獲得較高的機(jī)械鉆速。

在實(shí)際應(yīng)用中，選用了Smith Neyrfor公司的MK1型φ168.3 mm高速渦輪工具組合，機(jī)械鉆速得到大幅提高。該工具總長(zhǎng)37.5 m，內(nèi)部裝有138級(jí)渦輪(見(jiàn)圖2)，適用排量1 824.5～1 933.4 L/min,地面泵壓達(dá)到23～24 MPa，工具壓降14～16 MPa，水功率利用率60％～65％，渦輪轉(zhuǎn)速1 255～1 330 r/min，井下工作時(shí)間400 h以上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，鉆壓20～100 kN為宜，鉆壓超過(guò)120 kN可能會(huì)導(dǎo)致切削阻力矩增大，引起轉(zhuǎn)速下降，易被“壓死”而造成制動(dòng)。由于渦輪轉(zhuǎn)速很高，必須與專門為其設(shè)計(jì)的孕鑲金剛石鉆頭匹配使用。

新型孕鑲齒金剛石鉆頭應(yīng)用特有的熱壓技術(shù)將金剛石顆粒燒結(jié)壓入鉆頭本體，這種燒結(jié)方式增加了金剛石顆粒的抗熱解能力[14-15]。一旦金剛石顆粒有磨損，刀翼上新的銳利的金剛石顆粒將被暴露出來(lái)，鉆頭表面持續(xù)更新，可以保證破巖速度不變。

圖2 渦輪鉆具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of turbine tool

為配合高速渦輪鉆具，鉆頭采用母扣設(shè)計(jì)，并配有保徑部分，保徑部分可以省去底部穩(wěn)定器，而且能夠保證井眼質(zhì)量更優(yōu)，側(cè)面的導(dǎo)流水道和冠體設(shè)計(jì)可以提高鉆頭的降溫和自清洗效果[12]。

φ215.9 mmK705TBPXC孕鑲金剛石鉆頭是針對(duì)最硬且研磨性最強(qiáng)的地層、專門為配合高速渦輪使用而設(shè)計(jì)的。鉆頭刀翼數(shù)量8個(gè)，φ13.0 mm面部齒64個(gè)，φ13.0 mm保徑齒15個(gè)，φ13.0 mm心部齒5個(gè)。鉆頭新增的渦輪套筒減輕了在使用渦輪時(shí)的振動(dòng)，熱穩(wěn)定聚晶金剛石提供了額外的保徑保護(hù)，能保持保徑井眼尺寸和延長(zhǎng)鉆頭壽命，增加進(jìn)尺，減少起下鉆次數(shù)；在每個(gè)刀翼上部增加了切削齒，可在起鉆中發(fā)生縮徑時(shí)倒劃眼作業(yè)，減少潛在的卡鉆危險(xiǎn)。該鉆頭適合渦輪轉(zhuǎn)速1 200～2 000 r/min，排量1 400～3 000 L/min，適用鉆壓50～100 kN。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 鉆頭減振保護(hù)技術(shù)

2012年在不同區(qū)塊4口井的不同井段應(yīng)用了水力加壓器，基本解決了鉆遇不均質(zhì)地層蹩跳鉆以及由此引起的不能全壓鉆進(jìn)的問(wèn)題，牙輪鉆頭因跳鉆引起的斷齒和PDC鉆頭復(fù)合片崩裂的現(xiàn)象明顯減少，使用井段平均機(jī)械鉆速提高了47.88％(見(jiàn)表1)，4口井的總施工時(shí)間由37.14 d縮短為25.11 d。

表1 水力加壓器現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)參數(shù)

注：① 指同類型井同井段的平均機(jī)械鉆速。

肯基亞克油田 KM-1 井用百施特φ311.1 mm MS1952SS PDC鉆頭鉆進(jìn)，由于采用了鉆頭保護(hù)技術(shù)，該鉆頭累計(jì)進(jìn)尺2 447 m，累計(jì)純鉆時(shí)間達(dá)885.5 h，創(chuàng)下單井單只鉆頭進(jìn)尺之最。而 SA-39 井同樣使用了一只φ311.1 mmMS1952SS PDC鉆頭，由于未采用鉆頭保護(hù)技術(shù)，鉆頭復(fù)合片崩壞，僅鉆進(jìn)555 m，純鉆132.5 h就報(bào)廢。

3.2 自動(dòng)垂直導(dǎo)向鉆井技術(shù)

2012年，采用Verti Trak垂直導(dǎo)向工具和Power V垂直導(dǎo)向工具在扎那諾爾油田691井、5203井和南阿里別克里海油田 SA-51 井、SA-68 井進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，機(jī)械鉆速提高明顯，工具使用井段平均機(jī)械鉆速較以往提高了83.3％(見(jiàn)表2)，4口井的總施工時(shí)間由122.68 d縮短為68.61 d。

表2 垂直導(dǎo)向工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

注：① 指2011年同類型井同井段的平均機(jī)械鉆速。下同。

3.3 “MWD+彎螺桿”鉆井技術(shù)

希望油田二開生產(chǎn)井設(shè)計(jì)井深2 400 m左右，在720井二開φ215.9 mm井眼易斜井段首先試用了“MWD+彎螺桿”鉆井技術(shù)，與只使用螺桿、未使用MWD無(wú)線隨鉆儀器的鄰井719井相比，二開機(jī)械鉆速提高1.40 m/h，鉆井周期縮短4.25 d。隨后在同類型的6口井中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，具體施工數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 “MWD+彎螺桿”鉆井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

由表3可見(jiàn)，使用井段的平均機(jī)械鉆速提高了1.05 m/h，同比提高18.85％。7口井的總施工時(shí)間由102.11 d縮短為78.71 d，節(jié)約鉆井時(shí)間23.40 d，取得了良好效果。

從自動(dòng)垂直導(dǎo)向鉆井技術(shù)和“MWD+彎螺桿”鉆井技術(shù)的應(yīng)用效果對(duì)比可見(jiàn)，前者的提速效果明顯優(yōu)于后者，但垂直導(dǎo)向系統(tǒng)的使用成本過(guò)高，更適合應(yīng)用于井身質(zhì)量要求特別嚴(yán)格的井。

3.4 “高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭”鉆井技術(shù)

2012年以來(lái)，相繼在希望油田 T-1井、DZH-1井、肯基亞克油田 KM-1井、阿克陶地區(qū) K-119 井、AK-106 井、耶森1井等6口井的泥灰?guī)r地層使用了φ215.9 mmK705TBPXC型孕鑲金剛石鉆頭+高速渦輪鉆具組合，取得了良好效果，現(xiàn)場(chǎng)施工情況見(jiàn)表4。

表4 φ215.9 mmK705鉆頭+高速渦輪應(yīng)用效果

從表4可以看出，使用該鉆井技術(shù)的6口井平均機(jī)械鉆速提高了1.68 m/h，與以往完成井同井段的機(jī)械鉆速相比提高了137％。6口井的總施工時(shí)間由192.90 d縮短為86.11 d，共節(jié)約鉆井時(shí)間106.79 d。

4 結(jié) 論

1)水力加壓器鉆頭保護(hù)技術(shù)、自動(dòng)垂直導(dǎo)向技術(shù)、“MWD+彎螺桿”鉆井技術(shù)和“高速渦輪+孕鑲金剛石鉆頭”鉆井技術(shù)在哈薩克斯坦濱里海油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有效提高了該油田的機(jī)械鉆速。

2)2012年以來(lái)，上述鉆井提速技術(shù)已在濱里海油田18口井中進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好，可在濱里海油田及國(guó)內(nèi)類似地層推廣應(yīng)用。

3)濱里海油田鉆井提速還有一定空間，國(guó)內(nèi)旋沖鉆井技術(shù)、滾子扶正器扶正減振技術(shù)、PDC鉆頭配合低速螺桿及減振工具高效鉆井技術(shù)等已經(jīng)成熟，建議在濱里海油田鉆井中進(jìn)行試驗(yàn)與應(yīng)用，以進(jìn)一步提高鉆井速度。

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FastROPTechnologyinPre-CaspianOilfield,Kazakhstan

XuHong1，WangTao2，HuangXincheng2，ZhangQingrong3

(1.SouthwestDrillingCompany，SinopecZhongyuanOilfieldServiceCorporation,Puyang,Henan,457001,China;2.FourthDrillingCompany,SinopecZhongyuanOilfieldServiceCorporation,Puyang,Henan,457321,China;3.OilProductionEngineeringTechnologyResearchInstitute,ZhongyuanOilfieldCompany,Sinopec,Puyang,Henan,457001,China)

In order to raise drilling rate in Pre-Caspian Oilfield,Kazakhstan,research on penetration rate has been made according to formation features,including the drilling bit protection with hydraulic thruster,rotary vertical guidance drilling,MWD with bent PDM technique,impregnated diamond bit and high-speed turbine assembly,etc.,troubles such as bit bouncing,well inclination,low penetration rate in limestone formation have been solved,fast drilling rate was obtained in second-spud and third-spud well sections.In eighteen wells,the average ROP was up to 4.54 m/h,103％ higher than past drilling rate,or 196.29 days shorter than past drilling cycle time.Field application shows that comprehensive ROP improving technology has been successful,which can raise ROP significantly,and have good economic benefit.So,it can be widely applied in this area.

turbine tool;vertical guidance;MWD;hydraulic thruster;penetration rate

2012-12-17；改回日期2013-04-11。

徐泓(1968—)，男，河南洛陽(yáng)人，1992年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事鉆井工程技術(shù)、鉆井施工工藝等方面的研究與管理工作。

聯(lián)系方式：13603834395， zpeb-xuhong@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“風(fēng)化作用對(duì)我國(guó)南方頁(yè)巖含氣性影響定量研究：以渝東南龍馬溪組為例”(編號(hào)：41102088)和中原油田科研項(xiàng)目 “提高哈國(guó)扎那諾爾復(fù)雜巖性油田鉆井速度技術(shù)研究及應(yīng)用”(編號(hào)：2012305)資助。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.019

TE242

A

1001-0890(2013)03-0099-05

[編輯 滕春鳴]