海塔盆地直快鉆井技術(shù)及發(fā)展方向

段曉巖 孫妍 王楚 路蕊

(1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院,黑龍江大慶 163413;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油一廠,黑龍江大慶 163001;3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司,黑龍江大慶 163453)

海塔盆地直快鉆井技術(shù)及發(fā)展方向

段曉巖1孫妍1王楚2路蕊3

(1.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院,黑龍江大慶 163413;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油一廠,黑龍江大慶 163001;3.大慶鉆探工程公司鉆井一公司,黑龍江大慶 163453)

近年來(lái)隨著大慶油田穩(wěn)產(chǎn)形勢(shì)的需要,海塔探區(qū)逐步成為大慶油田又一主戰(zhàn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)多年的勘探,雖已形成了一套適合海塔探區(qū)的鉆井工藝技術(shù),但還沒(méi)有達(dá)到海塔增儲(chǔ)上產(chǎn)降低成本的要求,鉆井提速勢(shì)在必行。通過(guò)采用復(fù)合鉆進(jìn)、機(jī)械式隨鉆測(cè)斜儀引入、鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選等方法以及渦輪鉆井技術(shù)等新工藝的應(yīng)用,海塔盆地開(kāi)展的直快鉆井技術(shù)取得了一定的效果,較好地解決了大傾角地層的提速問(wèn)題。結(jié)果表明自行研制有效的防斜打快工具有著良好的市場(chǎng)前景。

海塔探區(qū) 復(fù)合鉆進(jìn) 機(jī)械式隨鉆測(cè)斜儀 參數(shù)優(yōu)選 直快鉆井

海塔盆地位于我國(guó)東北部，蒙古國(guó)東部，屬于巨大的中亞-蒙古坳拉槽的一部分。近年來(lái)隨著大慶油田穩(wěn)產(chǎn)形勢(shì)的需要，海拉爾、塔木察格探區(qū)逐步成為大慶油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的又一主戰(zhàn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)多年的勘探，雖已形成了一套適合海塔探區(qū)的鉆井工藝技術(shù)，但與海塔增儲(chǔ)上產(chǎn)降低成本的要求還有一定的差距，鉆井提速勢(shì)在必行。

1 海塔盆地直快鉆井技術(shù)最新成果

1.1 復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)

1.1.1 復(fù)合鉆進(jìn)提速機(jī)理

為解決使鉆頭獲得較高的機(jī)械能量和水力能量的同時(shí)提高鉆頭進(jìn)尺這一難題，在海塔地區(qū)[1]開(kāi)展了螺桿鉆具配高效PDC、牙輪鉆頭提高機(jī)械鉆速的推廣應(yīng)用試驗(yàn)。增大鉆壓和提高轉(zhuǎn)速都可以大幅度提高鉆速。但在深部井段，鉆壓受到地層條件、鉆頭承壓能力及鉆井工藝技術(shù)措施的限制。鉆壓大，鉆柱承受的扭矩過(guò)大，容易引起鉆柱疲勞破壞，造成井下事故，必將延誤鉆井時(shí)間，除此外還引起井斜，故在深井鉆井中采用大鉆壓鉆進(jìn)是不明智的。但只靠轉(zhuǎn)盤(pán)速度提高鉆頭的轉(zhuǎn)速是不夠的，因?yàn)檗D(zhuǎn)盤(pán)擋數(shù)有限，并且轉(zhuǎn)速高后，一旦遇到特殊情況，轉(zhuǎn)盤(pán)很難控制，容易造成鉆具事故。在硬地層與鉆頭相互作用及鉆柱與井壁碰撞誘發(fā)的劇烈振動(dòng)嚴(yán)重?fù)p壞鉆具。相比之下，在保證井眼凈化充分的前提下，利用螺桿鉆具提高鉆頭的轉(zhuǎn)速對(duì)提高鉆速是相當(dāng)有利的，特別是對(duì)于PDC鉆頭，由于其結(jié)構(gòu)上的特殊性和破巖方式的不同，使之能承受較高的轉(zhuǎn)速[2]。

表1 巖石可鉆性試驗(yàn)結(jié)果

表2 海塔鉆頭優(yōu)選結(jié)果

1.1.2 復(fù)合鉆進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)海塔盆地現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)合鉆進(jìn)方式的試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，總結(jié)如下：

(1)能有效的減輕轉(zhuǎn)盤(pán)負(fù)荷，提高鉆機(jī)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，增加鉆機(jī)的有效鉆井能力。

(2)單彎螺桿在井內(nèi)，可以適時(shí)進(jìn)行糾斜作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了井斜的連續(xù)控制，可穩(wěn)斜、降斜。(3)間接起到減震器的作用。(4)機(jī)械鉆速相對(duì)提高。(5)防止鉆具粘卡。

1.1.3 復(fù)合鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2009年，海塔盆地鉆井施工全部推廣了復(fù)合鉆進(jìn)工藝技術(shù)，在直井段采用旋轉(zhuǎn)加滑移鉆進(jìn)，在糾斜段采用滑移鉆進(jìn)，隨時(shí)調(diào)整井斜和方位，可以連續(xù)有效地控制井眼軌跡。實(shí)現(xiàn)了適時(shí)糾斜作業(yè)，及對(duì)井斜的連續(xù)控制，減少起下鉆頻次及時(shí)間，有效地縮短建井周期。在定向井施工中一套鉆具結(jié)構(gòu)即可完成造斜段和穩(wěn)、降斜段施工。還試驗(yàn)了高速牙輪鉆頭，嘗試和應(yīng)用了牙輪鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)方式，采取降低轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù)的方式，使之與牙輪鉆頭的轉(zhuǎn)數(shù)配伍。牙輪鉆頭的平均機(jī)械鉆速由去年的2.8m/h提高到2009年的4.3m/h，提高了53.57%。有效地解決了純轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)的諸多難點(diǎn)。

表3 優(yōu)化鉆井參數(shù)后與優(yōu)化前平均機(jī)械參數(shù)對(duì)比表

1.2 機(jī)械式隨鉆測(cè)斜儀引入

在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中機(jī)械式隨鉆測(cè)斜儀的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

(1)隨鉆測(cè)斜儀節(jié)約了單點(diǎn)測(cè)斜時(shí)間;(2)能夠及時(shí)檢測(cè)井斜情況;(3)減少了鉆具組合的起下鉆次數(shù);(4)發(fā)生井斜時(shí)，可以直接進(jìn)行吊打糾斜或螺桿降斜;(5)在不易斜的井段可以解放鉆壓。

采用機(jī)械式隨鉆測(cè)斜儀配合單彎螺桿組成的鐘擺鉆具進(jìn)行隨鉆測(cè)斜與控斜，在大磨拐河組以下地層——最深達(dá)到2989m，平均每次降斜1.70d，與使用鐘擺鉆具相比，平均每口井縮短工期近3d。共進(jìn)行螺桿降斜作業(yè)42次，降斜進(jìn)尺2382.88m。同時(shí)解決了因使用常規(guī)鉆具產(chǎn)生的鉆具振動(dòng)，造成的鉆具疲勞破壞，避免了斷鉆具事故的發(fā)生，2009年短鉆具事故僅2次。

1.3 鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選

1.3.1 巖石可鉆性試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)

巖石的可鉆性是決定鉆井效率的基本因素。它反映了鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎的難易程度，它是合理選擇鉆進(jìn)方式、鉆頭類型和設(shè)計(jì)鉆進(jìn)參數(shù)的依據(jù)。所以，研究巖石(或地層)的可鉆性對(duì)提高鉆井效率具有重要的實(shí)際意義[3]。

通過(guò)對(duì)海拉爾-塔木察格盆地已鉆井巖心的分析，選擇了代表性強(qiáng)的部分井進(jìn)行巖石的地面實(shí)驗(yàn)，從而得出巖石的可鉆性及硬度情況(如表1所示）。

1.3.2 鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

該方法的優(yōu)點(diǎn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以掌握單井所使用的鉆頭數(shù)量及型號(hào);(2)可以直接得到每只鉆頭鉆達(dá)的深度、層位、進(jìn)尺和鉆速;(3)可直觀得到單只鉆頭的鉆速對(duì)比曲線;(4)形成了鉆頭在深度上的使用剖面和全井的鉆速曲線。

通過(guò)該種分析手段，可同時(shí)瀏覽整口井使用的鉆頭的所有信息。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，海塔盆地鉆頭優(yōu)選結(jié)果如表2。

同時(shí)2008年針對(duì)海塔地區(qū)地層特性，優(yōu)化鉆井參數(shù)，提高了機(jī)械鉆速。如表3所示給出了上部井段參數(shù)優(yōu)化前后機(jī)械鉆速對(duì)比情況，優(yōu)化后相對(duì)于優(yōu)化前機(jī)械鉆速提高了35.04%。

以增加排量，提高鉆頭水馬力為主要技術(shù)手段，保證泵排量在38L/S～45L/S之間，縮小牙輪鉆頭的水眼，提高鉆頭水馬力，因上部第四系地層大多是粘土和疏松泥巖，充分發(fā)揮鉆頭水馬力的破巖作用，機(jī)械鉆速顯著提高(詳見(jiàn)表4)。通過(guò)增大排量和使用較大尺寸的表層鉆頭，使表層井眼偏大，有利于表層套管的下入，加快了下套管的速度，并且63口無(wú)一次遇阻。取得了非常好的效果。

2 海塔盆地直快鉆井技術(shù)發(fā)展方向

海塔盆地通過(guò)直快鉆井技術(shù)的配套，鉆井速度和質(zhì)量得到了全面大幅度的提升，隨著渦輪鉆具的出現(xiàn)和國(guó)產(chǎn)垂直鉆井系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，海塔盆地的鉆井速度有望再上新臺(tái)階。

2.1 渦輪鉆井技術(shù)

減速器渦輪式在普通的渦輪鉆具的下方連接一個(gè)減速比為i的充油齒輪減速器，使渦輪鉆具轉(zhuǎn)速降低至1/i，而渦輪的扭矩增加i倍，從而實(shí)現(xiàn)大扭矩、中轉(zhuǎn)速的動(dòng)力性能。同時(shí)與渦輪配套的PDC鉆頭近年來(lái)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[4]。

渦輪鉆井的優(yōu)點(diǎn)：(1)機(jī)械鉆速高，行程鉆速快，可縮短建井周期，大幅度地降低鉆井成本。(2)井身質(zhì)量好，井徑規(guī)則;(3)減少鉆具疲勞消耗;(4)維修費(fèi)用低，平均工作100-150h后，僅需更換價(jià)格為5000元左右的軸承即可。

2.2 機(jī)械式垂直鉆井工具

當(dāng)井眼發(fā)生傾斜，偏重機(jī)構(gòu)在自身重力作用下，穩(wěn)定在井眼低邊，上盤(pán)閥的扇形口則穩(wěn)定在井眼高邊。鉆柱帶動(dòng)殼體和下盤(pán)閥旋轉(zhuǎn)，下盤(pán)閥有3個(gè)導(dǎo)流孔，分別對(duì)應(yīng)活塞，當(dāng)上盤(pán)閥扇形口與下盤(pán)閥導(dǎo)流孔重合時(shí)，通道被打開(kāi)，高壓鉆井液進(jìn)入活塞缸，推動(dòng)活塞靠向高邊井壁，井壁的反作用力使得鉆頭在井眼低邊的切削量增加，井斜逐漸降低。鉆柱繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)下盤(pán)閥導(dǎo)流孔與上盤(pán)閥扇形口錯(cuò)開(kāi)時(shí)，流體通道關(guān)閉，不再驅(qū)動(dòng)活塞推靠井壁。如此循環(huán)往復(fù)，井斜被適時(shí)感應(yīng)和修正，獲得較高鉆井速度[5]。目前該工具已完成設(shè)計(jì)加工與組裝，正處于調(diào)試階段。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，海塔盆地開(kāi)展直快鉆井技術(shù)取得了一定的效果，較好地解決了大傾角地層的提速問(wèn)題。實(shí)鉆結(jié)果表明各種防斜措施都具有一定的適應(yīng)性，綜合各種因素，自行研制有效的防斜打快工具有著良好的市場(chǎng)前景。

復(fù)合鉆井技術(shù)在海塔地區(qū)大面積推廣應(yīng)用試驗(yàn)證明復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)能夠大幅度提高機(jī)械鉆速，有效控制井斜。通過(guò)巖石可鉆性研究，優(yōu)選牙輪和PDC鉆頭，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良好，鉆井周期顯著縮短。在易斜井段應(yīng)用機(jī)械式隨鉆測(cè)斜儀配合單彎螺桿組成的鐘擺鉆具組合隨鉆測(cè)斜和控斜效果顯著，平均每口井縮短工期近3d。渦輪鉆井有可能在海塔盆地取得突破性進(jìn)展。

[1]陳嘉玉.提高海拉爾地區(qū)鉆井速度技術(shù)研究[D].2007.6.

[2]云海濤.大慶徐深氣田提高鉆速技術(shù)研究[D].2007.6.

[3]吳鵬.復(fù)合鉆井工況下牙輪鉆頭井底軌跡仿真分析及鉆頭改進(jìn)[J].江漢石油科技2007,17(3)：37-40.

[4]周英操,張書(shū)瑞,劉永貴.大慶外圍探井鉆井速度的影響因素分析[J].石油學(xué)報(bào),2007,28(2)：113-116.

[5]高德利,張輝,潘起峰等.流花油田地層巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)及鉆頭選型技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2006,28(2)：1-3,6.