JY29-X井斜井段提速提效鉆井技術(shù)

王險(xiǎn)冰， 尹佩濤， 宋明階， 胡 亮

(中石化江漢石油工程有限公司鉆井二公司)

0 引言

JY29-X井位于重慶市涪陵區(qū)焦石鎮(zhèn)板栗村3組，是部署在川東高陡褶皺帶萬(wàn)縣復(fù)向斜焦石壩背斜帶的一口水平井，主要目的層是龍馬溪組頁(yè)巖氣層段，設(shè)計(jì)井深4 630 m，設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)度1 901.02 m，設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)1 118 m，斜井段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 512 m，占比75.9%，鉆遇層位主要為茅口組下部、棲霞組、梁山組、黃龍組、韓家店組、小河壩組、龍馬溪組[1]。二開進(jìn)入龍馬溪組20 m左右中完，下技術(shù)套管固井，封龍馬溪組頁(yè)巖氣層之上的易漏、易塌地層。

斜井段在施工過程中鉆遇的難點(diǎn)有：

1)棲霞組至韓家店組上部地層夾層多，影響PDC鉆頭使用效果，可鉆性差，同平臺(tái)的一口井在梁山組鉆時(shí)高達(dá)71 min/m；二開斜井段韓家店組下部至小河壩組砂巖發(fā)育，需要優(yōu)選抗研磨性鉆頭；三開造斜段龍馬溪組存在灰黑色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖(濁積砂段)，可鉆性差，同平臺(tái)一口井濁積砂段垂厚10.65 m。

2)本井為魚鉤型三維水平井，二開扭方位工作量70°，二開大井眼中進(jìn)行定向造斜率不穩(wěn)定；三開水平段地層傾角起伏變化，由上傾2.43°最后變化為下傾2.4°；斜井段整體軌跡控制難度大。

3)水平段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 901.02 m，水平段施工后期摩阻扭矩增大，存在定向托壓?jiǎn)栴}。

針對(duì)以上難點(diǎn)，本井在施工過程中對(duì)井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆頭和螺桿優(yōu)選、鉆具組合和鉆井參數(shù)優(yōu)化、應(yīng)用降摩減阻工具等方面提出了配套技術(shù)措施，確保了該井安全高效的生產(chǎn)[2]。

1 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)地層特點(diǎn)對(duì)井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，斜井段總體采用斜面圓弧扭方位剖面方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，從源頭降低摩阻扭矩，提高定向效果[3]。

在井深1 118 m處開始定向作業(yè)，先以0.12°/m的造斜率定向增斜至16.45°，然后在棲霞組至韓家店組可鉆性差井段采取復(fù)合鉆井的方式進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)至29.35°，隨后在二開剩余井段完成70°的扭方位工作量，同時(shí)增斜至33.86°，減少三開定向工作量。三開造斜段以0.16°/m的造斜率全力增斜至92.43°入靶，水平段加入降摩減阻工具，以復(fù)合鉆井方式為主鉆至完鉆井深，水平段鉆進(jìn)期間避免頻繁調(diào)整井斜，保證軌跡光滑，井眼順暢。

2 斜井段提速提效技術(shù)措施

2.1 鉆頭優(yōu)選

結(jié)合本區(qū)塊地層特點(diǎn)，針對(duì)不同層段、不同鉆進(jìn)方式優(yōu)選出了四種型號(hào)的鉆頭(見表1)。

針對(duì)茅口組至韓家店組上部地層夾層多，可鉆性差的難點(diǎn)，優(yōu)選出KMD1663DFRT型號(hào)的斧型齒鉆頭，該型號(hào)鉆頭復(fù)合片采用斧型齒的脊形幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了一種全新的破巖方式，采用剪切+犁削組合破巖方式，能有效地減小切削阻力，使切削齒更易出刃，顯著提高了其攻擊性及切削效率[4]。斧型齒復(fù)合片與巖石接觸面積減少了30%，大幅度地超過地層的門限破碎應(yīng)力，有效提升破巖效率，抗沖擊性、抗研磨性強(qiáng)，具備穿越硬夾層能力，適應(yīng)該地層。

表1 JY29-X井斜井段鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)韓家店組至小河壩組砂巖發(fā)育，優(yōu)選出KSD1362ADGR型號(hào)鉆頭，該鉆頭選擇六刀翼，對(duì)復(fù)合片進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，提高了攻擊性和抗磨性;對(duì)切削結(jié)構(gòu)和鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了鉆頭穩(wěn)定性和壽命，滿足高抗研磨性需求，能一趟鉆從韓家店組上部鉆至二開中完井深。

針對(duì)三開造斜段需要大段定向、鉆穿濁積砂段的需求，優(yōu)選出了KPM1642ART型號(hào)的復(fù)合鉆頭，該鉆頭將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，采用混合切削方式進(jìn)行鉆進(jìn)，牙輪合金齒首先接觸地層，對(duì)地層進(jìn)行預(yù)破碎，形成不連續(xù)的齒坑，釋放地層應(yīng)力，降低巖石強(qiáng)度，然后由PDC復(fù)合片進(jìn)一步刮削剪切破碎巖石，將牙輪切削齒形成的不連續(xù)的齒坑連通，形成完整的破碎環(huán)帶，提高鉆頭破巖效率，混合鉆頭這種特殊結(jié)構(gòu)，使其在硬塑性地層中具有較高機(jī)械鉆速。而且混合鉆頭扭矩波動(dòng)更小，牙輪的滾動(dòng)切削可以防止PDC扭矩過大，牙輪可以緩沖PDC復(fù)合片沖擊載荷，保護(hù)復(fù)合片，因而使用壽命更長(zhǎng)，同時(shí)，也能兼顧定向和復(fù)合鉆進(jìn)[5-6]。JY29-X井一趟鉆完成了造斜段施工,節(jié)約了3趟鉆，機(jī)械鉆速明顯提高，起出鉆頭無磨齒、崩齒，提速效果顯著[7]。

2.2 螺桿優(yōu)選

常規(guī)螺桿在油基鉆井液環(huán)境中，定子橡膠易油溶、高溫失效，導(dǎo)致螺桿壽命短(低于100 h)，該井實(shí)際水平段長(zhǎng)1 933 m，使用常規(guī)螺桿施工動(dòng)力不足，為了能實(shí)現(xiàn)三開井段提速提效目標(biāo)，對(duì)螺桿馬達(dá)進(jìn)行線性優(yōu)化提高馬達(dá)的承載能力，優(yōu)選高硬度耐油耐高溫橡膠材料，優(yōu)化與之配套的注膠工藝，進(jìn)一步強(qiáng)化螺桿的傳動(dòng)、承載等關(guān)鍵部件的選材與加工精度和質(zhì)量，提高螺桿的性能指標(biāo)及可靠性，從而優(yōu)選出了等壁厚耐油抗高溫長(zhǎng)壽命螺桿工具。該螺桿鉆具耐溫175℃，輸出扭矩同比提高30%～51%，使用壽命200 h左右。

在JY29-X井三開井段中使用7L172×1.25°等壁厚耐油抗高溫長(zhǎng)壽命螺桿，能滿足增斜、穩(wěn)斜需要，增斜段造斜率在6°/30 m，穩(wěn)斜井段小于1.8°/100 m，其中三開水平段鉆進(jìn)井段2 721～4 630 m，進(jìn)尺1 909 m，螺桿使用時(shí)間154.5 h，滿足了三開井段提速提效需求。

2.3 鉆具組合和鉆井參數(shù)優(yōu)化

本井扭方位工作量主要集中在二開井段，在二開大井眼中進(jìn)行定向扭方位工作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)托壓、造斜率不穩(wěn)等問題，二開鉆遇地層交界面多，鉆井參數(shù)控制難度大；三開水平段地層傾角起伏變化，隨著水平段的不斷延伸，鉆井扭矩和摩阻不斷增大、軌跡調(diào)整和控制難度不斷增加，鉆井參數(shù)調(diào)整難度大；針對(duì)這些難點(diǎn)，需要對(duì)鉆具組合和鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.1 鉆具組合優(yōu)化

基于斜井段鉆具的受力力學(xué)分析研究，對(duì)螺桿扶正器的尺寸和形狀、鉆具扶正器的尺寸和位置、加重鉆桿的位置和數(shù)量、降摩減阻工具的性能和位置等進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合優(yōu)化后的井眼軌跡設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆具組合，針對(duì)“增斜、穩(wěn)斜、扭方位、增斜、穩(wěn)斜”不同的定向方式形成了四套不同的常規(guī)定向鉆具組合。

二開增、穩(wěn)斜段鉆具組合：?311.2 mm PDC+?216 mm 1.25°螺桿+浮閥+?203.2 mm短鉆鋌+?285mm扶正器+?203.2 mm無磁鉆鋌+無磁懸掛+?203.2 mm無磁鉆鋌×1根+631×410+?177.8 mm鉆鋌×3根鉆桿，加入2 m短鉆鋌，滿足復(fù)合增斜設(shè)計(jì)要求。

二開扭方位井段鉆具組合：?311.2 mm PDC+?216 mm 1.25°螺桿+浮閥+?285 mm扶正器+?203.2 mm無磁鉆鋌+無磁懸掛+631×410+?127 mm無磁承壓鉆桿×1根鉆桿，簡(jiǎn)化鉆具組合，降低摩阻。

三開增斜井段：?215.9 mm混合鉆頭+?172 mm 1.25°螺桿+浮閥+?127 mm無磁承壓鉆桿+LWD短節(jié)+?127 mm無磁承壓鉆桿+?127 mm加重鉆桿×8根+?127 mm鉆桿×78根+?127 mm加重鉆桿×19根鉆桿，使用混合鉆頭配合變曲率增斜控制方法入靶。

三開穩(wěn)斜井段：?215.9 mm PDC+?172 mm 1.25°螺桿+?210 mm扶正器+浮閥+?127 mm無磁承壓鉆桿+LWD短節(jié)+?127 mm無磁承壓鉆桿+?127 mm加重鉆桿×5根+?127 mm鉆桿×7根+降摩減阻工具(位置150 m)+?127 mm鉆桿×233根+?127 mm加重鉆桿×21根鉆桿，使用“欠尺寸倒裝雙扶+降摩減阻工具”的鉆具組合，降低摩阻扭矩，提高水平段延伸能力，保證軌跡光滑。

2.3.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)鉆頭螺桿等關(guān)鍵工具的性能，適應(yīng)軌跡調(diào)整的需要，結(jié)合鉆具組合的特性，以提高機(jī)械鉆速、行程鉆速和降低故障復(fù)雜為目標(biāo)，進(jìn)行鉆井參數(shù)的優(yōu)選，正常工況下大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合鉆進(jìn)提速為主，復(fù)雜井段精細(xì)的控制轉(zhuǎn)速和排量，定向井段控制鉆壓和排量，優(yōu)化出了JY29-X井斜井段不同工況下的鉆井參數(shù)。

1)茅口組下部-韓家店組上部(1 044～1 414 m)。共要鉆遇5個(gè)層位巖層和4個(gè)地層交界面，灰泥巖交錯(cuò)，灰?guī)r里含硅質(zhì)，泥巖里含砂，地層不均質(zhì)，研磨性強(qiáng)，可鉆性較差，使用KMD1663DFRT斧型齒鉆頭在該段穿行時(shí)，鉆井參數(shù)的選擇及其重要，是提速提效能否成功的關(guān)鍵，在鉆遇茅口組棲霞組交界面、梁山組、黃龍組地層時(shí)必須弱化參數(shù)鉆進(jìn)，有效的保護(hù)好鉆頭，取得更多的進(jìn)尺和更高的效率。

2)韓家店組上部-小河壩組(1 414～2 148 m)。韓家店組上部地層控制鉆井參數(shù)鉆進(jìn)，當(dāng)見到韓家店組灰綠色泥巖后強(qiáng)化參數(shù)鉆進(jìn)。

3)龍馬溪組(2 148～4 630 m)在濁積砂段鉆進(jìn)時(shí)，控制鉆壓在100 kN內(nèi)，水平段使用大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，并根據(jù)振動(dòng)篩返砂情況，適當(dāng)調(diào)整鉆井參數(shù)。

2.4 降摩減阻工具的應(yīng)用

本井水平段地層傾角起伏變化，井眼軌跡需要不斷調(diào)整，隨著水平段逐漸加深，定向托壓情況勢(shì)必會(huì)越來越嚴(yán)重，在水平段鉆具組合中加入水力震蕩器，緩解了定向托壓情況，一趟鉆就完成1 933 m水平段的施工任務(wù)。

水力振蕩器通過鉆井泵將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來改變鉆進(jìn)過程中僅靠下部鉆具的重力給鉆頭施加鉆壓的方式，將自身產(chǎn)生的縱向振動(dòng)提高鉆進(jìn)過程中鉆壓傳遞的有效性，并使鉆頭或下部鉆具與鉆柱中的其他部分的連接變?yōu)槿嵝赃B接，有效的提高滑動(dòng)機(jī)械鉆速，能將鉆具組合與井眼間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦，大幅降低或消除兩者之間的摩擦阻力，減少了鉆具組合的粘卡的可能性，使水平段鉆進(jìn)更加容易和有效，結(jié)合鄰井和本平臺(tái)完鉆井水平段施工情況，將水力振蕩器置于鉆具組合150 m處能發(fā)揮該工具最大功效[8]。水力振蕩器在JY29-X井使用過程中，在水平段鉆進(jìn)后期仍可進(jìn)行定向作業(yè)，且無托壓現(xiàn)象，確保了本井水平段一趟鉆的順利實(shí)施。

2.5 井眼軌跡控制技術(shù)

本井設(shè)計(jì)分層與實(shí)鉆分層差別不大，通過對(duì)伽馬、鉆時(shí)的準(zhǔn)確預(yù)判，掌握入窗的主動(dòng)性，第一時(shí)間做出軌跡調(diào)整，精準(zhǔn)中靶[9]。JY29-X井A靶位于龍馬溪組8號(hào)小層和7號(hào)小層之間，底界斜深2 697 m，垂深2 344.2 m，定向鉆至井深2 684 m(垂深2 344.39 m)，增斜到90.4°后，擺好工具面，復(fù)合鉆進(jìn)10 m準(zhǔn)確入靶，實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡沒有差異。

3 斜井段提速提效效果

JY29-X井實(shí)鉆造斜點(diǎn)1 108 m，完鉆井深4 630 m，斜井段占比76%，整體施工過程中，未發(fā)生井下復(fù)雜和故障，全井鉆井周期33.58 d，較設(shè)計(jì)周期46 d節(jié)約了27%，創(chuàng)涪陵工區(qū)最短鉆井周期記錄[10]。

JY29-X井鉆井指標(biāo)與同平臺(tái)和同區(qū)塊其他井指標(biāo)的對(duì)比情況見表2。

從指標(biāo)對(duì)比情況表可以看出，JY29平臺(tái)及其鄰平臺(tái)施工的8口井，造斜點(diǎn)、造斜段比率和靶點(diǎn)垂深相差不大，說明井眼軌道變化不大。JY29-X井較4口鄰井平均井深增加了262.75 m，水平段長(zhǎng)度較4口鄰井的平均長(zhǎng)度增加了368.25 m，但是鉆井周期較4口鄰井平均減少了21.98 d，減少幅度65.45%。JY29-X井較平臺(tái)3口井平均井深增加了214.67 m，水平段長(zhǎng)度較平臺(tái)3口井的平均長(zhǎng)度增加了268.67 m，但是鉆井周期較同平臺(tái)3口井平均減少了14.83 d，減少幅度44.16%。在井深增加、水平段增長(zhǎng)、靶點(diǎn)垂深和造斜段比率不變的情況下，總結(jié)一套適合涪陵工區(qū)焦石區(qū)塊水平井斜井段的鉆井技術(shù)，在JY29-X井進(jìn)行實(shí)踐和應(yīng)用，大幅度地縮短了鉆井周期，提速提效取得重大突破。

表2 指標(biāo)對(duì)比情況表

4 結(jié)論

1)涪陵工區(qū)斜井段總體采用斜面圓弧扭方位剖面方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用“增-穩(wěn)-扭方位-增-穩(wěn)”方式進(jìn)行施工，將扭方位工作量留在二開井段，減少三開定向工作量，能有效保障井眼順暢光滑。

2)茅口組至韓家店組井段使用斧型齒鉆頭，在鉆遇茅口組棲霞組交界面、梁山組、黃龍組地層時(shí)進(jìn)行弱化參數(shù)，保護(hù)好鉆頭，有效攻克了茅口組至韓家店組可鉆性差的難題；三開造斜段使用混合鉆頭施工，能一趟鉆完成掃塞、定向扭方位、增斜工作量，鉆穿濁積砂地層、鉆至A靶點(diǎn)任務(wù)，較以往模式可節(jié)約3趟鉆，提速明顯。

3)采用優(yōu)化后的四套不同的常規(guī)定向鉆具組合完成了斜井段的施工，井眼軌跡控制質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，其中水平段鉆具組合中加入了降摩減阻工具，有效的避免了托壓現(xiàn)象，一趟鉆就完成了1 933 m水平段的施工任務(wù)，全井提速提效效果顯著。