牛莊洼陷頁巖油大尺寸井眼優(yōu)快鉆井技術(shù)*

王 海 斌

(中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司)

0 引 言

濟(jì)陽坳陷頁巖油資源量達(dá)41億t以上，開發(fā)前景廣闊[1]。為落實頁巖油勘探開發(fā)工作部署，中國石油化工集團(tuán)有限公司申報開展了勝利頁巖油國家級示范區(qū)建設(shè)。牛莊洼陷位于濟(jì)陽坳陷東營凹陷南坡東段，面積670 km2，資源量沙三下亞段1.79億t、沙四段上純上3.49億t，是頁巖油國家示范區(qū)重點建設(shè)區(qū)塊之一[2-3]。

牛莊洼陷頁巖油平面、縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，巖性復(fù)雜，鉆井工程面臨上部井段破巖效率低、行程進(jìn)尺短、軌跡控制難等技術(shù)難題。國內(nèi)外在?311.1 mm井眼鉆井方面主要通過高效鉆頭、大扭矩螺桿等工具應(yīng)用來提高鉆井效率，這為牛莊洼陷上部地層的技術(shù)優(yōu)選提供了借鑒。但牛莊洼陷獨特的地質(zhì)條件、井身結(jié)構(gòu)及軌道設(shè)計使得?311.1 mm井眼鉆進(jìn)中面臨鉆頭壽命短、行程進(jìn)尺少、斜井段滑動效率低等問題。筆者針對牛莊洼陷?311.1 mm井眼鉆進(jìn)的工程問題，開展了提速工藝分段優(yōu)化、軌跡優(yōu)化、高效鉆頭與提速工具的研制配套及鉆井液體系的優(yōu)化，在牛莊洼陷20口頁巖油井的實踐應(yīng)用中，實現(xiàn)了?311.1 mm井眼提高機(jī)械鉆速、增加行程進(jìn)尺、縮短鉆井周期的目的，創(chuàng)造了多項?311.1mm井眼施工紀(jì)錄，可為濟(jì)陽坳陷頁巖油資源的勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 牛莊洼陷二開井段地質(zhì)挑戰(zhàn)與工程技術(shù)難點

1.1 地層特性與挑戰(zhàn)

從鉆遇地層的情況來看，牛莊洼陷頁巖油自上而下依次鉆遇平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組，見表1。

表1 牛莊洼陷頁巖油井鉆遇地層及巖性分布Table 1 Drilled formation and lithology distribution by shale oil wells in Niuzhuang subsag

從地層層序及巖性分布上看，東營組以淺地層成巖作用差，泥巖疏松、造漿率高、易水化膨脹，“糊井眼”、縮徑、起下鉆阻卡等問題較為突出；館陶組底部-東營組含有礫石，對鉆頭的沖擊破壞性強(qiáng)，易造成鉆頭崩齒，對鉆頭壽命影響嚴(yán)重，導(dǎo)致行程進(jìn)尺短，鉆井時效低；沙河街組以深地層大段硬質(zhì)泥巖、灰質(zhì)夾層可鉆性級值在5級以上[4-5]，鉆頭吃入困難、破巖效率低。

1.2 二開鉆井提速技術(shù)難點

牛莊洼陷頁巖油井采用三開制井身結(jié)構(gòu)(見圖1)設(shè)計：一開采用?444.5 mm鉆頭，下入?339.7 mm表層套管至井深800 m，封隔疏松表層及地表水層；二開采用?311.1 mm鉆頭，下入?244.5 mm技術(shù)套管進(jìn)沙三下亞段20 m(垂深)，封過沙三中亞段低壓地層；三開采用?215.9 mm鉆頭完成目的層鉆進(jìn)，并下入?139.7 mm套管。

圖1 牛莊洼陷頁巖油水平井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram for horizontal well profile of shale oil in Niuzhuang subsag

井眼軌道采用“直-增-穩(wěn)-增-平”五段制軌道類型設(shè)計，造斜點井深約為3 000 m，位于沙三中亞段地層；二開完鉆垂深約為3 400 m，進(jìn)入沙三下亞段地層，中完井斜30°～40°，見表2。

表2 牛莊洼陷A井靶前井眼軌道設(shè)計參數(shù)Table 2 Design parameters of wellbore trajectory in front of Well A target in Niuzhuang subsag

結(jié)合地層特性，牛莊洼陷頁巖油上部二開斜井段位于沙三段，一方面地層可鉆性差，鉆頭破巖難度大；另一方面，?311.1 mm大尺寸井眼滑動鉆進(jìn)鉆頭穩(wěn)定性與攻擊性矛盾突出，工具面穩(wěn)定難度大，導(dǎo)致鉆井效率低。

2 大尺寸井眼鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大尺寸井眼提速工藝分段優(yōu)化

針對牛莊洼陷頁巖油?311.1 mm大尺寸井眼面臨的地質(zhì)挑戰(zhàn)與工程難點，優(yōu)化了不同井段的提速工藝，以提高技術(shù)針對性[6-9]：

(1)直井段采用“耐磨混合齒PDC+大扭矩螺桿”工藝，解決礫石層鉆頭損傷大、壽命短、行程進(jìn)尺少的問題，完成全部直井段及部分增斜段鉆進(jìn)；

(2)斜井段采用“獅虎獸+大扭矩螺桿+減摩降阻工具”的鉆進(jìn)工藝，解決大尺寸井眼滑動鉆進(jìn)PDC穩(wěn)定性差、“托壓”嚴(yán)重導(dǎo)致的鉆進(jìn)效率低的問題，完成二開全部斜井段施工。

2.2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 懸桿線軌道設(shè)計方法

為降低鉆柱摩阻，減少大尺寸井眼的滑動施工，提高PDC鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)井段，利用基于彈性桿力學(xué)模型的“懸桿線”井眼軌道設(shè)計方法對井眼軌道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[6-9]。懸桿線軌道分別由直井段Oa、過渡段ab、懸桿段bc和穩(wěn)斜段ct組成(見圖2)。其中懸桿段端點b、c存在約束，中間的鉆柱在端部約束和自身重力的作用下自然懸垂，處于靜力平衡狀態(tài)，如圖3所示。

圖2 懸桿線軌道的組成Fig.2 Composition of suspender line trajectory

圖3 懸桿段鉆柱的受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of stress on the drill string in suspender section

在造斜點a的垂深、節(jié)點b的井斜角、過渡段ab造斜率、靶點t垂深及水平位移、最大井眼造斜率已知的情況下，可由二維軌道設(shè)計方法計算出節(jié)點b處的坐標(biāo)Sb、Db和井深Lb。懸桿段井眼軌道可由平衡方程及軌跡計算方程給出：

(1)

(2)

式中：Ft為鉆柱在穩(wěn)斜段中的摩擦力，N；Fn為懸桿段任意位置處的剪力，N；fg為鉆柱的線浮重，N/m；s為懸桿段任意位置處與節(jié)點b間的弧長，m；k為懸桿段任意位置處的造斜率，rad/m；E為鉆柱的彈性模量，Pa；I為鉆柱的截面慣性矩，m4；S為懸桿段任意位置處的水平位移，m；D為懸桿段任意位置處的垂深，m；α為懸桿段任意位置處的井斜角，rad。

2.2.2 軌道設(shè)計效果

利用該方法完成了懸桿線軌道設(shè)計(見表3)，并對比了其與常規(guī)軌道在滑動、起鉆、下鉆、復(fù)合鉆進(jìn)等工況下所受到的摩阻扭矩(見圖4和圖5)。

圖4 不同工況下2種井眼軌道摩阻對比Fig.4 Comparison of friction between two types of wellbore trajectories under different working conditions

圖5 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況下2種軌道的扭矩對比Fig.5 Comparison of torque between two types of wellbore trajectories under rotary drilling conditions

表3 牛莊洼陷A井懸桿線井眼軌道設(shè)計結(jié)果Table 3 Design results of the “suspender line” wellbore trajectory of Well A in Niuzhuang subsag

從對比分析結(jié)果可以看出，相較于常規(guī)井眼軌道，懸桿線軌道在4種工況下均表現(xiàn)出明顯的降摩減扭效果，在提高鉆壓傳遞效率，提升鉆井效率方面能起到積極作用。

2.3 高性能個性化鉆頭研制

2.3.1 穿礫石層耐磨混合PDC鉆頭

館陶組底部-東營組上部分布100～200 m厚的礫石層[10]，鉆頭的沖擊損壞較為嚴(yán)重、單只鉆頭進(jìn)尺少。為實現(xiàn)直井段“一趟鉆”鉆進(jìn)目標(biāo)，通過礫石層巖石-切削齒相互作用機(jī)理分析及強(qiáng)度特性分析[11]，研制了鉆穿礫石層高耐磨混合齒PDC鉆頭。該鉆頭采用三棱齒+錐齒的抗沖擊穩(wěn)定切削結(jié)構(gòu)(見圖6)。三棱齒具有比平面齒更高的抗沖擊性能，能夠承受更高的沖擊載荷而不失效；后排錐齒可以劈碎礫石，減輕礫石對鉆頭的沖擊作用，同時起到穩(wěn)定鉆頭切削狀態(tài)的作用，增強(qiáng)鉆頭鉆進(jìn)過程中的穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低鉆頭沖擊損壞的可能性。

圖6 穿礫石層耐磨混合PDC鉆頭Fig.6 Wear resistant mixed PDC bit crossing gravel layer

2.3.2 “獅虎獸”(牙輪-PDC混合)鉆頭

鉆井實踐表明，牙輪-PDC混合鉆頭在滑動鉆進(jìn)中能顯著減輕鉆頭扭轉(zhuǎn)振動、減弱鉆頭黏滑，增強(qiáng)滑動過程中工具面穩(wěn)定性，對提高滑動鉆進(jìn)效率具有積極作用[12-14]。該鉆頭適合在致密泥頁巖、不均質(zhì)地層的滑動鉆進(jìn)中應(yīng)用，其導(dǎo)向鉆進(jìn)能力與牙輪鉆頭相當(dāng)，同時由于PDC切削齒的作用，“獅虎獸”鉆頭的破巖效率與機(jī)械鉆速更高、純鉆壽命更長。能解決大斜度井定向井段摩阻扭矩大、托壓嚴(yán)重和工具面不穩(wěn)定的問題，并能夠提高大斜度井定向井段的鉆進(jìn)速度。

牙輪-PDC混合鉆頭采用3刀翼+3牙輪結(jié)構(gòu)布局(見圖7)，PDC部分主切削齒采用19 mm復(fù)合片、大齒間距中等后傾角布齒，內(nèi)錐齒間距7～8 mm，鼻肩部齒間距5～6 mm，能增強(qiáng)鉆頭吃入能力；內(nèi)錐后傾角15°～18°，鼻肩部后傾角18°～22°，能增強(qiáng)復(fù)合片抗沖擊能力，防止崩齒環(huán)磨。

圖7 牙輪-PDC混合鉆頭Fig.7 Cone-PDC hybrid bit

牙輪部分采用“3-3-4”齒排勺形齒設(shè)計，冠部牙輪齒高度比PDC切削齒高1～2 mm，能夠提高泥巖地層切削效率，同時保護(hù)內(nèi)錐外側(cè)和鼻肩部復(fù)合片，提高破巖效率并防止崩齒。

2.4 關(guān)鍵提速工具配套

斜井段定向鉆進(jìn)過程中，鉆柱僅沿井眼軸線方向滑動，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，鉆柱與井壁之間近似于靜摩擦，鉆壓傳遞困難，并且隨著井斜的增加，“托壓”現(xiàn)象愈加明顯，主要表現(xiàn)為：①指重表讀數(shù)不斷增加，但鉆頭并未真正接觸井底，鉆壓主要由井壁對鉆桿的摩阻承擔(dān)，不能產(chǎn)生有效進(jìn)尺；②為使鉆頭真正接觸井底產(chǎn)生破巖效果，需要不斷施加鉆壓、過度釋放鉤載，易發(fā)生鉆柱突然釋放，鉆頭猛烈沖擊井底導(dǎo)致憋泵的問題，且螺桿鉆具扭矩突然升高將造成劇烈波動，導(dǎo)致工具面不穩(wěn)定。以上情況下需要頻繁上提下放鉆具，釋放鉆具摩阻和扭矩，重新定向工具面，嚴(yán)重降低了滑動鉆進(jìn)效率。為解決?311.1 mm大尺寸井眼滑動鉆進(jìn)“托壓”頻繁、工具面穩(wěn)定性差、鉆進(jìn)時效低等問題，配套應(yīng)用了水力振蕩器和鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從井下、地面雙管齊下，實現(xiàn)了減摩降阻、提速提效的目的。

2.4.1 增強(qiáng)型水力振蕩器

通過鉆井液流經(jīng)水力振蕩器產(chǎn)生的規(guī)律性壓降變化，將水力能量轉(zhuǎn)換為軸向振動的機(jī)械能，從而有效降低摩阻，減少滑動鉆進(jìn)中的“托壓”現(xiàn)象，同時可以降低鉆具黏卡風(fēng)險，提高鉆進(jìn)安全性。

(1)工具結(jié)構(gòu)。水力振蕩器主要由水力脈沖發(fā)生短節(jié)和振蕩短節(jié)2部分構(gòu)成，如圖8和圖9所示。

1—防掉接頭；2—防掉組件；3—連接桿；4—馬達(dá)本體；5—定子；6—轉(zhuǎn)子；7—過水冒；8—上盤閥；9—下盤閥；10—下接頭。圖8 水力脈沖發(fā)生短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram for structure of hydraulic pulsing nipple

1—花鍵心軸；2—防塵密封組件；3—外花鍵短節(jié)；4—上筒體；5—防掉短節(jié)；6—碟簧；7—雙向密封組件；8—活塞；9—下筒體；10—下接頭。圖9 振蕩短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram for structure of oscillation nipple

水力脈沖振蕩發(fā)生短節(jié)由1∶2容積式動力馬達(dá)和盤閥機(jī)構(gòu)組成，主要包括防掉組件、定子、轉(zhuǎn)子、上下盤閥等機(jī)構(gòu)。振蕩短節(jié)是工具產(chǎn)生軸向振蕩的核心機(jī)構(gòu)，主要由花鍵心軸、防掉短節(jié)、碟簧、活塞及密封組件等構(gòu)成。

(2)工作原理。鉆井過程中，鉆井液流經(jīng)動力馬達(dá)時會驅(qū)動轉(zhuǎn)子帶動上、下盤閥高速轉(zhuǎn)動，上、下盤閥間設(shè)有配合流道，通過流道過流面積變化對鉆井液形成脈沖流量變化，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)壓力脈沖，壓力脈沖驅(qū)動振蕩短節(jié)活塞產(chǎn)生周期性軸向振動，從而達(dá)到降低摩阻、提高鉆壓傳遞效率的目的。

(3)主要技術(shù)參數(shù)。利用工具室內(nèi)檢測試驗臺架對水力振蕩器工具性能進(jìn)行了測試，通過在工具兩端連接進(jìn)水和回水管線，形成測試回路，如圖10所示。利用壓力傳感器、線性位移傳感器測量工具的主要技術(shù)參數(shù)，見表4。

圖10 工具室內(nèi)檢測試驗臺架測試流程圖Fig.10 Flow chart for test bench test of indoor inspection of tools

表4 水力振蕩器室內(nèi)測試性能參數(shù)Table 4 Indoor test performance parameters of hydro-oscillator

(4)配套軟件。配套開發(fā)了水力振蕩器安放位置優(yōu)化計算軟件，可根據(jù)井眼尺寸、鉆具組合、軌跡參數(shù)、鉆井液性能等條件，計算不同鉆井參數(shù)條件下的水力壓耗及工具振蕩力輸出，優(yōu)化水力振蕩器選型及安放位置，如圖11所示。

圖11 水力振蕩器應(yīng)用優(yōu)化計算軟件計算流程Fig.11 Calculation process of hydro-oscillator application optimization calculation software

2.4.2 鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)

利用動摩擦因數(shù)比靜摩擦因數(shù)小的原理，鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)通過變頻器控制頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)過程中可靈活快捷地調(diào)整控制參數(shù)，做到既讓上部大部分鉆柱扭轉(zhuǎn)起來，同時又可保持底部鉆具組合靜止，實現(xiàn)最大程度地降低摩阻、保持工具面穩(wěn)定的目的，從而提高滑動鉆進(jìn)的施工時效。

鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)自動控制系統(tǒng)主要由主控儀、司鉆操作顯示儀、慣剎氣壓傳感器、轉(zhuǎn)盤電機(jī)編碼器、變頻器驅(qū)動控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等組成(見圖12)。鉆柱扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)可與鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)自由切換，采集慣剎氣壓信號、轉(zhuǎn)盤電機(jī)風(fēng)機(jī)信號及鏈條箱潤滑油泵信號形成互鎖保護(hù)；通過電機(jī)編碼器快速精確地采集與控制電機(jī)速度信號和旋轉(zhuǎn)角度，形成控制閉環(huán)。

圖12 雙向扭轉(zhuǎn)自動控制系統(tǒng)方案示意圖Fig.12 Schematic diagram for the automatic control system of two-way torsion

鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)自動控制軟件由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成，上機(jī)位軟件具備參數(shù)設(shè)置、扭轉(zhuǎn)參數(shù)調(diào)節(jié)、MWD及錄井?dāng)?shù)據(jù)顯示等功能。下位機(jī)軟件主要包括硬件組態(tài)和梯形圖程序塊等，主要實現(xiàn)角度精確定位、角度扭轉(zhuǎn)控制、扭矩扭轉(zhuǎn)控制等功能。

2.5 鉆井液體系優(yōu)化

二開鉆進(jìn)層位為明化鎮(zhèn)組-沙三段，其中明化鎮(zhèn)組、館陶組地層的紅色泥巖造漿率高，易造成鉆井液固相污染、井眼縮徑等復(fù)雜情況，鉆井液體系選擇及維護(hù)主要以控制造漿、防縮徑為主；東營組-沙河街組砂層發(fā)育，高孔高滲特征明顯，易出現(xiàn)裂縫性漏失及壓差黏吸現(xiàn)象[2，15]，該井段鉆井液體系以封堵防塌為主。各井段鉆井液體系優(yōu)選方案見表5。

表5 牛莊洼陷頁巖油井上部井段鉆井液體系優(yōu)選Table 5 Optimization of drilling fluid system for the upper section of shale oil wells in Niuzhuang subsag

3 現(xiàn)場應(yīng)用

頁巖油?311.1 mm大尺寸井眼優(yōu)快鉆井技術(shù)在牛莊洼陷國家級頁巖油示范區(qū)試驗井組應(yīng)用20口井，機(jī)械鉆速和行程進(jìn)尺顯著增加，二開鉆井周期顯著縮短，提速提效成果顯著：二開平均機(jī)械鉆速20.71 m/h，較同區(qū)塊前期(12.26 m/h)提高40.8%；二開每趟鉆平均進(jìn)尺1 227.3 m，較同區(qū)塊前期(每趟鉆進(jìn)尺658.5 m)提升46.35%；二開平均鉆井周期11.05 d，較同區(qū)塊前期(24.86 d)縮短55.55%。

以示范區(qū)A井為例，通過該技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)了勝利頁巖油二開2個“一趟鉆”的目標(biāo)，創(chuàng)造了?311.1 mm大尺寸井眼日進(jìn)尺1 620 m的全國紀(jì)錄，最短鉆井周期6.33 d，該指標(biāo)處于國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先水平。

根據(jù)下壓造斜點、提高造斜率的優(yōu)化思路，直井段增加了500 m，造斜井段縮短50 m，穩(wěn)斜段縮短563 m，二開造斜率每30m增加1.1°，中完井斜基本保持一致，如表6所示。

表6 牛莊洼陷A#井眼軌跡優(yōu)化前后對比Table 6 Comparison of Well A trajectories before and after optimization in Niuzhuang subsag

直井段采用高性能耐磨混合齒PDC鉆頭配合大扭矩螺桿鉆具的鉆進(jìn)工藝，鉆井液保障氯化鈣補(bǔ)充(每100 m補(bǔ)1.5 t)，強(qiáng)化抑制性，強(qiáng)化固控，保持鉆井液低黏切、低固相性能。沙一段～沙二段地層停用氯化鈣，保證井眼清潔。單趟進(jìn)尺1 576 m，一趟鉆完成二開直井段鉆進(jìn)，直井段平均機(jī)械鉆速提高至47.18 m/h。

斜井段更換為牙輪-PDC混合鉆頭配合大扭矩螺桿及水力振蕩器，配套鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的鉆進(jìn)工藝，滑動鉆進(jìn)井段替入200 m3鹽漿，3%褐煤樹脂、2%高酸溶磺化瀝青、3%SMP-1，配合塑料小球，確保鉆井液具有良好的潤滑性能[16]。由“托壓”導(dǎo)致的滑動鉆進(jìn)輔助時效降低66.26%，滑動摩阻降低50%～88%(見表7)，平均滑動鉆進(jìn)機(jī)械鉆速11.13 m/h，較區(qū)塊鄰井提高3倍以上，一趟鉆完成斜井段施工。

表7 牛頁一區(qū)A井鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)應(yīng)用效果統(tǒng)計Table 7 Statistics on the application effect of bi-directional torsion system of drill string in Well A of Niuye1 block

4 結(jié)論與建議

(1)應(yīng)用效果表明，鉆井提速技術(shù)工藝分段優(yōu)化能夠顯著提升鉆井工藝在不同井段的針對性和適用性，有效解決了牛莊洼陷頁巖油上部大尺寸井眼鉆井效率低、行程進(jìn)尺少的問題，能夠為勝利頁巖油鉆井提速提效工藝技術(shù)提升提供借鑒。

(2)現(xiàn)階段勝利頁巖油仍處于大規(guī)模開發(fā)初期，鉆井工程技術(shù)仍存在不足，提升空間較大，在當(dāng)前二開2個“一趟鉆”的基礎(chǔ)上，仍需開展長壽命、高穩(wěn)定性定向PDC鉆頭研制，為二開“一趟鉆”目標(biāo)的實現(xiàn)打好基礎(chǔ)。