大慶深層鉆井提速技術(shù)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(guò)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(wèn)題。為了提升深井鉆井的質(zhì)量和效率，大慶油田進(jìn)行了一系列針對(duì)性的改進(jìn)，引入了諸多新興技術(shù)，主要有氣體鉆井技術(shù)、水力脈沖鉆井技術(shù)等等，并將上述技術(shù)切實(shí)應(yīng)用于實(shí)際鉆井過(guò)程中，取得了一定的成效；但是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中上述技術(shù)仍然存在適用范圍較窄、針對(duì)性不強(qiáng)以及難以進(jìn)行泛化等諸多問(wèn)題，各項(xiàng)技術(shù)之間相互制約互相干擾，使得實(shí)際適用過(guò)程中經(jīng)濟(jì)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(shù)優(yōu)化、設(shè)備更換以及不同技術(shù)間的匹配等方面著手，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行驗(yàn)證，切實(shí)提升大慶油田深層鉆井的效率和質(zhì)量。

1 地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特點(diǎn)

大慶油田地層構(gòu)造比較復(fù)雜，包括：砂巖、泥巖、熔巖以及過(guò)渡性巖層等諸多類(lèi)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(dá)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(dá)到2.75g/cm3；④物理力學(xué)性能較差，滲透率約為0.02mD，孔隙度約為4.0%；⑤儲(chǔ)集空間非常復(fù)雜，主要有天然氣孔、裂縫組合、單純裂縫等。

1.2 鉆井難點(diǎn)

（1）巖層硬度偏高，平均強(qiáng)度可達(dá)5000MPa，因此鉆井過(guò)程中鉆頭磨損較為嚴(yán)重，尤其是經(jīng)過(guò)火山巖等巖層時(shí)，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(dá)到4.0℃/100m，尤其是深度在4000～5500m 的井段，溫升能夠達(dá)到10.0℃/100m，因此對(duì)于鉆井過(guò)程中使用的設(shè)備、配套的材料要求較高，使用過(guò)程中設(shè)備故障率較高，整體施工周期較長(zhǎng)。

（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(guò)程中由于裂縫發(fā)育容易導(dǎo)致巖層出現(xiàn)垮落等現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致鉆井事故出現(xiàn)。

2 鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

圖1 直井井身結(jié)構(gòu)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(cè)井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)地層巖性、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的分析，找出了適合的鉆頭類(lèi)型，并與現(xiàn)場(chǎng)鉆井?dāng)?shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)其進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。采用最優(yōu)化理論和聚類(lèi)分析法對(duì)第二開(kāi)口段和第三開(kāi)口段進(jìn)行了優(yōu)化，從而確定了適用范圍（見(jiàn)表1），形成了深井鉆頭序列，實(shí)現(xiàn)了在第二開(kāi)口段完成了1～2個(gè)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(xué)參數(shù)及適用鉆頭類(lèi)型

古深3 井技術(shù)套管的下限為3.18km，砂泥巖的抗壓強(qiáng)度超過(guò)137.9MPa，哈里伯頓MM64DH 鉆頭在2503.90～3180.00m 之間的井段中進(jìn)行了優(yōu)選和試驗(yàn)，該鉆頭的進(jìn)尺為676.10m，純鉆時(shí)間287.7h，機(jī)械鉆速2.35m/h。與常規(guī)鉆頭相比，節(jié)省了成本和時(shí)間，突破了泉頭組下部地層無(wú)法應(yīng)用PDC鉆頭的技術(shù)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(diǎn)，通過(guò)對(duì)鉆井歷史數(shù)據(jù)及巖體力學(xué)的研究，探討了深層天然氣井加速、破碎機(jī)制及耐高溫加速工具的研制。因此，深井的鉆速就會(huì)大大加快。

3.1 液動(dòng)旋沖提速工具

流體轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具利用鉆井液中的液體能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，對(duì)PDC 鉆頭施加周向周期性的沖擊和軸向的壓力脈動(dòng)，改進(jìn)了破巖方法，提升了破巖效率和鉆孔速度，同時(shí)減緩了鉆頭的磨損。工具的主要特點(diǎn)是：①能提供附加的周向高頻沖擊，并能對(duì)巖石進(jìn)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(jī)械式結(jié)構(gòu)，具有適應(yīng)較高的溫度；⑤操作簡(jiǎn)便，安全可靠。

3.2 渦輪鉆具

渦輪鉆具是利用高壓鉆井液對(duì)渦輪機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子葉進(jìn)行沖擊，在壓力能與機(jī)械能之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭的快速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)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(yīng)溫差大的環(huán)境；②能夠輸出穩(wěn)定的扭矩，震動(dòng)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(gè)鉆頭的進(jìn)尺和沖程鉆速。

4 氣體鉆井配套技術(shù)

在此之前，大慶油田已有23口采用了該技術(shù)，其單井的進(jìn)尺達(dá)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(wèn)題，例如卡鉆、井斜角超標(biāo)等。此后，對(duì)地層出水的預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，從設(shè)備、施工技術(shù)等方面進(jìn)行了改進(jìn)，共投入6口。不但能大幅度地加快鉆井速度，還能實(shí)現(xiàn)井下無(wú)故障。

4.1 完善地層出水預(yù)測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的地層水量預(yù)報(bào)方法不夠準(zhǔn)確，不能實(shí)現(xiàn)鉆井技術(shù)的廣泛應(yīng)用。通過(guò)重新識(shí)別預(yù)測(cè)參數(shù)，構(gòu)建了不同滲透率條件、不同邊界情況下的儲(chǔ)層含水量計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確率可達(dá)80%以上。

4.2 改進(jìn)配套設(shè)備

（1）通過(guò)對(duì)鉆具的受力和載巖效應(yīng)的分析，對(duì)鉆具組合進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，既能加快鉆井速度，又能確保井身的安全。

（2）通過(guò)對(duì)注氣井各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，增加了存儲(chǔ)、回放、曲線分析、預(yù)警等功能模塊，并通過(guò)遠(yuǎn)程視頻傳輸和實(shí)時(shí)顯示技術(shù)，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。另外，采用了濕度傳感器、輔助降塵設(shè)備，保證了監(jiān)控的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。并利用遠(yuǎn)程視頻和實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(xiǎn)。

5 提速技術(shù)集成應(yīng)用

采用優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，優(yōu)化高效鉆頭，液壓旋轉(zhuǎn)沖頭、汽輪機(jī)鉆井與天然氣鉆探技術(shù)相結(jié)合的方式，加快了深井鉆進(jìn)的進(jìn)度，并制訂了加速技術(shù)的實(shí)施準(zhǔn)則，使其與其他技術(shù)相結(jié)合：

（1）一開(kāi)時(shí)，鉆頭的選型為B535E（鉆速每小時(shí)20m以上）。

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

（3）三開(kāi)時(shí)，根據(jù)地層情況，采用不同的工藝組合：①當(dāng)氣井適應(yīng)長(zhǎng)度大于900.00m，井深低于3800.00m時(shí)，則使用U613M 液動(dòng)旋沖工具+氣體鉆井技術(shù)結(jié)合；②當(dāng)氣井適應(yīng)長(zhǎng)度大于900.00m、井深大于3800.00m、可鉆性等級(jí)為7 的情況下，使用氣體鉆井+DD5560MA1渦輪鉆機(jī)技術(shù)；③當(dāng)適用于井段數(shù)小于900.00m，井深不超過(guò)3800.00m 時(shí)，使用T1365DB 螺桿+U613M 液動(dòng)旋沖工具技術(shù)結(jié)合；④當(dāng)適用于氣體鉆孔長(zhǎng)度小于900.00m、深度大于3800.00m、可鉆性等級(jí)大于7 時(shí)，使用T1365DB螺桿+U613M液動(dòng)旋沖工具+DD5560M-A1渦輪鉆具技術(shù)結(jié)合。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

6.1 專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用效果

6.1.1 液動(dòng)旋沖工具

通過(guò)不斷改進(jìn)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(gè)鉆孔，總進(jìn)尺4067.07m，平均速度3.643.64m/h，取得了較好的效果。見(jiàn)表2。

表2 液動(dòng)旋沖工具部分應(yīng)用井情況統(tǒng)計(jì)

6.1.2 渦輪鉆具

美國(guó)和俄羅斯的渦輪機(jī)鉆機(jī)和自行開(kāi)發(fā)的DQW-178渦輪機(jī)在大慶2個(gè)深水井中的使用情況見(jiàn)表3。如表3 所示，DQW-178 渦輪鉆井工具與國(guó)際上的同類(lèi)鉆井設(shè)備相比，其鉆井速度明顯增加。

表3 DWQ-178型渦輪鉆具與引進(jìn)渦輪鉆具提速效果對(duì)比

6.1.3 氣體鉆井技術(shù)

改造后的天然氣鉆探技術(shù)已獲得了較好的推廣，其單井的進(jìn)尺達(dá)到了820.52m，平均每小時(shí)7.38m。與改造之前比較，該工藝的單井進(jìn)尺增加20.58%，鉆速增加10.31%，且未出現(xiàn)安全事故。鉆進(jìn)時(shí)間平均減少25.70d，節(jié)約8.30個(gè)鉆頭，井斜角度控制在規(guī)范以?xún)?nèi)，降低了生產(chǎn)費(fèi)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(dá)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(jí)控制在7以下，將井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選等配套技術(shù)相組合并進(jìn)行應(yīng)用，鉆井時(shí)長(zhǎng)僅為64.96d，開(kāi)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(yíng)城組，氣體鉆進(jìn)適應(yīng)層段大于900.00m，登婁庫(kù)組以下的巖體可鉆性等級(jí)為7，同上將配套技術(shù)組合應(yīng)用，該井的鉆井時(shí)間只有126.29d，比古深1 井用時(shí)短199.12d，比古深2井少109.54d。

7 結(jié)論

（1）大慶深層運(yùn)用頂層優(yōu)化設(shè)計(jì)、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)、自主攻關(guān)研發(fā)的提速思路，分層、分井段研制多種提速技術(shù)手段，針對(duì)單井實(shí)際情況選擇了最優(yōu)組合提速技術(shù)，形成了集成配套技術(shù)，克服了提速技術(shù)單一、組合集成應(yīng)用少的問(wèn)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(duì)性地選擇鉆頭型號(hào)并改良工具，從而進(jìn)一步提升速度和效率。