勝利油田頁巖油大井眼高效鉆進技術研究與應用

肖新磊，席境陽，杜 旭，王迎春

（1.中石化勝利石油工程有限公司公司技術發(fā)展部，山東 東營 257000；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000；3.中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司，山東 東營 257000；4.中石化勝利石油工程有限公司固井技術服務中心，山東 東營 257000）

0 引言

勝利油田濟陽坳陷頁巖油資源量達41 億t 以上，FY1-1HF 井峰值日產油262.8 t，刷新了國內頁巖油單井日產最高紀錄，開發(fā)前景廣闊［1-2］。但勝利油田頁巖油地質條件復雜，鉆井工程面臨諸多地質挑戰(zhàn)和工程難題，尤其是上部二開?311.1 mm 井段十分突出。國內外在?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用以提高鉆井效率［3-4］，為勝利油田頁巖油上部地層的高效鉆進提供了借鑒，但獨特的地質條件、井身結構及軌道設計使得?311.1 mm 井眼鉆進中面臨的鉆頭壽命低、行程進尺少、斜井段滑動效率低的問題亟待解決。本文針對勝利油田牛莊洼陷?311.1 mm 井眼鉆進的工程問題，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，該技術在勝利油田牛莊洼陷20 口頁巖油井的實踐應用中，實現了提高機械鉆速與行程進尺、縮短鉆井周期的目的，創(chuàng)造了多項?311.1 mm 井眼施工紀錄，為濟陽坳陷頁巖油資源的勘探開發(fā)提供了技術支撐。

1 二開井段工程技術難點

1.1 地層特性

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第四系、平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組，見表1。

從地層層序及巖性分布上，東營組以淺地層成巖作用差［5］，館陶組底部-東營組含有礫石，對鉆頭的沖擊破壞性強，易造成鉆頭崩齒，嚴重鉆頭壽命影響，導致行程進尺短，鉆井時效低；沙河街組以深地層大段硬質泥巖、灰質夾層，可鉆性在5 級以上［6-7］，鉆頭吃入困難、破巖效率低。

1.2 二開鉆井提速技術難點

勝利油田頁巖油井采用三開制井身結構設計，一開采用?444.5 mm 鉆頭，下?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?244.5 mm 技術套管進入沙三下地層20 m（垂深），封過沙三中低壓地層；三開采用?215.9 mm 鉆頭完成目的層鉆進，并下入?139.7 mm 套管，如圖1 所示。

圖1 勝利油田頁巖油水平井井身結構示意Fig. 1 Well structure of shale oil horizontal well of Shengli Oilfield

井眼軌道采用“直-增-穩(wěn)-增-平”五段制軌道類型設計，造斜點井深約為3000 m，位于沙三中亞段地層；二開完鉆垂深約為3400 m 左右，進入沙三下亞段地層，中完井斜30°～40°，見表2。

表2 A 井靶前井眼軌道設計參數Table 2 Well trajectory design parameters before drilling to target

結合地層特性，牛莊洼陷頁巖油上部二開斜井段位于沙河街組三段，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鉆頭穩(wěn)定性與攻擊性矛盾突出，工具面穩(wěn)定難度大，導致鉆井效率低。

2 大尺寸井眼鉆井提速關鍵技術

2.1 大尺寸井眼提速工藝分段優(yōu)化

針對勝利油田頁巖油?311.1 mm 大尺寸井眼面臨的地質特性與工程難點，優(yōu)化了不同井段的提速工藝，以提高技術針對性。

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

（2）斜井段采用“牙輪-PDC 混合鉆頭+大扭矩螺桿+減摩降阻工具”的鉆進工藝，解決大尺寸井眼滑動鉆進PDC 鉆頭穩(wěn)定性差、“托壓”嚴重導致的鉆進效率低的問題，完成二開全部斜井段施工。

2.2 井眼軌跡優(yōu)化

為實現“兩趟鉆”完成二開施工的目標，對二開井眼軌道設計進行了優(yōu)化。

（1）下壓造斜點，達到延長直井段、縮短斜井段的目標——提高PDC 鉆頭復合鉆進進尺，減輕牙輪-PDC 混合鉆頭的進尺壓力；

（2）提高造斜率：一方面可以以較少的滑動施工工作量完成斜井段施工的任務，另一方面可以為三開軌跡控制目標的實現提供保障。

2.3 高性能個性化鉆頭研制

2.3.1 穿礫石層耐磨混合齒PDC 鉆頭

館陶組底部-東營組上部分布100～200 m 厚的礫石層［8-9］，鉆頭的沖擊損壞較為嚴重、單只鉆頭進尺少。為實現直井段“一趟鉆”鉆進目標，通過礫石層巖石-切削齒相互作用機理分析及強度特性分析［10-12］，研制了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)定切削結構（見圖2），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，減小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，提高鉆頭鉆進過程中的穩(wěn)定性，進一步降低鉆頭沖擊損壞的可能性。

圖2 穿礫石層耐磨混合PDC 鉆頭Fig.2 Wear-resistant PDC bit drilling through gravel layer

2.3.2 牙輪-PDC 混合鉆頭

鉆井實踐表明：牙輪-PDC 混合（俗稱“獅虎獸”）鉆頭在滑動鉆進中能顯著降低鉆頭扭轉振動、減弱鉆頭黏滑，提高滑動過程中工具面穩(wěn)定性，對提高滑動鉆進效率具有積極作用［13］。適合在致密泥頁巖、不均質地層進行滑動鉆進，其導向鉆進能力與牙輪鉆頭相當，同時由于PDC 切削齒的作用，“獅虎獸”鉆頭的破巖效率與機械鉆速更高、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速度［14］。

采用3 刀翼+3 牙輪結構布局（見圖3），PDC 部分主切削齒采用19 mm 復合片大齒間距中等后傾角布齒，內錐齒間距7～8 mm，鼻肩部齒間距5～6 mm，能夠有效提高鉆頭吃入能力［14］；內錐后傾角15°～18°，鼻肩部后傾角18°～22°，能夠提高復合片抗沖擊能力，防止崩齒環(huán)磨。采用2 排齒設計進一步提高鼻肩部布齒密度，防止環(huán)磨。

圖3 牙輪-PDC 混合鉆頭Fig.3 Cone-PDC mixed bit

內錐、鼻肩部采用高端抗沖耐磨復合片，規(guī)徑采用高端進口抗沖擊復合片，強化保徑設計，防止定向鉆進及高轉速工況下縮徑。采用深排屑槽設計，優(yōu)化噴嘴組合，保證了良好的排屑效果，防止鉆頭泥包。

牙輪部分采用3-3-4 齒排勺形齒設計，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，同時保護內錐外側和鼻肩部復合片，提高破巖效率并防止崩齒。

2.4 關鍵提速工具配套

斜井段定向鉆進過程中，鉆柱僅沿井眼軸線方向滑動，不發(fā)生旋轉，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”現象愈加明顯。主要表現為：（1）指重表讀數不斷增加，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，不能產生有效進尺；（2）為使鉆頭真正接觸井底產生破巖效果，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致憋泵，且螺桿鉆具的扭矩突然升高劇烈波動，導致工具面不穩(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，嚴重降低了滑動鉆進效率。

為解決?311.1 mm 大尺寸井眼滑動鉆進“托壓”頻繁、工具面穩(wěn)定性差、鉆進時效低等問題，配套應用了水力振蕩器和鉆柱雙向扭轉系統(tǒng)，從井下、地面雙管齊下，實現了減摩降阻、提速提效的目的。

2.4.1 水力振蕩器優(yōu)化

水力振蕩器能夠將水力能量轉換為軸向振動的機械能，是減少滑動鉆進中“托壓”現象的有效手段，同時可以降低鉆具粘卡風險，提高鉆進安全性［15-16］。但水力振蕩器工作過程中會造成更多的水力壓耗，給機泵設備帶來更大負荷。為此在原有水力振蕩器基礎上對振蕩結構進行了改進優(yōu)化。

（1）工具結構改進。一方面，在原振蕩短節(jié)中新增加1 個固定活塞，使活塞反饋面積增大70%，從而提高振蕩力。另一方面，通過增大偏心閥過流孔直徑，降低工具壓耗，同等振蕩減阻效果下，壓耗降低40%。

（2）主要技術參數。利用工具室內檢測試驗臺架對水力振蕩器工具性能進行了測試，通過在工具兩端連接進水和回水管線，形成測試回路，如圖4 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參數，見表3。

圖4 工具室內檢測試驗臺架測試流程Fig.4 Flow chart of testbed in tool room

表3 水力振蕩器室內測試性能參數Table 3 Indoor test performance parameters of hydraulic oscillator

（3）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，可根據井眼尺寸、鉆具組合、軌跡參數、鉆井液性能等條件，計算不同鉆井參數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5 所示。

圖5 水力振蕩器應用優(yōu)化計算軟件計算流程Fig. 5 Calculation flow of hydraulic oscillator application optimization

2.4.2 鉆柱雙向扭轉系統(tǒng)應用

鉆柱雙向扭轉系統(tǒng)可以在滑動鉆進過程中，控制上部鉆具周向往復旋轉，同時保持底部鉆具組合靜止，實現最大程度地降低摩阻、保持工具面穩(wěn)定的目的，從而提高滑動鉆進的施工時效［17-18］。鉆柱雙向扭轉控制系統(tǒng)通過變頻器控制頂驅/轉盤電機正反轉，從而實現鉆柱雙向扭轉。扭轉過程中可靈活快捷的調整控制參數，做到既讓上部大部分鉆柱扭轉起來，又保持底部鉆具組合靜止。

鉆柱雙向扭轉自動控制系統(tǒng)主要由主控儀、司鉆操作顯示儀、慣剎氣壓傳感器、轉盤電機編碼器、變頻器驅動控制模塊、數據采集模塊等組成。鉆柱扭轉控制系統(tǒng)可與鉆機轉盤控制系統(tǒng)自由切換，采集慣剎氣壓信號、轉盤電機風機信號及鏈條箱潤滑油泵信號形成互鎖保護；通過電機編碼器快速精確采集與控制電機旋轉角度和速度信號，形成控制閉環(huán)。

鉆柱雙向扭轉自動控制軟件由上位機軟件和下位機軟件組成，上機位軟件具備參數設置、扭轉參數調節(jié)、MWD 及錄井數據顯示等功能。下位機軟件主要包括硬件組態(tài)和梯形圖程序塊等，主要實現角度精確定位、角度扭轉控制、扭矩扭轉控制等功能。

3 現場應用效果

頁巖油?311.1 mm 大尺寸井眼優(yōu)快鉆井技術在牛莊洼陷國家級頁巖油示范區(qū)試驗井組應用20口井，總進尺122300 m，機械鉆速和行程進尺顯著增加，二開鉆井周期顯著縮短，提速提效成果顯著：二開平均機械鉆速20.71 m/h，較同區(qū)塊前期（12.26 m/h）提高40.8%；二開平均行程進尺1227.3 m/趟鉆，較同區(qū)塊前期（658.5 m/趟鉆）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，通過該技術應用實現了勝利油田頁巖油二開兩個“一趟鉆”的目標，創(chuàng)造了? 311.1 mm 大尺寸井眼日進尺1620 m 的紀錄，最短鉆井周期6.33 d，該指標處于國內行業(yè)領先水平。

根據下壓造斜點、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，二開造斜率增加1.1°/30 m，中完井斜基本保持一致，如表4 所示。

表4 A 井眼軌跡優(yōu)化前后對比Table 4 Comparison before and after well trajectory optimization

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工藝，單趟進尺1576 m，一趟鉆完成二開直井段，直井段平均機械鉆速提高至47.18 m/h。

進入斜井段后，起鉆更換為牙輪-PDC 混合鉆頭配合大扭矩螺桿及水力振蕩器，鉆具結構為? 311.2 mm 混合鉆頭+?172 mm 1.25°螺桿+?210 mm 扶正器+浮閥+?127 mm 無磁承壓+MWD 無磁懸掛+?127 mm 加重鉆桿×3 根+?127 mm 鉆桿×7 根+?203 mm 水力振蕩器+?127 mm 鉆桿+?139.7 mm 加重鉆桿。配套鉆柱雙向扭轉系統(tǒng)的鉆進工藝，由“托壓”導致的滑動鉆進輔助時效降低66.26%，滑動摩阻降低50%～88%（見表5），平均滑動鉆進機械鉆速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5 A 井鉆柱雙向扭轉系統(tǒng)應用效果統(tǒng)計Table 5 Statistics of application effect of string bidirectional torsion system in Well A

4 結論與建議

（1）牛莊洼陷地質條件復雜，?311.1 mm 大尺寸井眼鉆井提速提效難度大，上部地層鉆頭壽命短、行程進尺少，斜井段滑動鉆進效率低，機械鉆速慢等問題成為限制二開鉆井時效的關鍵因素。實踐表明，以“分段提速”思路為核心，通過井眼軌跡優(yōu)化、高性能鉆頭及提速提效工具的研選配套、鉆井液體系優(yōu)選及工藝優(yōu)化等工藝技術應用，初步實現了勝利油田牛莊洼陷頁巖油大尺寸井眼的提速提效。

（2）參考國內外先進經驗，實現分開次“一趟鉆”是實現大幅度提速提效的關鍵途徑，目前二開兩個“一趟鉆”的分段提速工藝仍有較大提升空間。在現有技術基礎上，通過長壽命高穩(wěn)定性定向PDC 鉆頭研制，進一步解決PDC 鉆頭再滑動鉆進過程中破巖效率與穩(wěn)定性之間的矛盾，為實現開次“一趟鉆”打好基礎。