韓福彬，杜敬安，王忠福，姜玉芳

(1．大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部，黑龍江大慶163458;2．大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司，黑龍江大慶163358;3．大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413)

大慶油田自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直以開(kāi)發(fā)原油為主。但自徐深1井取得深層天然氣勘探的重大突破后，深井鉆井工作量大幅度增加，2005年和2007年分別提交了千億方的天然氣探明儲(chǔ)量，自此步入了油氣勘探開(kāi)發(fā)并舉階段。

大慶深井的鉆井技術(shù)水平較低，2000—2003年平均井深3910 m、平均鉆速2.77 m/h、鉆井周期169 d。為滿足快速提交探明儲(chǔ)量的需求，2004—2007年開(kāi)展了以優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、鉆頭優(yōu)選、復(fù)合鉆井、強(qiáng)化鉆井參數(shù)、預(yù)防鉆井事故為主要內(nèi)容的提速技術(shù)攻關(guān)，平均井深4073 m、平均鉆速3.17 m/h、平均鉆井周期縮短46 d，但仍然長(zhǎng)達(dá)123 d。此外，還探索形成了氣體鉆井技術(shù)，但由于受地質(zhì)條件、安全和成本的限制，無(wú)法全面推廣應(yīng)用。在完井方面，出現(xiàn)了多口井固井后井口帶壓現(xiàn)象，存在安全隱患的同時(shí)還嚴(yán)重制約了增產(chǎn)改造技術(shù)措施的應(yīng)用。

針對(duì)鉆速慢的問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)外深層提速技術(shù)成果，從進(jìn)一步優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)選先進(jìn)提速工具和高效鉆頭、研制國(guó)產(chǎn)提速工具等方面出發(fā)，開(kāi)展科研攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的提速效果，加快了深層天然氣藏的經(jīng)濟(jì)有效勘探與開(kāi)發(fā)步伐;針對(duì)井口帶壓?jiǎn)栴}，綜合分析其產(chǎn)生因素，開(kāi)展系列技術(shù)研究，形成了防氣竄固井配套技術(shù)，為深層天然氣快速增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了保障。

1 地質(zhì)特點(diǎn)及鉆完井難點(diǎn)

1．1 地質(zhì)特點(diǎn)

慶深氣田位于松遼盆地北部，深層是指白堊系下統(tǒng)泉二段以下至基巖風(fēng)化殼地層，包括泉頭組二段和一段、登婁庫(kù)組四段至一段、營(yíng)城組、沙河子組、火石嶺組和基巖風(fēng)化殼(石炭—二疊系)。各套地層頂面埋藏深度:泉二段2150～2250 m、登婁庫(kù)組2500～2650 m、營(yíng)城組2700～3450 m，沙河子組、火石嶺組和基巖頂面埋藏深度變化更大。地層巖性:泉頭組二段和一段、登婁庫(kù)組以泥巖、砂巖及其過(guò)渡巖性組成;營(yíng)城組為流紋巖、安山巖及其碎屑巖和各類沉積碎屑巖;沙河子組為泥巖、砂(礫)巖夾煤層;火石嶺組為中基性火山巖、礫石夾煤層。沙河子組是本區(qū)的主要烴源巖層，營(yíng)城組火山巖和沙河子組砂(礫)巖是主要勘探對(duì)象［1－3］。

1．2 鉆完井難點(diǎn)

(1)深層巖石硬度大，巖石可鉆性級(jí)值最高達(dá)10.38級(jí)，硬度大于5000 MPa，火山巖、礫巖地層鉆頭磨損嚴(yán)重、鉆速低。

(2)平均地溫梯度高達(dá)4.1℃/100 m，4000～5500 m井深，井底溫度160～220℃之間。對(duì)鉆井工具、儀器、助劑抗溫性能要求高，易發(fā)生井下復(fù)雜，固井施工難度大。

(3)深部地層壓實(shí)程度高，孔滲低。徐家圍子斷陷帶主力氣層孔隙度2.0% ～10.0%，滲透率(0.04～2.574)×10－3μm2，一般地層壓力系數(shù)為0.90～1.10，局部存在異常壓力層系。

(4)部分區(qū)塊裂縫發(fā)育，存在膠結(jié)性差的破碎性地層，易發(fā)生井壁剝落、坍塌和惡性漏失等復(fù)雜。

(5)深層儲(chǔ)層中富含二氧化碳(CO2)伴生氣，最高含量達(dá)90%以上，會(huì)對(duì)水泥石產(chǎn)生腐蝕作用，降低水泥石的堿性，使水泥環(huán)強(qiáng)度下降，滲透率增大。

(6)增產(chǎn)改造工藝要求全井封固，封固段長(zhǎng)、溫差大，環(huán)空液柱壓力及流動(dòng)摩阻力大、易漏失。

2 鉆井提速技術(shù)

通過(guò)鉆井設(shè)計(jì)的優(yōu)化有利于深層提速提效，需綜合考慮設(shè)計(jì)井深、層位、巖性、地層壓力、三開(kāi)裸眼段長(zhǎng)度以及各開(kāi)次固井施工難度等多種因素。直井技套下深以PDC鉆頭實(shí)現(xiàn)二完為優(yōu)化原則;三開(kāi)重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用高效PDC鉆頭復(fù)合鉆井、氣體鉆井、液動(dòng)旋沖鉆井以及渦輪鉆井等配套技術(shù)來(lái)提高下部井段鉆井速度，從而確保縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

2．1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)已鉆井井身結(jié)構(gòu)井間差異大、四開(kāi)井累計(jì)完井時(shí)間就高達(dá)69 d等問(wèn)題，開(kāi)展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，明確各開(kāi)次完鉆層位，深層直井全部實(shí)現(xiàn)三層井身結(jié)構(gòu)。以GS區(qū)塊為例說(shuō)明深層直井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程:首先，優(yōu)化表層套管下深為352 m，封固地表松散地層，安裝井口和承載技套質(zhì)量;其次，根據(jù)氣體鉆井地層出水預(yù)測(cè)軟件結(jié)果顯示，GS3井3180.00～4388.00 m井段地層出水量少適合開(kāi)展氣體鉆井，因此優(yōu)化技套下深為3180 m(登四頂)，封固泉頭組上部水層;最后，設(shè)計(jì)三開(kāi)應(yīng)用氣體鉆井、液動(dòng)旋沖、渦輪鉆井等綜合配套提速技術(shù)。GS3井實(shí)鉆完鉆井深4920 m、鉆井周期為126.29 d，同采用四層套管井身結(jié)構(gòu)的GS1和GS2井對(duì)比，分別節(jié)約鉆井周期 199.12 d 與 102.54 d［5］。

2．2 高效鉆頭優(yōu)選

在大慶深層氣井利用綜合“定量”選型方法優(yōu)選鉆頭。根據(jù)所鉆遇的地層巖性、測(cè)井資料等確定所鉆井段的巖石級(jí)值及其匹配的鉆頭類型，利用已鉆井的實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，用最優(yōu)化理論和模糊數(shù)學(xué)中聚類分析的方法針對(duì)二開(kāi)、三開(kāi)的地層進(jìn)行了鉆頭優(yōu)選，從而確定了深層鉆頭的適用范圍，形成了深井鉆頭序列［2］。

2．3 液動(dòng)旋沖提速工具的研制與應(yīng)用

2．3．1 工作原理

液動(dòng)旋沖工具工作原理如圖2所示。鉆井泵輸出的高壓鉆井液，經(jīng)過(guò)鉆柱射流元件的噴嘴時(shí)產(chǎn)生附壁效應(yīng)，假如先附壁于右側(cè)，則由E輸出道進(jìn)入缸體的上腔，推動(dòng)活塞及沖錘下行撞擊砧子，完成一次沖擊。在E輸出道輸出同時(shí)，反饋信號(hào)回至B放空孔，在活塞行程末使主射流切換附壁于左側(cè)并經(jīng)C輸出道進(jìn)入缸體的下腔，推動(dòng)活塞及沖錘回程，同樣在C輸出道輸出的同時(shí)，反饋信號(hào)又回到D信號(hào)孔，將主射流切換到右側(cè)，如此往返，實(shí)現(xiàn)沖擊動(dòng)作。上、下缸體內(nèi)回水，則通過(guò)C、E輸出道而排到放空孔，再經(jīng)水道到達(dá)井底鉆頭，沖洗井底后返回到地表井口［4］。

圖2 液動(dòng)旋沖工具工作原理

液動(dòng)旋沖工具將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，PDC鉆頭因周向的周期性沖擊和軸向的水力脈沖，改變了PDC鉆頭的破巖方式，減緩了鉆頭的磨損速度，提高了鉆頭的破巖效率，進(jìn)而提高了機(jī)械鉆速。

2．3．2 工具特點(diǎn)

(1)提供額外的周向高頻沖擊力，消除粘滑現(xiàn)象，輔助PDC鉆頭剪切巖層;(2)提高PDC鉆頭的適用性和耐久性;液動(dòng)脈沖輔助破巖;(3)純機(jī)械構(gòu)造，適用溫度高;(4)現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單可行、安全可靠［2，6］。

2．3．3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2．4 渦輪鉆具的研制與應(yīng)用

2．4．1 工作原理

渦輪鉆具(見(jiàn)圖4)是利用高壓鉆井液沖擊反向彎曲的渦輪定、轉(zhuǎn)子葉片，將鉆井液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，研磨地層實(shí)現(xiàn)破巖［2，7］。

2．4．2 工具特點(diǎn)

圖3 液動(dòng)旋沖工具

圖4 渦輪鉆具

(1)全金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗溫性能良好;(2)輸出扭矩平穩(wěn)，鉆具震動(dòng)小，不易損傷和失速;(3)渦輪鉆具驅(qū)動(dòng)孕鑲鉆頭高速旋轉(zhuǎn)(800～1100 r/min)研磨地層，所鉆井眼規(guī)則，井徑變化小;(4)配合孕鑲鉆頭適宜于提高硬或極硬地層單只鉆頭進(jìn)尺和行程鉆速。

2．4．3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

自主研制的DQW178型渦輪鉆具配合DD5560孕鑲金剛石鉆頭，在SS9h井的3274～3607 m井段，一趟鉆進(jìn)尺326.19 m，鉆穿了營(yíng)城組進(jìn)入沙河子組下部完鉆。相當(dāng)于6只牙輪鉆頭進(jìn)尺，機(jī)械鉆速1.67 m/h。與牙輪鉆頭相比，機(jī)械鉆速提高145.6%、縮短鉆井時(shí)間16.8 d;在SH11井3460.35～3923.72 m的沙河子組地層使用一只DD5560孕鑲金剛石鉆頭，總進(jìn)尺459.28 m、平均機(jī)械鉆速2.24 m/h，機(jī)械鉆速提高71.0%，相當(dāng)于7只牙輪鉆頭進(jìn)尺，縮短鉆井周期12.07 d。

2．4．4 與國(guó)外渦輪鉆具對(duì)比

大慶地區(qū)4口井應(yīng)用了國(guó)外渦輪鉆具，包括美國(guó)及俄羅斯渦輪鉆具。從表1可以看出，大慶油田自研的渦輪鉆具，各項(xiàng)指標(biāo)接近或優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品，在提速方面取得了顯著的效果。

表1 自研渦輪鉆具與引進(jìn)渦輪鉆具提速效果對(duì)比

3 防氣竄固井技術(shù)

2010年以前，大慶油田深井固井普遍采用雙級(jí)注固井工藝，相繼發(fā)生了SS8井、SS2－17井等環(huán)空竄氣現(xiàn)象，給后期生產(chǎn)和周邊地區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。其特點(diǎn)是井口壓力高、竄氣量小，分析認(rèn)為根本原因是存在微環(huán)隙。因此，針對(duì)可能導(dǎo)致微環(huán)隙的幾個(gè)因素，從優(yōu)化完井管串結(jié)構(gòu)、提高沖洗效果、研發(fā)微膨脹水泥漿等方面入手研究，形成了防氣竄固井技術(shù)［8－10］。

3．1 完井管串結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于雙級(jí)注固井工藝的管串是連續(xù)的，全井封固時(shí)水泥漿凝固過(guò)程中套管受到的拉應(yīng)力無(wú)法釋放，形成了套管與水泥環(huán)之間的微間隙。借鑒國(guó)內(nèi)外其它油田的經(jīng)驗(yàn)，將雙對(duì)固井級(jí)注固井工藝優(yōu)化為尾管固井后再回接到井口固井工藝，既解決了套管拉應(yīng)力分散好和釋放問(wèn)題，又降低了單次作業(yè)環(huán)空液柱壓力及流動(dòng)摩阻，使漏失風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3．2 抗高溫雙效前置液研究

通過(guò)對(duì)表面活性劑、懸浮劑及調(diào)節(jié)劑的優(yōu)選，研制了抗高溫雙效前置液體系。主要應(yīng)用于高溫井、深井及復(fù)雜井固井，主要具有以下特點(diǎn):無(wú)需加入無(wú)機(jī)和聚合物類懸浮劑，利用表面活性劑本身的增稠效果可配制成加重雙效前置液;通過(guò)優(yōu)選調(diào)節(jié)劑，可以針對(duì)不同井況、施工方案，對(duì)雙效前置液進(jìn)行合理的流變?cè)O(shè)計(jì)，最大程度地提高沖洗頂替效果，從而提高水泥環(huán)的界面膠結(jié)質(zhì)量;密度適應(yīng)范圍寬、穩(wěn)定性好，1.0～1.50 g/cm3可調(diào)，上下密度差 ＜0.02 g/cm3;沖洗效果好，沖凈時(shí)間＜4 min;抗溫達(dá)150℃;失水≤150 mL/30 min。

3．3 微膨脹水泥漿體系研究

針對(duì)部分井氣竄和井口帶壓情況，在原有膠乳水泥漿體系的基礎(chǔ)上開(kāi)展了抗高溫微膨防竄膠乳水泥漿體系研究。

選擇非發(fā)氣、非鈣礬石類膨脹材料。在塑性狀態(tài)下，膨脹劑中的高反應(yīng)活性組分首先與水泥的水化產(chǎn)物反應(yīng)，形成相對(duì)受限的水化環(huán)境，使水泥漿產(chǎn)生塑性體積膨脹。在水泥漿硬化后，反應(yīng)活性較低的組分與有機(jī)物單體共同作用，與水泥水化反應(yīng)同步進(jìn)行產(chǎn)生體積膨脹，此過(guò)程避免了由于膨脹劑水化產(chǎn)生的應(yīng)力破壞水泥石已形成的結(jié)構(gòu)。G級(jí)水泥中加入1% ～4%膨脹劑實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)加量達(dá)到1.5%時(shí)，膨脹量恰好抵消水泥凝固過(guò)程中的收縮量;加量為2%時(shí)水泥石體積略有漲大。確定的配方為:G+25%石英砂+5%防腐劑+2.0%膨脹劑+18%膠乳，其最高適用溫度200℃，最大適用溫差80℃，適合高溫、大溫差固井，該水泥漿體系失水低、直角稠化、微膨、防竄(抗竄能力:抗竄壓差每米大于30 MPa。)、防腐、沉降穩(wěn)定性及流變性能較好。

4 應(yīng)用效果

4．1 直井提速技術(shù)效果(參見(jiàn)表2)

表2 慶深氣田深層直井提速情況

2011—2013年，共實(shí)施深層直井19口，平均井深4075.30 m，平均鉆井周期91.6 d，平均機(jī)械鉆速4.13 m/h，同比2004—2010年平均鉆井周期縮短48.6 d，尤其達(dá)深16井完鉆井深4400.00 m，全井僅用了8只PDC鉆頭，鉆井周期64.96 d，創(chuàng)出了松遼盆地深層直井“大慶速度”。

4．2 防氣竄固井技術(shù)效果

2011年以來(lái)，在ZS17等19口井中應(yīng)用抗高溫雙效前置液、抗高溫微膨脹膠乳防竄水泥漿體系進(jìn)行尾管及回接固井技術(shù)，固井地面施工及固井質(zhì)量合格率均為100%，未出現(xiàn)環(huán)空氣竄及井口帶壓?jiǎn)栴}，滿足油田勘探生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論與建議

(1)通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效鉆頭優(yōu)選、液動(dòng)旋沖工具、渦輪鉆井以及氣體鉆井等新工藝新技術(shù)集成配套與應(yīng)用，深井提速效果明顯，初步形成了深層直井提速配套技術(shù)，達(dá)到了平均井深4075 m、機(jī)械鉆速4.13 m/h、鉆井周期91.6 d的技術(shù)水平。

(2)固井是個(gè)系統(tǒng)工程，防氣竄應(yīng)綜合考慮各個(gè)環(huán)節(jié)。集成配套應(yīng)用完井管串結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效前置液和防竄水泥漿體系等技術(shù)，能夠解決高溫氣井的環(huán)空氣竄問(wèn)題。

(3)渦輪鉆具在硬地層鉆進(jìn)過(guò)程中見(jiàn)到了良好的提速效果，但宋深9井、宋深11井均出現(xiàn)不同程度的井斜超標(biāo)。因此，進(jìn)一步開(kāi)展鉆具受力分析，優(yōu)選螺扶尺寸和安放位置，優(yōu)化出合理的鉆具組合，從而在保障提速效果的同時(shí)保證井身質(zhì)量。

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