閆吉曾

(中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

0　引言

鄂爾多斯盆地紅河油田屬于致密低滲油藏，自上而下發(fā)育有第四系、白堊系、侏羅系和三疊系，主力含油層系為三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)8、長(zhǎng)9層段，埋深2000～2400 m，2012年前主要采用直井建產(chǎn)方式，單井產(chǎn)量不足2 t，為了擴(kuò)大泄油半徑，提高單井產(chǎn)量，自2012年采用水平井開(kāi)發(fā)模式[1]。但從完鉆的70余口水平井分析，平均井深3189.00 m，水平段長(zhǎng)912.00 m，平均單井鉆頭用量13.01只，平均機(jī)械鉆速僅6.57 m/h，平均鉆井周期61.29 d。尤其在水平段起下鉆頻繁，平均單只鉆頭進(jìn)尺僅102.70 m，機(jī)械鉆速平均2.7 m/h，平均施工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)19.90 d，嚴(yán)重制約了鉆井提速。為此，開(kāi)展了地層可鉆性研究，從而優(yōu)選出高效PDC鉆頭，達(dá)到了鉆井提速的目的。

1　已完鉆水平井鉆頭使用分析

紅河油田水平井采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)采用?374.7 mm鉆頭鉆進(jìn)，下?273.1 mm表層套管；二開(kāi)采用?241.3 mm鉆頭鉆進(jìn)，下?177.8 mm技術(shù)套管；三開(kāi)采用?152.4 mm鉆頭鉆進(jìn)，完鉆電測(cè)后下入?114.3 mm壓裂管柱進(jìn)行壓裂改造。通過(guò)對(duì)完鉆的76口水平井使用的鉆頭進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，平均井深3124.00 m，平均機(jī)械鉆速6.57 m/h，平均單井使用鉆頭13.01只(見(jiàn)圖1)，平均鉆井周期61.29 d。

有多口水平井鉆頭使用量超過(guò)20只，起下鉆超過(guò)25次。HH74P5井使用26只鉆頭，HH12P8井使用29只鉆頭，HH33P1井使用21只鉆頭。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)地層可鉆性認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致鉆頭選型不合理，頻繁起下鉆，最多一口井因鉆頭問(wèn)題起下鉆37次。從統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看，一開(kāi)井段基本一只鉆頭一趟完鉆，定向斜井段和水平段鉆頭用量較多，機(jī)械鉆速較低。因此有必要進(jìn)行地層可鉆性研究，從而優(yōu)選出高效PDC鉆頭，進(jìn)而提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期[2]，實(shí)現(xiàn)鉆井提速提效。

圖1　完鉆水平井各井段鉆頭用量、機(jī)械鉆速分布

2　地層可鉆性研究

2.1　室內(nèi)可鉆性實(shí)驗(yàn)

收集了紅河油田3個(gè)井區(qū)5口直井的13塊巖心及對(duì)應(yīng)的聲波測(cè)井資料，層位包括延長(zhǎng)組的長(zhǎng)6、長(zhǎng)7、長(zhǎng)8和長(zhǎng)9，巖心按照標(biāo)準(zhǔn)制成巖樣進(jìn)行可鉆性試驗(yàn)(可鉆性測(cè)試儀見(jiàn)圖2，實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖3)。PDC鉆頭巖石可鉆性鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓W=500 N±10 N,其標(biāo)定量具精度為0.5%；轉(zhuǎn)速N=55 r/min±1 r/min；鉆深達(dá)1 mm時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，再鉆深3 mm，記錄鉆進(jìn)時(shí)間，并停鉆。牙輪鉆頭巖石可鉆性鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓W=890 N±10 N，其標(biāo)定量具精度為0.5%；轉(zhuǎn)速N=55 r/min±1 r/min；微型鉆頭是用刀片軸將8片刀片和9片間隔墊片穿在鉆頭體上構(gòu)成，組裝后直徑為31.75 mm。由于鉆頭片(砂輪整形片)在試驗(yàn)過(guò)程中有磨損，要即時(shí)更換鉆頭片；鉆深達(dá)0.2 mm時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，再鉆深2.4 mm,記錄鉆進(jìn)時(shí)間，并停鉆。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2　巖石可鉆性測(cè)試儀

圖3　可鉆性實(shí)驗(yàn)流程圖

井號(hào)井深/m層位聲波時(shí)差/(μs·m-1)實(shí)測(cè)可鉆性級(jí)值PDC鉆頭牙輪鉆頭紅河241692.62長(zhǎng)6227.442.994.64紅河241778.56長(zhǎng)7231.652.774.77紅河521867.72長(zhǎng)9239.772.784.48紅河521770.26長(zhǎng)7230.422.774.51紅河521860.04長(zhǎng)9232.252.924.56紅河542092.20長(zhǎng)8223.363.015.33紅河562107.12長(zhǎng)9250.202.113.89紅河562107.42長(zhǎng)9249.272.073.90紅河561815.83長(zhǎng)6244.562.484.31紅河561822.36長(zhǎng)6228.752.874.59紅河652279.84長(zhǎng)7218.273.755.50紅河652321.69長(zhǎng)7241.292.564.41紅河652252.95長(zhǎng)6224.023.155.16

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,聲波時(shí)差與巖石可鉆性有較好的相關(guān)性，利用聲波時(shí)差數(shù)據(jù)求取巖石可鉆性級(jí)值是可行的。

2.2　地層可鉆性計(jì)算模型

測(cè)井曲線中，縱波時(shí)差反映了地層的拉伸、壓縮和強(qiáng)度特性，地層巖石的縱波時(shí)差與巖石可鉆性級(jí)值Kd之間存在著某種內(nèi)在的聯(lián)系[4-5]。利用測(cè)井資料可建立整個(gè)地層的可鉆性剖面，給鉆頭選型提供科學(xué)的依據(jù)。

利用聲波時(shí)差測(cè)井資料和巖心可鉆性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了牙輪鉆頭和PDC鉆頭巖石可鉆性計(jì)算模型。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)應(yīng)深度的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，利用回歸法得到了鄂爾多斯南部工區(qū)巖石可鉆性級(jí)值的計(jì)算模型，見(jiàn)圖4和圖5。牙輪鉆頭巖石可鉆性計(jì)算模型，見(jiàn)式(1)，PDC鉆頭可鉆性模型見(jiàn)式(2)。

Kd=43.368e-0.01Δt

(1)

Kd=85.503e-0.015Δt

(2)

式中：Kd——地層可選性級(jí)值，無(wú)量綱；Δt——聲波時(shí)差，μs/m。

圖4　聲波時(shí)差與牙輪鉆頭可鉆性關(guān)系

圖5　聲波時(shí)差與PDC鉆頭可鉆性關(guān)系

預(yù)測(cè)的可鉆性級(jí)值和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的可鉆性級(jí)值的誤差在8%以?xún)?nèi)，滿足工程需要。利用上述巖石可鉆性模型，結(jié)合測(cè)井資料建立了鄂爾多斯南部工區(qū)牙輪鉆頭和PDC鉆頭的巖石可鉆性縱向剖面，見(jiàn)圖6～8。根據(jù)地層軟硬程度與牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)各層位的軟硬程度進(jìn)行了劃分，為鉆頭選型提供依據(jù)。

圖6　紅河12井區(qū)可鉆性剖面

3　鉆頭選型及應(yīng)用效果

從巖心可鉆性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及聲波實(shí)測(cè)計(jì)算得到的可鉆性剖面可以看出，紅河油田上部地層可鉆性較好，下部地層屬于中到中硬地層。從前期鉆井實(shí)踐來(lái)看，因第四系地層含有礫石層，一開(kāi)選用牙輪鉆頭，基本是一趟完鉆，提速空間有限，鉆頭優(yōu)化方向主要放在二開(kāi)及三開(kāi)井段，為了達(dá)到鉆井提速的目的，重點(diǎn)優(yōu)選PDC鉆頭。通過(guò)初步優(yōu)選，選擇了6種型號(hào)鉆頭,配合螺桿鉆具，形成“螺桿鉆具+PDC鉆頭”復(fù)合鉆井模式[6-9]，在紅河12井區(qū)、紅河36井區(qū)和37井區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果，單只鉆頭進(jìn)尺較前期有明顯提高，見(jiàn)表2。

圖7　紅河36井區(qū)可鉆性剖面

圖8　紅河37井區(qū)可鉆性剖面

表2　實(shí)驗(yàn)井鉆頭使用情況

根據(jù)鉆頭出井磨損情況，聯(lián)合鉆頭廠家進(jìn)一步優(yōu)化，鉆頭的改進(jìn)主要是短拋物線冠部和低密度布齒，大排屑槽平衡水力設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低鉆頭錐面，優(yōu)化后倒角設(shè)計(jì)，控制在10°～20°，增加攻擊性。在試驗(yàn)過(guò)程中，逐步建立鉆頭數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)選出更適合地層的高效PDC鉆頭。通過(guò)多輪次鉆頭優(yōu)化、優(yōu)選，平均單只鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速均有大幅提高，推廣應(yīng)用情況見(jiàn)表3。

表3　推廣應(yīng)用效果

有20余口水平井二開(kāi)直井段、二開(kāi)定向段及三開(kāi)水平段一趟完鉆，達(dá)到了鉆井提速的目的。隨著高效PDC鉆頭的推廣應(yīng)用，水平井鉆井周期也大幅縮短，由原來(lái)的平均61.29 d縮短到目前的44.74 d。

4　結(jié)論與建議

(1)通過(guò)室內(nèi)巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)取得的地層可鉆性級(jí)值，反映了巖石可鉆性與聲波測(cè)井之間具有良好的相關(guān)性,由此建立的指數(shù)模型適合于紅河油田。

(2)紅河油田上部地層可鉆性級(jí)值3～4級(jí),屬于軟地層,下部地層可鉆性級(jí)值在4～6級(jí)，屬于中硬地層，為了鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)選提供了可靠依據(jù)。

(3)基于地層可鉆性級(jí)值,優(yōu)選了高效PDC鉆頭，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，平均單井鉆頭用量減少了47.66%，平均單只鉆頭進(jìn)尺提高了89.43%，平均機(jī)械鉆速提高了40.79%，鉆井周期縮短了27.00%，達(dá)到了鉆井提速的目的，取得了良好的應(yīng)用效果。