王險冰， 尹佩濤， 宋明階， 胡 亮

(中石化江漢石油工程有限公司鉆井二公司)

0 引言

JY29-X井位于重慶市涪陵區(qū)焦石鎮(zhèn)板栗村3組，是部署在川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜焦石壩背斜帶的一口水平井，主要目的層是龍馬溪組頁巖氣層段，設(shè)計井深4 630 m，設(shè)計水平段長度1 901.02 m，設(shè)計造斜點1 118 m，斜井段設(shè)計長度3 512 m，占比75.9%，鉆遇層位主要為茅口組下部、棲霞組、梁山組、黃龍組、韓家店組、小河壩組、龍馬溪組[1]。二開進入龍馬溪組20 m左右中完，下技術(shù)套管固井，封龍馬溪組頁巖氣層之上的易漏、易塌地層。

斜井段在施工過程中鉆遇的難點有：

1)棲霞組至韓家店組上部地層夾層多，影響PDC鉆頭使用效果，可鉆性差，同平臺的一口井在梁山組鉆時高達71 min/m；二開斜井段韓家店組下部至小河壩組砂巖發(fā)育，需要優(yōu)選抗研磨性鉆頭；三開造斜段龍馬溪組存在灰黑色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖(濁積砂段)，可鉆性差，同平臺一口井濁積砂段垂厚10.65 m。

2)本井為魚鉤型三維水平井，二開扭方位工作量70°，二開大井眼中進行定向造斜率不穩(wěn)定；三開水平段地層傾角起伏變化，由上傾2.43°最后變化為下傾2.4°；斜井段整體軌跡控制難度大。

3)水平段設(shè)計長度1 901.02 m，水平段施工后期摩阻扭矩增大，存在定向托壓問題。

針對以上難點，本井在施工過程中對井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計、鉆頭和螺桿優(yōu)選、鉆具組合和鉆井參數(shù)優(yōu)化、應(yīng)用降摩減阻工具等方面提出了配套技術(shù)措施，確保了該井安全高效的生產(chǎn)[2]。

1 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)地層特點對井眼軌跡進行優(yōu)化設(shè)計，斜井段總體采用斜面圓弧扭方位剖面方法進行設(shè)計，從源頭降低摩阻扭矩，提高定向效果[3]。

在井深1 118 m處開始定向作業(yè)，先以0.12°/m的造斜率定向增斜至16.45°，然后在棲霞組至韓家店組可鉆性差井段采取復(fù)合鉆井的方式進行穩(wěn)斜鉆進至29.35°，隨后在二開剩余井段完成70°的扭方位工作量，同時增斜至33.86°，減少三開定向工作量。三開造斜段以0.16°/m的造斜率全力增斜至92.43°入靶，水平段加入降摩減阻工具，以復(fù)合鉆井方式為主鉆至完鉆井深，水平段鉆進期間避免頻繁調(diào)整井斜，保證軌跡光滑，井眼順暢。

2 斜井段提速提效技術(shù)措施

2.1 鉆頭優(yōu)選

結(jié)合本區(qū)塊地層特點，針對不同層段、不同鉆進方式優(yōu)選出了四種型號的鉆頭(見表1)。

針對茅口組至韓家店組上部地層夾層多，可鉆性差的難點，優(yōu)選出KMD1663DFRT型號的斧型齒鉆頭，該型號鉆頭復(fù)合片采用斧型齒的脊形幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，提供了一種全新的破巖方式，采用剪切+犁削組合破巖方式，能有效地減小切削阻力，使切削齒更易出刃，顯著提高了其攻擊性及切削效率[4]。斧型齒復(fù)合片與巖石接觸面積減少了30%，大幅度地超過地層的門限破碎應(yīng)力，有效提升破巖效率，抗沖擊性、抗研磨性強，具備穿越硬夾層能力，適應(yīng)該地層。

表1 JY29-X井斜井段鉆頭使用情況統(tǒng)計表

針對韓家店組至小河壩組砂巖發(fā)育，優(yōu)選出KSD1362ADGR型號鉆頭，該鉆頭選擇六刀翼，對復(fù)合片進行了優(yōu)化升級，提高了攻擊性和抗磨性;對切削結(jié)構(gòu)和鉆頭結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，提高了鉆頭穩(wěn)定性和壽命，滿足高抗研磨性需求，能一趟鉆從韓家店組上部鉆至二開中完井深。

針對三開造斜段需要大段定向、鉆穿濁積砂段的需求，優(yōu)選出了KPM1642ART型號的復(fù)合鉆頭，該鉆頭將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，采用混合切削方式進行鉆進，牙輪合金齒首先接觸地層，對地層進行預(yù)破碎，形成不連續(xù)的齒坑，釋放地層應(yīng)力，降低巖石強度，然后由PDC復(fù)合片進一步刮削剪切破碎巖石，將牙輪切削齒形成的不連續(xù)的齒坑連通，形成完整的破碎環(huán)帶，提高鉆頭破巖效率，混合鉆頭這種特殊結(jié)構(gòu)，使其在硬塑性地層中具有較高機械鉆速。而且混合鉆頭扭矩波動更小，牙輪的滾動切削可以防止PDC扭矩過大，牙輪可以緩沖PDC復(fù)合片沖擊載荷，保護復(fù)合片，因而使用壽命更長，同時，也能兼顧定向和復(fù)合鉆進[5-6]。JY29-X井一趟鉆完成了造斜段施工,節(jié)約了3趟鉆，機械鉆速明顯提高，起出鉆頭無磨齒、崩齒，提速效果顯著[7]。

2.2 螺桿優(yōu)選

常規(guī)螺桿在油基鉆井液環(huán)境中，定子橡膠易油溶、高溫失效，導(dǎo)致螺桿壽命短(低于100 h)，該井實際水平段長1 933 m，使用常規(guī)螺桿施工動力不足，為了能實現(xiàn)三開井段提速提效目標，對螺桿馬達進行線性優(yōu)化提高馬達的承載能力，優(yōu)選高硬度耐油耐高溫橡膠材料，優(yōu)化與之配套的注膠工藝，進一步強化螺桿的傳動、承載等關(guān)鍵部件的選材與加工精度和質(zhì)量，提高螺桿的性能指標及可靠性，從而優(yōu)選出了等壁厚耐油抗高溫長壽命螺桿工具。該螺桿鉆具耐溫175℃，輸出扭矩同比提高30%～51%，使用壽命200 h左右。

在JY29-X井三開井段中使用7L172×1.25°等壁厚耐油抗高溫長壽命螺桿，能滿足增斜、穩(wěn)斜需要，增斜段造斜率在6°/30 m，穩(wěn)斜井段小于1.8°/100 m，其中三開水平段鉆進井段2 721～4 630 m，進尺1 909 m，螺桿使用時間154.5 h，滿足了三開井段提速提效需求。

2.3 鉆具組合和鉆井參數(shù)優(yōu)化

本井扭方位工作量主要集中在二開井段，在二開大井眼中進行定向扭方位工作時可能會出現(xiàn)托壓、造斜率不穩(wěn)等問題，二開鉆遇地層交界面多，鉆井參數(shù)控制難度大；三開水平段地層傾角起伏變化，隨著水平段的不斷延伸，鉆井扭矩和摩阻不斷增大、軌跡調(diào)整和控制難度不斷增加，鉆井參數(shù)調(diào)整難度大；針對這些難點，需要對鉆具組合和鉆井參數(shù)進行優(yōu)化。

2.3.1 鉆具組合優(yōu)化

基于斜井段鉆具的受力力學(xué)分析研究，對螺桿扶正器的尺寸和形狀、鉆具扶正器的尺寸和位置、加重鉆桿的位置和數(shù)量、降摩減阻工具的性能和位置等進行優(yōu)化，結(jié)合優(yōu)化后的井眼軌跡設(shè)計進行鉆具組合，針對“增斜、穩(wěn)斜、扭方位、增斜、穩(wěn)斜”不同的定向方式形成了四套不同的常規(guī)定向鉆具組合。

二開增、穩(wěn)斜段鉆具組合：?311.2 mm PDC+?216 mm 1.25°螺桿+浮閥+?203.2 mm短鉆鋌+?285mm扶正器+?203.2 mm無磁鉆鋌+無磁懸掛+?203.2 mm無磁鉆鋌×1根+631×410+?177.8 mm鉆鋌×3根鉆桿，加入2 m短鉆鋌，滿足復(fù)合增斜設(shè)計要求。

二開扭方位井段鉆具組合：?311.2 mm PDC+?216 mm 1.25°螺桿+浮閥+?285 mm扶正器+?203.2 mm無磁鉆鋌+無磁懸掛+631×410+?127 mm無磁承壓鉆桿×1根鉆桿，簡化鉆具組合，降低摩阻。

三開增斜井段：?215.9 mm混合鉆頭+?172 mm 1.25°螺桿+浮閥+?127 mm無磁承壓鉆桿+LWD短節(jié)+?127 mm無磁承壓鉆桿+?127 mm加重鉆桿×8根+?127 mm鉆桿×78根+?127 mm加重鉆桿×19根鉆桿，使用混合鉆頭配合變曲率增斜控制方法入靶。

三開穩(wěn)斜井段：?215.9 mm PDC+?172 mm 1.25°螺桿+?210 mm扶正器+浮閥+?127 mm無磁承壓鉆桿+LWD短節(jié)+?127 mm無磁承壓鉆桿+?127 mm加重鉆桿×5根+?127 mm鉆桿×7根+降摩減阻工具(位置150 m)+?127 mm鉆桿×233根+?127 mm加重鉆桿×21根鉆桿，使用“欠尺寸倒裝雙扶+降摩減阻工具”的鉆具組合，降低摩阻扭矩，提高水平段延伸能力，保證軌跡光滑。

2.3.2 鉆井參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)鉆頭螺桿等關(guān)鍵工具的性能，適應(yīng)軌跡調(diào)整的需要，結(jié)合鉆具組合的特性，以提高機械鉆速、行程鉆速和降低故障復(fù)雜為目標，進行鉆井參數(shù)的優(yōu)選，正常工況下大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速復(fù)合鉆進提速為主，復(fù)雜井段精細的控制轉(zhuǎn)速和排量，定向井段控制鉆壓和排量，優(yōu)化出了JY29-X井斜井段不同工況下的鉆井參數(shù)。

1)茅口組下部-韓家店組上部(1 044～1 414 m)。共要鉆遇5個層位巖層和4個地層交界面，灰泥巖交錯，灰?guī)r里含硅質(zhì)，泥巖里含砂，地層不均質(zhì)，研磨性強，可鉆性較差，使用KMD1663DFRT斧型齒鉆頭在該段穿行時，鉆井參數(shù)的選擇及其重要，是提速提效能否成功的關(guān)鍵，在鉆遇茅口組棲霞組交界面、梁山組、黃龍組地層時必須弱化參數(shù)鉆進，有效的保護好鉆頭，取得更多的進尺和更高的效率。

2)韓家店組上部-小河壩組(1 414～2 148 m)。韓家店組上部地層控制鉆井參數(shù)鉆進，當見到韓家店組灰綠色泥巖后強化參數(shù)鉆進。

3)龍馬溪組(2 148～4 630 m)在濁積砂段鉆進時，控制鉆壓在100 kN內(nèi)，水平段使用大排量、大鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進，并根據(jù)振動篩返砂情況，適當調(diào)整鉆井參數(shù)。

2.4 降摩減阻工具的應(yīng)用

本井水平段地層傾角起伏變化，井眼軌跡需要不斷調(diào)整，隨著水平段逐漸加深，定向托壓情況勢必會越來越嚴重，在水平段鉆具組合中加入水力震蕩器，緩解了定向托壓情況，一趟鉆就完成1 933 m水平段的施工任務(wù)。

水力振蕩器通過鉆井泵將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能來改變鉆進過程中僅靠下部鉆具的重力給鉆頭施加鉆壓的方式，將自身產(chǎn)生的縱向振動提高鉆進過程中鉆壓傳遞的有效性，并使鉆頭或下部鉆具與鉆柱中的其他部分的連接變?yōu)槿嵝赃B接，有效的提高滑動機械鉆速，能將鉆具組合與井眼間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦，大幅降低或消除兩者之間的摩擦阻力，減少了鉆具組合的粘卡的可能性，使水平段鉆進更加容易和有效，結(jié)合鄰井和本平臺完鉆井水平段施工情況，將水力振蕩器置于鉆具組合150 m處能發(fā)揮該工具最大功效[8]。水力振蕩器在JY29-X井使用過程中，在水平段鉆進后期仍可進行定向作業(yè)，且無托壓現(xiàn)象，確保了本井水平段一趟鉆的順利實施。

2.5 井眼軌跡控制技術(shù)

本井設(shè)計分層與實鉆分層差別不大，通過對伽馬、鉆時的準確預(yù)判，掌握入窗的主動性，第一時間做出軌跡調(diào)整，精準中靶[9]。JY29-X井A靶位于龍馬溪組8號小層和7號小層之間，底界斜深2 697 m，垂深2 344.2 m，定向鉆至井深2 684 m(垂深2 344.39 m)，增斜到90.4°后，擺好工具面，復(fù)合鉆進10 m準確入靶，實鉆軌跡與設(shè)計軌跡沒有差異。

3 斜井段提速提效效果

JY29-X井實鉆造斜點1 108 m，完鉆井深4 630 m，斜井段占比76%，整體施工過程中，未發(fā)生井下復(fù)雜和故障，全井鉆井周期33.58 d，較設(shè)計周期46 d節(jié)約了27%，創(chuàng)涪陵工區(qū)最短鉆井周期記錄[10]。

JY29-X井鉆井指標與同平臺和同區(qū)塊其他井指標的對比情況見表2。

從指標對比情況表可以看出，JY29平臺及其鄰平臺施工的8口井，造斜點、造斜段比率和靶點垂深相差不大，說明井眼軌道變化不大。JY29-X井較4口鄰井平均井深增加了262.75 m，水平段長度較4口鄰井的平均長度增加了368.25 m，但是鉆井周期較4口鄰井平均減少了21.98 d，減少幅度65.45%。JY29-X井較平臺3口井平均井深增加了214.67 m，水平段長度較平臺3口井的平均長度增加了268.67 m，但是鉆井周期較同平臺3口井平均減少了14.83 d，減少幅度44.16%。在井深增加、水平段增長、靶點垂深和造斜段比率不變的情況下，總結(jié)一套適合涪陵工區(qū)焦石區(qū)塊水平井斜井段的鉆井技術(shù)，在JY29-X井進行實踐和應(yīng)用，大幅度地縮短了鉆井周期，提速提效取得重大突破。

表2 指標對比情況表

4 結(jié)論

1)涪陵工區(qū)斜井段總體采用斜面圓弧扭方位剖面方法進行設(shè)計，采用“增-穩(wěn)-扭方位-增-穩(wěn)”方式進行施工，將扭方位工作量留在二開井段，減少三開定向工作量，能有效保障井眼順暢光滑。

2)茅口組至韓家店組井段使用斧型齒鉆頭，在鉆遇茅口組棲霞組交界面、梁山組、黃龍組地層時進行弱化參數(shù)，保護好鉆頭，有效攻克了茅口組至韓家店組可鉆性差的難題；三開造斜段使用混合鉆頭施工，能一趟鉆完成掃塞、定向扭方位、增斜工作量，鉆穿濁積砂地層、鉆至A靶點任務(wù)，較以往模式可節(jié)約3趟鉆，提速明顯。

3)采用優(yōu)化后的四套不同的常規(guī)定向鉆具組合完成了斜井段的施工，井眼軌跡控制質(zhì)量滿足設(shè)計要求，其中水平段鉆具組合中加入了降摩減阻工具，有效的避免了托壓現(xiàn)象，一趟鉆就完成了1 933 m水平段的施工任務(wù)，全井提速提效效果顯著。