張東清

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

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龍鳳山氣田北209井鉆井提速技術(shù)

張東清

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

針對龍鳳山氣田鉆井中存在的上部地層易塌、下部地層易漏、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長等問題，在該油田評價(jià)井——北209井進(jìn)行了鉆井提速技術(shù)研究與試驗(yàn)，以達(dá)到提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期的目的。在分析龍鳳山氣田地質(zhì)資料和地層特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、采用“PDC鉆頭+0.5°單彎螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)、選用適合于礫石層的液動(dòng)射流沖擊器、選擇機(jī)械式無線隨鉆測斜儀測量井斜、應(yīng)用SMROP-1快鉆劑等關(guān)鍵技術(shù)措施，使北209井實(shí)現(xiàn)了安全快速鉆井，機(jī)械鉆速達(dá)到8.62 m/h，較該氣田此前平均機(jī)械鉆速提高了53.38%；鉆井周期40.98 d，比設(shè)計(jì)鉆井周期縮短22.40 d。研究認(rèn)為，北209井鉆井提速技術(shù)可為龍鳳山氣田后續(xù)井鉆井提速增效提供借鑒。

機(jī)械鉆速；液動(dòng)射流沖擊器；快鉆劑；井身結(jié)構(gòu)；北209井；龍鳳山氣田

長嶺斷陷南部龍鳳山氣田屬于典型的低孔隙度、特低滲透凝析氣藏。截至2015年11月，該氣田控制含氣面積39.36 km2，天然氣控制儲(chǔ)量107.27×108m3，凝析油363.90×104t。該氣田目的層埋深3 500.00～4 000.00 m，鉆井周期均在59 d以上，平均機(jī)械鉆速5.62 m/h，近兩年來試驗(yàn)應(yīng)用了一些鉆井提速技術(shù)，但未取得明顯的提速效果。因此，提高機(jī)械鉆速、縮短鉆井周期成為龍鳳山氣田目前亟待解決的問題。2015年6月，中國石化東北油氣分公司在該氣田部署了評價(jià)井——北209井，以深入研究龍鳳山氣田的地層情況。該井設(shè)計(jì)井深3 800.00 m，在鉆井過程中，借鑒鄰井鉆井經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，開展了鉆井提速技術(shù)研究與實(shí)踐，很好地解決了該氣田存在的各種鉆井技術(shù)難點(diǎn)，顯著提高了機(jī)械鉆速，平均機(jī)械鉆速達(dá)到8.62 m/h，創(chuàng)龍鳳山氣田探井平均機(jī)械鉆速最高紀(jì)錄，為該氣田后續(xù)井的鉆井提速積累了經(jīng)驗(yàn)。

1　地質(zhì)概況

龍鳳山構(gòu)造位于北正鎮(zhèn)斷階帶東南端，東側(cè)為新安鎮(zhèn)次凹，是長嶺斷陷最大的次級斷陷，是一個(gè)新的天然氣重點(diǎn)增儲(chǔ)區(qū)域。北209井在松遼盆地長嶺

斷陷龍鳳山次洼龍鳳山圈閉構(gòu)造上，位于吉林省長嶺縣前七號鎮(zhèn)龍鳳山村南約1.0 km處，鉆探目的為評價(jià)龍鳳山巖性圈閉北部的含油氣范圍及營城組儲(chǔ)層向北的展布特征，同時(shí)獲取鉆遇地層的地質(zhì)參數(shù)及相關(guān)的油、氣、水資料。鉆遇地層自上而下為第四系，第三系，白堊系四方臺組、嫩江組、姚家組、青山口組、泉頭組、登婁庫組和營城組。預(yù)測登婁庫組、營城組地層壓力系數(shù)為1.02左右。嫩江組、姚家組地層泥巖發(fā)育，易坍塌；泉頭組以下地層的地層承壓能力低，易漏失；登婁庫組地層存在大段砂礫巖、可鉆性差；泉頭組以下地層傾角大，易發(fā)生井斜；在鉆井實(shí)踐中，主要表現(xiàn)為井下故障多，機(jī)械鉆速低(見表1)。

表1　龍鳳山氣田已鉆井井下故障及機(jī)械鉆速

2　鉆井關(guān)鍵提速技術(shù)

2.1井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

龍鳳山氣田前期第一輪已鉆3口井(北1井、北2井和北201井)均為二開井身結(jié)構(gòu)，表層套管下深800.00 m左右，沒有封固嫩江組、姚家組易塌地層，易塌地層與下部易漏地層處于同一裸眼，造成鉆進(jìn)下部地層時(shí)易發(fā)生漏失；第二輪已鉆4口井(北202井、北203井、北204井和北205井)均為三開井身結(jié)構(gòu)，一開套管封固上部成巖性差的第四系地層，下深400.00 m左右，二開封固嫩江組、姚家組、青山口組等地層后，三開鉆下部地層，與第一輪井相比鉆井周期明顯縮短，降低了鉆井成本，但增加了開次，且二開大尺寸井眼段長。為進(jìn)一步縮短鉆井周期，降低鉆井成本，對北209井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

依據(jù)北201井、北202井、北203井和北204井等井營城組地層巖心的單軸及三軸巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，利用測井資料反演，采用軟件模擬預(yù)測了北209井的漏失壓力，建立了地層壓力剖面。

前兩輪已鉆井的實(shí)鉆情況表明，嫩江組、姚家組地層坍塌壓力較高，泉頭組以下地層漏失壓力低，根據(jù)地層壓力剖面采用自下而上的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法優(yōu)選必封點(diǎn)為青山口組上部，從而確定北209井采用二級井身結(jié)構(gòu)(見圖1)，即：一開使用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深1 602.00 m(進(jìn)入青山口組地層約50.00 m)，φ244.5 mm表層套管下至井深1 600.00 m，封固嫩江組、姚家組易塌層段，水泥返至地面；二開使用φ215.9 mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深3 800.00 m，下入φ139.7 mm油層套管，采用雙級固井，分級箍下入位置為泉頭組漏層以上100.00 m(即井深2 200.00 m處)，一級固井水泥封固段為2 200.00～3 798.00 m，二級固井水泥封固段為0～2 200.00 m。該井井身結(jié)構(gòu)比第二輪井相比減少了一個(gè)開次，常規(guī)φ215.9 mm井段長度增加了700.00 m以上，同時(shí)還有利于預(yù)防垮塌和漏失。

圖1　北209井與其他已鉆井井身結(jié)構(gòu)對比Fig.1　Casing program of Well Bei-209 and other drilled wells

2.2應(yīng)用“PDC鉆頭+單彎螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)

目前，“PDC鉆頭+直螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)已成為龍鳳山氣田直井鉆井通用的提速手段。分析認(rèn)為，PDC鉆頭中心存在和井底相對運(yùn)動(dòng)接近為0的點(diǎn)，因PDC鉆頭的破巖方式為切削，這必然會(huì)影響機(jī)械鉆速，所以機(jī)械鉆速有進(jìn)一步提高的空間。為此，在北209井鉆井過程中，應(yīng)用了“PDC鉆頭+單彎螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)，以進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。該復(fù)合鉆井技術(shù)的提速機(jī)理為：1)鉆頭橫向晃動(dòng)削弱鉆頭“死點(diǎn)”的不利影響，從而提高機(jī)械鉆速；2)鉆頭在井底有一定傾角，鉆壓在鉆頭上呈不均勻分布，部分區(qū)域鉆壓變大，隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)形成近似持續(xù)沖擊的效果。

“PDC鉆頭+單彎螺桿”復(fù)合鉆井井下鉆具組合如圖2所示(λ為螺桿鉆具的彎角，(°);S為鉆頭底平面中心偏離動(dòng)力鉆具中心的偏移量，m;L為單彎螺桿彎點(diǎn)到鉆頭的距離,m)。由于鉆具本體和井下動(dòng)力鉆具外殼在轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，將使井眼產(chǎn)生擴(kuò)眼現(xiàn)象。假設(shè)螺桿鉆具彎點(diǎn)以上的部分在井眼內(nèi)居中，當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)，若不考慮彎點(diǎn)以下的彈性變形，即假設(shè)鉆頭的側(cè)向切削力為0，并忽略其他動(dòng)態(tài)因素的影響，則鉆頭中心軌跡是一個(gè)半徑為S的圓，即井徑擴(kuò)大2S。另一種極端情況是，鉆頭完全被鉆具的變形約束在井底進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動(dòng)切削，此時(shí)無井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，但實(shí)際上這種情況是很少出現(xiàn)的。龍鳳山氣田的地層巖石抗壓強(qiáng)度均小于150 MPa，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，井徑擴(kuò)大預(yù)測值一般為S[1]。

彎角過大引起的主要不利因素有：1)彎角λ越大，S越大，破巖所需能量越多；2)λ越大，單彎螺桿的彎殼體受到的橫向應(yīng)力越大，越容易疲勞損壞。根據(jù)機(jī)械鉆速的主要影響因素及常用螺桿的幾何尺寸，考慮鉆頭底部的無死角切削、鉆具強(qiáng)度的限制及破巖能量的增加，該井選用0.5°單彎螺桿。

圖2　提速鉆具組合示意Fig.2　The structure of the high-speed drilling assembly

2.3應(yīng)用液動(dòng)射流式?jīng)_擊器鉆進(jìn)登婁庫組含礫層

北209井登婁庫地層巖性主要為雜色和灰色含礫細(xì)砂巖、砂礫巖、細(xì)砂巖與棕色和灰色泥巖的不等厚互層，部分井段含礫超過了80%，最高達(dá)到了95%，使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速較低，但使用PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)復(fù)合片損壞較快，單只鉆頭進(jìn)尺較少。

經(jīng)過調(diào)研，液動(dòng)射流式?jīng)_擊器可以通過鉆井液循環(huán)產(chǎn)生沖擊[2-4]，且沖擊功的大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，選擇液動(dòng)射流式?jīng)_擊器鉆進(jìn)登婁庫組地層，利用液動(dòng)射流沖擊器產(chǎn)生的高頻低幅振動(dòng)抵消因礫石導(dǎo)致的對鉆頭有害的震動(dòng)，起到保護(hù)PDC鉆頭和提高機(jī)械鉆速的效果。

2.4應(yīng)用機(jī)械式無線隨鉆測斜儀

龍鳳山氣田鉆井中易斜易漏，為了保證井身質(zhì)量，每鉆進(jìn)200 m需要測斜一次。目前該氣田普遍采用單點(diǎn)測斜方式，每測一次井斜后都要循環(huán)鉆井液，測斜儀要入井出井一次，每次測斜時(shí)間長達(dá)2～5 h。如果采用鉆井液脈沖無線隨鉆測斜儀(MWD)，一旦發(fā)生井漏而進(jìn)行堵漏時(shí)，MWD儀器會(huì)妨礙堵漏材料的通過，從而影響堵漏效果。

經(jīng)調(diào)研，機(jī)械式無線隨鉆測斜儀利用精密機(jī)械技術(shù)測量井斜[5]，通過鉆井液脈沖從井下向地面?zhèn)鬟f井斜數(shù)據(jù)。井下測斜儀測得的井斜數(shù)據(jù)雖然也是以鉆井液脈沖的方式傳遞至地面，但因測量原理簡單且只傳遞井斜數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)極少，從而采用結(jié)構(gòu)簡單的往復(fù)節(jié)流型脈沖發(fā)生器，可以通過粒徑不大于7.0 mm的堵漏材料，從而滿足堵漏需要。機(jī)械式無線隨鉆測斜儀的井斜角測量精度為0.5°，測量范圍0°～10.5°，工作溫度可達(dá)210 ℃，適應(yīng)最大井深7 000.00 m，可放在近鉆頭的鉆鋌短節(jié)中，可以隨鉆測量近鉆頭井斜，而且操作簡單，測量時(shí)只需停泵和開泵一次，井斜數(shù)據(jù)便可傳遞至地面，測量一次井斜僅需要3～5 min，可以選擇在接單根時(shí)進(jìn)行，以節(jié)省測斜時(shí)間，提高鉆井時(shí)效。因此，北209井選擇機(jī)械式無線隨鉆測斜儀隨鉆測量井斜。

2.5鉆井液技術(shù)措施

1) 一開井段。針對泉頭組及以上地層泥巖發(fā)育、成巖性差、易坍塌和造漿嚴(yán)重的問題，一開井段采用低黏低切鉆井液鉆進(jìn)，主要技術(shù)措施為：維持大排量鉆進(jìn)，同時(shí)加入包被抑制劑提高鉆井液的抑制性，減少巖屑分散，防止壓差卡鉆和泥包鉆頭；鉆進(jìn)姚家組及以上地層時(shí)，鉆井液以抑制造漿、滿足攜巖要求為主，對濾失性能可降低要求，采用大排量鉆進(jìn)，增強(qiáng)鉆井液對鉆頭的沖洗作用，防止泥包鉆頭，并利用短起下鉆修復(fù)井壁，防止井眼縮徑；進(jìn)入青山口組地層后將鉆井液黏度提高至50 s左右，以增強(qiáng)懸浮巖屑的能力。

2) 二開井段。針對泉頭組底部地層漏失壓力低、登婁庫組地層因伴有膠黏性較強(qiáng)的泥巖易泥包PDC鉆頭的難點(diǎn)[6]，二開井段鉆進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制鉆井液密度不超過1.15 kg/L，適量加入潤滑劑，以降低濾餅?zāi)Σ料禂?shù)，改善鉆具表面的極性，以防止壓差卡鉆和泥包鉆頭。

3) 應(yīng)用SMROP-1快鉆劑。SMROP-1快鉆劑是一種含非極性烴鏈與多極性基團(tuán)、具有表面活性的油類產(chǎn)品，可改變鉆井液的潤濕性(鋼表面接觸角28.9°)、降低表面張力(0.5%水溶液表面張力降低率大于60%)、清潔鉆具(粘結(jié)降低率大于60%)。同時(shí)具有良好的潤滑性，可以降低摩阻(潤滑系數(shù)降低率大于85%)，因此能夠顯著提高破巖效率[7]。該快鉆劑與多種水基鉆井液配伍性好，加量0.3%～1.5%，不影響鉆井液的流變性、降濾失性等。因此，北209井全井鉆井液體系中應(yīng)用了SMROP-1快鉆劑。

3　現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

在北209井鉆井過程中，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，應(yīng)用“PDC鉆頭+單彎螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)、液動(dòng)射流式?jīng)_擊器、機(jī)械式無線隨鉆測斜儀和SMROP-1快鉆劑等提速技術(shù)，克服了上部地層易塌、下部地層易漏、部分地層含礫高等技術(shù)難點(diǎn)，于2015年10月23日順利完井，實(shí)鉆技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2　北209井與龍鳳山氣田已鉆井的技術(shù)指標(biāo)對比

北209井設(shè)計(jì)井深3 800.00 m，取心26.00 m，鉆井周期63.38 d；實(shí)際完鉆井深3 910.00 m，取心45.45 m，鉆井周期40.98 d，比設(shè)計(jì)提前22.40 d，完井周期64.67 d，比設(shè)計(jì)提前12.21 d。該井創(chuàng)造了龍鳳山氣田多項(xiàng)施工紀(jì)錄：φ215.9 mm井眼單趟鉆進(jìn)尺992.00 m的最長紀(jì)錄；探井平均機(jī)械鉆速最高紀(jì)錄，達(dá)到8.62 m/h；鉆井周期創(chuàng)3 500.00 m以深探井最短紀(jì)錄。

北209井測試獲天然氣產(chǎn)量4.0×104m3/d，且使龍鳳山圈閉的評價(jià)面積擴(kuò)大了10 km2。

4　結(jié)　論

1) “PDC鉆頭+單彎螺桿”的井下鉆具組合使鉆頭橫向晃動(dòng)，可削弱鉆頭“死點(diǎn)”的不利影響，能夠產(chǎn)生近似持續(xù)沖擊的效果，能顯著提高機(jī)械鉆速。

2) 液動(dòng)射流式?jīng)_擊器能夠起到保護(hù)鉆頭、提高機(jī)械鉆速的作用，適合與PDC鉆頭配合鉆進(jìn)高含礫地層。

3) 機(jī)械式無線隨鉆測斜儀既能滿足堵漏需要，又能滿足直井測量井斜的要求，且能縮短測斜時(shí)間,提高純鉆時(shí)效。

4) 北209井通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，應(yīng)用“PDC鉆頭+單彎螺桿”復(fù)合鉆井技術(shù)、液動(dòng)射流式?jīng)_擊器、機(jī)械式無線隨鉆測斜儀等鉆井提速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全快速鉆井，創(chuàng)造了該氣田φ215.9 mm井眼單趟鉆進(jìn)尺最長、探井機(jī)械鉆速最高、3 500.00 m以深探井鉆井周期最短等多項(xiàng)紀(jì)錄，為該氣田后續(xù)井鉆井施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

致謝：在北209井施工及本文寫作過程中，中國石化東北油氣分公司工程技術(shù)管理及研究人員提供了大量基礎(chǔ)資料并給予了支持與幫助，在此表示衷心的感謝。

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[編輯令文學(xué)]

Enhancement of ROP in Well Bei-209 of the Longfengshan Gas Field

ZHANG Dongqing

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101，China)

Drilling operations in the Longfengshan Gas Field are susceptible to borehole collapse in the upper formations, circulation lost in the lower formations, low ROP and prolonged drilling times. To enhance the ROP and to minimize the time in drilling operations, research and experiments on high-speed drilling technologies were carried out for Well Bei-209. Based on the analysis on geological information and the formation characteristics of the Longfengshan Gas Field, well casing program, combined drilling of PDC bit+0.5° single bend PDM, hydro-efflux hammer for gravel layers, mechanical wireless MWD, SMROP-1 fast drilling additives and other key technical measures were adopted to achieve safe and fast drilling of Well Bei-209. Under these conditions, the resulting ROP was 8.62 m/h, 53.28% higher than the average ROP previously achieved in the gas filed. At the same time, the drilling cycle was 40.98 d, 22.40 d shorter than designed. Research results showed that the proposed high-speed drilling techniques for Well Bei-209 could provide references for follow-up operations to enhance the ROP and efficiencies in the Longfengshan Gas Field.

penetration rate; hydro-efflux hammer; fast drilling additives; casing program; Well Bei-209; Longfengshan Gas Field

2016-03-08；改回日期：2016-06-14。

張東清(1974—)，男，河北棗強(qiáng)人，1998年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油工程專業(yè)，2007年獲西安石油大學(xué)石油與天然氣專業(yè)工程碩士學(xué)位，高級工程師，主要從事鉆井工程技術(shù)研究與管理工作。E-mail:zhangdq.sripe@sinopec.com。

doi:10.11911/syztjs.201604005

TE242

A

1001-0890(2016)04-0022-05

?鉆井完井?