張建龍， 溫　偉， 劉衛(wèi)東， 劉長軍， 高炳堂

(1中國石化石油工程技術研究院，北京 100101； 2.中國石化西北油田分公司監(jiān)督中心，新疆 庫爾勒 841600； 3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000)

0　引言

隨著油氣資源的不斷開發(fā)，淺層及其它易開發(fā)的油氣資源越來越少，開發(fā)難度大的砂礫巖、超深儲層越來越多。

中國石化順北油氣田是近年才開發(fā)的油氣藏。該油氣田是中國石化西北油田分公司實施“塔河之外找塔河”戰(zhàn)略后在順北區(qū)塊找到的塔河油田接替區(qū)域。該區(qū)塊于2015年開采，2016年開始規(guī)模性開發(fā)，預計儲量達到17億t。

順北油田儲層為奧陶系一間房組、鷹山組及蓬萊壩組，油藏埋藏深度達到7300～8600 m，油藏特點是儲層埋藏深度大，地層溫度、壓力高，局部地區(qū)儲層上部奧陶系桑塔木組地層還含有易漏、易掉塊的輝綠巖地層，進一步增加了順北油田油氣開發(fā)難度。受到油藏埋藏的地質條件限制，順北油田目標地層多采用超深小井眼中短半徑水平井技術開發(fā)。

順北1-4H井是中國石化西北油田分公司部署在順托果勒低隆北緣的一口開發(fā)井，該井設計目標地層垂直深度達到7546 m，完鉆井深8049.50 m，垂深7561.96 m,水平段長430.20 m，創(chuàng)造了?120.65 mm井眼中短半徑水平井井深最深及水平段最長紀錄。順北1-4H井順利完成為進一步探索超深中短半徑水平井優(yōu)快鉆井技術提供幫助，也為順北油田后期采用中短半徑水平井開發(fā)提供借鑒。

1　順北1-4H井概況

順北1-4井地層情況見表1。該井設計四開井身(見表2)，設計造斜點7530 m，造斜率23.8°/30 m。受到奧陶系桑塔木組輝綠巖的影響，四開?120.65 mm井眼采用中短半徑水平井鉆井。實際造斜點7475 m，增斜段平均造斜率25.27°/30 m。

表1　順北1-4H井設計地層層序

注：上下地層之間關系：實線表示整合接觸,點劃線表示平行不整合接觸,波浪線表示角度不整合接觸。

2　順北1-4H井水平井鉆井難點分析

順北1-4H井鉆井難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1　鉆具易彎曲變形引起托壓，影響定向鉆井

順北1-4H井井眼及鉆具尺寸小，鉆具柔性大，鉆具易彎曲變形,增大鉆具與井眼接觸面積，同時井眼曲率大，易形成巖屑床，阻礙鉆具上提及下放，從而增大鉆井摩阻，引起托壓，滑動鉆井時上部鉆具處于靜止狀態(tài)，鉆井摩阻增大，托壓現(xiàn)象更加明顯。順北1-4H井滑動鉆井、復合鉆井、及起下鉆等不同工況大鉤負荷變化情況如圖1所示。

表2　順北1-4H井井身結構

從圖1可以看出，7500 m開始不同工況大鉤負荷變化曲線均發(fā)生明顯的變形，形成了明顯的托壓現(xiàn)象。托壓從大到小的工況依此為滑動鉆井、復合鉆井、下鉆、離底旋轉?；瑒鱼@井托壓最大，7060 m處滑動鉆井比復合鉆井托壓增大22 kN，7760 m處托壓更大。7984 m處因托壓無法定向。

圖1順北1-4H井大鉤負荷變化情況

2.2　超深小井眼溫度高，可用測量儀器少

順北1-4H井進行?120.65 mm井眼水平井鉆井前，順北地區(qū)完鉆井只有順北1-1H井。順北1-1H井井眼尺寸為?149.2 mm,井深7602.05 m,儀器配套可借鑒的資料少。

順北地區(qū)地溫梯度達到2.0～2.18 ℃/100 m，順北1-4H井設計井底垂深7546 m，預計井底靜止溫度165 ℃以上，而小井眼循環(huán)排量低，循環(huán)降溫效果差，可用測量儀器少。

目前國內廠家生產的儀器抗溫一般在140 ℃左右，雖然有些廠家已經生產了抗溫175 ℃儀器，但研發(fā)完后尚未形成工業(yè)化應用。

國外高溫儀器直接供應流程復雜，供應少，租用價格高。國內雖然引進了標稱抗溫175 ℃儀器，但目前引進的175 ℃儀器實際抗溫能力很多不到165 ℃。

2.3　?120.65 mm井眼使用的?95 mm螺桿振動大，對儀器測量精度影響大

螺桿鉆具均為中空結構(圖2)，鉆具抗彎強度對應的彎曲力計算如式(1)所示。

F=kσS=kσπ(2R-d)d

(1)

式中：F——螺桿鉆具彎曲所需力，kN；σ——材料抗彎強度，MPa；R——螺桿鉆具外徑，m；d——螺桿鉆具壁厚，m;k——系數(shù)，常數(shù)；S——橫截面積,m2。

圖2　螺桿結構示意圖

從式(1)可以看出，螺桿鉆具外徑越大，鉆具彎曲需要的力也越大，鉆具的抗彎能力也越強，?95 mm螺桿比?120.65 mm螺桿抗彎能力更低，鉆具更容易發(fā)生彈性變形。

鉆具發(fā)生彈性變形后，彈性變形的形成及恢復易引起鉆具的振動，彈性振動的強度又受到材料抗彎強度、受力性質及大小、力矩影響。對于某一種材料，其抗彎強度一定，螺桿鉆具的彈性變形主要受到交變力的大小及力矩大小影響，交變力越大，變化頻率越高，鉆具受到的力越大，螺桿鉆具的彈性變形能力就越強。當彈性變形達到一定程度時就會引起固定在電路板上的元器件損壞。

北京石油機械廠?95 mm螺桿在順北1-4H井出現(xiàn)多次振動損壞儀器，影響正常測量情況。定向鉆井至7563.38 m工具面出現(xiàn)異常，隨即MWD儀器無脈沖信號。隨后復合鉆進鉆至7576.73 m，鉆時明顯變慢，鉆時由18～20 min/m增加到35 min/m，泵壓由23 MPa升高到25 MPa，最高升高到28 MPa，出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，同時定向工具面出現(xiàn)異常。工具面一直保持在75°無變化，振動值也一直處于高危振動警告區(qū)域。起鉆檢查發(fā)現(xiàn)儀器探管扶正金屬塊及固定螺絲被振斷，電路板線圈脫落，電容掉落(圖3)，儀器監(jiān)測的振動值達到68～75 G(圖4)。

圖3　順北1-4H井振動對儀器損傷

圖4　順北1-4H井儀器監(jiān)測振動值變化

2.4　超深中短半徑水平井軌跡控制難度大

順北地區(qū)目標地層一間房組灰?guī)r地層縫洞發(fā)育，超深中短半徑水平井軌跡控制難度主要表現(xiàn)在鉆具托壓引起工具面擺放困難及小鉆具鉆遇大裂縫地層時軌跡延伸易受裂縫等影響發(fā)生改變。

順北1-4H井水平段復合鉆進至7796.76 m后鉆遇左下傾裂縫，本來復合鉆井井斜及方位均增大的趨勢突然變?yōu)榫蓖蝗粶p小、方位變小的趨勢(圖5、表3)。

圖5　順北1-4H井水平段鉆遇裂縫軌跡變化

序號測深/m井斜/(°)方位/(°)17787.4489.0302.827796.7689.2303.237802.9086.8302.947805.8286.9303.4

3　順北1-4H井水平井鉆井技術對策

順北1-4H井井眼尺寸?149.2 mm，井眼深度達到8049.50 m，在這樣超深小井眼中短半徑水平井鉆井面臨許多難題(前面已進行了分析)，針對順北1-4H井超深小井眼中短半徑水平井面臨的主要難題，采取如下技術措施。

3.1　優(yōu)化鉆具組合及鉆井液性能，減少滑動鉆井托壓

通過優(yōu)化鉆具中剛度較強的加重鉆桿使用數(shù)量來改善鉆具組合的變形狀況，盡量減少鉆具彎曲引起的鉆具托壓，同時通過改變鉆井液的潤滑性能來提高井眼的潤滑狀態(tài)，通過調整鉆井液的攜巖性能減少巖屑床的形成，從而減少鉆井托壓。

根據順北1-4H井井眼情況，使用不同長度加重鉆桿后7550、7600、7650 m處托壓情況如圖6所示。

圖6　順北1-4H井不同長度加重鉆桿托壓情況

從圖6可以看出，隨著加重鉆桿使用長度的增加，7600 m托壓情況明顯好轉，7550及7650 m處托壓情況變化不大，使用100 m加重鉆桿時7650 m處托壓甚至還有微增趨勢，加重鉆桿長度達到300 m時托壓比較小，加重鉆桿長度達到500 m時，7550 m以下各點托壓情況均有所改善，長度達到700 m時托壓最小，達到800 m后托壓明顯增加。根據順北1-4H井及鄰井鉆井情況，推薦選用加重鉆桿500～700 m，最少使用200～300 m。

3.2　選用已改進的進口175 ℃儀器解決高溫測量問題

順北1-4H井設計井深7761.21 m，設計垂深7546 m，預計井底溫度165 ℃左右。

國內已經工業(yè)化應用MWD儀器抗溫140 ℃左右儀器，抗溫175 ℃ MWD儀器雖然已經生產，但尚未進行工業(yè)化應用，儀器抗溫性能有待檢驗。

國內進口了不少高溫MWD儀器，國內引進的高溫MWD儀器使用情況如表4所示。

表4　國內引進的小井眼高溫MWD儀器性能及使用情況

國內已進口的高溫MWD儀器沒有高額的動遷費，使用成本相對較低，引進的高溫MWD儀器在國內應用效果良好。

中國石化石油工程技術研究院引進的APS儀器在元壩地區(qū)?152.4 mm井眼、順北1-1H井?149.2 mm井眼均進行了成功應用。雖然?120.65 mm井眼定向在順北地區(qū)均是首次應用，但在與順北1-4H井相近深度、相近尺寸的順北1-1H井成功應用，給順北1-4H井提供了MWD測量保障，引進的抗溫175 ℃ MWD儀器為順北1-4H井等?120.65 mm井眼定向測量基本提供了測量保障。

但是，隨著儀器的使用,儀器的測量及抗溫性能在不斷降低,同時由于國內引進的抗溫175 ℃儀器實際抗溫能力在160～165 ℃，而?120.65 mm井眼尺寸小,循環(huán)降溫效果差。為了更好保障順北1-4H井?120.65 mm井眼隨鉆測量,最好對儀器電路板及抗溫敏感元件進行更新,以達到更好的抗溫性能。

改進后的進口175 ℃ MWD儀器，提高了測量核心部件的新度，進一步提高了測量系統(tǒng)的抗溫能力，配合循環(huán)降溫，能夠滿足順北1-4H井等類似井的MWD測量需要。

3.3　優(yōu)選動力鉆具，減小鉆具振動對MWD測量影響

動力鉆具包括螺桿鉆具及渦輪鉆具等等,由于結構不同，動力鉆具壓耗也存在較大的差別，一般螺桿鉆具壓耗為2～4 MPa，渦輪鉆具壓耗達到8～14 MPa。

順北1-4H井井眼尺寸太小，井超深，渦輪鉆具因壓耗太大，影響正常鉆井排量，難以滿足攜帶巖屑要求，動力鉆具只能選用螺桿鉆具。

國內生產抗溫180 ℃的螺桿鉆具的生產廠家有北京石油機械廠、天津立林石油設備有限公司、德州石油聯(lián)合機械廠等等。順北1-4H井井眼尺寸只有?120.65 mm，只能使用?95 mm動力鉆具。由于?95 mm螺桿鉆具國內使用少且高溫橡膠灌注復雜，生產?95 mm螺桿鉆具生產廠家更少，只有北京石油機械廠及天津立林石油設備有限公司等單位。

從式(1)可以看出，螺桿鉆具振動強度與受到的力矩大小有關。由于螺桿鉆具外殼為單彎結構，螺桿鉆具所受力矩與彎點以下鉆具長度有關，彎點以下長度越長，螺桿鉆具所受力矩也越大，螺桿鉆具的彈性振動也越強烈；因此，為減少螺桿鉆具的振動頻率，應選擇彎點以下長度比較短的螺桿。

北京石油機械廠5LZ95×7.0螺桿彎點下長度為0.93 m，天津立林石油設備有限公司5LZ95×7.0 SF螺桿彎點以下長度為0.763 m。為了避免螺桿振動對MWD儀器帶來損傷，順北1-4H井定向鉆井應選用天津立林石油設備有限公司生產的5LZ95×7.0 SF螺桿。

3.4　加密監(jiān)測，定向脫離裂縫，減少裂縫對軌跡控制的影響

順北1-4H井目標地層斷層發(fā)育，在構造運動的作用下,斷層形成時容易在周圍產生許多伴生裂縫，微小的裂縫對井眼軌跡影響小，大的裂縫面容易對井眼軌跡造成影響，引導易變形的小鉆具沿裂縫面前進，雖然有些大裂縫可能被次生方解時或其它物質充填，但依然存在明顯的地層各向異性，依然可能對軌跡控制產生影響。

對于可能存在大裂縫的井眼，最好加密監(jiān)測井眼軌跡、鉆時、氣測及鉆井液總體積等的變化情況。縮短軌跡測量間隔距離，將測量間隔由5 m改為1～2 m，井眼軌跡測量方式可以為動態(tài)監(jiān)測或靜態(tài)測量。一旦發(fā)現(xiàn)井眼軌跡出現(xiàn)明顯的異常變化，立即改變定向鉆井方式，消除裂縫對井眼軌跡控制的影響，及早脫離裂縫，避免軌跡出現(xiàn)大的波動，保持井眼軌跡的光滑。

4　技術措施應用情況分析

順北1-4H井從7475 m開始定向鉆井，定向后受井隊條件限制，鉆具組合中加重鉆桿只有27根。水平段鉆井期間，周圍完鉆的?120.6 5mm中短半徑水平井大部分因提前鉆遇油氣層而未鉆進至水平段就提前完鉆，鉆進至水平段的水平井一般水平段也只鉆進200 m左右，水平段最長的順北1-6H井鉆進至7789.07 m因漏失完鉆。順北1-4H井水平段鉆井至7980 m定向時，水平段長已經達到360.70 m，無可借鑒的定向經驗。該井7980 m定向時開始出現(xiàn)嚴重的托壓定向困難情況，通過采用有效措施，順利完成了該井定向鉆井任務。

在螺桿選用方面，7475～7810 m使用北京石油機械廠生產的?95 mm螺桿鉆具，由于螺桿鉆具振動太大，振動值達到68～75 G，造成MWD儀器電路版及扶正器損壞；現(xiàn)場定向技術分析后通過采取有效措施順利完成了定向服務任務。

在儀器配套方面,優(yōu)選了APS 175 ℃高溫MWD儀器，儀器使用期間，使用振動大的北京石油機械廠的螺桿時出現(xiàn)了儀器損壞問題(圖3)。通過前述分析，及時更換振動較小的天津立林公司的螺桿鉆具，并將MWD儀器探管扶正塊由金屬材質更換為橡膠材質，MWD儀器測量正常，未出現(xiàn)過任何儀器問題。儀器測得井底最大溫度165 ℃，最大循環(huán)溫度154 ℃。

在裂縫影響軌跡控制方面，順北1-4H井水平段復合鉆井井眼趨勢為微增井斜及方位(7787.44～7796.76 m,井斜由89°增加到89.2°,方位由302.8°增加到303.2°)。復合鉆進至7802.9 m，井斜突然由89.2°降低到86.8°，方位由303.2°降低到302.9°。鉆井時沒有出現(xiàn)明顯的鉆井液漏失現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題后立即從7818 m開始定向，測量間隔距離由5 m改為1 m，測量采用動態(tài)測量、靜態(tài)校驗方式。定向時盡可能加大鉆壓，定向至7857 m后井斜由7815.45 m的86.1°增加到7853.45 m的88.5°，方位也增加到304°，快速解決了裂縫對井眼軌跡控制的影響。

順北1-4H井通過采取上述措施有效保證了安全、優(yōu)質鉆達地質設計的目標地層，達到地質開發(fā)目的。該井水平段鉆至8049.09 m出現(xiàn)了鉆井液失返性漏失，強鉆至8049.50 m完鉆，完井測試日產原油185 t，日產天然氣9萬m3。創(chuàng)造了?120.65 mm井眼水平段最長、完鉆井深最深的紀錄。

5　結語

(1)超深小井眼中短半徑水平井鉆具柔軟，易托壓，定向鉆井時應保證加重鉆桿的用量，并保持鉆井液具有良好的潤滑及攜巖性能，能夠有效降低定向鉆井托壓現(xiàn)象。

(2)超深小井眼中短半徑水平井井深，井底溫度高，目前國內抗溫175 ℃儀器尚未形成工業(yè)化應用，進口抗溫175 ℃儀器通過更換抗溫敏感元件，能夠滿足順北1-4H井類似深度超深水平井定向鉆井測量需要。

(3)超深小井眼中短半徑水平井使用的螺桿鉆具振動大，對測量儀器造成不利的影響。隨著螺桿鉆具尺寸的增大，振動減少，對儀器的影響也越小。螺桿鉆具振動也受到鉆具彎矩大小的影響，彎點以下長度越長，振動也越大。定向鉆井時應盡量選用外徑尺寸大及彎點以下距離短的螺桿鉆具。

(4)順北1-4H井及順北其它地區(qū)儲層裂縫發(fā)育，裂縫會對井眼軌跡控制產生影響。軌跡控制時應縮短隨鉆測量間隔距離，勤測量井眼軌跡的變化，及早發(fā)現(xiàn)裂縫對井眼軌跡的影響規(guī)律，通過定向方式及早脫離裂縫，避免軌跡出現(xiàn)大的變化，保持軌跡圓滑。