肖新磊，席境陽，杜 旭，王迎春

（1.中石化勝利石油工程有限公司公司技術(shù)發(fā)展部，山東 東營 257000；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000；3.中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司，山東 東營 257000；4.中石化勝利石油工程有限公司固井技術(shù)服務(wù)中心，山東 東營 257000）

0 引言

勝利油田濟(jì)陽坳陷頁巖油資源量達(dá)41 億t 以上，F(xiàn)Y1-1HF 井峰值日產(chǎn)油262.8 t，刷新了國內(nèi)頁巖油單井日產(chǎn)最高紀(jì)錄，開發(fā)前景廣闊［1-2］。但勝利油田頁巖油地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井工程面臨諸多地質(zhì)挑戰(zhàn)和工程難題，尤其是上部二開?311.1 mm 井段十分突出。國內(nèi)外在?311.1 mm 井眼鉆井方面主要通過高效鉆頭、大扭矩螺桿等工具應(yīng)用以提高鉆井效率［3-4］，為勝利油田頁巖油上部地層的高效鉆進(jìn)提供了借鑒，但獨(dú)特的地質(zhì)條件、井身結(jié)構(gòu)及軌道設(shè)計(jì)使得?311.1 mm 井眼鉆進(jìn)中面臨的鉆頭壽命低、行程進(jìn)尺少、斜井段滑動(dòng)效率低的問題亟待解決。本文針對勝利油田牛莊洼陷?311.1 mm 井眼鉆進(jìn)的工程問題，開展了提速工藝分段優(yōu)化、軌跡優(yōu)化、高效鉆頭與提速工具的研制配套，該技術(shù)在勝利油田牛莊洼陷20 口頁巖油井的實(shí)踐應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了提高機(jī)械鉆速與行程進(jìn)尺、縮短鉆井周期的目的，創(chuàng)造了多項(xiàng)?311.1 mm 井眼施工紀(jì)錄，為濟(jì)陽坳陷頁巖油資源的勘探開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

1 二開井段工程技術(shù)難點(diǎn)

1.1 地層特性

從鉆遇地層的情況來看，牛莊洼陷頁巖油自上而下依次鉆遇第四系、平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組和沙河街組，見表1。

從地層層序及巖性分布上，東營組以淺地層成巖作用差［5］，館陶組底部-東營組含有礫石，對鉆頭的沖擊破壞性強(qiáng)，易造成鉆頭崩齒，嚴(yán)重鉆頭壽命影響，導(dǎo)致行程進(jìn)尺短，鉆井時(shí)效低；沙河街組以深地層大段硬質(zhì)泥巖、灰質(zhì)夾層，可鉆性在5 級以上［6-7］，鉆頭吃入困難、破巖效率低。

1.2 二開鉆井提速技術(shù)難點(diǎn)

勝利油田頁巖油井采用三開制井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一開采用?444.5 mm 鉆頭，下?339.7 mm 表層套管至井深800 m，封隔疏松表層及地表水層；二開采用?311.1 mm 鉆頭，下?244.5 mm 技術(shù)套管進(jìn)入沙三下地層20 m（垂深），封過沙三中低壓地層；三開采用?215.9 mm 鉆頭完成目的層鉆進(jìn)，并下入?139.7 mm 套管，如圖1 所示。

圖1 勝利油田頁巖油水平井井身結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Well structure of shale oil horizontal well of Shengli Oilfield

井眼軌道采用“直-增-穩(wěn)-增-平”五段制軌道類型設(shè)計(jì)，造斜點(diǎn)井深約為3000 m，位于沙三中亞段地層；二開完鉆垂深約為3400 m 左右，進(jìn)入沙三下亞段地層，中完井斜30°～40°，見表2。

表2 A 井靶前井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Well trajectory design parameters before drilling to target

結(jié)合地層特性，牛莊洼陷頁巖油上部二開斜井段位于沙河街組三段，一方面地層可鉆性差，鉆頭破巖難度大；另一方面，?311.1 mm 大尺寸井眼滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆頭穩(wěn)定性與攻擊性矛盾突出，工具面穩(wěn)定難度大，導(dǎo)致鉆井效率低。

2 大尺寸井眼鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大尺寸井眼提速工藝分段優(yōu)化

針對勝利油田頁巖油?311.1 mm 大尺寸井眼面臨的地質(zhì)特性與工程難點(diǎn)，優(yōu)化了不同井段的提速工藝，以提高技術(shù)針對性。

（1）直井段采用“耐磨混合齒PDC 鉆頭+大扭矩螺桿”工藝，解決礫石層鉆頭損傷大、壽命低，行程進(jìn)尺少的問題，完成全部直井段及部分增斜段鉆進(jìn)；

（2）斜井段采用“牙輪-PDC 混合鉆頭+大扭矩螺桿+減摩降阻工具”的鉆進(jìn)工藝，解決大尺寸井眼滑動(dòng)鉆進(jìn)PDC 鉆頭穩(wěn)定性差、“托壓”嚴(yán)重導(dǎo)致的鉆進(jìn)效率低的問題，完成二開全部斜井段施工。

2.2 井眼軌跡優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)“兩趟鉆”完成二開施工的目標(biāo)，對二開井眼軌道設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）下壓造斜點(diǎn)，達(dá)到延長直井段、縮短斜井段的目標(biāo)——提高PDC 鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)尺，減輕牙輪-PDC 混合鉆頭的進(jìn)尺壓力；

（2）提高造斜率：一方面可以以較少的滑動(dòng)施工工作量完成斜井段施工的任務(wù)，另一方面可以為三開軌跡控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供保障。

2.3 高性能個(gè)性化鉆頭研制

2.3.1 穿礫石層耐磨混合齒PDC 鉆頭

館陶組底部-東營組上部分布100～200 m 厚的礫石層［8-9］，鉆頭的沖擊損壞較為嚴(yán)重、單只鉆頭進(jìn)尺少。為實(shí)現(xiàn)直井段“一趟鉆”鉆進(jìn)目標(biāo)，通過礫石層巖石-切削齒相互作用機(jī)理分析及強(qiáng)度特性分析［10-12］，研制了穿礫石層高耐磨混合齒PDC 鉆頭。該鉆頭采用三棱齒+錐齒的抗沖擊穩(wěn)定切削結(jié)構(gòu)（見圖2），三棱齒具有比平面齒更高的抗沖擊性能，能夠承受更高的沖擊載荷而不失效；后排錐齒可以劈碎礫石，減小礫石對鉆頭的沖擊作用，同時(shí)起到穩(wěn)定鉆頭切削狀態(tài)的作用，提高鉆頭鉆進(jìn)過程中的穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低鉆頭沖擊損壞的可能性。

圖2 穿礫石層耐磨混合PDC 鉆頭Fig.2 Wear-resistant PDC bit drilling through gravel layer

2.3.2 牙輪-PDC 混合鉆頭

鉆井實(shí)踐表明：牙輪-PDC 混合（俗稱“獅虎獸”）鉆頭在滑動(dòng)鉆進(jìn)中能顯著降低鉆頭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、減弱鉆頭黏滑，提高滑動(dòng)過程中工具面穩(wěn)定性，對提高滑動(dòng)鉆進(jìn)效率具有積極作用［13］。適合在致密泥頁巖、不均質(zhì)地層進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)，其導(dǎo)向鉆進(jìn)能力與牙輪鉆頭相當(dāng)，同時(shí)由于PDC 切削齒的作用，“獅虎獸”鉆頭的破巖效率與機(jī)械鉆速更高、純鉆壽命更長。能解決大斜度井定向井段摩阻扭矩大、“托壓”嚴(yán)重和工具面不穩(wěn)定的問題，并能夠提高大斜度井定向井段的鉆進(jìn)速度［14］。

采用3 刀翼+3 牙輪結(jié)構(gòu)布局（見圖3），PDC 部分主切削齒采用19 mm 復(fù)合片大齒間距中等后傾角布齒，內(nèi)錐齒間距7～8 mm，鼻肩部齒間距5～6 mm，能夠有效提高鉆頭吃入能力［14］；內(nèi)錐后傾角15°～18°，鼻肩部后傾角18°～22°，能夠提高復(fù)合片抗沖擊能力，防止崩齒環(huán)磨。采用2 排齒設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高鼻肩部布齒密度，防止環(huán)磨。

圖3 牙輪-PDC 混合鉆頭Fig.3 Cone-PDC mixed bit

內(nèi)錐、鼻肩部采用高端抗沖耐磨復(fù)合片，規(guī)徑采用高端進(jìn)口抗沖擊復(fù)合片，強(qiáng)化保徑設(shè)計(jì)，防止定向鉆進(jìn)及高轉(zhuǎn)速工況下縮徑。采用深排屑槽設(shè)計(jì)，優(yōu)化噴嘴組合，保證了良好的排屑效果，防止鉆頭泥包。

牙輪部分采用3-3-4 齒排勺形齒設(shè)計(jì)，冠部牙輪齒高度比PDC 切削齒高1～2 mm，能夠提高泥巖地層切削效率，同時(shí)保護(hù)內(nèi)錐外側(cè)和鼻肩部復(fù)合片，提高破巖效率并防止崩齒。

2.4 關(guān)鍵提速工具配套

斜井段定向鉆進(jìn)過程中，鉆柱僅沿井眼軸線方向滑動(dòng)，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，鉆柱與井壁之間近似于靜摩擦，鉆壓傳遞困難，并且隨著井斜的增加，“托壓”現(xiàn)象愈加明顯。主要表現(xiàn)為：（1）指重表讀數(shù)不斷增加，但鉆頭并未真正接觸井底，鉆壓主要由井壁對鉆桿的摩阻承擔(dān)，不能產(chǎn)生有效進(jìn)尺；（2）為使鉆頭真正接觸井底產(chǎn)生破巖效果，需要不斷施加鉆壓、過度釋放鉤載，易發(fā)生鉆柱突然釋放，鉆頭猛烈沖擊井底導(dǎo)致憋泵，且螺桿鉆具的扭矩突然升高劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致工具面不穩(wěn)定。以上情況下，需要頻繁上提下放鉆具，釋放鉆具摩阻和扭矩，重新定向工具面，嚴(yán)重降低了滑動(dòng)鉆進(jìn)效率。

為解決?311.1 mm 大尺寸井眼滑動(dòng)鉆進(jìn)“托壓”頻繁、工具面穩(wěn)定性差、鉆進(jìn)時(shí)效低等問題，配套應(yīng)用了水力振蕩器和鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從井下、地面雙管齊下，實(shí)現(xiàn)了減摩降阻、提速提效的目的。

2.4.1 水力振蕩器優(yōu)化

水力振蕩器能夠?qū)⑺δ芰哭D(zhuǎn)換為軸向振動(dòng)的機(jī)械能，是減少滑動(dòng)鉆進(jìn)中“托壓”現(xiàn)象的有效手段，同時(shí)可以降低鉆具粘卡風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆進(jìn)安全性［15-16］。但水力振蕩器工作過程中會造成更多的水力壓耗，給機(jī)泵設(shè)備帶來更大負(fù)荷。為此在原有水力振蕩器基礎(chǔ)上對振蕩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。

（1）工具結(jié)構(gòu)改進(jìn)。一方面，在原振蕩短節(jié)中新增加1 個(gè)固定活塞，使活塞反饋面積增大70%，從而提高振蕩力。另一方面，通過增大偏心閥過流孔直徑，降低工具壓耗，同等振蕩減阻效果下，壓耗降低40%。

（2）主要技術(shù)參數(shù)。利用工具室內(nèi)檢測試驗(yàn)臺架對水力振蕩器工具性能進(jìn)行了測試，通過在工具兩端連接進(jìn)水和回水管線，形成測試回路，如圖4 所示。利用壓力傳感器、線性位移傳感器測量工具的主要技術(shù)參數(shù)，見表3。

圖4 工具室內(nèi)檢測試驗(yàn)臺架測試流程Fig.4 Flow chart of testbed in tool room

表3 水力振蕩器室內(nèi)測試性能參數(shù)Table 3 Indoor test performance parameters of hydraulic oscillator

（3）配套軟件。配套開發(fā)了水力振蕩器安放位置優(yōu)化計(jì)算軟件，可根據(jù)井眼尺寸、鉆具組合、軌跡參數(shù)、鉆井液性能等條件，計(jì)算不同鉆井參數(shù)條件下的水力壓耗及工具振蕩力輸出，優(yōu)化水力振蕩器選型及安放位置，如圖5 所示。

圖5 水力振蕩器應(yīng)用優(yōu)化計(jì)算軟件計(jì)算流程Fig. 5 Calculation flow of hydraulic oscillator application optimization

2.4.2 鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)應(yīng)用

鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以在滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中，控制上部鉆具周向往復(fù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保持底部鉆具組合靜止，實(shí)現(xiàn)最大程度地降低摩阻、保持工具面穩(wěn)定的目的，從而提高滑動(dòng)鉆進(jìn)的施工時(shí)效［17-18］。鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)通過變頻器控制頂驅(qū)/轉(zhuǎn)盤電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)過程中可靈活快捷的調(diào)整控制參數(shù)，做到既讓上部大部分鉆柱扭轉(zhuǎn)起來，又保持底部鉆具組合靜止。

鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由主控儀、司鉆操作顯示儀、慣剎氣壓傳感器、轉(zhuǎn)盤電機(jī)編碼器、變頻器驅(qū)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等組成。鉆柱扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)可與鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)自由切換，采集慣剎氣壓信號、轉(zhuǎn)盤電機(jī)風(fēng)機(jī)信號及鏈條箱潤滑油泵信號形成互鎖保護(hù)；通過電機(jī)編碼器快速精確采集與控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和速度信號，形成控制閉環(huán)。

鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)自動(dòng)控制軟件由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成，上機(jī)位軟件具備參數(shù)設(shè)置、扭轉(zhuǎn)參數(shù)調(diào)節(jié)、MWD 及錄井?dāng)?shù)據(jù)顯示等功能。下位機(jī)軟件主要包括硬件組態(tài)和梯形圖程序塊等，主要實(shí)現(xiàn)角度精確定位、角度扭轉(zhuǎn)控制、扭矩扭轉(zhuǎn)控制等功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

頁巖油?311.1 mm 大尺寸井眼優(yōu)快鉆井技術(shù)在牛莊洼陷國家級頁巖油示范區(qū)試驗(yàn)井組應(yīng)用20口井，總進(jìn)尺122300 m，機(jī)械鉆速和行程進(jìn)尺顯著增加，二開鉆井周期顯著縮短，提速提效成果顯著：二開平均機(jī)械鉆速20.71 m/h，較同區(qū)塊前期（12.26 m/h）提高40.8%；二開平均行程進(jìn)尺1227.3 m/趟鉆，較同區(qū)塊前期（658.5 m/趟鉆）提升46.35%；二開平均鉆井周期11.05 d，較同區(qū)塊前期（24.86 d）縮短55.55%。

以示范區(qū)A 井為例，通過該技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了勝利油田頁巖油二開兩個(gè)“一趟鉆”的目標(biāo)，創(chuàng)造了? 311.1 mm 大尺寸井眼日進(jìn)尺1620 m 的紀(jì)錄，最短鉆井周期6.33 d，該指標(biāo)處于國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先水平。

根據(jù)下壓造斜點(diǎn)、提高造斜率的優(yōu)化思路，直井段增加了500 m，造斜井段縮短50 m，穩(wěn)斜段縮短563 m，二開造斜率增加1.1°/30 m，中完井斜基本保持一致，如表4 所示。

表4 A 井眼軌跡優(yōu)化前后對比Table 4 Comparison before and after well trajectory optimization

直井段采用高性能耐磨混合齒PDC 鉆頭配合大扭矩螺桿鉆具的鉆進(jìn)工藝，單趟進(jìn)尺1576 m，一趟鉆完成二開直井段，直井段平均機(jī)械鉆速提高至47.18 m/h。

進(jìn)入斜井段后，起鉆更換為牙輪-PDC 混合鉆頭配合大扭矩螺桿及水力振蕩器，鉆具結(jié)構(gòu)為? 311.2 mm 混合鉆頭+?172 mm 1.25°螺桿+?210 mm 扶正器+浮閥+?127 mm 無磁承壓+MWD 無磁懸掛+?127 mm 加重鉆桿×3 根+?127 mm 鉆桿×7 根+?203 mm 水力振蕩器+?127 mm 鉆桿+?139.7 mm 加重鉆桿。配套鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的鉆進(jìn)工藝，由“托壓”導(dǎo)致的滑動(dòng)鉆進(jìn)輔助時(shí)效降低66.26%，滑動(dòng)摩阻降低50%～88%（見表5），平均滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速11.13 m/h，較區(qū)塊鄰井提高3 倍以上，一趟鉆完成斜井段施工。

表5 A 井鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of application effect of string bidirectional torsion system in Well A

4 結(jié)論與建議

（1）牛莊洼陷地質(zhì)條件復(fù)雜，?311.1 mm 大尺寸井眼鉆井提速提效難度大，上部地層鉆頭壽命短、行程進(jìn)尺少，斜井段滑動(dòng)鉆進(jìn)效率低，機(jī)械鉆速慢等問題成為限制二開鉆井時(shí)效的關(guān)鍵因素。實(shí)踐表明，以“分段提速”思路為核心，通過井眼軌跡優(yōu)化、高性能鉆頭及提速提效工具的研選配套、鉆井液體系優(yōu)選及工藝優(yōu)化等工藝技術(shù)應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了勝利油田牛莊洼陷頁巖油大尺寸井眼的提速提效。

（2）參考國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)分開次“一趟鉆”是實(shí)現(xiàn)大幅度提速提效的關(guān)鍵途徑，目前二開兩個(gè)“一趟鉆”的分段提速工藝仍有較大提升空間。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，通過長壽命高穩(wěn)定性定向PDC 鉆頭研制，進(jìn)一步解決PDC 鉆頭再滑動(dòng)鉆進(jìn)過程中破巖效率與穩(wěn)定性之間的矛盾，為實(shí)現(xiàn)開次“一趟鉆”打好基礎(chǔ)。