高速导向涡轮钻井技术在元陆H-1井的应用

董成林 徐泓 陶现林 母亚军 蒲军

（1.中国石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南 濮阳 457001）

高速导向涡轮钻井技术在元陆H-1井的应用

董成林1徐泓1陶现林1母亚军1蒲军2

（1.中国石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原石油工程有限公司海外工程公司，河南 濮阳 457001）

川东北元坝地区须家河组地层以泥岩、细砂岩、粉砂岩为主，存有砾石层，岩性致密，硬度高，可钻性差。为有效解决常规钻具在该地层机械钻速慢的问题，在该地区直井中应用了高速涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术，为研究水平井中高速涡轮钻井的适用性，提高机械钻速，元陆H-1水平井首次使用了高速导向涡轮钻井技术。通过分析与研究，高速导向涡轮钻井技术可以推广应用到与须家河组相似地层的水平井钻井中，能有效提高机械钻速。

高速导向涡轮钻具 孕镶金刚石钻头 元陆H-1井 水平井 须家河组

0 引言

近年来，高速涡轮技术在国内多个区块进行了应用并取得了较好的成绩，配套技术也趋于成熟与完善，但是极少应用在水平井中。元坝地区油气钻井中，高速涡轮钻井技术在直井钻探中取得了较好成绩［1-3］，若能应用在水平井钻井中，必将有效提高机械钻速，大幅降低钻井成本。鉴于此，中国石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司将高速导向涡轮钻井技术应用到元陆H-1井第四次开钻水平井段，获得了极大成功。因此，有必要对此项技术进行深入研究，以供其他地区水平井钻井借鉴。

1 元坝地区须家河组地层可钻性分析

1.1 井身结构

元陆H-1井位于川东北元坝九龙山南鼻状构造带，设计井深为5839.70m，垂深4527.41m，全井位移1549.54m，靶前位移399.65m，水平段长1101.22m，为一口长水平段、中长半径水平井。井眼轨迹定向段穿越自流井底部、须家河组五段、四段、三段、二段，水平段位于目的层须家河组致密砂岩气层。设计井身结构如表1所示。

表1 元陆H-1井井身结构表

1.2 地层岩性特征及可钻性分析

元坝地区为中国石化近年来重点开发的新区域，元坝H-1井勘探目的层为须家河组二段致密砂岩气藏（根缘气藏）［4-5］。在元陆H-1井钻探中，须家河组地层及岩性特征有：①3989～4007m垂深为三叠系上统须五段，地层岩性为灰色泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩。②4007～4083m垂深为三叠系上统须四段，地层岩性以灰色细砂岩、砂砾岩为主，夹深灰色泥岩。③4083～4340m垂深为三叠系上统须三段，地层岩性为深灰色泥岩、粉砂质泥岩与灰色泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩不等厚互层夹灰黑色碳质泥岩、黑色煤。④4340～4550m垂深为

三叠系上统须二段，为目的层段，地层岩性以深灰色泥岩、灰黑色碳质泥岩为主，夹灰色细砂岩、黑色煤。

须家河组地层岩性致密，硬度高，可钻性差。元陆H-1井水平段长，起下钻摩阻高，钻井液性能要求高，在使用涡轮定向钻进中，由于涡轮的高转速和孕镶金刚石钻头的破岩特性，产生的岩屑颗粒极细，进入钻井液中易造成黏切升高，钻井液性能维护费用高。

2 应用情况

2.1 元坝地区高速涡轮使用情况

为有效解决元坝地区硬地层牙轮钻头使用寿命短、机械钻速低的问题，在早期的元坝123井、元坝10井、元坝121井等都试验使用了高速涡轮钻井技术，机械钻速显著提高［6］。在元坝123井高速涡轮试验中，平均机械钻速达到了1.69m／h，与常规钻井（0.86m／h）相比提高了95.4%。可以看出，高速涡轮钻井技术在元坝地区的钻井中已趋于成熟。

2.2 元陆H-1井施工概况

元陆H-1井上部的钻进中，第一次开钻使用牙轮钻头钻进至设计井深；第二次开钻702～1843m井段，符合气体钻井条件，使用气体钻井，之后使用牙轮钻头钻进至设计井深；第三次开钻使用牙轮钻头钻进至3952m处，开始定向，先使用单弯螺杆常规定向至井深4040.28m，之后使用贝克休斯旋转导向定向钻进至4401.95m（井斜46°），最后使用单弯螺杆定向至井深4489m（垂深4407.33m）中完；第四次开钻钻进中，先采取常规钻具钻进至4503m，之后下入斯伦贝谢导向涡轮＋斯密斯孕镶金刚石钻具组合定向施工，钻至设计井深。使用导向涡轮钻进总进尺为1292m，平均机械钻速为2.76m／h。

2.3 高速导向涡轮高效钻井技术使用效果探析

与转盘旋转钻进组合或螺杆钻具组合相比，涡轮钻井通常要求的钻压都比较低，所以井下钻具组合的长度可能会因为少用钻铤或加重钻杆而有所减小；这种对大钻压不做过分需求的组合特性允许优化的钻具组合设计，以尽可能地减少钻具组合内部寄生压力损失为目标，从而最大程度地提高涡轮钻具自身的压降，以达到最大限度发挥涡轮钻具效率的目的。为此，本井涡轮钻井的井下钻具组合为：∅215.9mm孕镶金刚石钻头×0.42m＋∅168.28 mmNeyrfor1.25°导向涡轮钻具（加长动力组合，本体带两个263.5mm扶正器）×11.99m＋双公431×411× 0.40m＋浮阀430×410×0.54m＋MWD短节×0.63 m＋无磁承压钻杆×9.13m＋无磁接头410×411× 0.87m＋∅127mmDP×28.85m＋旁通阀410×411× 0.48m＋∅127mmDP×229.99m＋变扣411×520× 0.48m＋∅139.7mm加重钻杆×360.94m＋∅139.7 mmDP＋下旋塞520×521×0.45m＋顶驱。

导向涡轮钻具使用过程中，定向钻井段参数为：钻压30～120kN，排量26～28L／s，泵压25～27MPa，密度为1.97g／cm3；复合钻井段参数为：钻压30～70kN，排量26～28L／s，泵压25～27MPa，密度为1.98g／cm3。导向涡轮钻进4503～5795m井段，进尺为1292m，纯钻468h，平均机械钻速2.76 m／h。其中，定向造斜段为4503～4729.18m，耗时10d，进尺226.18m，纯钻131h，平均机械钻速1.73m／h；定向水平段为4729.18～5795m，耗时22.29d，进尺为1065.82m，纯钻337h，平均机械钻速3.16m／h。

1）机械钻速对比分析。通过对比分析H-1井不同井段机械钻速（表2）可以看出，在硬度较高的含砂砾岩地层中，常规牙轮钻头在常规井段平均机械钻速为0.71～0.82m／h，在定向井段仅为0.49m／h，旋转导向钻井在定向井段平均机械钻速为0.52m／h，而在定向井段使用导向涡轮钻井平均机械钻速达到了2.76m／h，相比旋转导向钻井方式机械钻速提高了4.3倍。可以看出，采取导向涡轮＋孕镶金刚石先进技术可以在类似地层中大幅提高机械钻速。

2）周期对比分析。根据邻井实钻资料，215.9mm井眼须家河组直井段平均机械钻速为0.81m／h，单只钻头平均进尺为53m，纯钻时效为45%，以此估算，元陆H-1井4503～5795m段使用常规钻具钻井周期为147.69d。使用导向涡轮钻井后，机械钻速为2.76m／h，纯钻时效达到了60.40%，周期为32.29d（表3）。可以看出，使用导向涡轮＋孕镶金刚石钻头快钻技术后，平均机械钻速增加了1.95m／h，纯钻时效提高了15.4%，周期节约了115.40d，提速提效效果显著。

3）在H-1井应用中所创记录情况。元陆H-1井水平段为4729.18～5795m，段长达1066m，创该地区陆相水平井∅215.9mm井眼水平段最长记录。在导向涡轮钻井4503～5795m井段，耗时32.29d，进尺1292m，纯钻468h，平均机械钻速2.76m／h，纯钻时效60.4%，创元坝区块涡轮钻井机械钻速和纯钻时效最高记录。同时，所用的孕镶金刚石钻头进尺高达1292m，创须家河陆相地层单只∅215.9mm钻头最高进尺记录。

表2 元陆H-1井不同井段机械钻速对比表

表3 常规钻井与导向涡轮钻具钻井第四次开钻定向段的周期对比表

3 高速导向涡轮钻井技术在水平井钻井中的注意事项

与常规钻具相比，高速导向涡轮在钻井过程中，工作压力比常规钻具要高很多，且产生的岩屑颗粒更细，所以在钻井液循环和固控系统方面对设备要求更高。在水平井钻井中，需要注意以下问题：①强化设备配套。在设备配套中，循环管线、水龙带、冲管等要求具备更高的耐压性能，固控设备也需要提高性能，以保证钻井液性能符合钻井要求。②高速导向涡轮钻具钻进过程中，受泵压影响极大，在操作中需要稳定的泵压，忌讳频繁开停泵。③在钻井过程中，注意控制钻压。钻压过大，高速导向涡轮切削阻力矩增大，导致钻速降低，有可能导致涡轮制动；钻压过小会降低涡轮钻井效果。

4 结论与认识

高速导向涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井技术在元坝地区的应用日渐成熟，在H-1水平探井的应用中，机械钻速达2.76m／h，创造该地区高速涡轮钻井机械钻速最高纪录。高速导向涡轮钻具技术在H-1井须家河组地层中的应用取得良好效果，可以在元坝地区须家河组地层钻井中推广应用。目前，租用贝克休斯公司高速导向涡轮钻具费用较高，国内高速涡轮技术试用效果还不甚理想，建议加大高速涡轮钻具和孕镶金刚石钻头的研究力度，尽快赶上国外技术水平。

［1］董明键，肖新磊，边培明.复合钻井技术在元坝地区陆相地层中的应用［J］.石油钻探技术，2010，38（4）：38-40.

［2］全家正，李霜，赵明敏，等.涡轮钻井技术在川西地区的应用［J］.天然气勘探与开发，2011，34（4）：78-80.

［3］解兰宏，张金成，张东，等.涡轮钻井技术在元坝等重点区块的应用［J］.石油钻探技术，2011，39（6）：15-18.

［4］张金川，刘丽芳，唐玄，等.川西坳陷根缘气藏异常地层压力［J］.地学前缘，2008，15（2）：147-155.

［5］蒲军，张金川，王志欣，等.川西坳陷深盆气研究进展与问题讨论［J］.地球科学与环境学报，2004，26（2）：34-37.

［6］董明键.元坝124井超深井钻井提速配套技术［J］.石油钻探技术，2011，39（6）：23-26.

（编辑：李臻）

B

2095-1132（2014）05-0031-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.05.009

修订回稿日期：2014－08－26

国家自然科学基金项目（41102088）资助。

董成林（1991－），工程师，从事钻井工程管理工作。E-mail：zj03dcl@126.com。