大尺寸井眼优快钻井技术在 厄瓜多尔T区块的研究与应用

黄鑫(西南石油大学，四川 成都 610500)

0 引言

在钻井行业中，井径大于12 1/4"的井眼为大尺寸井眼[1]。由于T区块主要为晚三系、第三系地层，其沉积时间短，稳定性差，加之Orteguaza组地层绿色页岩中夹硬脆性薄煤层、Tiyuyacu组存在可钻性差且易缩径的砾石层等钻井技术难点，该区块常规采用三开井身结构(如表1所示)。在此井身结构中，大尺寸井眼需钻至井深2 800 m左右，约占全井井深的80%～90%左右。所以大尺寸井眼段机械钻速的快慢直接决定了区块单井钻井周期和成本。

表1 区块常用井身结构及套管程序

2 大尺寸井眼提速难点分析

(1)破岩效率低。通常而言，破岩效率的高低可用破碎单位体积岩石所消耗的机械能来评价。对于冲旋钻井来说，破岩机械能可采用比钻压与转速的乘积来衡量。由于大尺寸井眼钻头破岩面积大，但其所加钻压却与8 1/2"井眼相差无几，导致其机械破岩能量不足，破岩效率较低。(2)水力能量偏低。一方面，在相同的泵压条件下，大尺寸钻头比水马力比小尺寸钻头比水马力大大下降，且随着井深增加，沿程水马力损失大幅增加，钻头水马力进一步下降；另一方面，大尺寸井眼中形成的钻屑数量多、粒径大、沉降速度快，使得井底清洁更困难，携砂返排对钻井泵和钻井液性能要求高。(3)憋跳钻较严重。由于T区块上部地层非均质性强、可钻性差异大，扭矩波动大，导致在长大尺寸井眼段钻进过程中钻具容易发生憋跳。这不仅影响钻井速度，还增加了因交变应力及瞬时高冲击载荷作用致使钻具损坏、PDC钻头提前失效等复杂情况出现的概率。(4)钻头冷却要求更高。由于井径大，钻头线速度高，其冷却难度就比8 1/2"井眼大，容易导致PDC钻头复合片的热加速磨损。(5)钻井液维护处理难度大。大尺寸井眼容积大、钻井液浸泡面积大，加之区块大尺寸井眼井段地层井壁机械稳定性差、易膨胀和垮塌，且如果钻井液返速较低就会使得岩屑量增加，泥岩的细分散使钻井液流变性变差，岩屑易粘附在井壁上引起缩径。因此，大尺寸井眼须处理的钻井液量及难度就相对更大。

3 大尺寸井眼优快钻井技术分析

3.1 强化钻头合理选型研究

根据区块地质特征及前期现场钻头使用情况，结合理论分析，逐步完善优化各开次钻头选型序列(如表2所示)。

表2 区块钻头优选特征

(1)选用浅锥形冠部轮廓、倾斜螺旋刀翼式布齿、切削齿后加背齿限位、以及螺旋保径设计，提高PDC钻头稳定性，延长其使用寿命。(2)PDC钻头切削齿尺寸小，产生比压高，吃入硬地层能力强，而大尺寸切削齿在软地层中切削效率高。针对T区块地质情况，选用19 mm主切削齿提高上部欠压实地层切削效率。(3)对于16"井眼，在150 m之前时而会钻遇胶结疏松的大颗粒砾石。在保证钻进参数的基础上，为避免PDC钻头切削齿先期损坏的风险，建议用牙轮钻头钻至造斜点后起钻换PDC钻头进行后续作业。

3.2 合理使用底部钻具组合

(1)合理选用欠尺寸双扶正器，强化井下动力钻具组合稳、增能力，尽量提高复合钻进时效；对于造斜要求高、难度大的井，可考虑使用旋转导向系统，以消除滑动导向工具面不易控制、易托压等困难，使井眼轨迹更加平滑。(2)采用5 1/2"大尺寸钻杆，减少沿程压耗增加钻头压降，提高水力破岩能力，并为提高环空返速和携岩能量创造有利条件[2]。(3)使用5 1/2"加重钻杆代替钻铤，一方面，能降低循环压耗，有效缓解为提高机械钻速而使用高级数螺杆后产生的高泵压问题；另一方面，因不使用钻铤而简化了钻具组合，在一定程度上降低了较深井段的阻卡风险。

3.3 优化钻进参数

(1)机械参数方面，钻压和转速都是破岩的必要条件，两者配合决定了破碎岩石的方式。对于16"井眼，可适当减小钻压而提高转速来获得更高的机械钻速，因为该段以泥岩和页岩为主，地层较为松软，软地层对钻压不敏感，但在软地层中机械钻速与转速近似呈线性关系变化；对于12 1/4"井眼，可采用适当加大钻压而减小转速来提高切削效率，因为随着地层硬度的提高，钻头破岩时间延长，如果一味增大钻速，会使岩石破碎过程不完全，切削齿还未充分破碎岩石就与岩石分离开，引起破岩深度减小。(2)水力参数方面，虽然增加排量会增加循环压耗，但在现有设备承载能力之内，提高排量能增大钻头获得的压力能，能更好地增加清洗、冷却钻头以及清洁井底的能力，因此建议用大排量、高水力参数钻进。而对于26"井眼以及16"井眼直井段，由于地层疏松易发生窜漏，宜控制排量钻进，建议最大排量不超过500 gpm。(3)对于含有砾石层的Tiyuyacu层段，非均质性强，PDC钻头切削齿易发生冲击损坏，而且砾石不易破碎，导致钻屑较大而很难循环出来，并且排量越大，所需的划眼次数越多[3]，因此钻进砾石层时需控参数钻进，建议使用参数为排量450～600 gpm，钻压10 klbs，转速50 r/min。

3.4 改善防塌钻井液性能

(1)针对大尺寸井眼大段泥、页岩层井壁失稳的难题，虽然基本思路是以物理防塌和化学防塌相结合，但优选低粘、低密度钻井液，将其密度控制在1.20 g/cm3(10.0 ppg)以下，粘度小于40 s，以减少压持效应，降低循环压耗，提高射流水力效能。(2)针对16"井眼地层恶性造浆严重、体系固相含量高、聚集泥块堵塞等问题，使用钙盐聚合物钻井液体系，利用钙离子压缩双电层作用以及聚合物的聚合作用，建立粗分散、强抑制、低流变体系，使固相颗粒适度絮凝，从而确保井壁稳定，避免钻头泥包、缩径和泥浆循环管汇堵塞，提高井段机械钻速。(3)针对12 1/4"井眼砾石层易坍塌缩径、硬脆性页岩易垮塌等问题，通过有机胺页岩抑制剂分子吸附在粘土的表面，与水分子竞争粘土的有效位阻来降低粘土膨胀；利用复合抑制剂封堵地层层理和微裂缝，减少钻井液滤液渗入地层，有效抑制地层水化膨胀，增强地层稳定性。(4)井斜角35～60°的井段长，由于重力作用、钻具偏心、大尺寸井眼钻屑浓度大、循环压耗随井深增加等原因，容易造成钻屑堆积井底，或粘附井壁和钻具，因此应强化井筒清洁配套措施，即每钻进3～5根立柱，利用低粘切钻井液和高纤维素稠浆破坏岩屑床，净化井筒。

3.5 充分运用固控技术

强化钻井液性能维护，使用“线性振动筛+除砂器+除泥器+离心机”四级固控系统，满足固控需求，提高钻井液性能，提升破岩效率。

3.6 强化设备保障及工序衔接

强化责任落实和制度执行，坚持设备日常巡检和不定期抽检相结合，强调顶驱、泥浆泵、VFD房等重点设备、关键领域的检查、维护及保养，抓牢抓实设备高负荷运转的保障工作。

4 现场应用效果

(1)大尺寸井眼段提速效果显著，16"井眼及12 1/4"井眼平均机械钻速均提升约50%，分别至30 m/h、18 m/h，而复杂层段砾石层段复合钻进平均机械钻速提升约44%，至13 m/h。(2)有效缩短单井完钻周期，定向井平均钻井周期由原来的20天现已缩短至12天；水平井平均钻井周期由原来的22天以上现已基本缩短至15天左右。T区块定向井完钻周期缩短趋势如图1所示。

图1 T区块定向井完钻周期缩短趋势

(3)区块钻井周期大幅缩短，使得单井成本显著降低。使用优化后的大尺寸井眼优快钻井配套技术，单井成本降低约40%，有效提升单井效益，为区块增储上产提供了有力支撑。

5 结语

以“优选型、优组合、优参数、提性能、强保障”为思路的大尺寸井眼优快钻井综合配套技术能有效提高T区块机械钻速，缩短钻井周期，降低单井成本，并在厄瓜多尔奥连特盆地具有较好的地区适应性和推广价值。下步将需进一步针对12 1/4"井眼砾石层等复杂层段深入开展“一趟钻”技术研究，争取普遍达到“一层套管一趟钻”的水平。