华北JX井∅215.9mm井眼“一趟钻”钻井关键技术

2022-02-14刘昊昕王建龙江加国卢宝斌刘学松

西部探矿工程 2022年2期

郑锋，刘昊昕，王建龙，江加国，张翔，卢宝斌，刘学松

（1.渤海钻探工程技术研究院，天津300280；2.渤海钻探第五钻井工程分公司，河北河间062450；3.渤海钻探塔里木钻井分公司，新疆库尔勒841000；4.渤海钻探定向井技术服务分公司，天津300280）

“一趟钻”钻井技术减少了单井钻头用量、起下钻次数和时间，可有效缩短钻井周期，进而达到降低钻井成本的目的。近年来，为应对低油价的挑战和满足经济高效的勘探开发需求，“一趟钻”钻井技术应用越来越广泛[1-5]。国外页岩油气钻井中，一趟钻完成的进尺已超过5500m[6-7]。

华北油田束鹿凹陷油气储量丰富，为进一步提高开发效益，在JX 井试验了“一趟钻”钻井技术，以缩短钻井周期，节约钻井成本。JX 井为一口双增剖面定向井，设计井深2948.76m，最大井斜65.79°，该井二开钻遇多组地层、大斜度井段长，一趟钻完成造斜、稳斜井段钻进，需要解决摩阻扭矩大、井眼清洁困难、地层岩性变化大、易垮塌、漏失等问题。应用Landmark 软件模拟计算井眼清洁情况，确定使用水力振荡器减小摩阻、缓解定向拖压，应用井眼清洁工具改善井眼清洁状况；分析地层岩性、可钻性，优选PDC 钻头；计算不同钻具组合形式下，钻头所受侧向力，优化钻具组合，在稳斜段保持较好稳斜效果下，具备足够增斜能力；并进一步优化钻井液性能，加入新型防塌、防漏、润滑剂。

1 实施“一趟钻”快速钻井需解决的难题

JX井二开实施“一趟钻”快速钻井存在以下技术难点：

（1）造斜点浅、井斜大，钻井摩阻扭矩大，井眼轨迹控制困难。JX 井设计为双增剖面，造斜点542m，钻进至1020m 处井斜达 43°，自 1188.87m 开始增斜，钻进至1417.59m，井斜达65.79°，至井底为稳斜段。钻井过程中易出现钻压传递困难、定向托压、工具面不稳定等问题。

（2）大斜度井段长，井眼清洁困难，易形成厚岩屑床，环空憋堵，井漏、垮塌、卡钻等井下风险大。一般认为，钻井井斜角大于45°后即容易在井底产生稳定岩屑床[8-11]，JX 井二开井斜65.79°井段长达 1531.17m，井下易形成稳定岩屑床，给钻井施工带来巨大风险。

（3）地层岩性变化大，特别是馆陶组底部含砾岩，使用一只钻头高效完成全井段钻进难度高。二开井眼钻进地层包括馆陶组、东营组地层、沙河街组，不同地层岩性差别较大，一只钻头高效完成全部进尺难度大。如馆陶组底部为杂色砾岩，一般使用牙轮钻头钻进，在完成馆陶组钻进后，为进一步提高机械钻速，在东营组和沙河街组使用PDC钻头。

（4）钻具组合需具有良好的匹配性。二开一趟钻完成增斜段、稳斜段钻进，以稳斜段为主，钻具组合应具有良好稳斜性能。同时，增斜段设计全角变化率为3°/30m，需要保证增斜效率。分析区块实钻数据，常用的“弯螺杆+PDC 钻头”的钻具组合，稳斜段钻进增斜明显，需要频繁调整井眼轨迹，增加了钻井时间，并影响井眼质量。

（5）井漏、垮塌等复杂易发。钻遇地层主要岩性为泥岩、砂岩以及杂色砾岩，地层均质性差，沙河街上部含膏泥岩、油页岩，邻井多次发生井漏、垮塌。

2 “一趟钻”钻井关键技术研究

2.1 使用提速工具缓解定向托压，保障井眼清洁

定向钻井过程中，钻具不旋转，钻具贴附井壁处容易出现钻压传递困难，产生“托压”现象。水力振荡器可带动钻具轴向振动，将井下钻具所受静摩擦力转变为动摩擦力，钻具所受“托压”大幅减小，工具面稳定性得到改善，定向效率提升，图1为工具结构示意图。对JX井设计井眼轨迹分析，结合区块应用经验，将水力振荡器安放在距离钻头200m 位置，工具经井口测试压耗、振动正常后入井。

图1 水力振荡器结构示意图

应用Wellplan 软件分析了井眼清洁情况，结果见图2，预测钻进至井底，在1420～2900m 井段岩屑床厚度达16.55mm，进一步增大了管柱所受摩阻、扭矩，给钻井带来巨大风险。通过采取短起下、提高排量、改善钻井液性能、控制机械钻速等措施可以减小岩屑床厚度，但是这些技术手段在现场适用性有限。为进一步改善岩屑返出状况，破坏井下岩屑床，在钻具组合中安放多个井眼清洁工具。依据岩屑床计算结果，结合现场使用经验，确定在距离钻头220m、420m、600m、780m安放井眼清洁工具。

2.2 优选高效PDC钻头

依据邻井测井资料，通过建立的经验关系，计算分析JX井地层可钻性级值，二开井段地层岩性和可钻性级值预测结果见表1。二开井段钻遇地层岩石可钻性级值主要在2～5之间，地层硬度较小，属于软—中硬地层，非常适合高效PDC 钻头应用，但是要解决含砾地层，特别是馆陶组底部钻头磨损、破坏的问题。

在地层岩性特点分析的基础上，结合地区实钻钻头数据，优选T1665B 型钻头。该钻头刀翼数为6 个，采用双排齿设计，优化布齿结构和流道，保证穿过含砾层后仍然具备优秀的攻击性，同时，具备良好岩屑排出效果。图3 为该型钻头在JX 井二开使用前后照片，出井钻头存在个别切削齿磨损情况，但总体保护良好，可以继续使用。

2.3 优化钻具组合

图2 不同井深岩屑床厚度分析图

二开地层含砾，为避免钻头先期损坏，导致提前起钻，采用大排量中转速长寿命的井下动力钻具，以控制PDC 钻头在含砾层转速。经过对比分析，选用∅172mm 瓣比为5∶6 的单弯螺杆（弯角1.25°），允许最大排量36L/s，输出钻速120～160r/min，井下工作时长可达200h。

为满足钻井提速要求，并能适用于增斜、稳斜井段钻井，选用区块常用的“PDC+弯螺杆+稳定器”的“单弯单稳”钻具组合形式。同时，考虑到二开井段增斜/稳斜段长度比为1/8.3，钻具组合应具有较好的稳斜效果，钻头所受侧向力宜偏小。软件分析了上部稳定器尺寸、螺杆和上部稳定器之间距离、钻压、井斜等因素对钻头侧向力的影响，计算结果见图4～图7。

表1 JX井二开地层岩性与可钻性级值预测结果

图3 JX井二开使用T1665B型钻头入井前后照片

图5 螺杆和上部稳定器之间距离对钻头侧向力影响

图6 钻压对钻头侧向力影响

图7 井斜对钻头侧向力影响

由图可见：上部稳定器尺寸对钻头侧向力影响较大，随上部稳定器尺寸增大，钻头侧向力逐渐减小；螺杆和上部稳定器之间距离在0～5m 变化时，钻头侧向力增大十分明显，而当螺杆和上部稳定器之间距离大于10m 后，钻头侧向力变化不明显；随钻压在20～120kN范围逐渐增大，钻头侧向力较缓慢增长；在可能出现的40°～70°井斜角范围内，随井斜角增大，钻头侧向力逐渐增长。综合考虑不同因素对钻头侧向力的影响大小，确定上部稳定器尺寸为208mm，螺杆和上部稳定器之间距离为0，并推荐钻压70～90kN。

钻具组合：∅215.9mm 钻头＋∅172mm 单弯螺杆钻具（1.25°，稳定器210mm）＋∅208mm 稳定器+∅172mm无磁钻铤×1根+MWD短节＋∅172mm无磁钻铤×1根+4A10×411变扣接头+∅172mm浮阀+∅127mm加重钻杆×13根+∅165mm随钻震击器＋∅127mm加重钻杆×4根+∅172mm水力振荡器＋∅127mm加重钻杆×4根+∅127mm钻杆（带井眼清洁工具4只）。

2.4 钻井液技术

二开采用聚合物钻井液，为防止发生掉块垮塌，施工中逐步提高NFA-25 的加量，并加入足够的液体润滑剂和降失水剂，改善泥饼质量，降低高温高压失水，稳定井壁。进入目的层前增加SN 树脂，增强抗温能力，加强护壁性，防止井壁垮塌。现场备有随钻堵漏剂改性植物纤维DF-1，依据实钻情况适量添加。

3 应用效果分析

JX井一趟钻完成二开钻进，进尺1883m，机械钻速20.25m/h，相比于邻井，平均机械钻速提高30%以上、起下钻减少3趟次以上，有效节约了生产时间。具体而言，各项技术实施效果如下：①水力振荡器累计循环使用150h，定向过程中基本无托压，工具面稳定好，造斜效率高、减少了定向钻进进尺；通过合理放置井眼清洁工具，并采用35～36L/s 大排量以及每钻进350m 短起下一次的措施，明显改善了岩屑返出效果，避免了卡钻等事故的发生。②优选的钻头一趟钻完成多组地层钻进，且机械钻速明显高于邻井。③优化后钻具组合保障了增斜段定向效果，并在稳斜段中发挥了良好效果，该井实际稳斜段长1500m，滑动钻进63m，占比仅4.2%，大幅低于同类型井。④钻井液性能的进一步优化，保障了下部井段安全钻井，二开全井段未发生垮塌、漏失等复杂。