松辽盆地北部X区块水平井钻井提速技术研究.pdf

试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/X 区块位于松辽盆地北部，是大庆油田深层天然气勘探开发的主要区域，该区块具有气藏埋藏深、地温梯度高、地层压力高、钻遇层位多、岩性复 杂、孔 缝 发 育、岩 石 硬 度 高 和 可 钻 性 差 等 特点1，目前主要采用深层水平井进行开发。钻井施工由上至下依次钻遇第四系、上白垩统明水组、四方台组、下白垩统嫩江组、姚家组、青山口组、泉头组、登娄库组、营城组及沙河子组地层，地层情况复杂，机械钻速低，起下钻频繁，施工周期长，严重制约了深层天然气高效开发2-4。为进一步提高钻井施工效率，针对该区块开展了井身结构优化设计、提速工具研选、配套 PDC钻头研选和抗高温钻松辽盆地北部 X区块水平井钻井提速技术研究*沙韦达（大庆油田有限责任公司钻探工程公司）摘要：针对松辽盆地北部 X区块水平井机械钻速慢、施工周期长、成本高等问题，结合地质特点和施工难点，确定了 X区块水平井钻井提速技术的研究方向，通过优化井身结构、优选各开次 PDC钻头、研选配套提速工具和优化钻井液性能等技术手段，形成了松辽盆地北部 X区块水平井钻井综合提速技术。该技术在松辽盆地北部 X 区块施工 19 口水平井，平均机械钻速提高58.9%，平均钻进周期节省 32.05 d，累计节约钻井成本 9 000余万元。通过新建钻井液回收处理站，回收利用了约 1 900 m3废弃钻井液，取得了良好的环保效果。关键词：松辽盆地；深层水平井；提速技术；钻井液DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2023.08.002Research on the drilling well speed-up technology of the horizontal well of Block X inthe Northern of Songliao Basin*SHA WeidaDrilling&Exploration Corporation of Daqing Oilfield Co，LtdAbstract：In view of the problems of slow mechanical drilling speed，long construction period，andhigh cost of horizontal wells in Block X in the northern of Songliao Basin，combined with geologicalcharacteristics and construction difficulties，the research direction of horizontal well speed-up technol-ogy in Block X has been determined By optimizing the wellbore structure，selecting PDC drillingheads for each opening，researching and selecting matching speed-up tools，optimizing drilling fluidperformance and other technical methods，the comprehensive drilling well speed-up technology forhorizontal wells in Block X in the northern of Songliao Basin has been formed The technology hasbeen applied to 19 horizontal wells in Block X in the northern of Songliao Basin，resulting in 58.9%in-crease in average mechanical drilling rateThe average drilling cycle is saved by 32.05 d，and the totaldrilling cost is saved by more than 90 million yuanAbout 1 900 m3of waste drilling fluid has been re-cycled and utilized through the construction of new drilling fluid recycling station，achieving better en-vironmental protection effectsKeywords：Songliao Basin；deep horizontal well；speed-up technology；drilling fluid作者简介：沙韦达，工程师，2010 年毕业于东北石油大学（计算机科学与技术专业），从事钻井设计和数据库管理工作，13694602512，shaweida_，黑龙江省大庆市红岗区八百垧大庆钻井工程技术研究院，163413。*基金项目：中石油重大专项深层天然气高效开发技术研究与应用 2016E-0211部分研究内容。引文：沙韦达松辽盆地北部 X区块水平井钻井提速技术研究*J石油石化节能，2023，13（8）：5-9.SHA WeidaResearch on the drilling well speed-up technology of the horizontal well of Block X in the Northern of SongliaoBasin*JEnergy Conservation in Petroleum&PetroChemical Industry，2023，13（8）：5-9.5石油石化节能 https:/沙韦达：松辽盆地北部 X区块水平井钻井提速技术研究*第 13卷第 8期（2023-08）井液体系优化等技术研究，为 X 区块天然气高效开发提供了技术保障5-7。1地质概况及工程难点上白垩统以上地层大段泥岩、粉砂岩发育，泥岩易水化膨胀，造成缩径、卡钻等复杂情况。例如在 X-2H 井的施工过程中，在上部311.2 mm 井段短起下时，发生了卡钻，损失钻井时间 15 h。下白垩统至泉头组泥岩、粉砂岩、页岩发育，易发生剥落掉块、井塌、井漏等复杂情况。例如在 X-1井的起下钻过程中，发生了较为严重的剥落掉块现象，并且起下钻及下套管过程中均有刮卡现象，损失钻井时间 8 h。登娄库组以下地层含火成岩和硬质砂砾 岩，地 层 硬 度 高、研 磨 性 强，机 械 钻 速 慢。X-3H 井在该层位的机械钻速仅为 1.6 m/h，施工周期 36.8 d，大大影响了钻井时效。目的层孔缝发育，主要为粒间孔、溶蚀孔隙、微孔及裂缝，孔缝大小在 30150 m 之间，易发生井漏。X-4 井在该层 位 施 工 时，多 次 发 生 井 漏，共 计 漏 失 钻 井 液348 m3，进行 6次堵漏施工，损失钻井时间 168 h。2钻井提速技术研究2.1井身结构和井眼轨道设计优化根据松辽盆地北部 X 区块的地质特性，以降本增效为目的，在兼顾施工安全的同时，优化了表层套管与技术套管下入深度，为了进一步降低施工难度和施工风险，将表层套管下深至明水组，技术套管下深至泉一段，从而确保钻井施工安全。井身结构设计对比见图 1。根据松辽盆地北部 X 区块水平井施工特点，通过对不同工况下的摩阻进行对比，在井眼轨道优化方面采用了双增五段制剖面设计。该设计为施工过程预留了足够的井段用来调整实钻轨迹、弥补工具造斜率误差，并可以降低轨迹狗腿度，使井眼轨道更平滑，有利于钻具和套管的顺利下入，从而缩短建井周期，降低钻井成本。不同设计剖面下的摩阻对比见表 1。图 1井身结构设计对比Fig.1 Comparison of wellbore structure design2.2311.2 mm井眼提速技术2.2.1311.2 mm井眼高效 PDC钻头研选松辽盆地北部 X 区块二开上部地层为明水组至泉头组，井深 3003 000 m，地层主要以泥岩、泥质粉砂岩、暗紫色泥岩、灰色粉砂岩、泥质砂岩为主，岩石可钻性较好。针对该类地层的地质情况，研选了 5 刀翼311.2 mm PDC 钻头，该钻头使用16 mm 主切削齿，为 5 刀翼（2 长 3 短）、单排齿结构。合理的刀翼高度和宽度，既保证了钻头强度，又提高了钻头的攻击性；将两个长刀翼的心部采用复合片和球状体结合的方式，既可以提高心部切削齿的露齿高度，进而增强钻头心部攻击能力，又可以提高心部齿的抗冲击能力，有利于延长使用寿命8-9。研选的 5 刀翼311.2 mm PDC 钻头结构见图 2。图 25刀翼311.2 mm PDC钻头结构Fig.2 Structure of 5 Blade 311.2 mm PDC drill表 1不同设计剖面下的摩阻对比Tab.1 Comparison of frictional resistance under different design profiles剖面类型五段制剖面悬链线剖面准悬链线剖面起钻摩阻/kN418.5425.8427.8下钻摩阻/kN442.1442.9440.5平均摩阻/kN431.6432.5433.8靶前距/m350400450造斜率/(30 m)-16.0-7.0-3.05.5-6.0-2.06.0-6.0-1.06试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/2.2.2311.2 mm井眼提速工具研选311.2 mm 井眼引入了大庆钻井工程技术研究院自主研发的 DQY-279 型液动旋冲工具来进一步提高机械钻速。该液动旋冲工具通过与钻井液作用产生周向高频率冲击，从而减少 PDC钻头的黏滑现象，达到提速效果。由于311.2 mm井眼钻进过程中钻井液排量较大，该工具改进了旋转动力机构，设计了中空流道旋转轴，从而降低了工具的工作压降，更适应大排量的井下工作环境。同时还改进了旋转管的连接方式，由销轴连接改进为螺纹直连，保证了旋转管的居中度，提高了工具的稳定性和使用寿命。2.3215.9 mm井眼提速技术2.3.1旋冲螺杆工具为了进一步提高钻井时效，在215.9 mm井眼施工过程中引入了大庆钻井工程技术研究院自主研发的176 型旋冲螺杆工具。176 型旋冲螺杆工具由定向动力总成、弯壳体总成、传动轴总成和振动冲击总成四部分组成，钻井液通过钻柱进入旋冲螺杆动力马达，推动马达转子旋转，将转速和扭矩通过振动冲击机构传递给钻头；另外钻井液进入振动冲击机构时还会产生高频周向振动和轴向水力脉冲，使钻头在旋转切削的同时产生周向振动，增加钻头的破岩效率，提高机械钻速。旋冲螺杆工具结构见图 3。图 3旋冲螺杆工具结构Fig.3 Rotary punching screw tool176 型旋冲螺杆工具与常规螺杆工具相比，具有 4方面技术优势：造斜率高。该工具减小了传动轴总成和振动冲击总成的尺寸，将工具弯点到钻头距离缩小至 1.3 m，比常规螺杆缩短了 20%，在提高机械钻速的同时保证了造斜效率，造斜率可达 11.2/30 m。扭矩大、压降小。通过优化马达头数及线型，提高了定、转子啮合率，并采用纳米转子镀层材料，降低了镀层孔隙度，缩短了马达导程，增大了振动冲击机构内径，当钻井液排量为31 L/s 时旋冲螺杆工具压降可控制到 5 MPa 以内，工作扭矩可达到 9.3 kNm，比常规螺杆工具提高29.1%。耐高温。旋冲螺杆工具所用橡胶密封部件均采用了特殊材质橡胶，抗温可达 180。寿命长。通过改变振动冲击方式，并选择抗冲击性和韧性较好的合金材质作为主要工作部件，同时采用硬质合金强化技术提高表面耐磨性，使该工具的工作时间达到 300 h 以上，比常规螺杆的工作寿命提高了 50%。2.3.2215.9 mm井眼高效 PDC钻头研选针对火成岩、砂砾岩地层的岩性特点，研选了与旋冲螺杆相匹配的非平面齿高效 PDC 钻头，该钻头具有以下 2方面的特点。1）采用非平面齿复合片。非平面 PDC 复合片高效钻头将切削方式由面-面接触变为线-面接触，提高了切削齿对岩石的切削力。复合片的脱钴深度超过 1 400 m，使复合片耐磨性大幅提升。当钻遇含砾地层时，非平面齿的点接触方式，综合剪切破碎和应力破坏破岩模式，可改善受力情况并提高钻头寿命。常规切削齿切削岩屑时受力较集中，遇到极硬地层时，会大幅度降低切削齿的使用寿命，而非平面齿将切削方式由传统的面-面接触变为线-面接触，非平面 PDC 复合片切削受力情况见图 4。该种设计在提高切削齿寿命的同时加大了切削力；此外，复合片材质的脱钴深度超过 1 400 m，冲击力大于 540 J，进一步提高了复合片的耐磨性。图 4非平面 PDC复合片切削受力情况Fig.4 Cutting force situation of non planar PDC composite sheet2）结合旋冲螺杆进行布齿设计。考虑非平面齿高效 PDC钻头需要配合旋冲螺杆工具使用，针对旋冲螺杆特性加强了在钻头肩部的布齿密度，便于旋冲螺杆对钻头施加冲击力，并使钻头磨损更均匀，提高了钻头使用寿命；采用双排齿设计，并提高肩部布齿密度，使每个切削齿承受较小的钻压，以提高切削齿的寿命，提高破岩效率，延长钻头使用寿命；增加复合片后端刀翼上的控制切深设计，可限制复合片不追踪前面的复合片轨迹，更有效与地层接触；优化后倾角，适度选用较大的复合片后7石油石化节能 https:/沙韦达：松辽盆地北部 X区块水平井钻井提速技术研究*第 13卷第 8期（2023-08）倾角来缓解、消除地层和旋冲螺杆工具对复合片冲击损伤。非平面齿高效 PDC 钻头与176型旋冲螺杆工具配合使用，能够提高钻头在火成岩、致密砂砾岩等极硬地层钻进的能力，提高行程钻速，缩短施工周期，降低钻井施工成本。2.4钻井液体系优化为了保证深层水平井对钻井液抗温性、润滑性、滤失性、流变性和封堵性的要求，在钻井液体系中引入了抗高温聚合物降滤失剂，进一步降低了体系的高温高压失水；在易漏失井段，提前加入以纤维材料、可变形材料和微纳米封堵材料复配制成的随钻封堵剂，提高了钻井液体系的封堵能力；在造斜段和水平段使用了含有有机磷抗磨剂的抗高温润滑剂，提高了体系的润滑防卡能力，完善并形成了抗高温、强抑制、强封堵钻井液体系，该体系具有良好的高温性能，稳定井壁、润滑防卡效果突出，能够有效降低井下复杂情况发生率，降低钻井施工成本10。2.5钻井液回收利用由于 X 区块同时作业井的数量较多，且所用钻井液体系基本相同，所以不同井号、不同井段的钻井液在进行适度处理后，可以实现再利用，从而达到节约成本、减少排放、保护环境的目的。因此，在 X 区块建立了钻井液回收处理站。每口井完钻后将循环罐内剩余的钻井液密闭运至处理站，并取样进行膨润土含量和固相含量检测，根据检测结果加入相应比例的高效抑制剂絮凝有害固相，并使用高速离心机最大限度地清除有害固相。将处理后的钻井液与新配钻井液按比例进行混合后，加入流型调节剂进行调整，使钻井液性能达到开钻需求，最后将处理好的钻井液运送至其他即将施工或正在施工的井队。3提速技术在 X区块应用情况分析3.1典型井例分析3.1.1施工前准备以 X-H19井为例，收集邻井施工深度、钻遇层位和地层温度、压力、岩性等地层数据；收集临井复杂事故情况、钻具组合情况、钻井液性能及注采信息等情况；根据设计了解地理位置、井深、井身结构、井眼轨迹等基本信息。3.1.2施工情况311.2 mm 井段应用311.2 mm 高效 PDC 钻头+DQY-279型液动旋冲工具钻具组合，215.9 mm井眼应用215.9 mm 非平面齿 PDC 钻头+176 型旋冲螺杆工具钻具组合。液动旋冲工具入井前进行井口测试，正常工作排量 48 L/s，泵压 4 MPa，测试结束后下钻。施工层位为泉头组以上地层，钻遇泥岩、粉砂岩、油页岩、泥质砂岩，施工井段为 2902 832 m，单趟钻进 尺 2 542 m，纯 钻 时 间 173.8 h，平 均 机 械 钻 速14.62 m/h。对比邻井 X-H6 井，节省了一趟钻，平均机械钻速提高了 73.42%，钻井周期缩短 2.3 d，提速效果明显旋冲螺杆工具入井前进行井口测试，正常工作排量 31 L/s，泵压 5 MPa，测试结束后下钻。施工层位为登娄库组登四段-营城组营四段，钻遇砾岩、砂砾岩，施工井段为 2 8323 545 m，单趟钻进尺 713 m，纯 钻 时 间 196.43 h，平 均 机 械 钻 速3.62 m/h，对 比 邻 井 X-H6 井（施 工 井 段 为2 8493 583 m，进尺 734 m，纯钻时间 278.36 h，平均 机 械 钻 速 2.63 m/h），平 均 机 械 钻 速 提 高 了37.64%，钻井周期缩短了 9.6 d，提速效果明显。3.2区块应用效果松辽盆地北部 X 区块水平井提速技术现场应用19口井，平均井深4 769 m，平均机械钻速14.87 m/h，平均钻井周期 73.63 d，施工过程中均无井下复杂情况发生。与应用技术前相比，共计减少钻井液配制量约 1 900 m3，平均井深增加 146 m，平均机械钻速提高58.9%，平均钻井周期缩短32.05 d，按照 70D钻机 日 费 15 万 元 计 算，19 口 井 共 节 约 钻 机 日 费9 134.25 万元。提速技术部分井现场试验情况见表 2。表 2提速技术部分井现场试验情况Tab.2 Field test results of some wells for speed-up technology井号X-8HX-10HX-11HX-12HX-13HX-15HX-17HX-18HX-19H井深/m4 8624 6324 7284 5394 7634 8264 6934 7684 836平均机械钻速/(mh-1)15.6913.2811.9815.3814.6914.8615.1213.9812.63钻井周期/d83.6576.3282.1569.1372.1480.1670.6371.6276.328试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/4结论1）通过优化井身结构、优化井眼轨道设计、研选高效 PDC钻头、引入液动旋冲工具和旋冲螺杆工具、优化钻井液体系等多种技术手段，形成了松辽盆地北部 X区块水平井钻井提速技术。2）在松辽盆地北部 X 区块建立了钻井液回收处理站，回收利用钻井液约 1 900 m3，取得了良好的环保效果。3）钻井提速技术在松辽盆地北部 X 区块共计应用 19口井，平均机械钻速提高了 58.9%，平均钻井周期缩短了 32.05 d，取得了良好的经济效益，为大庆油田深层天然气开发提供了有力的技术支撑。参考文献：1 苏义脑，路保平，刘岩生，等中国陆上深井超深井钻完井技术现状及攻关建议J石油钻采工艺，2020，42（5）：527-542SU Yinao，LU Baoping，LIU Yansheng，et alStatus andresearch suggestions on the drilling and completion technolo-gies for onshore deep and ultra deep wells in ChinaJ OilDrilling&ProductionTechnology，2020，42（5）：527-5422 孙莉大庆深层天然气提速技术研究J西部探矿工程，2021，33（9）：118-121，128SUN LiResearch on the speed up technology of deep natu-ral gas in DaqingJ West-China Exploration Engineering，2021，33（9）：118-121，1283 潘永强，杨决算，于兴东，等大庆深层水平井钻井提速技术J西部探矿工程，2021，33（3）：43-46PAN Yongqiang，YANG Juesuan，YU Xingdong，et alSpeed up technology for deep horizontal well drilling in DaqingJWest-China Exploration Engineering，2021，33（3）：43-464 王嘉大庆深层钻井提速技术研究J西部探矿工程，2022，34（4）：93-94，96WANG JiaResearch on speed up technology for deep drill-ing in DaqingJ West-China Exploration Engineering，2022，34（4）：93-94，965 潘永强抗高温封堵防塌钻井液在火成岩水平井中的应用J西部探矿工程，2020，32（3）：59-63PAN Yongqiang Application of high temperature resistantplugging and anti collapse drilling fluid in igneous rock hori-zontalwellsJ West-ChinaExplorationEngineering，2020，32（3）：59-636 竹学友，赵亚涛，闫晶抗高温抗盐降滤失剂的研究与应用J石油石化节能，2022，12（4）：20-23ZHU Xueyou，ZHAO Yatao，YAN JingResearch and ap-plication of high temperature and salt resistance filtrate reduc-ing agentsJ Energy Conservation in Petroleum&Petro-chemical Industry，2022，12（4）：20-237 蒙启安，赵波，陈树民，等致密油层沉积富集模式与勘探开发成效分析以松辽盆地北部扶余油层为例J沉积学报，2021，39（1）：112-125MENG Qian，ZHAO Bo，CHEN Shumin，et alAnalysisof sedimentary enrichment patterns and exploration and de-velopment effectiveness of tight oil layerstaking the Fuyuoil layer in the northern Songliao Basin as an exampleJJournal of Sedimentology，2021，39（1）：112-1258 王伟，张士新，郑瑞强，等旋冲螺杆钻井工具研制与应用J西部探矿工程，2020，32（4）：72-74WANG Wei，ZHANG Shixin，ZHENG Ruiqiang，et alDevelopment and application of rotary impact screw drillingtoolsJ West-China Exploration Engineering，2020，32（4）：72-749 陈琳琳，韩福彬，付函，等海拉尔区块钻井技术现状及设计建议J石油和化工设备，2022，25（10）：43-47CHEN Linlin，HAN Fubin，FU Han，et alCurrent situa-tion and design suggestions of drilling technology in HailarblockJ Petroleum and Chemical Equipment，2022，25（10）：43-4710 仇越大庆油田中浅复杂层钻井难点与技术对策J石油石化节能，2021，11（6）：6-8，60QIU Yue Drilling difficulties and technical countermea-sures for medium and shallow complex layers in Daqing oil-fieldJEnergy Conservation in Petroleum&PetrochemicalIndustry，2021，11（6）：6-8，60收稿日期2023-03-11（编辑冷静）9