顺南地区奥陶系却尔却克组地层优快钻井技术

王　龙

（中石化西北油田分公司石油工程监督中心，新疆轮台841600）

顺南地区奥陶系却尔却克组地层优快钻井技术

王龙*

（中石化西北油田分公司石油工程监督中心，新疆轮台841600）

顺南地区是中国石化塔里木盆地外围勘探的主要区块，钻井地质环境复杂，其中奥陶系主力气层埋藏深，却尔却克组作为上覆盖层，厚度大，且井斜控制困难。采用垂直钻井工艺、“单弯螺杆+ MWD+PDC”复合钻井工艺进行现场作业，综合考虑2种钻井工艺的性价比及实现效果，形成一套以“单弯螺杆（或直螺杆）+MWD+PDC”复合钻井工艺为主的优快钻井方案。在顺南区块三开全井段使用4口井，应用效果显著。其中，顺南5-2井全井段采用“1.25°单弯螺杆+MWD+PDC”复合钻井工艺，仅2趟钻完成三开进尺，以22.5d创该区块三开最短周期记录。

却尔却克组；垂直钻井；复合钻井；井斜控制

顺南地区位于塔里木盆地塔中区块的东北方向，地处顺托果勒南古城墟隆起西倾斜坡区，是中国石化塔里木盆地外围勘探的主要区块，钻井地质环境复杂，奥陶系主力气层埋藏深（超过7000m）、地温梯度高（2.4℃～2.7℃）。却尔却克组地层作为上覆盖层，厚度大（超过2000m）、地层倾角大（15°～25°），常规钻井方式难以满足井身质量控制要求，严重制约了安全钻井效率。

1　地层岩石特性分析

顺南地区三开井段却尔却克组地层较长（3700～6300m），主要岩性为泥岩、泥灰岩、灰质泥岩互层。根据已钻井测井资料分析，却尔却克组地层岩石抗压强度分布范围从40～140MPa，平均为76.55MPa。由此可见，该组地层纵向地层单轴抗压强度分布不高，属于中等硬度岩石，地层可钻性较好。以顺南7井岩石内摩擦角计算分析为例，三开却尔却克组地层内摩擦角范围从37°～43°，其波动幅度较小，平均内摩擦角为39.48°。

综上所述，顺南地区三开却尔却克组地层岩石呈现出中等硬度且抗剪切性不强，较为适合PDC钻头钻进。

2　垂直钻井工艺

传统直井的井斜控制主要是采用钟摆钻具组合，但其降斜能力受钻压影响严重，在钻遇地层倾角大的易斜地层时，利用该钻具组合控制井斜只能采取轻压吊打，以牺牲钻井效率的方式保证井身质量。因此，采用井下专用工具防斜纠斜，大力释放钻压，可以大幅度提高钻井效率。目前，在现场应用的国外垂直钻井工具以Baker Hughes（贝克休斯）公司的VertiTrak垂直钻井系统和Schlumberger（斯伦贝谢）公司的Power-V自动垂直钻井系统为主要代表［1-4］。国内各石油公司及科研院所也相继开展了攻关研究，国内克拉玛依、大港、胜利等油田和中国石油大学等单位都拥有各自研发的垂直钻井系统［5］。下面以国产UPC-VDS垂直钻井系统为例阐述其工作原理及技术参数。

2.1国产UPC-VDS系统的工作原理及技术参数

UPC-VDS系统是中国石油大学自主研发的垂直钻井系统，由井斜感应系统、导向控制系统和信号传输系统3个子系统组成（见图1）。在钻进时该系统通过井斜感应系统确定井底的井斜角和井斜方位角，然后驱动执行机构锁定所需控制的井斜方位角；导向控制系统是一套液压机械执行装置，下接钻头，上接井斜感应系统，主要由侧向推靠机构和钻井液导流阀组成。钻井液导流阀由井斜感应系统控制，侧向推靠机构由钻井液导流阀控制。在井眼高边（即井斜感应系统锁定的控制井斜方位角）侧向推靠机构的推靠巴掌伸出，推靠井壁，井壁的反作用力则将钻头推向低边；而在井眼的其他位置，侧向推靠机构则不工作，实现钻进过程中对井斜的修正。系统在井斜感应系统和信号传输系统内建有2个独立的井斜测量装置，根据钻井施工要求的不同，信号传输系统选用实时传输和间断传输2种模式［5］。

图1　UPC-VDS系统结构示意图

2.2现场应用效果分析

顺南区块三开井段共进行5口井的垂直钻井系统使用试验，使用效果较好的为顺南4、顺南5、顺南501，机械钻速较相邻的顺南1、古隆2、古隆3、顺南3的机械钻速（2～2.83m/h）均有所提高，钻压大幅度解放，井斜得到很好地控制；但顺南401和顺南7因井下情况或工具自身问题出现使用过程中的异常，造成工具磨损或钻头的先期损坏，增加了起下钻处理异常周期，降低了钻井效率。如表1所示。

以顺南501井为例，该井三开扫塞结束将井底清理干净后，第一趟钻在3746m开始使用复合钻井工艺钻进至4428m，因MWD仪器电池弱，信号传输衰减起钻，井斜保持在0.32°～1.4°；第二趟钻使用同一钻具组合钻进至4949m，测得最大井斜2.42°/4920m，计算水平位移38.5m，井斜呈现上升趋势；经上报决定起钻更换贝克休斯垂直钻井系统。

第一、二趟钻具组合：

∅311.2mmPDC（SF56H3）+∅244.mm直螺杆+ ∅228.6mmDC×1根+∅310mm扶正器+∅228.6mmDC× 2根+∅203mmNWDC×1根+∅203mmDC×9根+ ∅177.8mmDC×9根+∅127mm无磁承压钻杆+∅127mm HWDP×12根+∅139.7mmDP；

钻井参数：钻压60kN，转速60r/min，排量50L/s，泵压20MPa，钻时3～10min/m；钻井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度 48～50s，API失水 4.2mL；HTHP失水11mL。

钻进过程中参数正常，每钻进40m测斜一次，井斜有增大趋势时，采取轻压吊打方式，利用钟摆作用控制井斜，但第二趟钻控制井斜效果不佳。

第三、四趟钻下入VertiTrak垂直钻井系统纠斜，使用钻井井段为4949～6049m，进尺1100m，纯钻时间118h，平均机械钻速9.32m/h，作业排量：43～46L/s；第三趟钻于5354m因仪器通讯中断起钻，降斜效果明显，自测深4920m的2.42°降至0.53°，且一直保持；第四趟钻于6049m完成垂直钻井任务起钻，井斜控制良好，井斜在0.53°～1.32°之间。使用垂钻工具期间，钻井参数有所强化。

第三、四趟钻具组合：

∅311.2mmPDC（SF55H3）+垂钻工具+∅310mm扶正器+∅203.2mmDC×2根+∅310mm扶正器+∅203.2mm DC×8根+∅177.8mmDC×1根+∅127mmHWDP×11 根+∅139.7mmDP；

钻井参数：钻压80kN；转速100r/min；排量46L/s；泵压19MPa；；钻井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度48～50s，API失水4.2mL；HTHP失水11mL。

图2　顺南501井三开井段井斜变化曲线

3　“单弯螺杆+MWD+PDC”复合钻井工艺

通过对前期测井资料及已钻井施工资料的分析，认为却尔却克组3700～4400m井段地层产状稳定，倾角较小，平均在2°左右，使用“直螺杆++MWD+PDC”或“单弯螺杆+MWD+PDC”复合钻井工艺不易发生井斜；4400～5400m地层产状不稳定，倾角变化大，其中4400～4500m地层倾角在2°～10°，5300～5400m处地层倾角为2°～16°，常规钻井工艺易发生井斜，可采用垂直钻井系统进行控斜钻进，从顺南1井、顺南401及顺南7井钻井情况可知使用“单弯螺杆+MWD+PDC”复合钻井工艺可以有效控制井斜。综上所述，三开井段311.2mm井眼主要采用“单弯螺杆+MWD+PDC”复合钻井工艺，计划四趟钻完成，如复合钻井工艺不能满足控制井斜的要求，则在井斜控制难度大的井段使用UPCVDS-311垂直钻井系统配合螺杆完成钻井施工任务。

3.1优化钻头和工具

通过对顺南5、顺南7等已钻井使用的钻头进行分析评价，从ES1935SG、KM1652AR、DFS1605U、M5265LA、TMX5377YSJ优选出新疆DBS产SF56H3 （5刀翼，19mm齿）、SF55H3（5刀翼，16mm齿）和四川深远产DFS1605U钻头，以新疆DBS生产的SF系列钻头为例，其具有以下特点：①耐磨性提高，通过降低复合片磨损来保持边缘的锋利；②抗冲击性增强，可以防止切削齿在正常钻进时因受到动态应力和振动而脱落；③抗温能力增强，金刚石复合片不易脱落。采用抗高温抗高压测量仪器，要求抗高温175℃以上，抗压强度大于125MPa；选用抗高温螺杆，要求抗高温175℃以上，防止高温状态下电子原件失效或脱胶。顺南501井在3746～4949m使用PDC（SF系列）+MWD+直螺杆钻井工艺，平均机械钻速达6.68m/h，较前期工区最高水平的4.23m/h提高57.92%。

表2　复合钻井工艺实施方案

3.2强化水力参数

三开井眼尺寸大且段较长，优选使用∅139.7mm非标双台阶大水眼高强度钻杆。该钻杆与普通钻杆的区别：①接头处水眼内径为∅101.6mm，普通钻杆为∅76.2mm；②接头外径∅177.8mm，普通钻杆为∅190.5mm。根据水力学方程计算，该钻具在不影响钻具整体强度的前提下，压耗较常规∅127mm钻杆可降低1.17MPa/km，较常规∅139.7mm钻杆可降低0.33MPa/km。在相同机泵的条件下，该钻杆能确保钻头水功率的高效输出，同时能确保大扭矩螺杆等井下动力钻具的正常使用。

3.3优化钻井液性能

严格控制钾胺基聚磺钻井液体系转型，保持钻井液粘度、切力、失水等性能指标良好，优选出聚胺最佳加量0.3%～0.5%，氯化钾最佳加量3%～5%，氯根25000～30000ppm；组织开展钻井液抗温性能评价实验工作，利用ST180、PAMS901、AP220等抗高温材料增强体系高温稳定能力；优化易垮塌层位的钻井液密度为1.28～1.30g/cm3，控制API≤5mL，HTHP≤11mL，优选高软化点沥青配合多元醇等防塌，配合DF-1非渗透等无机材料改善泥饼质量，泥页岩段加大抑制剂比例至1%以上，封堵强化井眼，防止剥落掉块和垮塌。

3.4现场应用效果分析

直（单弯）螺杆+MWD+PDC复合钻井工艺在顺南区块三开全井段使用4口井，应用效果显著，井身质量符合设计要求。其中顺南4-1、顺南5-1井全井段使用单弯螺杆钻进，平均周期28.11d，较设计周期缩短率为37.5%；顺南5-2井全井段使用1.25°单弯螺杆钻进，仅2趟钻就完成三开进尺，以22.5d创该区块三开最短周期记录。

表3　复合钻井工艺使用效果分析表

以顺南5-2井为例，三开全井段采用1.25°单弯螺杆+MWD+PDC复合钻井，期间进行2趟钻施工。钻井过程中参数正常，每钻进30m测斜一次。第一趟钻井段3710～4976m，井斜0.47°～1.8°，在4100～4570m井斜大于1.5°，且有增大趋势，通过降低钻压（60～80kN降低至40～60kN）控时钻进，在原基础上加密井斜测量，控制效果明显，在4770m降至0.5°以内。第二趟钻井段4976～6288.5m，井斜均控制在1.5°以内，钻井过程中参数正常平稳。

第一、二趟钻具组合：

∅311.2mmPDC钻头（第一趟钻使用SF56H3，第二趟钻使用SF55H3）+∅244mm1.25°单弯螺杆+单流阀+MWD坐键短节+∅203mm无磁钻铤（MWD仪器）+631×NC560+309mm扶正器+∅203mm钻铤×6 根+∅197mm钻铤×6根+∅139.7mm加重钻杆×14根+ ∅139.7mm钻杆；

钻井参数：钻压40～80kN；转速50r/min+螺杆；排量55L/s；泵压23MPa；钻井液性能：密度1.28～1.30g/cm3，粘度48～50s，API失水4.2mL；HTHP失水11mL。

4　结论

（1）在顺南地区三开井段采用“单弯螺杆+MWD+ PDC”复合钻井工艺的优快钻井方案可行且应用效果显著。如不能满足控制井斜的要求，可在井斜控制难度大的井段使用UPC-VDS-311垂直钻井系统控制井斜。

（2）复合钻井施工中优选性能可靠的抗高温螺杆及测量仪器，加强钻井液抗高温评价有利于减少非钻井时效，提高钻井效率。

图3　顺南5-2井三开井段井斜变化曲线

（3）在使用垂直钻井工具前，应确保井下干净，防止因固井附件碎片等异物造成工具磨损或钻头先期损坏。

（4）从结构和制造性能提高国产垂直钻井工具各关键部件的稳定性，对于超深井井斜控制推广使用具有积极作用。

［1］李松林.自动垂直钻井系统VDS的形成与发展［J］.国外石油机械，1999，10（5）：11-14.

［2］王春生，魏善国，殷泽新.Power V垂直钻井技术在克拉2气田的应用［J］.石油钻采工艺，2004，26（6）：4-6.

［3］龚勋，刘白雁，陈新元，等.自动垂直钻井工具纠斜控制实验研究［J］.石油钻采工艺，2009，31（4）：16-20.

［4］杨春旭，韩来聚，步玉环，赵金海.现代垂直钻井技术的新进展及发展方向［J］.石油钻探技术，2007，35（1）：17-19.

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［6］罗发强.VTK垂直钻井系统在阿北1井钻井中的应用［J］.石油机械，2011，39（9）：13-14.

TE242

A

1004-5716（2016）06-0029-04

2015-05-29

2015-06-09

王龙（1982-），男（汉族），山东泰安人，工程师，现从事现场钻井技术管理工作。