JY29-X井斜井段提速提效钻井技术

王险冰， 尹佩涛， 宋明阶， 胡 亮

(中石化江汉石油工程有限公司钻井二公司)

0 引言

JY29-X井位于重庆市涪陵区焦石镇板栗村3组，是部署在川东高陡褶皱带万县复向斜焦石坝背斜带的一口水平井，主要目的层是龙马溪组页岩气层段，设计井深4 630 m，设计水平段长度1 901.02 m，设计造斜点1 118 m，斜井段设计长度3 512 m，占比75.9%，钻遇层位主要为茅口组下部、栖霞组、梁山组、黄龙组、韩家店组、小河坝组、龙马溪组[1]。二开进入龙马溪组20 m左右中完，下技术套管固井，封龙马溪组页岩气层之上的易漏、易塌地层。

斜井段在施工过程中钻遇的难点有：

1)栖霞组至韩家店组上部地层夹层多，影响PDC钻头使用效果，可钻性差，同平台的一口井在梁山组钻时高达71 min/m；二开斜井段韩家店组下部至小河坝组砂岩发育，需要优选抗研磨性钻头；三开造斜段龙马溪组存在灰黑色粉砂岩、泥质粉砂岩(浊积砂段)，可钻性差，同平台一口井浊积砂段垂厚10.65 m。

2)本井为鱼钩型三维水平井，二开扭方位工作量70°，二开大井眼中进行定向造斜率不稳定；三开水平段地层倾角起伏变化，由上倾2.43°最后变化为下倾2.4°；斜井段整体轨迹控制难度大。

3)水平段设计长度1 901.02 m，水平段施工后期摩阻扭矩增大，存在定向托压问题。

针对以上难点，本井在施工过程中对井眼轨迹优化设计、钻头和螺杆优选、钻具组合和钻井参数优化、应用降摩减阻工具等方面提出了配套技术措施，确保了该井安全高效的生产[2]。

1 井眼轨迹优化设计

根据地层特点对井眼轨迹进行优化设计，斜井段总体采用斜面圆弧扭方位剖面方法进行设计，从源头降低摩阻扭矩，提高定向效果[3]。

在井深1 118 m处开始定向作业，先以0.12°/m的造斜率定向增斜至16.45°，然后在栖霞组至韩家店组可钻性差井段采取复合钻井的方式进行稳斜钻进至29.35°，随后在二开剩余井段完成70°的扭方位工作量，同时增斜至33.86°，减少三开定向工作量。三开造斜段以0.16°/m的造斜率全力增斜至92.43°入靶，水平段加入降摩减阻工具，以复合钻井方式为主钻至完钻井深，水平段钻进期间避免频繁调整井斜，保证轨迹光滑，井眼顺畅。

2 斜井段提速提效技术措施

2.1 钻头优选

结合本区块地层特点，针对不同层段、不同钻进方式优选出了四种型号的钻头(见表1)。

针对茅口组至韩家店组上部地层夹层多，可钻性差的难点，优选出KMD1663DFRT型号的斧型齿钻头，该型号钻头复合片采用斧型齿的脊形几何结构设计，提供了一种全新的破岩方式，采用剪切+犁削组合破岩方式，能有效地减小切削阻力，使切削齿更易出刃，显著提高了其攻击性及切削效率[4]。斧型齿复合片与岩石接触面积减少了30%，大幅度地超过地层的门限破碎应力，有效提升破岩效率，抗冲击性、抗研磨性强，具备穿越硬夹层能力，适应该地层。

表1 JY29-X井斜井段钻头使用情况统计表

针对韩家店组至小河坝组砂岩发育，优选出KSD1362ADGR型号钻头，该钻头选择六刀翼，对复合片进行了优化升级，提高了攻击性和抗磨性;对切削结构和钻头结构进行了优化，提高了钻头稳定性和寿命，满足高抗研磨性需求，能一趟钻从韩家店组上部钻至二开中完井深。

针对三开造斜段需要大段定向、钻穿浊积砂段的需求，优选出了KPM1642ART型号的复合钻头，该钻头将PDC钻头和牙轮钻头两者的优势结合起来，采用混合切削方式进行钻进，牙轮合金齿首先接触地层，对地层进行预破碎，形成不连续的齿坑，释放地层应力，降低岩石强度，然后由PDC复合片进一步刮削剪切破碎岩石，将牙轮切削齿形成的不连续的齿坑连通，形成完整的破碎环带，提高钻头破岩效率，混合钻头这种特殊结构，使其在硬塑性地层中具有较高机械钻速。而且混合钻头扭矩波动更小，牙轮的滚动切削可以防止PDC扭矩过大，牙轮可以缓冲PDC复合片冲击载荷，保护复合片，因而使用寿命更长，同时，也能兼顾定向和复合钻进[5-6]。JY29-X井一趟钻完成了造斜段施工,节约了3趟钻，机械钻速明显提高，起出钻头无磨齿、崩齿，提速效果显著[7]。

2.2 螺杆优选

常规螺杆在油基钻井液环境中，定子橡胶易油溶、高温失效，导致螺杆寿命短(低于100 h)，该井实际水平段长1 933 m，使用常规螺杆施工动力不足，为了能实现三开井段提速提效目标，对螺杆马达进行线性优化提高马达的承载能力，优选高硬度耐油耐高温橡胶材料，优化与之配套的注胶工艺，进一步强化螺杆的传动、承载等关键部件的选材与加工精度和质量，提高螺杆的性能指标及可靠性，从而优选出了等壁厚耐油抗高温长寿命螺杆工具。该螺杆钻具耐温175℃，输出扭矩同比提高30%～51%，使用寿命200 h左右。

在JY29-X井三开井段中使用7L172×1.25°等壁厚耐油抗高温长寿命螺杆，能满足增斜、稳斜需要，增斜段造斜率在6°/30 m，稳斜井段小于1.8°/100 m，其中三开水平段钻进井段2 721～4 630 m，进尺1 909 m，螺杆使用时间154.5 h，满足了三开井段提速提效需求。

2.3 钻具组合和钻井参数优化

本井扭方位工作量主要集中在二开井段，在二开大井眼中进行定向扭方位工作时可能会出现托压、造斜率不稳等问题，二开钻遇地层交界面多，钻井参数控制难度大；三开水平段地层倾角起伏变化，随着水平段的不断延伸，钻井扭矩和摩阻不断增大、轨迹调整和控制难度不断增加，钻井参数调整难度大；针对这些难点，需要对钻具组合和钻井参数进行优化。

2.3.1 钻具组合优化

基于斜井段钻具的受力力学分析研究，对螺杆扶正器的尺寸和形状、钻具扶正器的尺寸和位置、加重钻杆的位置和数量、降摩减阻工具的性能和位置等进行优化，结合优化后的井眼轨迹设计进行钻具组合，针对“增斜、稳斜、扭方位、增斜、稳斜”不同的定向方式形成了四套不同的常规定向钻具组合。

二开增、稳斜段钻具组合：Ø311.2 mm PDC+Ø216 mm 1.25°螺杆+浮阀+Ø203.2 mm短钻铤+Ø285mm扶正器+Ø203.2 mm无磁钻铤+无磁悬挂+Ø203.2 mm无磁钻铤×1根+631×410+Ø177.8 mm钻铤×3根钻杆，加入2 m短钻铤，满足复合增斜设计要求。

二开扭方位井段钻具组合：Ø311.2 mm PDC+Ø216 mm 1.25°螺杆+浮阀+Ø285 mm扶正器+Ø203.2 mm无磁钻铤+无磁悬挂+631×410+Ø127 mm无磁承压钻杆×1根钻杆，简化钻具组合，降低摩阻。

三开增斜井段：Ø215.9 mm混合钻头+Ø172 mm 1.25°螺杆+浮阀+Ø127 mm无磁承压钻杆+LWD短节+Ø127 mm无磁承压钻杆+Ø127 mm加重钻杆×8根+Ø127 mm钻杆×78根+Ø127 mm加重钻杆×19根钻杆，使用混合钻头配合变曲率增斜控制方法入靶。

三开稳斜井段：Ø215.9 mm PDC+Ø172 mm 1.25°螺杆+Ø210 mm扶正器+浮阀+Ø127 mm无磁承压钻杆+LWD短节+Ø127 mm无磁承压钻杆+Ø127 mm加重钻杆×5根+Ø127 mm钻杆×7根+降摩减阻工具(位置150 m)+Ø127 mm钻杆×233根+Ø127 mm加重钻杆×21根钻杆，使用“欠尺寸倒装双扶+降摩减阻工具”的钻具组合，降低摩阻扭矩，提高水平段延伸能力，保证轨迹光滑。

2.3.2 钻井参数优化

根据钻头螺杆等关键工具的性能，适应轨迹调整的需要，结合钻具组合的特性，以提高机械钻速、行程钻速和降低故障复杂为目标，进行钻井参数的优选，正常工况下大排量、大钻压、高转速复合钻进提速为主，复杂井段精细的控制转速和排量，定向井段控制钻压和排量，优化出了JY29-X井斜井段不同工况下的钻井参数。

1)茅口组下部-韩家店组上部(1 044～1 414 m)。共要钻遇5个层位岩层和4个地层交界面，灰泥岩交错，灰岩里含硅质，泥岩里含砂，地层不均质，研磨性强，可钻性较差，使用KMD1663DFRT斧型齿钻头在该段穿行时，钻井参数的选择及其重要，是提速提效能否成功的关键，在钻遇茅口组栖霞组交界面、梁山组、黄龙组地层时必须弱化参数钻进，有效的保护好钻头，取得更多的进尺和更高的效率。

2)韩家店组上部-小河坝组(1 414～2 148 m)。韩家店组上部地层控制钻井参数钻进，当见到韩家店组灰绿色泥岩后强化参数钻进。

3)龙马溪组(2 148～4 630 m)在浊积砂段钻进时，控制钻压在100 kN内，水平段使用大排量、大钻压、高转速钻进，并根据振动筛返砂情况，适当调整钻井参数。

2.4 降摩减阻工具的应用

本井水平段地层倾角起伏变化，井眼轨迹需要不断调整，随着水平段逐渐加深，定向托压情况势必会越来越严重，在水平段钻具组合中加入水力震荡器，缓解了定向托压情况，一趟钻就完成1 933 m水平段的施工任务。

水力振荡器通过钻井泵将液压能转化为机械能来改变钻进过程中仅靠下部钻具的重力给钻头施加钻压的方式，将自身产生的纵向振动提高钻进过程中钻压传递的有效性，并使钻头或下部钻具与钻柱中的其他部分的连接变为柔性连接，有效的提高滑动机械钻速，能将钻具组合与井眼间的静摩擦转化为动摩擦，大幅降低或消除两者之间的摩擦阻力，减少了钻具组合的粘卡的可能性，使水平段钻进更加容易和有效，结合邻井和本平台完钻井水平段施工情况，将水力振荡器置于钻具组合150 m处能发挥该工具最大功效[8]。水力振荡器在JY29-X井使用过程中，在水平段钻进后期仍可进行定向作业，且无托压现象，确保了本井水平段一趟钻的顺利实施。

2.5 井眼轨迹控制技术

本井设计分层与实钻分层差别不大，通过对伽马、钻时的准确预判，掌握入窗的主动性，第一时间做出轨迹调整，精准中靶[9]。JY29-X井A靶位于龙马溪组8号小层和7号小层之间，底界斜深2 697 m，垂深2 344.2 m，定向钻至井深2 684 m(垂深2 344.39 m)，增斜到90.4°后，摆好工具面，复合钻进10 m准确入靶，实钻轨迹与设计轨迹没有差异。

3 斜井段提速提效效果

JY29-X井实钻造斜点1 108 m，完钻井深4 630 m，斜井段占比76%，整体施工过程中，未发生井下复杂和故障，全井钻井周期33.58 d，较设计周期46 d节约了27%，创涪陵工区最短钻井周期记录[10]。

JY29-X井钻井指标与同平台和同区块其他井指标的对比情况见表2。

从指标对比情况表可以看出，JY29平台及其邻平台施工的8口井，造斜点、造斜段比率和靶点垂深相差不大，说明井眼轨道变化不大。JY29-X井较4口邻井平均井深增加了262.75 m，水平段长度较4口邻井的平均长度增加了368.25 m，但是钻井周期较4口邻井平均减少了21.98 d，减少幅度65.45%。JY29-X井较平台3口井平均井深增加了214.67 m，水平段长度较平台3口井的平均长度增加了268.67 m，但是钻井周期较同平台3口井平均减少了14.83 d，减少幅度44.16%。在井深增加、水平段增长、靶点垂深和造斜段比率不变的情况下，总结一套适合涪陵工区焦石区块水平井斜井段的钻井技术，在JY29-X井进行实践和应用，大幅度地缩短了钻井周期，提速提效取得重大突破。

表2 指标对比情况表

4 结论

1)涪陵工区斜井段总体采用斜面圆弧扭方位剖面方法进行设计，采用“增-稳-扭方位-增-稳”方式进行施工，将扭方位工作量留在二开井段，减少三开定向工作量，能有效保障井眼顺畅光滑。

2)茅口组至韩家店组井段使用斧型齿钻头，在钻遇茅口组栖霞组交界面、梁山组、黄龙组地层时进行弱化参数，保护好钻头，有效攻克了茅口组至韩家店组可钻性差的难题；三开造斜段使用混合钻头施工，能一趟钻完成扫塞、定向扭方位、增斜工作量，钻穿浊积砂地层、钻至A靶点任务，较以往模式可节约3趟钻，提速明显。

3)采用优化后的四套不同的常规定向钻具组合完成了斜井段的施工，井眼轨迹控制质量满足设计要求，其中水平段钻具组合中加入了降摩减阻工具，有效的避免了托压现象，一趟钻就完成了1 933 m水平段的施工任务，全井提速提效效果显著。