金华—秋林区块沙溪庙组致密砂岩钻井提速技术

王 文,刘家屹,陈 捷,黄 兵

1中国石油西南油气田分公司开发事业部 2中国石油西南油气田分公司蜀南气矿 3中国石油西南油气田分公司致密油气勘探开发事业部 4中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 引言

金华—秋林区块位于四川盆地川北古中坳陷低缓带东部，历经了四川盆地的历次沉积演化和构造运动，形成了中下三叠统及其以下的以碳酸盐岩为主的海相地层和上三叠统-侏罗系以砂泥岩为主的陆相地层。秋林207-5-H2、秋林211-8-H1、秋林209-8-H1三口试采井累计无阻流量超过450×104m3/d，致密气勘探开发潜力巨大[1-2]。统计分析前期10口完钻井平均完钻井深3 519 m，平均钻井周期为30.6 d，平均机械钻速为15.8 m/h，为加快金华—秋林致密气勘探开发速度，开展钻井提速研究意义重大。

1 金华—秋林区块钻井难点

秋林区块沙溪庙组致密砂岩储层共发育38套河道砂，横向上河道大面积分布，纵向上多期叠置，其中8号砂组规模大，埋藏深度介于200～2 400 m，河道宽度介于600～1 400 m，储层厚度介于10～25 m；以中—细粒长石砂岩为主，岩屑长石砂岩次之；矿物组分中石英、长石、岩屑分别占45.0%、33.3%、21.3%。

前期钻井实践表明，主要存在以下技术难点：

(1)井眼轨迹设计及控制难度大。受地面条件限制，井眼轨迹的靶前位移大，中靶困难，轨迹调整频繁，定向托压严重，制约钻井提速；区块沉积环境为辫状河道沉积，非均质性极强，储层段轨迹控制难度大。

(2)工区全井段岩性主要以砂岩和泥岩互层为主，常规PDC钻头对地层攻击性不足，制约了该区提速提效。

2 安全高效钻井关键技术

针对金华—秋林地区钻井技术难点及技术现状，开展了井眼轨迹及控制技术优化、高效PDC钻头优选,配套提速技术,强化钻井参数、钻井液性能及井眼清洁措施等，形成致密砂岩地层高效钻井技术。

2.1 井眼轨迹优化设计及控制技术

优化井眼轨迹及控制技术能够为致密气储层内钻遇率和产量提供保障[3-5]。基于此开展了研究工区内井眼轨迹优化设计和控制技术研究，结果见表1。由表1可知，在靶点相同的情况下，大三维井眼轨迹剖面的累计摩阻比双二维井眼轨迹剖面的累计摩阻大。

表1 双二维轨迹与常规三维轨迹的摩阻扭矩对比表

控制技术方面，由于需要实时调整轨迹，对底部钻具组合造斜率要求高，因此优选斯伦贝谢PowerDrive Archer与贝克休斯AutoTrack Curve两种高造斜率旋转导向工具，满足实时调整轨迹的需求。

2.2 高效PDC钻头优选

金华—秋林区块一开井段完钻井钻头均为百施特公司的5刀翼PDC钻头，复合片为19 mm，均为一趟钻中完，TS1954GUV钻头的最大钻速为65.10 m/h，TS1952钻头的最大钻速为48.02 m/h，TS1953钻头的最大钻速为44.17 m/h[6-7]。因此，一开井段优先推荐TS1954GUV钻头。

二开井段主要供应商有Smith和NOV，也使用了钻采科技公司的国产PDC钻头。二开井段所有钻头的平均机械钻速15.05 m/h，最大机械钻速62.07 m/h，由NOV的TK59钻头所创造；平均单只钻头进尺852.5 m，最大单只进尺2 158 m，由NOV的TK59钻头所记录，实现单只钻头完成二开导眼井段的作业。综上分析，二开井段优选NOV的TK59钻头作为配套钻头。

2.3 提速配套技术

金华—秋林区块20口已完钻井中，二开Ø215.9 mm井眼钻具组合中大多使用了进口NOV水力振荡器钻进。表2给出水平段使用水力振荡器，钻速可提高43.35 %，推荐在大斜度井段和水平段使用进口水力振荡器[8]。

表2 水力振荡器应用效果

图1给出了金华—秋林区块三口井二开井段某一层段无螺杆钻进和带螺杆钻进时的机械钻速对比。由图1可得，在同一口井同一层段使用相同钻头钻进的情况下，螺杆钻具能够有效地提高机械钻速，建议金华—秋林工区在各开次钻进时使用螺杆钻具，提高机械钻速，缩短钻井周期，节约成本。

图1 二开井段同层段带螺杆提速效果评价

图2给出了工区内使用旋导时是否带动力螺杆的实钻效果对比。从图中可以看出，工区不带动力螺杆的旋导平均机械钻速为8.71 m/h，而使用旋导+动力螺杆钻进的平均进尺为1 405 m，平均机械钻速为17.95 m/h，提升高达106 %。旋导+动力螺杆钻具组合提速效果显著，优先推荐旋转导向+动力螺杆的钻具组合进行轨迹控制。

图2 旋导+动力螺杆提速效果评价

2.4 钻井参数强化技术

由于金华—秋林工区地层大都为强研磨性地层，除了通过采用与地层性质相匹配的井下工具来提高机械钻速外，还可通过强化水力参数来提高机械钻速[9-10]。与牙轮钻头不同，PDC钻头的破岩原理为横向剪切，破碎的岩石岩屑远小于牙轮钻头冲击破碎所产生的岩屑，对于采用PDC钻头破岩的强研磨性地层，要增强水力参数辅助破岩，就需要增加钻井液排量，使流过钻头喷嘴时的射流冲击力变大[11-14]。由此推荐的二开两趟钻，第一趟钻采用进口LWD+近钻头/远端方位伽马+弯螺杆+水力振荡器钻进，第二趟钻采用旋转导向工具+螺杆+旋流清砂器钻进。

2.5 钻井液性能优化及井眼清洁技术

图3分别给出了Ø215.9 mm井眼中钻井液环空流动压降随钻井液动切力和塑性黏度的变化规律。对比图3(a)、图3(b)结果可知：当其它条件相同时，钻井液动切力的变化对环空流动压耗的影响远大于钻井液稠度系数对环空压耗的影响，既在满足钻井液携岩的前提下，适当降低钻井液的动切力能够有效降低井底动压力(或井底正压差)，提高机械钻速[15-16]。

图3 井眼环空压降梯度随钻井液性能变化规律

另外，为了防止大斜度井出现岩屑床、钻头泥包的情况，采用有清洁功能的钻杆和加重钻杆。清洁钻杆结构如图4(a)所示，主要有清洁段和携岩段组成，清洁钻杆与其他常规螺旋钻铤的最大区别在于，前者的螺旋槽两侧的切割角度不同，分别为α和β；后者的螺旋槽两侧的角度都为Y，如图4(b)所示[17-20]。

图4 清洁钻杆与常规钻铤对比

由于螺旋槽两侧的切割角不同，所以清洁段横断面呈勺型，β角边可以将岩屑床上的岩屑挖起来，并将岩屑向上运移；通过仿真可知，β角边压力梯度高，α角边压力梯度低，螺旋槽道中形成涡流效应，将岩屑吸入槽道，并向上推举。

携岩段主要通过水动力携带岩屑，并将岩屑向上推动使其进入循环体系。实际应用中，在可能出现岩屑床的深度每27 m使用一根清洁钻杆，在其余深度每54 m增加一根清洁钻杆，这样能在正常的排量和转速下有效地保证井眼清洁。

3 现场应用

3.1 旋转导向应用情况

金华—秋林工区17口完钻井中不带旋导的平均机械钻速为15.3 m/h，平均钻井周期为30.6 d。带旋导的平均机械钻速为24.0 m/h，相比不带旋导，平均机械钻速提升57.1%;平均钻井周期为15.4 d，相比不带旋导，平均钻井周期减少49.7 %。

3.2 PDC钻头应用情况

图5是秋林208-15H1井二开井段使用的TK59型钻头出井后照片，钻进井段为400～2 040 m，纯钻时间53.75 h，平均机械钻速达30.5 m/h。从图5中可以看出，TK59型钻头一趟钻钻进1 640 m后，钻头磨损较小。

图5 秋林208-15H1井二开井段TK59型钻头出井照片

3.3 提速配套技术应用

金华—秋林区块完钻井全开次共使用螺杆88次，其中发生故障12次，均出现在二开井段，其中盐亭201-7H1井共使用螺杆11次，故障7次，为完钻井中螺杆故障最多的井。金华—秋林区块二开井段使用天津立林生产的螺杆次数最多，高达56次，占二开井段螺杆使用总数的73.6 %。其中驱动头发卡和传动轴损坏故障发生的次数最多。立林的无故障螺杆使用最长纯钻时间为130.84 h，最大进尺为1 976 m；中成的无故障螺杆使用最长纯钻时间为146.83 h，最大进尺为1 724 m；NOV的无故障螺杆最长纯钻时间为102.16 h，最大进尺为1 638 m。二开第一趟钻优先推荐国产立林和中成螺杆，第二趟钻优先推荐NOV进口螺杆。立林的螺杆在发生故障前平均进尺770 m，平均钻进时间48.40 h；中成的螺杆在发生故障前平均进尺584 m，平均钻进时间33.33 h；NOV的螺杆发生故障前平均进尺为840 m，平均钻进时间51.75 h。

3.4 钻井参数强化技术应用

金华—秋林区块制定了二开高效清砂钻井参数方案，进行了现场应用，目前现场带螺杆情况下采用转速80～100 r/min，不带螺杆采用100～120 r/min，排量>32 L/s，基本能满足井眼净化需求。同时根据不同工况，制定并实施了钻井液循环方案，如表3所示。

表3 钻井液几种工况下循环方案

秋林207-5H2井在水平段钻进过程中，转速>65 r/min，排量在32 L/s左右，井眼净化情况良好，划眼、起下钻阻卡情况较少。

从2 000 m至井底，平均转速91 r/min，最大转速118 r/min，平均泵排量36.7 L/s，最小泵排量23.7 L/s，最大泵排量47 L/s，井眼净化情况良好，几乎无划眼、起下钻阻卡情况，与秋林207-5H2井相比，秋林209-8H1的转速和排量均相对较高，秋林209-8H1井钻井周期比秋林207-5H2井缩短了1.3 d。

3.5 井眼清洁技术应用

金华—秋林工区17口已完钻井中，超过一半的井都使用了具有清洁功能的钻杆，且大多都在容易导致沉砂卡钻稳斜段；有2口井在增斜段也使用了具有清洁功能的钻杆，其中秋林203-H1井从造斜点开始就使用了具有清洁功能的钻杆直至井底，后期施工时套管全部顺利下入，无遇阻情况。

4 结论与建议

(1)对金华—秋林工区井眼轨迹进行了优化，推荐使用双二维井眼轨迹设计方法结合旋转导向的轨迹控制方式，更精确地控制井眼轨迹。

(2)针对以砂岩和泥岩互层为主，岩性变化相对单一，UCS相对较低，基于岩石力学特性参数和钻头使用效果优选：一开钻头型号为TS1954GUV；二开钻头型号为TK59。

(3)推荐一开井段使用7LZ244×7.0型号螺杆，二开井段使用7LZ172×7.0-XISF型号螺杆；二开第一趟钻优先推荐国产立林和中成螺杆，第二趟钻带旋转导向钻进优先推荐NOV进口螺杆；实现提高机械钻速、缩短钻井周期。

(4)二开两趟钻钻具组合分别为：第一趟钻采用TK59+国产弯螺杆+水力振荡器钻进；第二趟钻采用TK59+旋转导向+进口动力螺杆+随钻震击器+旋流清砂器钻进。钻压均为100～150 kN，转速分别为80～120 r/min、80～100 r/min，排量分别为32～38 L/s、32～36 L/s。

(5)形成致密气钻井提速模板：一开TS1954GUV+直/弯螺杆7LZ244×7.0+钟摆钻具组合，二开第一趟钻TK59+弯螺杆7LZ172×7.0XISF+MWD+水力振荡器+…，二开第二趟钻TK59+旋导+NOV直螺杆+随钻震击器+旋流清砂器+…。应用提速模板后，钻井周期比第一阶段缩短49.2 %，比第二阶段缩短45.2 %，提速提效效果显著。