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哈萨克斯坦滨里海油田钻井提速技术

中国页岩气网讯：哈萨克斯坦滨里海油田地层古老、岩性复杂，可钻性差。近年来，在哈萨克斯坦滨里海盆地盐下油气藏勘探开发中，因为地层可钻性问题，常规钻井技术的钻井效率一直徘徊在中等水平，影响了油气田开发进度。2012年以来，在深入分析研究地层特性的基础上，进行了钻井提速技术研究，选择钻头保护技术减少二开地层蹩跳钻，使用导向钻井技术有效控制井斜，使用高速涡轮钻井技术提高灰岩地层机械钻速，有效实现了滨里海油田优快钻井，取得了良好效果。

一、钻井难点

哈萨克斯坦滨里海油田上部地层属古生代二叠系，油层为石炭系浅海碳酸盐岩。滨里海油田钻井设计中，井深一般为2900-3900m，存在以下钻井技术难点：

1)地层岩性复杂。上二叠系地层岩性混杂，泥岩、砂岩、灰质泥岩、砾岩、石膏等频繁交替，部分井段夹层多，蹩跳钻严重，严重影响钻头使用寿命，造成频繁起下钻，断钻具及钻头故障时有发生，以往遇到这种情况时只能采用降转速、降钻压的方法来减轻蹩跳钻，严重影响钻井速度。

2)上部地层易斜。上二叠系地层部分井段存在地层软硬交错、地层倾角大、容易产生井斜的问题，且地层倾向上下基本一致，方位变化较小，由于没有合适的技术手段，为保证井身质量，往往采用降低钻压吊打的方式，难以实现全压钻进。

3)灰泥岩地层PDC钻头选型困难。下二叠系的孔谷阶、阿尔琴阶、阿舍利阶和石炭系的斔KT-1、KT-2为灰泥岩地层，尤其KT-2油层上面的泥板岩盖层主要是致密坚硬的粉砂岩和含钙质泥岩、泥板岩，地层可钻性差，目前尚未优选出适合该硬脆地层的PDC钻头，虽然试用了不同大小复合片、不同刀翼的PDC钻头配合转盘驱动或者螺杆钻具钻进，但效果依然极差，使用普通牙轮钻头常规钻进，机械钻速较慢。

二、钻井提速技术措施

1、钻头减振保护技术

上二叠系地层岩性混杂，夹层多，蹩跳钻严重，严重影响钻头使用寿命。为了改善钻头工作状态，为钻头提供良好的工作环境，在钻头上加装水力加压器等减振工具。

水力加压器主要由伸缩接头、一级活塞、二级活塞、三级活塞、缸筒和上接头等组成(见图1)。工具上端与钻具连接，伸缩接头与钻头或其他钻具连接。开泵循环钻井液时，由于钻头产生的压降，使水力加压器的各级活塞产生向下的推力，并作用在钻头或其他工具上，从而给钻头施加压力。

图1 水力加压器基本结构

根据水力加压器的结构特点，把机械式加压改为液力加压，可为钻头提供稳定钻压，实现柔性加压钻进，从而可改善钻头的工作状态，提高机械钻速，延长钻头、钻具的使用寿命，尤其是在蹩跳钻严重的地层中使用效果更为突出。

SJ-242型水力加压器直径242mm，自由行程240mm，最大推力300kN，现场送钻以每次200mm为宜，降低了司钻的加压频率，实现了短行程的自动送钻。水力加压器应尽可能地接在靠近钻头的位置，如使用螺杆钻具，可将水力加压器接在螺杆钻具之上，每次起钻后应丈量自由行程，若发现自由行程大于或等于300mm必须停止使用。

2、自动垂直导向钻井技术

针对二开井段地层倾角大、井斜难以控制的特点，采用自动垂直导向技术进行钻进，能够最大限度地解放钻压，控制井斜。特别是南阿里别克里海油田对井身质量要求严格，最大井斜角不能超过3°，已完成井往往因为控制井身质量而影响了钻速。

Power V垂直钻井系统的最大特点是在旋转钻进方式下采用大钻压钻进，通过地面控制实现井眼轨迹的连续控制，从而提高机械钻速。该系统既可应用于定向井、水平井的井眼轨迹控制，也可用于直井井眼轨迹的控制。

Verti Trak系统综合应用了Autotrack(闭环旋转导向系统)、X-TREME马达和MWD等3种技术，可以很好地控制井斜。钻进时，当MWD重力传感器检测到有井斜趋势时，即时启动液压部件，通过1-2个肋板向井壁施加作用力以对抗这一趋势，同时MWD传送实时井斜等数据到地面系统，方便跟踪和监测。当井眼垂直时，3个肋板全部伸出，并对井壁施加相同的力，将钻头居中，保持井眼按垂直方向钻进。

3、“MWD+弯螺杆”钻井技术

Power V和Verti Trak垂直导向系统能够非常精准地控制井斜，是比较理想的垂直钻进工具。但是，这2种系统为专利工具，租赁费用很高，造成钻井成本增加。为了合理控制钻井成本，可以在对井斜要求不是很高的情况下，使用“MWD+弯螺杆”钻井技术控制井斜。

使用“MWD+弯螺杆”暠钻井技术在易斜井段进行钻井施工，主要是利用其定向控制井眼轨迹能力强的技术特点，该钻井方式可以随时监控井斜、方位，可以根据井斜、方位变化情况及时采取技术措施，如定向纠斜或继续开动转盘导向钻进，定向纠斜能保证井身质量合格，导向钻进能大幅度提高机械钻速，缩短钻井周期。

4、“高速涡轮+孕镶金刚石钻头”钻井技术

三开地层研磨性强，不适合使用PDC钻头，因此选用了高速涡轮钻具组合。利用涡轮钻具的高转速，

加速钻头对地层的切削作用，以获得较高的机械钻速。

在实际应用中，选用了Smith Neyrfor公司的MK1型Ф168.3mm高速涡轮工具组合，机械钻速得到大幅提高。该工具总长37.5m，内部装有138级涡轮(见图2)，适用排量1824.5-1933.4L/min，地面泵压达到23-24MPa，工具压降14-16MPa，水功率利用率60%-65%，涡轮转速1255-1330r/min，井下工作时间400h以上。根据现场使用经验，钻压20-100kN为宜，钻压超过120kN可能会导致切削阻力矩增大，引起转速下降，易被“压死”而造成制动。由于涡轮转速很高，必须与专门为其设计的孕镶金刚石钻头匹配使用。

图2  涡轮钻具结构

新型孕镶齿金刚石钻头应用特有的热压技术将金刚石颗粒烧结压入钻头本体，这种烧结方式增加了金刚石颗粒的抗热解能力。一旦金刚石颗粒有磨损，刀翼上新的锐利的金刚石颗粒将被暴露出来，钻头表面持续更新，可以保证破岩速度不变。

为配合高速涡轮钻具，钻头采用母扣设计，并配有保径部分，保径部分可以省去底部稳定器，而且能够保证井眼质量更优，侧面的导流水道和冠体设计可以提高钻头的降温和自清洗效果。

Ф215.9mmK705TBPXC孕镶金刚石钻头是针对最硬且研磨性最强的地层、专门为配合高速涡轮使用而设计的。钻头刀翼数量8个，Ф13.0mm面部齿64个，Ф13.0mm保径齿15个，Ф13.0mm心部齿5个。钻头新增的涡轮套筒减轻了在使用涡轮时的振动，热稳定聚晶金刚石提供了额外的保径保护，能保持保径井眼尺寸和延长钻头寿命，增加进尺，减少起下钻次数椈在每个刀翼上部增加了切削齿，可在起钻中发生缩径时倒划眼作业，减少潜在的卡钻危险。该钻头适合涡轮转速1200-2000r/min，排量1400-3000L/min，适用钻压50-100kN。

三、应用效果分析

1、钻头减振保护技术

2012年在不同区块4口井的不同井段应用了水力加压器，基本解决了钻遇不均质地层蹩跳钻以及由此引起的不能全压钻进的问题，牙轮钻头因跳钻引起的断齿和PDC钻头复合片崩裂的现象明显减少，使用井段平均机械钻速提高了47.88%(见表1)，4口井的总施工时间由37.14d缩短为25.11d。

表1 水力加压器现场施工技术参数

肯基亚克油田KM-1井用百施特Ф311.1mm MS1952SS PDC钻头钻进，由于采用了钻头保护技术，该钻头累计进尺2447m，累计纯钻时间达885.5h，创下单井单只钻头进尺之最。而SA-39井同样使用了一只Ф311.1mm MS1952SS PDC钻头，由于未采用钻头保护技术，钻头复合片崩坏，仅钻进555m，纯钻132.5h就报废。

2、自动垂直导向钻井技术

2012年，采用Verti Trak垂直导向工具和Power V垂直导向工具在扎那诺尔油田691井、5203井和南阿里别克里海油田SA-51井、SA-68井进行试验。结果表明，机械钻速提高明显，工具使用井段平均机械钻速较以往提高了83.3(见表2)，4口井的总施工时间由122.68d缩短为68.61d。

表2 垂直导向工具现场应用效果

3、“MWD+弯螺杆”钻井技术

希望油田二开生产井设计井深2400m左右，在720井二开Ф215.9mm井眼易斜井段首先试用了“MWD+弯螺杆”钻井技术，与只使用螺杆、未使用MWD无线随钻仪器的邻井719井相比，二开机械钻速提高1.40m/h，钻井周期缩短4.25d。随后在同类型的6口井中进行了推广应用，具体施工数据见表3。

表3 “MWD+弯螺杆”钻井技术现场应用效果

由表3可见，使用井段的平均机械钻速提高了1.05m/h，同比提高18.85%。7口井的总施工时间由102.11d缩短为78.71d，节约钻井时间23.40d，取得了良好效果。

从自动垂直导向钻井技术和“MWD+弯螺杆”钻井技术的应用效果对比可见，前者的提速效果明显优于后者，但垂直导向系统的使用成本过高，更适合应用于井身质量要求特别严格的井。

4、“高速涡轮+孕镶金刚石钻头”钻井技术

2012年以来，相继在希望油田T-1井、DZH-1井、肯基亚克油田KM-1井、阿克陶地区K-119井、AK-106井、耶森1井等6口井的泥灰岩地层使用了Ф215.9mmK705TBPXC型孕镶金刚石钻头+高速涡轮钻具组合，取得了良好效果，现场施工情况见表4。

表4 Ф215.9mmK705钻头+高速涡轮应用效果

从表4可以看出，使用该钻井技术的6口井平均机械钻速提高了1.68m/h，与以往完成井同井段的机械钻速相比提高了137%。6口井的总施工时间由192.90d缩短为86.11d，共节约钻井时间106.79d。

结论：

1)水力加压器钻头保护技术、自动垂直导向技术、“MWD+弯螺杆”钻井技术和“高速涡轮+孕镶金刚石钻头”钻井技术在哈萨克斯坦滨里海油田进行了现场应用，有效提高了该油田的机械钻速。

2)2012年以来，上述钻井提速技术已在滨里海油田18口井中进行了应用，效果良好，可在滨里海油田及国内类似地层推广应用。

3)滨里海油田钻井提速还有一定空间，国内旋冲钻井技术、滚子扶正器扶正减振技术、PDC钻头配合低速螺杆及减振工具高效钻井技术等已经成熟，建议在滨里海油田钻井中进行试验与应用，以进一步提高钻井速度。

     责编：王亭亭

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