長(zhǎng)慶氣田水平井PDC鉆頭防泥包技術(shù)

摘 要

摘要：為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)慶氣田水平井鉆井提速的目的，在斜井段中試驗(yàn)了PDC鉆頭，但均不同程度地發(fā)生了鉆頭泥包的問題。經(jīng)過廣泛的調(diào)研分析，找到了導(dǎo)致PDC鉆頭泥包的主要因素——
摘要：為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)慶氣田水平井鉆井提速的目的，在斜井段中試驗(yàn)了PDC鉆頭，但均不同程度地發(fā)生了鉆頭泥包的問題。經(jīng)過廣泛的調(diào)研分析，找到了導(dǎo)致PDC鉆頭泥包的主要因素——鉆井液?jiǎn)栴}，另外還有地層、鉆井參數(shù)、PDC鉆頭流場(chǎng)設(shè)計(jì)等影響因素。為此，從強(qiáng)化鉆井液抑制性出發(fā)，研制出了雙鉀鹽聚合物鉆井液體系并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用獲得成功，較好地解決了PDC鉆頭泥包問題。其中GP12-6井實(shí)現(xiàn)了斜導(dǎo)眼水平井單只PDC鉆頭穿越5套地層，平均機(jī)械鉆速達(dá)11.25m/h，起下鉆、電測(cè)和下套管等作業(yè)均安全順利完成。
關(guān)鍵詞：水平井PDC鉆頭；泥包；雙鉀鹽聚合物鉆井液；鉆井參數(shù)；鉆井速度；長(zhǎng)慶氣田
    為提高長(zhǎng)慶氣田開發(fā)效率，水平井開發(fā)技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，但水平井施工中，鉆井速度相對(duì)偏低，尤其是下部斜井段更為明顯。2007年以來，為實(shí)現(xiàn)鉆井提速的目的，斜井段中試驗(yàn)了PDC鉆頭，不同程度地發(fā)生了鉆頭泥包問題。針對(duì)以上問題，開展了廣泛的分析研究，認(rèn)為導(dǎo)致PDC鉆頭泥包的主要因素是鉆井液?jiǎn)栴}，另外還有地層和鉆井參數(shù)、PDC鉆頭流場(chǎng)設(shè)計(jì)等[1～3]。為此，研制出了無土相強(qiáng)抑制雙鉀鹽聚合物鉆井液體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用獲得成功，解決了斜井段PDC鉆頭泥包的問題，其中雙平2井實(shí)現(xiàn)單只PDC鉆頭穿越從石千峰組鉆至本溪組的5套地層，進(jìn)尺690m，平均機(jī)械鉆速11.25m/h；GP12-6井斜導(dǎo)眼中實(shí)現(xiàn)單只PDC鉆頭穿越從山西組到馬家溝組的4套地層，進(jìn)尺230m；井眼規(guī)則，起下鉆、電測(cè)和下套管作業(yè)均安全順利完成。
1 水平井斜井段PDC鉆頭泥包原因
    長(zhǎng)慶氣田近年鉆井提速工作取得顯著成效的關(guān)鍵就是大面積推廣應(yīng)用PDC鉆頭。因此，自2007年以來，在天然氣水平井斜井段試驗(yàn)使用了PDC鉆頭。兩年來，先后在6口井中試驗(yàn)應(yīng)用了3個(gè)廠家、兩種尺寸、10種型號(hào)的19只PDC鉆頭，均未達(dá)到預(yù)期效果，其主要原因是鉆頭泥包嚴(yán)重。
1.1 鉆井液影響因素分析
    目前長(zhǎng)慶天然氣水平井斜井段使用的鉆井液體系基本都為分散體系，抑制性較弱，不能有效地抑制地層泥頁巖水化膨脹，泥巖鉆屑存在適度分散；其次是由于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，少量鉆屑固相沒有及時(shí)從鉆井液中清除出去，導(dǎo)致鉆井液中的低密度固相組分及劣質(zhì)土含量偏高；第三是鉆井液性能參數(shù)沒有達(dá)到良好的控制，土含量過高；第四是鉆井液流變性能不夠好；第五是鉆井液濾餅質(zhì)量相對(duì)較差。
1.2 地層影響因素分析
    發(fā)生PDC鉆頭泥包的地層主要有石千峰組、石盒子組等地層，泥包井段主要以泥巖為主，為棕紅色泥巖，黏土礦物含量高達(dá)61.7%～41%，24h膨脹率大于15%以上，最高達(dá)到35%。
1.3 鉆頭及鉆井參數(shù)因素的影響
    PDC鉆頭水眼分布及射流角度、流場(chǎng)狀態(tài)以及排量等都存在一定的影響，排量偏小時(shí)，一般容易發(fā)生泥包。
2 解決鉆頭泥包問題的思路與對(duì)策
    基于上述分析，筆者認(rèn)為解決PDC鉆頭泥包的問題應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：
    1) 利用K+材料等尺寸壓縮雙電層理論，使用含K+材料提高體系的抑制性，抑制泥頁巖水化膨脹和分散，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定井壁和降低泥頁巖鉆屑水化分散的目的。
    2) 利用高聚物多點(diǎn)吸附理論，使用聚合物材料，在泥頁巖上形成多點(diǎn)吸附，實(shí)現(xiàn)井眼穩(wěn)定和抑制包被泥頁巖鉆屑分散、降低鉆井液中低密度固相和劣質(zhì)土含量的目的。
   3) 利用無機(jī)鹽，提高濾液礦化度，降低水相活度，最終降低與地層水的滲透壓差，從而進(jìn)一步增強(qiáng)防止地層泥頁巖水化膨脹的目的。
   4) 實(shí)現(xiàn)鉆井液體系無黏土化的目的。
在上述技術(shù)原理的指導(dǎo)下，研究出了以無機(jī)復(fù)合鉀鹽CP-1+有機(jī)鉀鹽KP-A+流型調(diào)節(jié)劑ASV-2以及潤滑劑、燒堿等組成的無土相強(qiáng)抑制雙鉀鹽聚合物鉆井液體系，該體系具有強(qiáng)抑制防塌性、良好的流變特性、光滑致密的濾餅、慮失量低以及無黏土等特點(diǎn)，主要性能參數(shù)：鉆井液密度為1.04～1.30g/cm3；失水量為3.00～7.00mL；漏斗黏度為45.00～60.00s；塑性黏度為10.00～18.00mPa·s；動(dòng)切應(yīng)力為6.00～14.00Pa；初切力為3.00～15.00Pa；pH值為8.50～10.00。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及取得的效果
   室內(nèi)研制成功后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，均獲得成功，不僅保障了井壁穩(wěn)定，而且實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭使用的突破，鉆井速度明顯提高，再?zèng)]有發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象。
3.1 GP12-6井應(yīng)用情況
    GP12-6井位于氣田中北部區(qū)塊，該區(qū)已完鉆多口水平井，均不同程度地發(fā)生過因鉆頭泥包而影響PDC鉆頭的使用。GP12-6井的井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，第2次開鉆直接入窗，是該區(qū)第1口斜導(dǎo)眼水平井。該井從斜導(dǎo)眼開始使用雙鉀鹽體系，并試驗(yàn)應(yīng)用了PDC鉆頭，鉆井井段為3110～3340m，進(jìn)尺為230m，純鉆時(shí)間為62h，平均機(jī)械鉆速為3.71m/h，井斜為33.31°～37.66°，同比是牙輪鉆頭進(jìn)尺的2.5倍、是牙輪鉆頭鉆速的2倍。施工中無鉆頭泥包現(xiàn)象，起下鉆安全順利，鉆頭起出新度為80%。
3.2 SHP2井應(yīng)用情況
    SHP2井位于氣田東北部雙山區(qū)塊，該區(qū)塊延長(zhǎng)組水敏性強(qiáng)，易發(fā)生坍塌，造成井下復(fù)雜，2007年在該區(qū)塊完鉆直井20口，其中有10口井相繼發(fā)生井塌，其中3口井因垮塌導(dǎo)致井下故障，下部井段沒有使用過PDC鉆頭，鉆井速度低下。SHP2井是該區(qū)塊的第1口水平井，直導(dǎo)眼鉆井中，使用了雙鉀鹽體系，同時(shí)從石千峰組地層開始試驗(yàn)應(yīng)用了PDC鉆頭。該鉆頭成功鉆至本溪組，穿越5套地層，鉆井井段為2037～2728m，進(jìn)尺為690m，純鉆時(shí)間為61.5h，平均機(jī)械鉆速為11.25m/h，其中在“雙石層”鉆井中創(chuàng)造了日進(jìn)尺250m的紀(jì)錄，施工中沒有發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象、鉆速快、起下鉆順利，鉆頭起出新度為85%。
3.3 雙鉀鹽聚合物鉆井液體系的特點(diǎn)
    通過SHP2井和GP12-6井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)雙鉀鹽聚合物鉆井液體系[1～2]具有下述特點(diǎn)：
    1) 體系抑制防塌能力強(qiáng)，有效地防止了井壁泥頁巖水化膨脹和分散。
    2) 有效地降低了平衡地層穩(wěn)定的鉆井液密度(1.28～1.23g/cm3)。
    3) 體系沒有使用黏土，實(shí)現(xiàn)了無黏土相的目的。
    4) 攜巖、洗井能力強(qiáng)，井眼暢通，起下鉆順利，無沉砂現(xiàn)象。
    5) 潤滑性高，斜井段施工摩阻和扭矩低。
    由于雙鉀鹽體系具有上述特點(diǎn)，PDC鉆頭的使用獲得了突破，提高了鉆井速度，縮短了施工時(shí)間。
4 結(jié)論與建議
    1) 提高鉆井液體系的抑制作用可減少PDC鉆頭發(fā)生泥包。
    2) 體系實(shí)現(xiàn)無土相特點(diǎn)更能有效地解決PDC鉆頭泥包問題。
    3) 現(xiàn)場(chǎng)施工中，體系的低密度固相和劣質(zhì)土含量的有效控制同樣是解決PDC鉆頭泥包的有效方法之一。
    4) 保證適當(dāng)?shù)呐帕恳彩怯欣诮鉀QPDC鉆頭泥包的問題。另外，由于導(dǎo)致PDC鉆頭泥包的因素很多，單純從鉆井液角度來完成還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，要更進(jìn)一步加強(qiáng)PDC鉆頭噴嘴分布、射流角度以及流場(chǎng)設(shè)計(jì)等研究工作。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄧傳光，朱明玉，黃焰，等.PDC鉆頭泥包原因分析及對(duì)策[J].鉆采工藝，2006，29(6)：127-129.
[2] 屈沅治，孫金聲，蘇義腦.快速鉆進(jìn)鉆井液技術(shù)新進(jìn)展[J].鉆井液與完井液，2004，21(3)：68-70.
[3] 侯慶勇.PDC鉆頭在鄂爾多斯盆地大牛地氣田的應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程，2002(3)：43-44.
 
(本文作者：陳在君 劉頂運(yùn) 韋孝忠 陳煉軍 王萬慶 川慶鉆探工程公司工程技術(shù)研究院)