長慶氣田水平井PDC鉆頭防泥包技術(shù)

摘 要

摘要：為實現(xiàn)長慶氣田水平井鉆井提速的目的，在斜井段中試驗了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，找到了導致PDC鉆頭泥包的主要因素——
摘要：為實現(xiàn)長慶氣田水平井鉆井提速的目的，在斜井段中試驗了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，找到了導致PDC鉆頭泥包的主要因素——鉆井液問題，另外還有地層、鉆井參數(shù)、PDC鉆頭流場設計等影響因素。為此，從強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)場應用獲得成功，較好地解決了PDC鉆頭泥包問題。其中GP12-6井實現(xiàn)了斜導眼水平井單只PDC鉆頭穿越5套地層，平均機械鉆速達11.25m/h，起下鉆、電測和下套管等作業(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；長慶氣田
    為提高長慶氣田開發(fā)效率，水平井開發(fā)技術(shù)逐漸得到應用，但水平井施工中，鉆井速度相對偏低，尤其是下部斜井段更為明顯。2007年以來，為實現(xiàn)鉆井提速的目的，斜井段中試驗了PDC鉆頭，不同程度地發(fā)生了鉆頭泥包問題。針對以上問題，開展了廣泛的分析研究，認為導致PDC鉆頭泥包的主要因素是鉆井液問題，另外還有地層和鉆井參數(shù)、PDC鉆頭流場設計等[1～3]。為此，研制出了無土相強抑制雙鉀鹽聚合物鉆井液體系，現(xiàn)場應用獲得成功，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，進尺690m，平均機械鉆速11.25m/h；GP12-6井斜導眼中實現(xiàn)單只PDC鉆頭穿越從山西組到馬家溝組的4套地層，進尺230m；井眼規(guī)則，起下鉆、電測和下套管作業(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用PDC鉆頭。因此，自2007年以來，在天然氣水平井斜井段試驗使用了PDC鉆頭。兩年來，先后在6口井中試驗應用了3個廠家、兩種尺寸、10種型號的19只PDC鉆頭，均未達到預期效果，其主要原因是鉆頭泥包嚴重。
1.1 鉆井液影響因素分析
    目前長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)場條件限制，少量鉆屑固相沒有及時從鉆井液中清除出去，導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61.7%～41%，24h膨脹率大于15%以上，最高達到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、流場狀態(tài)以及排量等都存在一定的影響，排量偏小時，一般容易發(fā)生泥包。
2 解決鉆頭泥包問題的思路與對策
    基于上述分析，筆者認為解決PDC鉆頭泥包的問題應從以下幾個方面著手：
    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) 利用高聚物多點吸附理論，使用聚合物材料，在泥頁巖上形成多點吸附，實現(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，從而進一步增強防止地層泥頁巖水化膨脹的目的。
   4) 實現(xiàn)鉆井液體系無黏土化的目的。
在上述技術(shù)原理的指導下，研究出了以無機復合鉀鹽CP-1+有機鉀鹽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抑制雙鉀鹽聚合物鉆井液體系，該體系具有強抑制防塌性、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，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；動切應力為6.00～14.00Pa；初切力為3.00～15.00Pa；pH值為8.50～10.00。
3 現(xiàn)場應用及取得的效果
   室內(nèi)研制成功后，在現(xiàn)場進行了試驗應用，均獲得成功，不僅保障了井壁穩(wěn)定，而且實現(xiàn)了PDC鉆頭使用的突破，鉆井速度明顯提高，再沒有發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象。
3.1 GP12-6井應用情況
    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)簡單，第2次開鉆直接入窗，是該區(qū)第1口斜導眼水平井。該井從斜導眼開始使用雙鉀鹽體系，并試驗應用了PDC鉆頭，鉆井井段為3110～3340m，進尺為230m，純鉆時間為62h，平均機械鉆速為3.71m/h，井斜為33.31°～37.66°，同比是牙輪鉆頭進尺的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井應用情況
    SHP2井位于氣田東北部雙山區(qū)塊，該區(qū)塊延長組水敏性強，易發(fā)生坍塌，造成井下復雜，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，直導眼鉆井中，使用了雙鉀鹽體系，同時從石千峰組地層開始試驗應用了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，進尺為690m，純鉆時間為61.5h，平均機械鉆速為11.25m/h，其中在“雙石層”鉆井中創(chuàng)造了日進尺250m的紀錄，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
    通過SHP2井和GP12-6井的現(xiàn)場應用，發(fā)現(xiàn)雙鉀鹽聚合物鉆井液體系[1～2]具有下述特點：
    1) 體系抑制防塌能力強，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，實現(xiàn)了無黏土相的目的。
    4) 攜巖、洗井能力強，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，PDC鉆頭的使用獲得了突破，提高了鉆井速度，縮短了施工時間。
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) 體系實現(xiàn)無土相特點更能有效地解決PDC鉆頭泥包問題。
    3) 現(xiàn)場施工中，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?shù)呐帕恳彩怯欣诮鉀QPDC鉆頭泥包的問題。另外，由于導致PDC鉆頭泥包的因素很多，單純從鉆井液角度來完成還遠遠不夠，要更進一步加強PDC鉆頭噴嘴分布、射流角度以及流場設計等研究工作。
參考文獻
[1] 鄧傳光，朱明玉，黃焰，等.PDC鉆頭泥包原因分析及對策[J].鉆采工藝，2006，29(6)：127-129.
[2] 屈沅治，孫金聲，蘇義腦.快速鉆進鉆井液技術(shù)新進展[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用[J].石油地質(zhì)與工程，2002(3)：43-44.
 
(本文作者：陳在君 劉頂運 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)