大港油田“一趟钻”钻井关键技术

时间：2024-07-28

杨灿，李伟，李晓涵，罗硕，刘英，王小宁

（1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一钻井工程分公司，天津 300280；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司页岩气管理部，天津 300280；3.液化空气<天津>有限公司，天津 300074）

一趟钻技术，缘起于北美页岩油气、致密油气开发经济性而逐步形成的一项技术，并被誉为2016 年国际石油十大科技进展之一。但其并非类似于旋转导向技术这类单一技术，而是集成装备、钻井工具、施工设计、技术服务、钻井管理及其它高效工艺技术为一体的综合性技术的高度概括。广义上的一趟钻，并非指一口井一趟钻，是指某一开次一趟钻完成钻井进尺，另外也用于特殊井段一趟钻完成，如水平井水平段一趟钻完成[1-2]。

1 大港油田基本概况

大港油田地处京津冀协同发展区，重点开发多类型斜坡区、多层系潜山、闭塞湖盆致密油、第三系深层、深层低渗透等油气藏，目的层系800～6000m，自上而下因成藏压实，南北地层藏深差异较大，可钻性差异大[3]。深井钻井一趟钻技术的形成，难度较大。

2 制约一趟钻的关键因素

2.1 大港油田一趟钻技术基本要求

不考虑工程技术应用的因素，实现“一趟钻”，也有其相对的局限性，从地质岩性、井眼轨迹、装备能力方面表现出[4]。

2.1.1 地质岩性

地质岩性影响一趟钻技术作用较大，尤其是在2017年之前，钻头技术、螺杆技术等发展未有较大突破时，一趟钻技术几乎无法形成。大港油田上第三系馆陶组Ng底部发育底砾岩，厚度约为30～150m 之间，斜深长度30～180m，以石英质砾石为主，可钻性极差，较难使用常规PDC钻头，多使用1～2只三牙轮钻头钻穿。下第三系东营组Ed、沙河街组Es因地质压实作用，泥岩致密，可钻性差，对钻头、钻井工具性能要求较高。

2.1.2 井眼轨迹

在井眼轨迹设计时，受油藏、地质、井口位置、经济性等众多条件的影响，设计轨迹会呈现多段制，除常规三段制、水平井外，五段制井、三维定向井、双台阶水平井、双增双稳井型逐步增多，导致在进行井眼轨迹调控时，需要消耗更多的时间处理轨迹问题，而钻头、井下工具、仪器的工作寿命是有限的，进一步降低一趟钻成功率。

2.1.3 装备能力

装备能力对一趟钻的影响，主要是由于较高故障率导致。一是钻井主要设备出现故障，如顶驱故障、钻井泵故障、钻井大绳磨损严重等，必须起钻或停转检修；二是设备易损件修换，如钻井泵缸套刺漏、井口工具损坏、高压闸门刺漏更换等，增长非钻井时效，降低一趟钻成功率。

2.2 影响一趟钻的工程因素

工程因素，受限于钻头技术、螺杆技术、井下测量技术、钻井液技术的影响，均会对一趟钻技术的形成产生负面影响。

2.2.1 钻头技术受限

钻头影响其一是在破岩过程中切削齿的磨损，导致后期机械钻速低或者无进尺，必须起钻更换钻头；其二是地质岩性发生改变，原有钻头不适应新地层，必须起钻更换更加高效的钻头入井，如钻遇砾岩，PDC钻头受限且进尺较少，最少进尺2m 即可报废一只钻头，见图1为港X井钻头下井前、图2为该钻头钻遇砾岩进尺13m后起出图。

图1 港XX井钻头入井前

图2 钻遇砾岩起出照片

2.2.2 螺杆技术受限

螺杆钻具是轨迹控制、钻井提速必不可少的井下工具，但是其密封件多为橡胶材质，寿命有限，常规螺杆下井工作推荐时间120h，高性能螺杆工作时间140～160h。超时工作容易引起螺杆事故发生（图3）。因此，必须在此时间段内完成目标进尺，否则将无法实现一趟钻。

图3 超时工作引起螺杆事故

2.2.3 井下随钻测量仪器受限

井下随钻测量仪器因其供电方式，有自发电供电类和携带电池类测量仪器。自发电供电类仪器可以在井下长时间工作，时间受限有限。携带电池类测量仪器因电池供电有限。如常用的YST-48R泥浆脉冲随钻测量仪，由高温锂—亚硫酰氯电池供电，更根据工作电流，其井下工作寿命130～200h之间（图4），因此一趟钻技术必须在该电池工作时间内完成。

图4 工作电流与使用时间关系曲线

3 二开（∅311.1mm井眼）一趟钻关键技术

3.1 异型齿钻头技术破解砾岩破岩瓶颈

在异型齿广泛应用前（约2017 年前），二开∅311.1mm 井眼均是以先下入PDC 钻头钻进至Ng底砾岩上部约10m，起出钻头更换为三牙轮钻头，约1～2只穿过砾岩进入Ed地层。

近年，变革传统思维推出砾岩破岩的个性化PDC钻头，主要是在切削齿上以传统的平面齿，变革为异型齿。如图5 所示，可实现中深井、深井在二开井段（∅311.1mm井眼），由一只异型齿PDC钻头钻穿Nm、Ng，钻穿Ng底砾岩[5]，进入Ed组地层中完这一整个过程，并完成过程中的造斜、稳斜等施工实现一趟钻。

图5 平面齿到异型齿的转变

比如大港油田常用的异型齿钻头MD9431，该钻头主切削齿采用PX齿（图5最后一个样式），类似于斧头工作原理；后排辅助齿采用圆锥齿（见图5 第二个样式），锥形部分径向吃入地层的同时，能产生横向平衡力，控制钻头的横向振动，降低钻头因破岩应力不均或应力集中而产生的结构性破坏，提高了钻头使用寿命，以“压”与“切”的组合方式破岩，达到钻破砾岩层的目的。在大港油田页岩油井二开广泛应用实现“一趟钻”，机械钻速平均24.91m/h，与应用其它钻头的邻井相比，平均机械钻速提高了65.4%，平均每口井节约钻井时间108h。

3.2 激进式钻井参数设计

开展激进式钻井参数设计，提高排量5～10L/s，转速、泵压、钻压值均提高10%～50%，见表1，各项施工参数的提高，必然带动钻井速度的提高，但对主体设备要求高。在大港油田二开井段一趟钻技术发展过程中，从固控设备、顶驱、钻井泵、管汇、钻具、网电设备等方面，完成装备换新、升级，满足激进式施工需求[6-7]。试验“高转速、高泵压、高扭矩、大排量”钻井参数设计，提高水力破岩效率，进一步提高机械钻速与井眼清洁。

表1 激进式设计对比

开展条件一是承压提升，循环系统承压能力提升为52MPa，满足激进式钻井高泵压的需求；二是主体高配，对固控系统、驱动系统等实行高配，提高钻探能力；三是绿色钻井，实行网电技术，动力保障充裕；四是钻具优配，使用高强度非标钻具。

4 三开（∅215.9mm井眼）一趟钻关键技术

三开井眼地层，一般从Ed组开始，完钻层位Es1、Es2、Es3、Ek1、Ek2、Ek3及中古生界均有，完钻层位不大相同，中北部地区Es1-Es2目标油藏较多，但底层压实作用强，层系深、可钻性较差，受制于钻头、井下工具、测量仪器时间限制的影响，能完成一趟钻完钻几乎为0，有待科学技术的进一步发展与完善。南部地区多以Ek组油藏开发为主。

4.1 深层PDC技术

三开PDC钻头技术与一趟钻相关性强，优选PDC钻头解决机械钻速低、钻压传递困难、定向工具面难以稳定的问题，实现高效钻井。因此，深层PDC 优选复合条件如下要求：

（1）满足直井、造斜、稳斜、水平段全轨迹作业需求，适应旋转导向、提速工具、LWD等配套作业需求与激进式水力参数设计需求。

（2）满足工作寿命长、磨损衰减低的特性，划眼过程中的保护外径。

（3）适应中高速螺杆工具持续破岩需求，适应页岩油层泥页岩破岩特性。

因此，一是设计子弹型高窄刀翼，增强钻头攻击性；二是实行浅锥设计，增强破岩稳定性；三是减小肩部齿背倾角，增强钻头的持久性，确保一趟钻技术的实现。如现场使用的TM1653RS、MD6521ZC，均是类似设计，见图6。

图6 钻头设计图

4.2 定制式大扭矩螺杆技术

螺杆方面，一是提高螺杆造斜率，压缩轨迹定向时间，定制螺杆弯点到传动轴下端面距离缩短8%，扶正器中心距传动轴下端面距离缩短26.6%。二是针对中深部地层常规螺杆输出扭矩低、后期输出功率下降、进尺变慢的问题，研制大扭矩长寿命马达，输出扭矩比常规螺杆扭矩提高30%以上，具体性能见表2；三是应用耐盐水泥浆碳化钨喷涂转子技术，提高螺杆工作时间。

表2 常规与改进螺杆扭矩增大

4.3 提速减扭工具应用

减扭工具以水力振荡器为主，大港油田深部地层钻井提速需求特点：长时间作业、对工具稳定性要求高、整体高效钻井。优选提速工具、最优设计安装位置、钻具结构性调整等措施，进一步提高行程机械钻速，促进一趟钻技术的形成。在官东地区页岩油井钻井数据统计得知，使用水力振荡器滑动效率可提高45%以上。

4.4 钻井液抑制与润滑

钻井液抑制、润滑、低摩阻，有限保障钻井低托压、起下钻正常附加拉力，事故复杂预防不可或缺的重要因素。主要使用的润滑材料有无荧光水基润滑剂HRH-101、液体润滑剂BZ-YRH、改性植物油BZRH-I等，含量2%～3%，保持摩阻系数小于0.08以下。

4.5 其它一趟钻保障技术

在一些特殊井，使用新工艺新工具来保障一趟钻的完成，如页岩油井使用旋转导向技术、变径扶正器技术、大数据分析决策、远程监测等；同时在施工组织中，精选优秀操作人员、注重过程监控、专家盯井等，促进一趟钻形成。

5 典型案例

GY10-2-1L井位于大港油田沧东凹陷，完钻井深3960m，钻井周期20.54d，机械钻速22.76m/h，成功实现一开、二开、三开“一趟钻”方式完钻（一开不作阐述），刷新大港油田周期纪录，同比邻井整体提速15%～37%。

5.1 GY10-2-1L井基本情况

GY10-2-1L井为一口三开大斜度井，井眼轨迹近似水平，自上而下地层依次为Qp-Nm-Ng-Es-Ek五个层位，其中Ng底砾岩垂深1482～1524m；Es抗钻性级别4～6级，硬塑性泥岩为主；Ek地层抗钻性级别4～6.5 级，其中Ek1垂深2075～2152m 为黑色玄武岩，Ek2垂深2982～3238m为致密泥岩、油页岩。

5.2 二开井段一趟钻技术应用

二开311.1mm井眼选用异形齿ES1942H钻头，设计激进式钻井参数，钻压60～80kN，转速100～120r/min，排量65～70L/s，泵压17～21MPa。砾岩段略降低钻井参数，减小砾岩对钻头的冲击破损，钻穿Ng底砾岩后2327m 至中完，仍然保持在0.8～4.5min/m 的较快钻时，起出钻头可再次使用。一趟钻完成进尺1922m，机械钻速45.76m/h，同比邻井机械钻速提高127.5%，二开钻井时间节省43.5h。

5.3 三开一趟钻技术应用

三开215.9mm 井眼优选高效PDC 钻头TM1653RS，以致密泥岩、油页岩为主，钻井参数：钻压80kN，转速60r/min，排量35L/s，最高泵压26MPa。其次，钻具组合中使用178mm 水力振荡器消除托压问题，定向过程中保持钻压120～160kN，提高滑动钻进机械钻速。第三，保持钻井液摩擦系数在0.07以下，API失水小于3.0mL、HTHP 失水小于11mL，形成良好的泥饼及润滑性，3960m完钻。在钻头选型、水力振荡器使用、钻井液性能优化等综合作用下，一趟钻完成进尺1633m，机械钻速12.96m/h，同比邻井机械钻速提高55.96%，钻井时间节省221h。优质螺杆循环时长181h，在螺杆的有效使用时间内实现“一趟钻”。