山西临兴致密气钻井钻头优选及提效分析

王志超，陈真，袁则名，和鹏飞，孟瑄，郑卓

中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司（天津300452）

临兴区块位于山西省吕梁市，构造位置属于鄂尔多斯盆地。本区地层沉积相对平缓，是由东向西的单斜倾斜，该区域发育构造主要为鼻状构造，属于黄土塬地貌，地形以黄土丘陵为主，地势起伏较大[1-2]。鄂尔多斯地区的整体开发程度较低，但随着近年来国家天然气的大量勘探和开采，该盆地迎来前所未有的大开发。但该区块地层复杂，单趟钻进尺少，钻井过程中钻进速度慢，起下钻次数多，非生产时间及钻井周期长；同时井眼井壁稳定性差，井下漏失、溢流、井塌等复杂情况频发，有时甚至会造成重大的钻井事故[3-4]。基于这些问题，钻井提效迫在眉睫，既可提高钻井机械钻速，缩短钻井周期，又极大地降低了复杂情况的发生。

1 钻井技术难点

对临兴区块近年钻井资料进行分析，发现造成现阶段钻井机械钻速慢、钻井周期长的主要原因为地质因素，具体分析如下：

1）地表条件复杂，山体陡峭，沟谷切割，断层不发育。地层横向分布广，多层叠置，砂体平面连续性差，易发生漏失，且漏失存在不可预见性和不可控制性。

2）砂层厚度较小，多薄层发育，砂泥岩互层和夹层较多，钻头钻遇不同岩石可钻性相差较大，钻头选型困难。

3）下部地层普遍较硬，钻井机械钻速低，钻井周期较长。

4）区块内地层存在一定差异，稳定性较差，易发生井下漏失、井壁缩径、井塌等复杂情况，复杂情况处理困难，周期长，处理过程中井况易恶化。

2 钻井技术优化措施

2.1 优化钻头选型

通过理论研究与临兴区块地质特点相结合及多井间进行数据对比，从钻头构造、喷嘴倾斜角、布齿密度、井底流场、力平衡和强度、负载等多方面多角度对比和优化，力争选择井底岩屑清理速度快，抗研磨性强，攻击力和切削齿机械效率高，寿命长的钻头[5-8]。钻头寿命长可以大大提高单趟钻进尺，有效地减少起下钻更换钻具时间；钻头研磨性强，攻击力和机械切削效率高可以提高机械钻速，在相同时间内进尺更多。

临兴区块上部井段为第四系黄土层，该井段地层可钻性较好，通过统计、分析该地区历年钻井资料，发现5刀翼、短冠型、19 mm切削齿的PDC钻头使用效果良好，与上部井段地层匹配性较高。

临兴区块下部井段地层可钻性相差较大，石千峰以上地层主要为粉砂岩、砂岩及泥岩，地层相对较软，岩石致密程度稍低，选用钢体、5刀翼、单排步齿、双锥型冠部的PDC钻头寿命长，进尺多，机械破岩效率高；石千峰以下地层主要为石英砂岩、泥岩及煤层，地层致密，可钻性差，历年钻井所用常规PDC钻头保径和切削齿均磨损严重，但胎体、6刀翼、双排齿、保径加强的PDC钻头使用效果良好，耐磨损强度显著提高，钻头寿命和进尺更多，同时不影响机械钻速。

2.2 优化钻具组合

钻具组合使用的基本原则是：保证轨迹和井身质量，有效控制井斜角和全角变化率；保证钻头工作稳定性，钻进期间能够施加较高钻压，提高机械钻速；同时减少憋压、蹩扭矩和卡钻等复杂情况，保证起下钻顺利，在条件允许情况下尽可能优化钻具组合。优化钻具组合为：大尺寸井眼660.4 mm（26″）和428.75 mm（17½″）井眼采用塔式钻具组合，较小尺寸井眼311.15 mm（12¼ ″）和215.9 mm（8½ ″）井眼采用钟摆钻具组合。针对个别井特殊情况，调整钻具组合选用防斜、纠斜钻具，可以采用PDC钻头和螺杆钻具低钻压轻打钻进，加强井眼轨迹的防斜效果。

2.3 优化钻井液体系

合理的钻井液体系对钻井作业非常重要，钻井液可以及时清除井底岩屑，保持井底清洁，避免钻头重复切削，降低钻头切削齿的磨损，提高钻进速度，同时能够平衡井壁侧向挤压力，在井壁形成薄而韧的泥饼，封闭和稳定井壁，防止井内油气资源污染、井壁坍塌和井眼缩径。

临兴区块属于鄂尔多斯盆地，该地区地层部分缺失，夹层多，钻进过程中井下漏失、井塌和缩径等复杂情况频繁发生，井壁稳定性较差，针对该地区地层的特殊性，采用抑制性较高的超低渗透钻井液体系。超低渗透钻井液体系中的聚合物黏附在地层缝隙的终端创造“桥头”，与流体中其他物质相结合，穿过地层缝隙形成表面桥，石油行业中称为“垫层”，这些垫层为多层纤维垫层，极大地提高了钻井液抑制性，减少了钻井液中流体侵入地层，有效地维护了地层的稳定性，钻井周期和裸眼裸露时间较长情况下，亦能保证井眼稳定，大大减少了钻井过程中井漏、井壁坍塌和缩径等复杂情况。

3 现场应用效果

近年来，临兴致密气进行了多口钻井作业，其中比较有代表性的有LX-6、LX-1、LX-5、LX-4和LX-8井等5口井，这5口井互为邻井，井深和井身结构类似，钻井方面数据相近，具有很好的对比效果。对这5口井在上部井段和下部井段钻井作业期间的单趟钻进尺、钻井机械钻速和钻井工期进行全面对比，通过对比发现，采用优化钻头选型、优化钻具组合和钻井液体系等提效措施后，单趟钻进尺和钻井机械钻速显著提高，钻井工期相应减少，提速效果明显。具体分析如下。

3.1 单趟钻进尺和机械钻速对比

由表1可知，上部井段提效前LX-6井、LX-1井和LX-5井钻进期间总进尺为1 535.66 m，单趟钻平均进尺为255.94 m，总纯钻时间为334.5 h，总体平均机械钻速为4.59 m/h；后续钻井作业中采用优化钻头选型、优化钻具组合和钻井液体系等提效措施，提效后LX-4井和LX-8井单趟钻进尺和总体机械钻速都有显著提高，总进尺为3 915.94 m，单趟钻平均进尺为748.01 m，总纯钻时间为508.53 h，总体平均机械钻速为7.70 m/h，提效后单趟钻平均进尺为提效前的2.92倍，单趟钻增加进尺比例达到192%；提效后钻头总体平均机械钻速为提效前的1.68倍，提速比例达到68%，单趟钻进尺和机械钻速均有明显提高。

表1 临兴致密气上部井段单趟钻进尺和机械钻速对比

由表2可知，下部井段提效前LX-6井、LX-1井和LX-5井钻进期间总进尺为514.29 m，单趟钻平均进尺为73.47 m，总纯钻时间为206.5 h，总体平均机械钻速为2.49 m/h；后续钻井作业中采用优化钻头选型、优化钻具组合和钻井液体系等提效措施，提效后LX-4井和LX-8井钻头单趟钻进尺和总体机械钻速都有显著提高，总进尺为3 084.2 m，单趟钻平均进尺为371.66 m，总纯钻时间为712.08 h，总体平均机械钻速为4.33 m/h，提效后单趟钻平均进尺为提效前的5.06倍，单趟钻增加进尺比例达到406%；提效后钻头总体平均机械钻速为提效前的1.74倍，提速比例达到74%，单趟钻进尺和机械钻速均有明显提高。

表2 临兴致密气下部井段单趟钻进尺和机械钻速对比

3.2 钻井工期对比

提效前LX-6井、LX-1井和LX-5井，钻井工期分别为43.51 d、53.18 d和42.16 d，平均钻井工期为46.27 d；后续钻井作业中采用优化钻头选型、优化钻具组合和钻井液体系等提效措施，提效后LX-4井和LX-8井钻井工期分别为35.03 d和34.11 d，平均钻井工期为34.57 d，提效后平均钻井工期相比提效前缩短了11.71 d，钻井工期缩短比例达到25.3%，提效措施效果明显。

4 结论

临兴区块地质情况复杂，夹层多，钻井过程中井下漏失、井塌和缩径等复杂情况频发，针对该区块的地质难点，通过采用优化钻头选型、优化钻具组合和钻井液体系等提效措施，不仅提高了钻进中的单趟钻进尺和机械钻速，缩短了整体钻井工期，同时有效地降低了钻进过程中复杂情况的发生，并保证了起下钻过程的顺利，很好地解决了该区块地质难点。该提效措施符合临兴致密气的地层特点，在钻井作业中的促进效果明显，为后续临兴致密气油气资源的大开发提供了现场经验。