大庆深层天然气提速技术研究

孙 莉

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163000）

1 大庆深层天然气钻井技术现状

1.1 基本情况

大庆天然气年产50×108m3，是油田可持续发展的重要组成部分，其中，深层天然气产量31×108m3，是大庆天然气开发的主力气田。近年来，深层天然气钻井，通过持续攻关，打造了以气体钻井、液动旋冲工具、涡轮钻具等技术产品为代表的先进提速技术，钻井速度逐年提高。但总体经济效益不高，尤其是中下部地层进尺仅占30%，但周期占70%，是制约大庆深井提速提效的一项主要因素。因此，重点攻关中下部地层，开展技术完善、适应性评价以及集成应用，是实现大庆深层提速提效的重要技术手段。

1.2 技术难题

一是各单项技术不同区块、不同层段应用效果差异大，工具的稳定性和使用的针对性还有待进一步提高。如：相同型号的液动旋冲工具在徐深6井区两口相邻井，实钻效果差异大。徐深6-306井泉二段—营城组（井底），仅用2只钻头，平均进尺550.45m，平均机械钻速5.70m/h；徐深6-302井泉二段—营城组，用6只钻头，平均进尺180.31m，平均机械钻速2.52m/h。

二是多项技术集成应用度不高，存在单项技术应用效果好，但整体综合应用效果不明显的现象。如：宋深9H井的直导眼井采用多种提速技术，钻井周期仅86.77d。而邻井宋深10井主要依赖液动旋冲提速，虽然该井段提速54%，但钻井周期达到100.21d。

三是大庆深层地温梯度高，上下温差大，钻井液、水泥浆性能控制难度大，助剂种类多，且多数依赖外购，费用高。如：莺深6井三开起下钻后，终切高达20Pa以上，开泵循环时间长，且不利于井壁稳定；在升深1-斜3等井多次出现工具失效导致的回接插入失败、座挂失败等情况，造成后期拔套管作业。

四是大庆深层天然气钻井技术虽然起步较晚，但通过近年来的快速发展，形成了以液动旋冲、涡轮为主的提速配套技术，达到国内领先水平，但在钻头、抗高温钻井液、固井方面与国外先进技术还存在一定差距。

2 提速技术研究

2.1 地质预测技术

针对松辽盆地深层岩性差异大的特点，开展了以岩芯室内实验为基础，以测录井单井分析预测技术为依托，以地震反演技术为推演手段的深层岩性、岩石可钻性、三压力及裂缝/破碎带预测研究，以此进行工程设计各部分优化，形成了一套集“地质预测、工程优化”为一体的综合提速技术，提高了钻井工程设计的针对性和实用性。

通过钻前综合预测分析，一方面对井身结构、钻头选型、钻井参数等开展针对性优化设计，提高钻井施工效率；另一方面可根据裂缝形态和发育特征，提前50m采用针对性的随钻堵漏措施，降低实钻过程中井下漏失风险，保证施工安全。

为了提高钻前地质预测的时效性，优选了表1中的深层重点区块，开展井震结合的点—线—面—体的分析研究，形成目标区块地质综合数据体，岩石可钻性计算模型与室内试验数据平均相对误差7.48%，相似岩性顶面埋深平均相对误差1.12%，相似岩性厚度平均相对误差1.78%，孔隙压力预测平均相对误差6.66%，破裂压力预测平均相对误差8.85%，实现了区块内布井可迅速提取地质资料，及时进行施工方案优化，提高生产效率。

表1 推广范围

2.2 井身结构设计

结合勘探目标和提速需求，依据井身结构设计标准和井控细则，在保证钻井施工安全的前提下，系统开展了井身结构优化研究，考虑地质及提速等方面，较前几年优化了各开次下深，并增加了双城区块的研究，确定了图1中的五种主要的标准井身结构，实现了“降本增效”。

图1 标准井身结构

2.3 钻头序列优选

针对深层火成岩、致密砂砾岩地层特性差异大的特点，在岩石力学参数预测基础上，统计分析不同岩性地层钻进难易程度发现，大庆深层“难钻岩性”主要为砾岩、流纹质角砾岩、流纹岩。在深层难钻岩性中砾岩、流纹质角砾岩、流纹岩的可钻性最差，且抗压强度较高，其中流纹岩可钻性最差，抗压强度最高。在此基础上，依据PDC钻头吃入极限理论（抗压强度≤18000psi）和地层含砾情况，建立了大庆深层各区块常规PDC使用极限深度，通过个性化钻头优选、改进与试验，形成了大庆深层高效钻头序列。

2.4 钻井参数强化

通过配套35MPa高压泥浆泵、5-1/2″S级钻杆等设备，持续开展“三大两高”提速攻关，以临界钻速所需排量、钻压等参数为底线，研究排量与转速匹配关系，进行强化钻井参数试验，提升钻井效率，图2为隔开次钻井参数。

图2 强化钻井参数

通过采取“三大两高”强化钻井参数、优选高效PDC钻头等措施，2020年肇深区块施工的3口深井技套全部使用1只四川万吉WS605钻头钻至泉一段完钻，相比邻井节省1只钻头，钻井周期缩短2.74d，具体应用效果见表2，泉一段平均机械钻速31.14m/h，泉二段—泉三段平均机械钻速22.56m/h。

表2 应用效果

2.5 液动旋冲工具改进完善

液动旋冲工具经过对三种工具先后四次改进完善后已实现了系列化，可适用于6″、8-1/2″、9-1/2″和12-1/2″井眼钻进，截止到2020年初，累计施工127口井，总进尺9.2×104m，平均提速126%，各项指标超过国内外同类产品。

一是研制了液动旋冲工具性能检测系统，实现了转速、频率、扭矩、压降、冲击力等参数的精确检测，从而提高了工具的可靠性，使工具整体质量得到有效控制（QA/QC），为进一步优化液动旋冲工具提供数据支撑。

二是为了适应“三大两高”提速要求，对工具流道（实心轴→空心+可调喷嘴）、连接方式（销轴→锥形螺纹）进行了改进，保证施工排量增加28%（28~30L/s→36~38L/s）的同时，工具性能不变（工具压耗、冲击频率等）。

2019年改进后的工具累计应用22支，寿命提高14.84%（155h→178h），平均钻速再提高37%（126%→163%）。其中，改进后279型工具在630重点工程——升平库平1井成功应用，进尺780m，钻速提高175%，2020年正在钻的肇深16-平1井，进尺228m，钻速提高276%，创历史最好成绩，具体提速效果见表3。

表3 2020年液动旋冲工具提速效果

2.6 钻井液体系优化改进

为提高钻井液封堵防塌效果，对沥青类封堵防塌剂进行了优选评价实验。通过单剂评价和体系的配伍性实验，最终优选了FT-1A，同时增加纳米聚合物用量，与FT-1A配合使用，达到了良好的封堵防塌能力，钻井液性能参数见表4。

存在问题：原体系使用的抗高温降滤失剂类型单一，在水平井施工后期，钻井液温度越来越高，起下钻过程中，井底钻井液经过长时间高温老化后，聚合物结构会发生变化，易出现高温降解的现象，造成HTHP失水增加，流变性变差。

改进措施：引进HFR-1抗高温降失水剂，与原配方中的JY-1复配使用，在已经完钻的徐深1-平6井和正在施工的昌深1HC井中取得了良好的使用效果，HTHP失水基本控制在9~12mL范围内，并且钻井液在长时间高温老化后，保持良好流变状态。

2.7 完善深层防气窜固井配套技术

针对深层气井固井难点，围绕抗高温、防腐蚀、防窜、防漏等技术难题，以提高固井质量、预防井口带压为目标，推广应用固井配套技术措施。

固井方案：应用尾管及尾管回接固井工艺，结合井身质量、居中度、钻井液性能、固井前置液、水泥浆、固井工艺及施工参数等，优化固井方案。

抗高温外加剂：为了提高外加剂产品稳定性和适应性，自主生产缓凝剂、降失水剂和稳定剂等核心外加剂，保障现场施工安全。

多级冲洗顶替：根据数值模拟分析，优化了固井前置液方案，形成多级冲洗方案，优化前后，模拟顶替效率提高了7.91%。

水泥浆技术：应用抗高温胶乳水泥浆，提高防窜能力；应用1.30~1.50g/cm3大温差低密度水泥浆，保障易漏井施工安全；应用自修复水泥浆，预防井口带压。

最终形成了以“压稳、居中、替净、密封”为原则的深层天然气井固井配套技术。2019~2020年推广应用13井次，未发生井口带压，合格率100%，固井后无井口带压问题。

3 应用效果

3.1 推广规模

通过可钻性预测、钻头优选评价、参数优化、提速工具等多种技术手段的集成应用，开展了个性化设计，优化集成后的技术成果在大庆深层各个区块推广应用，其中包括徐深、宋深、升深、肇深、中央隆起等区块探井和开发井共13口，均取得了良好的应用效果，保障了施工快速顺利进行，从而为深层天然气勘探开发提供了技术支撑。

3.2 经济效益

分别统计近三年的深层直井和水平井数据，应用了深层天然气钻井技术优化与集成应用技术后，直井的平均机械钻速提高了43.5%，平均钻井周期缩短了40.46d，水平井的平均机械钻速提高了37.7%，平均钻井周期缩短了51.07d。近三年的深层天然气直井钻井情况见表5，近三年的深层天然气水平井钻井情况见表6。

表5 近三年的深层天然气直井钻井情况

表6 近三年的深层天然气水平井钻井情况

直井经济效益：节省钻机日费=40.46×15=606.9（万元）

水平井经济效益：节省钻机日费=51.07×15=766.05（万元）

50钻机、70钻机日费按15万元/d。

经过计算本项目每口直井节省钻井成本606.9万元，每口水平井节省钻井成本766.05万元，总体经济效益显著。

3.3 社会效益

项目通过顶层优化设计、技术优选与集成配套，充分发挥各项技术优势，建立大庆深井钻井技术模版，优化施工工序，并为深层天然气上产提供了钻井技术支撑，因此，该项研究具有良好的经济效益、社会效益和广泛的市场前景。

4 结论

(1)强化钻井参数，在保证井眼清洁的同时，充分发挥螺杆的功率，从而提高机械钻速，是深层水平井提速的关键措施[6]；

(2)在地质设计基础上，通过裂缝/破碎带详细预测，并根据裂缝形态和发育特征，提前50m采用针对性的随钻堵漏措施，可有效降低井漏发生的几率；

(3)通过尾管+尾管回接方式固井，配合自愈合水泥浆，可有效解决井口带压问题；

(4)针对深层主要区域，综合考虑多种提速技术对比评价，明确各项技术应用界限，分区块建立了“降本增效钻井技术”模板。