廖騰彥， 余麗彬， 李俊勝

(中國石油西部鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊 830026)

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起，是在中石炭統(tǒng)褶皺基底上沉積的一個東高西低呈箕狀凹陷的二級構(gòu)造單元，其周邊邊界特征明顯，三面被斷層封隔。目的層蘆草溝組全凹陷均有分布，面積1 278 km2，厚度200～350 m；發(fā)育上、下2個甜點體，屬于典型的致密油儲層。儲層巖性主要為厚層灰色、深灰色及灰黑色泥巖,云質(zhì)粉砂巖,白云質(zhì)粉砂巖,泥質(zhì)粉砂巖,砂質(zhì)泥巖,灰質(zhì)粉砂巖和灰質(zhì)泥巖。2012年,該區(qū)塊部署并完成了3口水平井的鉆探，這3口水平井從造斜段開始到完鉆，平均機械鉆速只有2.1 m/h，不能滿足大規(guī)模開發(fā)的要求。為了加快開發(fā)節(jié)奏、降本增效，該區(qū)塊試驗應(yīng)用了工廠化水平井鉆井技術(shù)，并取得了較好的應(yīng)用效果。

1 地層特點

吉木薩爾區(qū)塊水平井鉆遇地層從上至下為新生界的第四系、新近系和古近系，中生界的白堊系、侏羅系和三疊系，古生界的二疊系(目的層為二疊系的蘆草溝組地層)。新近系地層為泥巖與泥質(zhì)粉砂巖，底部為雜色細礫巖。古近系地層為紅褐色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和細礫巖。古近系與新近系地層中泥巖發(fā)育，易吸水膨脹，鉆井過程中易出現(xiàn)縮徑、卡鉆。侏羅系地層主要為泥巖、粉砂巖，泥巖水敏性強，鉆井過程中易出現(xiàn)井眼縮徑、垮塌。三疊系韭菜園組至二疊系梧桐溝組地層以泥巖、含礫泥巖為主，坍塌壓力較高，由地應(yīng)力引起層理發(fā)育的泥頁巖地層易發(fā)生硬脆性坍塌，因而井壁穩(wěn)定性差。韭菜園子組、梧桐溝組和蘆草溝組地層裂縫發(fā)育，鉆井過程中易發(fā)生井漏。

蘆草溝組儲層以云質(zhì)粉細砂巖、砂屑云巖為主，黏土礦物含量整體較低,坍塌壓力低，井眼穩(wěn)定性好。儲層裂縫相對發(fā)育,含油豐度較高，具有三高兩低(原油密度、黏度和凝固點高，氣油比、地層壓力低)的特點。

2 鉆井技術(shù)難點分析

1)井漏、井塌分析已完成3口水平井的施工情況可知，該區(qū)塊井下故障主要為井塌和井漏，發(fā)生層位為韭菜園組(T1j)、梧桐溝組(P3wt)、古近系(E)、西山窯組(J2x)。引發(fā)井下故障的原因是地層泥巖發(fā)育、水敏性強、地層坍塌壓力低、井壁穩(wěn)定性差，導(dǎo)致鉆井過程中發(fā)生井塌。同時為了防止井塌，提高鉆井液密度又導(dǎo)致井漏。因此，在鉆遇這些層位時：一方面要提高鉆井液的抑制性，抑制水敏性泥頁巖的水化而引起的井壁坍塌；另一方面在提高鉆井液密度平衡地層壓力時，要注意防止地層漏失。

2)井眼軌跡控制難定向鉆進時裸眼段長，導(dǎo)致摩阻大，托壓嚴重，影響定向效果。該區(qū)塊表層套管下深為500.00 m，二開完鉆井深3 180.00 m，造斜點井深2 760.00 m，二開斜井段長420.00 m。后期定向過程中將有2 680.00 m長的裸眼段。造斜井段地層不均質(zhì)，導(dǎo)致造斜率不穩(wěn)定，不利于準確控制井眼軌跡。水平段較長，均超過1 300 m，鉆壓傳遞困難，井眼軌跡控制難度大，特別是后期，為控制井眼軌跡滑動鉆進時間長、效率低、效果差，嚴重影響鉆井效率。

3)井身質(zhì)量要求高水平段后期要進行多級壓裂，需要為后期壓裂工具的下入提供良好的井眼條件。直井段長，與鄰井距離近，鉆進中必須進行防碰監(jiān)測；造斜段要求增斜至47.41°后，再按造斜率5.6°/30m增斜降方位鉆至A點(井斜角92.62°，方位角變化123.13°～57.00°)，后期定向時在方位和井斜控制上存在一定難度。

4)提速難造斜點位于二疊系梧桐溝組，該處為泥巖，巖石可鉆性差。已完鉆的3口井在該井段平均機械鉆速僅為0.95 m/h。水平段較長，定向滑動鉆進時摩阻和扭矩大，還存在巖屑床難以被清除等難題，影響作業(yè)效率和鉆井速度。蘆草溝組地層巖性致密，可鉆性差，已鉆井平均機械鉆速2.7 m/h。

5)防碰繞障難由于吉木薩爾致密油工廠化水平井需要在一個有限空間內(nèi)完成多口井的施工，存在井與井之間的防碰和繞障問題，井眼軌跡控制難度大。繞障過程中方位不斷變化，給定向帶來一定難度，不但要準確計算井斜角和造斜率，還要準確計算方位角變化率，這就要求現(xiàn)場工程師根據(jù)工具造斜能力確定合理工具面和定向鉆進與復(fù)合鉆進的比例，才能保證井眼軌跡平滑。方位變化過快或過慢都會影響防碰和中靶精度，入靶方位不準確將給水平段鉆進帶來很大困難[1]。

3 關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)該油田的鉆井實踐，設(shè)計采用三開井身結(jié)構(gòu)：一開，采用φ444.5 mm鉆頭，下入φ339.7 mm套管；二開，采用φ241.3 mm鉆頭鉆穿八道灣組地層，然后采用φ215.9 mm鉆頭鉆至梧桐溝組中下部，下入φ177.8 mm套管，封固三疊系和二疊系不穩(wěn)定地層，為下部安全鉆進提供條件;三開,采用φ152.4 mm鉆頭鉆至完鉆井深，裸眼完井。該井身結(jié)構(gòu)少下一層油層套管，同時井眼尺寸縮小一級，可以大幅度降低鉆井成本和縮短鉆井周期，預(yù)計采用該井身結(jié)構(gòu)鉆井周期可以縮短15 d。

結(jié)合地層情況及鉆探要求，井眼軌道設(shè)計為“直—增—穩(wěn)”三段制，設(shè)計繞障井的水平段長1 300.00 m，中間井不繞障，水平段長為1 800.00 m。表1為繞障井的井眼軌道設(shè)計結(jié)果。

表1 井眼軌道設(shè)計結(jié)果

3.2 井眼軌跡控制技術(shù)

長水平段水平井鉆進時的關(guān)鍵問題是降低摩阻和扭矩。實鉆過程中應(yīng)盡量控制好造斜率，避免因造斜率過大使摩阻和扭矩增大，使后期鉆井難度增大[2]。因此，在造斜段及水平段分別采取以下措施：

1) 造斜段。根據(jù)直井段軌跡，修訂軌道設(shè)計，定向鉆進初期精確控制工具面，確保實鉆方位與修訂后的設(shè)計吻合。鉆完一個單根后，劃眼修整井壁。定向增斜鉆進期間采用MWD測斜儀監(jiān)測井眼軌跡，測量間距不超過10 m；根據(jù)造斜情況及時調(diào)整定向參數(shù)，確保井眼軌跡平滑[3]。

2) 水平段。以復(fù)合鉆進方式為主，采用定向滑動鉆進方式對井眼軌跡進行微調(diào)。加強待鉆井眼軌道預(yù)測計算，利用趨勢規(guī)律勤調(diào)，避免過度調(diào)整井眼軌跡，嚴格控制狗腿嚴重度，以降低摩阻。同時靈活測量，及時跟蹤、調(diào)整井眼軌跡[4]。

3.3 防碰繞障技術(shù)

3.3.1 防碰掃描分析

1) 采用Landmark軟件進行防碰掃描分析，掃描間距應(yīng)不大于20 m，危險井段掃描間距不大于5 m。

2) 防碰掃描時，井眼方位角應(yīng)使用當時、當?shù)氐姆轿恍拚墙y(tǒng)一修正。

3.3.2 技術(shù)措施

1) 直井段防碰是重點工作，加強井眼軌跡監(jiān)測，每鉆進30～50 m測斜一次，必要時應(yīng)加密測斜；出現(xiàn)磁干擾時，應(yīng)使用陀螺測斜儀測量。采用防斜打直技術(shù)，嚴格控制井斜角。

2) 加強井眼軌跡防碰掃描和200 m長未鉆井段的防碰預(yù)測。若出現(xiàn)井間距小于3 m或防碰分離系數(shù)小于2等情況時，及時調(diào)整井眼軌跡，進行定向繞障，防止發(fā)生兩井相碰。

3) 錄井時，應(yīng)加強砂樣的錄取，密切觀察是否有鐵屑返出，以便及時判斷是否與鄰井套管相碰。

4) 鉆至設(shè)計造斜點以上150 m時，大排量循環(huán)清洗井底，按要求調(diào)整鉆井液性能，進行多點測量，以便確定實際造斜點。

5) 斜井段鉆進過程中，MWD儀器的地磁強度值超出正常值±2%時，分析磁干擾的原因，并進行防碰計算，如安全，則繼續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆進10～20 m，撈砂觀察水泥含量，發(fā)現(xiàn)異常則使用陀螺測斜儀進行定向。

6) 在扭方位定向段，選擇合適造斜能力的螺桿鉆具組合，根據(jù)軟件計算結(jié)果，準確控制工具面，扭方位和造斜同時進行，切忌全力連續(xù)扭方位，以確保井眼軌跡平滑。

3.4 提速技術(shù)措施

3.4.1 導(dǎo)向鉆具的選擇

目前，水平井鉆井主要采用的螺桿滑動定向鉆進，存在以下問題：摩阻大，鉆壓施加困難；工具面控制困難，定向調(diào)整軌跡效果差；測斜、測方位時間較長，易發(fā)生壓差卡鉆；旋轉(zhuǎn)鉆進過程中不能調(diào)整井眼軌跡[5]。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進中能連續(xù)導(dǎo)向造斜，可以提高機械鉆速和井眼凈化效果，減少壓差卡鉆，降低井下風險，而且還具有三維井眼軌跡的自動控制能力，從而提高井眼軌跡的平滑度，降低扭矩和摩阻，能增加水平井的延伸長度[6-7]。因此選用指向式導(dǎo)向鉆具。

3.4.2 螺桿+水力振蕩器

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具雖然具有機械鉆速快、井眼軌跡平滑等優(yōu)點，但因未實現(xiàn)國產(chǎn)化，成本高，推廣應(yīng)用難度大。為此，將螺桿與水力振蕩器相結(jié)合用于水平段鉆進，以提高機械鉆速和井眼軌跡的控制精度。

水力振蕩器通過一對閥門周期性的相對運動把流經(jīng)動力部分的流體能量轉(zhuǎn)化為壓力脈沖，將該壓力脈沖傳遞給振蕩短節(jié)，由振蕩短節(jié)帶動鉆具在軸線方向上進行往復(fù)運動，使鉆具在井底的靜摩擦變成動摩擦，降低鉆具摩阻，改善鉆壓傳遞的效果，且不影響MWD、螺桿鉆具的使用[8]。在長水平段鉆進中使用水力振蕩器，不但能提高工具面的穩(wěn)定效果，準確控制井眼軌跡，而且在鉆進中不需調(diào)整工具面，可減少非鉆進時間，提高機械鉆速[9]。

根據(jù)吉木薩爾地層的特點及螺桿使用原則，優(yōu)選中轉(zhuǎn)速的φ127.0 mm螺桿+PDC鉆頭配合水力振蕩器鉆進水平井段。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2013年，在吉木薩爾區(qū)塊的不同平臺上鉆了8口水平井，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，采用井眼軌跡控制技術(shù)和防碰繞障技術(shù)，采取應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具和螺桿+水力振蕩器的提速技術(shù)措施，井眼軌跡控制良好，與設(shè)計吻合度高，成功實現(xiàn)了防碰繞障，2#平臺的JHW005井和JHW007井實現(xiàn)繞障115 m，3#平臺的JHW016井實現(xiàn)繞障265 m，扭方位70°；8口井造斜段平均機械鉆速5.1 m/h，平均鉆井周期8.7 d；8口井水平段平均機械鉆速6.1 m/h，平均鉆井周期29.8 d。與2012年完鉆的3口水平井相比，造斜段和水平段的平均機械鉆速分別提高了240.0%和125.9%，造斜段平均鉆井周期縮短了16.3 d，在水平段長度增長近300 m的情況下，平均鉆井周期縮短了1.3 d。

4.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的應(yīng)用

JHW007井的水平段(實現(xiàn)一趟鉆完成)、JHW016井和JHW017井的定向造斜段應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，應(yīng)用井段的平均機械鉆速7.56 m/h，而2012年未應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具井的平均機械鉆速僅1.92 m/h；3口井應(yīng)用井段的平均施工周期8.64 d，比其平均設(shè)計施工周期縮短21.86 d。

4.2 螺桿+水力振蕩器的應(yīng)用

JHW005井、JHW015井和JHW018井應(yīng)用了螺桿+水力振蕩器，與未應(yīng)用井段相比機械鉆速大幅提高，其中滑動鉆進提高了48.16%。3口井側(cè)鉆滑動鉆進過程中，鉆壓穩(wěn)定在10～30 kN，未出現(xiàn)托壓現(xiàn)象；水平段鉆進中，隨著井深的增加，所需鉆壓逐漸變大，托壓滯動現(xiàn)象輕微，對延長水平段鉆進起到了很好的作用。

5 結(jié)論與建議

1) 各項技術(shù)的綜合應(yīng)用，解決了吉木薩爾致密油藏工廠化水平井鉆井過程中機械鉆速低、防碰繞障及井眼軌跡控制難等問題，機械鉆速明顯提高，井眼軌跡平滑，與設(shè)計吻合度高，平臺井成功實現(xiàn)了繞障和扭方位。

2) 螺桿+水力振蕩器能改善鉆壓傳遞效果，提高機械鉆速，延長水平段長度。

3) 應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具可以大幅度提高機械鉆速，實現(xiàn)了一趟鉆完成水平段作業(yè)，但是國外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具租賃費用較高，制約了推廣應(yīng)用。建議試驗應(yīng)用國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，以降低鉆井成本。

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