常 雷

（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)致密油水平井鉆井提速配套技術(shù)

常 雷

（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

針對(duì)大慶長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)致密油水平井水平段長(zhǎng)、三維井機(jī)械鉆速慢、鉆井周期長(zhǎng)、井壁失穩(wěn)等問(wèn)題，通過(guò)井眼軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低了三維井施工難度；通過(guò)高效螺桿優(yōu)選，提高了鉆井施工效率；通過(guò)研制應(yīng)用提速鉆井工具，提高了造斜段和水平段機(jī)械鉆速；通過(guò)研制高性能水基鉆井液體系，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)水平段防塌?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用14口井，取得了顯著的提速效果，平均機(jī)械鉆速10.53 m/h，相比應(yīng)用之前機(jī)械鉆速提高了25.68%。

大慶油田；致密油；水平井；鉆井技術(shù)；摩阻扭矩

大慶油田中淺層石油勘探開(kāi)發(fā)由中低滲透層到低滲透層再到以致密油層為主，剩余資源整體變差，剩余致密油資源以扶余和高臺(tái)子油層為主，主要分布在長(zhǎng)垣、齊家等地區(qū)，是大慶油田今后增儲(chǔ)上產(chǎn)的關(guān)鍵[1–3]。松遼盆地北部致密油儲(chǔ)層單層厚度薄、縱向不集中、橫向不連續(xù)、開(kāi)發(fā)難度和成本比較大。在鉆井上，針對(duì)長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)鉆井施工難點(diǎn)，如何利用相關(guān)技術(shù)措施，形成一套提速配套技術(shù)、提高機(jī)械鉆速、降低致密油鉆井成本是致密油開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

1 鉆井難點(diǎn)分析

1.1 三維井?dāng)?shù)多，扭方位角度大，摩阻扭矩大，影響造斜段施工效率

三維井影響施工效率主要體現(xiàn)在造斜段扭方位困難、托壓現(xiàn)象比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響造斜段機(jī)械鉆速[4]。由于地下儲(chǔ)層連續(xù)性差，地面條件受限，實(shí)施平臺(tái)井作業(yè)施工，長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)部署三維水平井?dāng)?shù)比例較高，占到76%。統(tǒng)計(jì)6口完鉆的三維水平井平均方位變化 58.8°，其中最大扭方位角度達(dá)到95.6°。造斜段平均機(jī)械鉆速僅為3.56 m/h ，施工效率較低。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

1.2 水平段長(zhǎng)，鉆井施工難度大，鉆井周期長(zhǎng)

長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)儲(chǔ)層物性較差，油層較薄。為了有效控制儲(chǔ)層，水平井水平段長(zhǎng)度一般在1 400 ～2 000 m。由于水平段較長(zhǎng)，而且三維井扭方位較大，摩阻扭矩大，機(jī)械鉆速較慢，平均機(jī)械鉆速僅為8.2 m/h，嚴(yán)重影響鉆井周期。

1.3 井壁容易失穩(wěn)，易發(fā)生井下事故，對(duì)鉆井液性能要求高

長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)致密油藏黏土礦物含量高，伊利石含量大于60%，伊蒙混層含量24%～39%。伊利石遇水易產(chǎn)生表面水化，伊蒙混層遇水易層間散裂，易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。而且鉆井周期長(zhǎng)，極易因?yàn)榫谔l(fā)生泥包鉆具和井塌卡鉆，嚴(yán)重影響水平井正常鉆進(jìn)施工，甚至?xí)斐删蹐?bào)廢。

表1 長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)三維水平井扭方位施工數(shù)據(jù)

2 鉆井提速技術(shù)

2.1 三維井井眼軌道設(shè)計(jì)技術(shù)

三維井由于扭方位角較大、托壓嚴(yán)重，造斜段機(jī)械鉆速低。因此，井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)著重縮短偏移距，減小扭方位角度，降低井眼軌道摩阻扭矩，提高鉆井施工效率[5–6]。采用“直井段－定向增斜段－扭方位增斜段－平面增斜段”井眼軌道設(shè)計(jì)模型。

首先，在靶區(qū)的垂直平面上提前定向造斜，造斜至井斜角25°左右，在保證井眼軌道光滑的前提下，扭方位之前盡可能縮短偏移距；然后，進(jìn)行扭方位造斜，在井斜角75°左右完成扭方位造斜；最后，平面造斜至著陸點(diǎn)，進(jìn)行水平段鉆進(jìn)。與常規(guī)三維井井眼軌道設(shè)計(jì)方法相比，該方法具有減少完鉆井深、降低扭方位角度和摩阻扭矩、提高造斜段機(jī)械鉆速的優(yōu)點(diǎn)。

分別用常規(guī)和降低摩阻兩種井眼軌道設(shè)計(jì)方法對(duì)5口井進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)和摩阻扭矩計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)井深、扭方位角變化、摩阻和扭矩等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比，利用降低摩阻的方法得到的井眼軌道平均設(shè)計(jì)井深減少69.80 m，平均扭方位角度降低5.95°，平均摩阻降低13.53%，平均扭矩降低7.82%，能夠起到減少設(shè)計(jì)井深，降低摩阻扭矩的作用。

2.2 優(yōu)選高效螺桿

為了提高單只鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效，避免因更換螺桿增加起、下鉆次數(shù)，充分發(fā)揮鉆井工具和鉆頭的提速潛力，通過(guò)螺桿鉆具性能對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)選了具有密封性更強(qiáng)、承壓性更高、輸出扭矩更大、使用壽命更長(zhǎng)的等壁厚螺桿鉆具。應(yīng)用等壁厚螺桿鉆具在 5口井開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)造斜段“一趟鉆”，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 兩種井眼軌道設(shè)計(jì)方法詳細(xì)數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 等壁厚高效螺桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具體數(shù)據(jù)

通過(guò)應(yīng)用等壁厚高效螺桿，實(shí)現(xiàn)平均日進(jìn)尺118.2 m，平均機(jī)械鉆速8.27 m/h，造斜段周期4.37 d。同年未使用高效螺桿的井，造斜段平均日進(jìn)尺90.2 m，平均機(jī)械鉆速5.68 m/h?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等壁厚高效螺桿的井與同年未使用高效螺桿的井相比，造斜段平均日進(jìn)尺比提高 31.04%，平均機(jī)械鉆速提高45.60%，提速效果比較明顯。

2.3 研制提速鉆井工具

三維水平井長(zhǎng)水平段摩阻大，施加鉆壓困難，影響機(jī)械鉆速。利用提速鉆井工具降低摩阻、增加鉆壓是提高機(jī)械鉆速的重要手段。

2.3.1 研制應(yīng)用球形滾珠式扶正器

球形滾珠式扶正器是在扶正器外設(shè)計(jì)球形滾珠，使扶正器與井壁之間的摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，與常規(guī)扶正器相比，具有降低摩阻的特點(diǎn)，更有利于給鉆頭施加鉆壓，提高機(jī)械鉆速。

2.3.2 研制應(yīng)用水力振蕩器

針對(duì)長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)地質(zhì)特征，優(yōu)化設(shè)計(jì)高性能水力振蕩器，起到降低壓耗，實(shí)現(xiàn)高頻脈沖穩(wěn)定激發(fā)，提高沖擊力和解決托壓難題。改進(jìn)水力振蕩器葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，使工具壓耗由2.5～3.5 MPa降至1.6～2.5 MPa；改進(jìn)閥體機(jī)構(gòu)，采用流道開(kāi)關(guān)方式激發(fā)壓力脈沖，實(shí)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下，高頻率脈沖的穩(wěn)定激發(fā)。優(yōu)化閥體流道尺寸，使閥體壓差由2.94 MPa增加至4.31 MPa，工具沖擊提高45.8%；改進(jìn)閥體結(jié)構(gòu)，采用螺紋調(diào)節(jié)方式，總長(zhǎng)由2.9 m縮短為1.88 m，更加有利于水平井井眼軌道控制。

2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

2014年，上述兩種提速工具試驗(yàn)8口井，平均機(jī)械鉆速8.53 m/h，平均摩阻4.4 t。鄰井相同井段或同井未使用工具井段平均機(jī)械鉆速7.11 m/h。使用上述兩種提速工具，平均鉆速提高20.24%，摩阻降低33.1% 。

2.4 研制應(yīng)用高性能水基鉆井液體系

長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)嫩江組為黑褐色油頁(yè)巖、灰黑色泥巖、夾黑褐色油頁(yè)巖薄層，地層膠結(jié)能力差；姚家組上部為灰黑、黑灰色泥巖，下部為紫紅、灰綠色泥巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖，地層水敏性強(qiáng)，該層現(xiàn)注水開(kāi)發(fā)，孔隙連通性好，易井漏；青山口組以黑色泥巖、灰色泥巖為主，長(zhǎng)時(shí)間浸泡易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)。而且水平段比較長(zhǎng)，三維井扭方位較大，摩阻扭矩大。因此，在鉆井液體系優(yōu)選方面，主要考慮具有良好的抑制性、封堵性和潤(rùn)滑性[7]，優(yōu)選出高性能水基鉆井液體系。

2.4.1 鉆井液性能

聚胺通過(guò)強(qiáng)吸附和氫鍵作用壓縮雙電層，減小層間距，疏水膜使親水變成疏水；聚合醇通過(guò)吸附、螯合和降濾失作用，壓縮晶層、阻止水分子進(jìn)入黏土層間；無(wú)機(jī)鹽通過(guò)壓縮使晶層致密，金屬離子交換鑲嵌層間，阻止液相進(jìn)入，有效防止泥巖膨脹。通過(guò)聚胺、聚合醇和無(wú)機(jī)鹽三者的“多元協(xié)同”作用，提高鉆井液抑制性。

當(dāng)井底溫度大于濁點(diǎn)時(shí)，聚合醇相分離，析出膠體顆粒對(duì)縫隙再次進(jìn)行化學(xué)封堵；剛性、填充、彈性三種顆粒經(jīng)過(guò)合理級(jí)配，在裂縫端口處形成一層物理封堵層。通過(guò)物理和化學(xué)“雙效封堵”作用，提高鉆井液封堵效果。通過(guò)添加液體潤(rùn)滑劑和固體石墨改變摩擦界面潤(rùn)滑性和增加滾動(dòng)摩擦雙重作用，提高鉆井液潤(rùn)滑效果。

2.4.2 室內(nèi)評(píng)價(jià)

研制的高性能水基鉆井液性能穩(wěn)定、潤(rùn)滑性良好，與油基鉆井液性能接近，室內(nèi)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，可以取代以前使用的低黏高切油包水鉆井液體系。

表4 高性能水基鉆井液室內(nèi)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

2.4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2014年，高性能水基鉆井液在4口水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。施工過(guò)程中，鉆井液性能穩(wěn)定，抑制性強(qiáng)、潤(rùn)滑性優(yōu)良，未發(fā)生井壁剝落、掉塊等情況，可滿足長(zhǎng)水平段鉆井施工。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 高性能水基鉆井液體系現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2015年，上述配套技術(shù)在長(zhǎng)垣、齊家地區(qū)致密油水平井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用14口井，平均機(jī)械鉆速10.53 m/h，比以前提高25.68%；平均鉆井周期25.93天，比以前降低23.58%。鉆井無(wú)復(fù)雜事故發(fā)生，井身質(zhì)量全部合格，配套技術(shù)應(yīng)用前后提速對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

表6 配套技術(shù)應(yīng)用前后提速對(duì)比

（1）井眼軌道新設(shè)計(jì)方面，通過(guò)在靶區(qū)的垂直平面上提前定向造斜，扭方位之前盡可能縮短偏移距，可以減少三維水平井扭方位角度，降低摩阻扭矩，減小鉆井施工難度。

（2）優(yōu)選高效等壁厚螺桿，使造斜段平均日進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速大幅度增加，可實(shí)現(xiàn)造斜段“一趟鉆”施工，提高鉆井施工效率。

（3）應(yīng)用球形滾珠式扶正器和高性能水力震蕩器，可以有效降低鉆進(jìn)摩阻扭矩，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

（4）研發(fā)的高效水基鉆井液性能穩(wěn)定、抑制性強(qiáng)、潤(rùn)滑性優(yōu)良，能夠保障長(zhǎng)水平段水平井安全鉆井施工。

[1] 韓福彬，李瑞營(yíng)，李國(guó)華，等. 慶深氣田致密砂礫巖氣藏小井眼水平井鉆井技術(shù)[J]. 石油鉆探技術(shù)，2013，40（5）：56–61.

[2] 催寶文，林鐵峰，董萬(wàn)百，等. 松遼盆地北部致密油水平井技術(shù)及勘探實(shí)踐[J]. 大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2014，33（5）：16–22.

[3] 張映紅，路保平，陳作，等. 中國(guó)陸相致密油開(kāi)采技術(shù)發(fā)展策略思考[J]. 石油鉆探技術(shù)，2015，43（1）：1–6.

[4] 邵尚奇，田守嶒，李根生，等. 水平井縫網(wǎng)壓裂裂縫間距的優(yōu)化[J]. 石油鉆探技術(shù)，2014，42（1）：86–90.

[5] 翁建鋒.工廠化水平井鉆井技術(shù)在致密油氣田中的應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2014，11（8）：95–97.

[6] 李陽(yáng).中國(guó)石化致密油藏開(kāi)發(fā)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J]. 石油鉆探技術(shù)，2015，43（5）：1–6.

[7] 鄒大鵬.大慶油田致密油水平井強(qiáng)抑制防塌水基鉆井液技術(shù)[J]. 石油鉆采工藝，2015，36（3）：36–39.

TE242 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1673–8217（2017）06–0098–04

2017–04–20

常雷，高級(jí)工程師，1981年生，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事特殊井與復(fù)雜井鉆井工程設(shè)計(jì)和鉆井工藝研究。

張 凡