郭 亮，鄒 榮，王維良，涂福洪，楊 靜，李 敏

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司，天津 300280）

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)的深入，我國(guó)開(kāi)啟了頁(yè)巖油產(chǎn)能部署。2017 年中國(guó)石油天然氣股份有限公司評(píng)估認(rèn)為頁(yè)巖油（含低成熟頁(yè)巖油資源）資源豐富，儲(chǔ)量超過(guò)700×108t，主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地、松遼平原、渤海灣區(qū)域、鄂爾多斯盆地等多個(gè)區(qū)域，部分地區(qū)初具開(kāi)發(fā)規(guī)模[1-8]。新疆吉慶吉木薩爾頁(yè)巖油自2011 年勘探發(fā)現(xiàn)以來(lái)，歷經(jīng)“勘探發(fā)現(xiàn)、提產(chǎn)試驗(yàn)、技術(shù)突破和效益開(kāi)發(fā)探索”階段，目前采用的是二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，采用大井叢工廠化鉆井模式施工，平均井深約5900m，水平段長(zhǎng)1800～2200m，施工難度大。施工中面臨二開(kāi)水平井裸眼段長(zhǎng)、造斜點(diǎn)深、井眼軌跡控制難、易發(fā)生井漏井塌、定向鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重等難題，嚴(yán)重制約了鉆井速度[9-15]。為此，開(kāi)展了吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了“表套深下+油基鉆井液”二開(kāi)水平井開(kāi)發(fā)技術(shù)方案，封隔淺部薄弱地層，采用化學(xué)抑制機(jī)理降低梧桐溝組坍塌風(fēng)險(xiǎn)，降低梧桐溝組鉆井液密度，增大安全密度窗口，有效解決了三開(kāi)變二開(kāi)后長(zhǎng)裸眼段“上下漏、中間塌”等安全鉆井難題，縮短了鉆井周期，為加快新疆油田吉慶頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)步伐提供了技術(shù)支撐。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

（1）地層可鉆性差。地層縱向夾層多、巖性變化大、可鉆性差，鉆井周期長(zhǎng)，常規(guī)螺桿鉆具組合條件下機(jī)械鉆速低，鉆井提速工具和鉆頭選型困難。

（2）摩阻扭矩高。吉木薩爾頁(yè)巖油采用大井叢工廠化鉆井模式開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)均為二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)井，平均井深5900m，造斜點(diǎn)深約3800m，水平段長(zhǎng)1800～2200m，定向鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重。

（3）井眼軌跡控制難度大。二開(kāi)裸眼段長(zhǎng)，定向鉆進(jìn)效率低，水平段長(zhǎng)，上傾井井斜最大達(dá)到95°，造斜率5.5°～5.8°/30m，機(jī)械鉆速低。

（4）事故復(fù)雜防控困難。表層容易發(fā)生串槽到地表，韭菜園子組至梧桐溝組井段坍塌壓力高，井眼易垮塌埋鉆具。韭菜園子組和梧桐溝組裂縫發(fā)育，易井漏。地層浸泡時(shí)間長(zhǎng)，極易發(fā)生井塌，影響鉆井時(shí)效。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)展鉆頭優(yōu)化改進(jìn)、鉆具組合優(yōu)化與井眼清潔技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、長(zhǎng)裸眼井壁穩(wěn)定及防漏技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝技術(shù)等研究，形成吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 鉆頭改進(jìn)

前期試驗(yàn)的五刀翼PDC 鉆頭，在造斜段碳酸鹽地層和水平段夾層對(duì)鉆頭磨損嚴(yán)重。從19口鄰井分析發(fā)現(xiàn)：8 口井造斜段能實(shí)現(xiàn)一趟鉆，機(jī)械鉆速范圍7～13.5m/h，一趟鉆鉆頭基本上肩部磨損達(dá)2～3。其他的井需使用2～3 只鉆頭，平均機(jī)械鉆速范圍6～10m/h，出井鉆頭部分切削齒有崩齒損傷。因此增大了排屑槽，更適應(yīng)快速鉆進(jìn)的需要；調(diào)整了復(fù)合片減震結(jié)構(gòu)，提高鉆頭在低鉆壓狀態(tài)下的吃入深度；優(yōu)化了肩部布齒，發(fā)生大段劃眼時(shí)可有效降低鉆頭損壞風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)后的五刀翼PDC 鉆頭（見(jiàn)圖1）在攻擊性提高4%，扭矩降低7%，還能減小鉆進(jìn)過(guò)程中SS 粘滑震動(dòng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，差值ΔMu由原來(lái)的0.23 降低到0.16。單趟進(jìn)尺2861m，平均機(jī)械鉆速11.91m/h，單日最高進(jìn)尺達(dá)341m。

同時(shí)針對(duì)可鉆性好的上部井段，為提高鉆頭攻擊性，四刀翼PDC鉆頭大幅度降低布齒密度，顯著提高塑性泥巖的鉆進(jìn)效率。

2.2 鉆具組合優(yōu)化與井眼清潔技術(shù)

（1）優(yōu)化鉆具組合。通過(guò)管柱力學(xué)和水力學(xué)計(jì)算，將工程設(shè)計(jì)中加重鉆桿20 柱優(yōu)化至6 柱，在保證鉆具強(qiáng)度、鉆壓傳遞的同時(shí)，降低摩阻、降低循環(huán)壓耗。

優(yōu)化后鉆具組合：?215.9mm 鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+MWD+LWD+?127mm 無(wú)磁承壓鉆桿×1 根+?127mm斜坡加重鉆桿×6 根+?127mm 斜坡鉆桿×240 根+?127mm斜坡加重鉆桿×12根+?127mm鉆桿×若干。

（2）井眼清潔技術(shù)。通過(guò)井眼清潔器機(jī)械切削與旋流擾動(dòng)的雙重作用，破壞、清除已有巖屑床，并預(yù)防新巖屑床的形成，起到清潔井眼的作用（見(jiàn)圖2）。優(yōu)化清潔器加放位置。通過(guò)理論計(jì)算，在井斜30°至水平井段均勻覆蓋，有效提高了井眼清潔效率，進(jìn)一步降低系統(tǒng)循環(huán)壓耗，減輕機(jī)泵負(fù)載。例如上傾井JHW60-110井在造斜及水平段應(yīng)用井眼清潔器，通過(guò)巖屑稱重計(jì)量裝置監(jiān)測(cè)井段從3300～5800m 結(jié)束采集數(shù)據(jù)，預(yù)警3次，理論返出巖屑體積79.13m3，實(shí)際返出巖屑體積69.08m3，巖屑返出率達(dá)87.3%，巖屑濃度從11.61%降到4.86%，巖屑床厚度由30mm 減少到17.7mm，井眼清潔效果顯著。

圖2 井眼清潔器

2.3 井眼軌跡控制技術(shù)

針對(duì)設(shè)計(jì)造斜率高，水平段長(zhǎng)，馬達(dá)鉆進(jìn)時(shí)效低。通過(guò)井眼軌跡控制技術(shù)研究，螺桿鉆具、導(dǎo)向工具及測(cè)量?jī)?chǔ)存儀器的優(yōu)選，以達(dá)到提速提效，在初始造斜階段或者全部造斜井段使用PDC 鉆頭+旋導(dǎo)配合大角度低摩阻馬達(dá)使用，取得和很好的效果。優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)源頭降低長(zhǎng)裸眼井段定向施工工作量，能夠進(jìn)一步提高長(zhǎng)裸眼井段的施工效果，同時(shí)通過(guò)對(duì)鉆具的調(diào)整，配合改進(jìn)的井身結(jié)構(gòu)，能夠更好的發(fā)揮軌道設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

AutoTrak eXact 工具由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭、OnTrak MWD/LWD和雙向通訊發(fā)電短節(jié)組成。各工具短節(jié)都是模塊化設(shè)計(jì)，可隨時(shí)更換，有四大優(yōu)勢(shì)：三維軌跡精確制導(dǎo)；理論最高造斜率10°/30m；水平段穩(wěn)斜鉆進(jìn)井斜變量0.18°，實(shí)現(xiàn)極薄目的層內(nèi)的導(dǎo)向鉆進(jìn)；模塊化連接，可根據(jù)測(cè)井要求加接不同工具。

2.4 水平井井壁穩(wěn)定及防漏研究

（1）井壁失穩(wěn)的地質(zhì)特征及分析。西山窯組、八道灣組主要為煤線、泥巖段及砂泥巖薄互層段；克拉瑪依組至燒房溝組中部主要為褐色泥巖段；梧桐溝組中部及上部主要為灰色、褐色泥巖段。以上地層都是水敏性地層，吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊二開(kāi)裸眼段長(zhǎng)，地層浸泡時(shí)間長(zhǎng)，如果使用水基泥漿極易發(fā)生垮塌等失穩(wěn)現(xiàn)象，但是全油基鉆井液幾乎不產(chǎn)生水化效應(yīng)；油包水乳化鉆井液在乳液穩(wěn)定的情況下也基本不發(fā)生水化效應(yīng)，因此油基鉆井液不會(huì)產(chǎn)生水化膨脹壓。

通過(guò)研究采用油基泥漿體系，防塌原理和措施：化學(xué)抑制?？刂朴退?0∶20以上，減少水相侵入地層，有效預(yù)防煤層和水敏性強(qiáng)地層遇水膨脹垮塌。物理封堵。在薄弱地層段提前加入BZ-OFL、細(xì)目鈣等封堵材料，提高地層承壓能力，預(yù)防井漏。力學(xué)支撐。密度控制在1.52g/cm3以上，進(jìn)入造斜段緩慢逐步提密度至設(shè)計(jì)上限1.58g/cm3。

（2）井漏特征及原因分析：二開(kāi)井段井漏主要發(fā)生在目的層蘆草溝組，目的層由于裂縫發(fā)育，易井漏是由于密度過(guò)高及受鄰井壓裂影響造成。工程方面防漏措施：進(jìn)入易漏層前，保持BZ-OFL、細(xì)目鈣含量各3%；嚴(yán)格控制起下鉆速度，減少激動(dòng)壓力；鉆進(jìn)中控制密度，及時(shí)監(jiān)測(cè)ECD值合理；施工前落實(shí)周邊生產(chǎn)井情況，及時(shí)關(guān)停。泥漿防漏技術(shù)：利用油基泥漿的強(qiáng)抑制能力，在薄弱地層段提前加入BZ-OFL、細(xì)目鈣等封堵材料，提高地層承壓能力，預(yù)防井漏。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 總體應(yīng)用情況

針對(duì)吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊鉆井技術(shù)難題，開(kāi)展了三個(gè)階段的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，第一個(gè)階段確保了鉆井周期從50～60d 降低到40d 的轉(zhuǎn)變，在第二階段的基礎(chǔ)上逐步邁進(jìn)了30d 以內(nèi)。2021 年累計(jì)試驗(yàn)13 口井，平均井深5909.62m，鉆機(jī)月速3567.03m/臺(tái)月，機(jī)械鉆速為14.31m/h，平均鉆井周期39.13d，事故復(fù)雜時(shí)間0.24%，同比2020年降低6.21%，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)。

3.2 取得的成果

（1）優(yōu)選出適合的高效鉆頭。史密斯215.9mm MDI516鉆頭和貝克旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、配合“激進(jìn)”式參數(shù)鉆井，實(shí)現(xiàn)了一開(kāi)一趟鉆、二開(kāi)直井段一趟鉆、定向+水平井段一趟鉆實(shí)現(xiàn)了1+1+1鉆井模式。

（2）鉆具組合優(yōu)化與井眼清潔技術(shù)優(yōu)異。鉆具組合中加裝井眼清潔器保證了井眼攜砂效果，在二開(kāi)直井段鉆進(jìn)和造斜井段、水平井段減少了起下鉆時(shí)間，增加了純鉆進(jìn)時(shí)效，相應(yīng)提高了鉆機(jī)月速，完成的13口水平井平均鉆機(jī)月速3567.03m/臺(tái)月。

（3）掌握了井眼軌跡控制技術(shù)，合理確定鉆具組合在井叢場(chǎng)批鉆過(guò)程中不僅做好了防碰工作而且減少了直井段定向時(shí)間，增加了導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)間提高了機(jī)械鉆速。JHW59-14井、JHW59-13井、JHW60-19井直井段日進(jìn)尺均突破800m 連續(xù)三口井創(chuàng)吉慶頁(yè)巖油區(qū)塊指標(biāo)。

（4）摸索出適合的防塌和防漏泥漿體系，具備以下優(yōu)點(diǎn)：電穩(wěn)定性強(qiáng)：現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，體系破乳電壓維持在600V以上，保證了鉆井過(guò)程中體系穩(wěn)定性。攜砂性好：現(xiàn)場(chǎng)鉆井液水平段動(dòng)切力8.5Pa，滿足長(zhǎng)水平段攜砂要求。潤(rùn)滑效果好：長(zhǎng)水平段鉆井過(guò)程順利，起下鉆順暢，電測(cè)一次成功率100%。懸浮穩(wěn)定性強(qiáng)：現(xiàn)場(chǎng)施工起下鉆過(guò)程中體系密度無(wú)變化，循環(huán)罐無(wú)重晶石沉降。井壁穩(wěn)定效果好：施工井井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率4%以下。

（5）長(zhǎng)裸眼井壁穩(wěn)定及防漏技術(shù)可靠，一開(kāi)、二開(kāi)鉆井過(guò)程中隨鉆加入堵漏材料和細(xì)目碳酸鈣封住鉆進(jìn)過(guò)程中形成的微裂縫，合理的確定鉆井液密度、動(dòng)切力、破乳電壓有效的保護(hù)井壁做好了防塌、防漏工作。

（6）頁(yè)巖油白/柴油基鉆井液配方，主要性能指標(biāo)如下：密度1.52～1.58g/cm3；粘度70～90s；動(dòng)切力7～10Pa；ES600～1000V；油水比（80∶20）～（85∶15），有效的保證了“激進(jìn)”鉆井在施工過(guò)程中的應(yīng)用。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）通過(guò)管柱力學(xué)和水力學(xué)計(jì)算，將工程設(shè)計(jì)中加重鉆桿20柱優(yōu)化至6柱，在保證鉆具強(qiáng)度、鉆壓傳遞的同時(shí)，降低摩阻、降低循環(huán)壓耗，為優(yōu)化激進(jìn)鉆井參數(shù)提供有利條件。

（2）油基鉆井液具有良好的抑制性、穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性和油氣層保護(hù)效果，針對(duì)吉慶頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)中地層的分析，提出了強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵的油基鉆井液對(duì)策：加強(qiáng)對(duì)滲透性漏失、裂縫性漏失的封堵能力，合理控制鉆井液密度，防止壓裂地層，引起更大的漏失，較強(qiáng)的抑制性，對(duì)微裂縫有較強(qiáng)的封堵性。

（3）吉慶頁(yè)巖油區(qū)塊裸眼段長(zhǎng)，地層浸泡時(shí)間長(zhǎng)，極易發(fā)生井塌，根據(jù)井下地層承壓能力低的情況，主要采用密度防塌已經(jīng)無(wú)法滿足鉆井的防塌需求，急需要采用化學(xué)防塌方式進(jìn)行防塌。