大慶油田火山巖礫巖水平井鉆井技術

宮 華 ，李國華，鄧勝聰，李瑞營

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413)

大慶油田火山巖礫巖水平井鉆井技術

宮 華 ，李國華，鄧勝聰，李瑞營

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413)

隨著大慶油田深層火山巖礫巖氣藏的持續(xù)開發(fā)，利用水平井技術勘探開發(fā)深層氣藏成為迫切要求。對大慶深層火山巖礫巖的地質特性、火山巖礫巖水平井特點及難點進行了描述。開展了鉆頭優(yōu)選、井眼軌道優(yōu)化、井身結構優(yōu)化、井下動力鉆具選型、欠平衡負壓值控制等技術研究，并完成多口現(xiàn)場試驗井，其中徐深平34井全井平均機械鉆速2.79 m/h，取得了較好的應用效果。形成了一套適合于大慶油田火山巖礫巖氣藏勘探與開發(fā)的水平井鉆井技術。

火山巖;礫巖;水平井;鉆井;大慶油田

近些年，大慶油田加大了對徐家圍子地區(qū)深層火山巖、礫巖氣藏的勘探開發(fā)力度，取得了較好的效果。但是，由于登婁庫組以下火山巖礫巖巖層埋藏深、成巖作用強和普遍含有凝灰質等原因，致使氣藏整體物性、連通性較差，大部分儲層為低豐度儲層，孔隙度低于下限6%，密度超過2.50 g/cm3，利用常規(guī)直井勘探開發(fā)火山巖、礫巖氣藏無法取得理想效果。針對這一難題，大慶油田開展了火山巖礫巖水平井鉆井技術研究，利用水平井技術勘探開發(fā)深層氣藏，最大限度地增加氣藏裸露面積，增加單井產量，提高深層天然氣勘探開發(fā)的綜合效益。

1 火山巖礫巖水平井鉆井技術難點

(1)登婁庫組地層不穩(wěn)定，易出現(xiàn)井壁坍塌，發(fā)生井下復雜。

(2)巖石硬度大(2000～5000 MPa)，研磨性強，可鉆性極值高(6～8級)，導致機械鉆速低、鉆頭壽命短。

(3)地層溫度高，平均地溫梯度4.1℃/100 m，井深4000～5500 m，井底溫度160～220℃，對井下動力鉆具等工具的抗溫性能要求高。

(4)造斜點深，井眼軌跡控制難度大;水平段鉆井施工加壓困難，鉆井速度慢。

(5)火山巖礫巖儲層多為氣孔和裂縫發(fā)育，裂縫具有極高導流能力，儲層易受損害且難于恢復。

2 火山巖礫巖水平井鉆井技術

針對上述的技術難點，通過不斷的攻關和完善，形成了一套適合于大慶油田的火山巖礫巖水平井鉆井技術，并完成了徐深平32井、徐深平34井等多口井的現(xiàn)場試驗，達到了勘探開發(fā)的目的。

2.1 井身結構優(yōu)化設計

大慶油田火山巖礫巖水平井多為開發(fā)營城組油氣藏，目的層較深，裸眼段較長，且上部登婁庫組地層不穩(wěn)定，易出現(xiàn)井壁坍塌，發(fā)生井下復雜。因此在井身結構優(yōu)化過程中重點考慮以下2點:(1)合理的套管層次，節(jié)約成本;(2)合適的技術套管下深，有效封固登婁庫組地層。

根據大慶油田深層氣井和常規(guī)水平井的設計施工經驗，經技術可行性論證和經濟評價，火山巖礫巖水平井優(yōu)選了三開井身結構，并根據地質情況和鉆井工藝要求，分別優(yōu)化設計了2種不同的井身結構: (1)339.7 mm表層套管+244.5 mm技術套管+139.7 mm生產層套管;(2)273.0 mm表層套管+177.8 mm技術套管+88.9 mm生產層套管。

技術套管的下深3種方案:直井段、造斜段和接近窗口處。常規(guī)水平井技術套管下深均選用直井段方案，但通過3種方案的對比分析，認為技術套管下深至造斜段能有效封固登婁庫組以上地層，避免井壁剝落對下部施工的影響。最終優(yōu)化后的井身結構成功應用于徐深平32井和徐深平34井(見圖1)，并取得了較好的應用效果。

2.2 個性化鉆頭的優(yōu)選

圖1 徐深平32井和徐深平34井井身結構示意

火山巖礫巖水平井登婁庫組上部地層巖石可鉆性極值相對較低(小于6級)，但登婁庫組下部營城組地層巖石硬度明顯增大，研磨性變強，可鉆性極值高(6～8級)，因此在進行個性化鉆頭優(yōu)選時重點考慮:(1)直井段和造斜段如何提高鉆頭使用壽命，減少起下鉆次數;(2)水平段如何提高鉆頭破巖效率，提高行程鉆速。

鉆頭的選擇一般根據所鉆地層巖石的抗剪強度、研磨性、可鉆性等力學性質來進行合理選型［1］。因此，首先利用測井資料獲得地下巖石的聲波、密度等物性參數，利用這些參數評價出巖石的可鉆性、硬度、抗剪強度等力學參數(見圖2)。根據得出的地層力學參數，結合該地區(qū)已鉆井的鉆頭應用資料，通過綜合對比優(yōu)選出該地區(qū)各層位的合理鉆頭類型(見表1)。

圖2 徐家圍子地區(qū)部分巖層的力學參數

表1 火山巖礫巖水平井鉆頭優(yōu)選結果

與此同時，充分考慮火山巖礫巖水平井的技術特點，直井段與造斜段多為登婁庫組以上地層，巖石可鉆性一般不大于6級，巖石硬度一般不超過800 MPa。在鉆頭綜合數據對比過程中著重優(yōu)先考慮PDC鉆頭。而水平段為營城組地層，巖石可鉆性普遍較高一般在6～8級，巖石硬度通常在1000 MPa左右，并且水平段多為復合鉆進，鉆頭側翼磨損較重，因此，在優(yōu)選鉆頭的基礎上重點考慮帶有適應高轉速、掌背部加強保徑等附加特征的牙輪鉆頭。

2.3 井下動力鉆具的選型

根據火山巖礫巖水平井地溫高、巖石硬度大等技術特點，在優(yōu)選螺桿鉆具過程中，重點考慮了螺桿鉆具的抗溫性、抗震性以及低轉速大扭矩。通過與相關螺桿廠家合作開發(fā)，利用特制耐高溫橡膠、設計防脫結構、優(yōu)選特殊轉子涂層等方法有效解決了上述難題，并優(yōu)選出了配套的螺桿鉆具(表2)。

2.4 井眼軌道優(yōu)化設計

井眼軌道優(yōu)化包含靶點、入靶方位以及井眼軌道的幾何形狀幾個方面［2］。設計井眼軌道時，首先要考慮火山巖礫巖水平井造斜點深、水平位移較大，需優(yōu)化設計合理的井身剖面;其次由于深層巖石硬度大、造斜困難，定向時機械鉆速低，需優(yōu)化井眼軌道曲率［3，4］，提高旋轉鉆進的比例。

表2 螺桿鉆具的選型

由于火山巖礫巖水平井的水平位移相對較大、地層初始造斜能力不確定，因此選用變曲率多圓弧雙增剖面法進行井眼軌道優(yōu)化設計，其靶前位移調整范圍余地大，有利于實鉆過程中的井眼軌跡控制。通過變曲率設計方法可以將火山巖礫巖水平井的初始造斜率設計較小，隨著井斜角增加、造斜趨勢形成后，逐步適當提高造斜率，減小造斜段長度，從而便于現(xiàn)場施工過程中對螺桿造斜率的掌控，降低了現(xiàn)場井眼軌跡控制難度(如圖3所示)。 MPa，以確保水平段欠平衡鉆井的順利實施。結合鄰井產層實測壓力及其他相關數據，優(yōu)化設計了鉆井液密度窗口(如表3所示)。

表3 徐深平32井欠平衡鉆井參數

圖3 徐深平32井井眼軌道剖面示意(單位:m)

2.5 欠平衡鉆井技術

針對火山巖礫巖儲層多為氣孔和裂縫發(fā)育，裂縫具有極高導流能力，正壓差狀態(tài)下儲層易受損害且難于恢復這一難點，通過理論計算及方案論證，在水平段采用低密度鉆井液體系，應用欠平衡水平井鉆井技術實現(xiàn)水平段油氣藏的有效保護，并成功應用于徐深平32井。

2.5.1 欠平衡井底負壓值和鉆井液密度窗口的設計

基于大慶油田以往欠平衡鉆井技術的經驗，經過優(yōu)化設計和計算得出，靜態(tài)負壓值要控制在－2.0～－4.0 MPa，動態(tài)負壓值控制在 －0.7～－1.4

2.5.2 井底負壓值控制技術

實時調節(jié)和控制井底壓力變化是井底負壓值控制技術的關鍵。而可能造成井底壓力波動的主要因素有:(1)隨鉆產氣液量;(2)鉆井液入口性能;(3)泵排量;(4)節(jié)流閥開度?，F(xiàn)場施工過程中鉆井液入口性能和泵排量相對較為穩(wěn)定，可視為常量。

根據環(huán)空動力平衡的條件建立如下等式(1):

根據水力學關系得等式(2):

將式(1)代入式(2)可得:

式中:pF——井底負壓值，MPa;pp——地層壓力，MPa;pM——鉆頭壓降，MPa;pZJ——鉆具內循環(huán)壓降，MPa;pB——泵壓，MPa;pZ——鉆具內靜液柱壓力，MPa;pHK——環(huán)空循環(huán)壓力，MPa;pt——地面壓力(套壓)，MPa;pm——環(huán)空氣液柱壓力，MPa。

根據井內壓力關系，當鉆井液入口性能、排量不變，而氣體滑脫上升或隨鉆產氣液量變化時，pM、pZJ、pZ、pp為常量，設C=pM+pp+pZJ－pZ，則C為常數，因此式(3)可簡化為:

由此可知，當排量不變時，如果泵壓上升，則井底負壓值按同值減少;反之，如果泵壓下降，則井底負壓值按同值增加。因此，隨鉆產油氣量變化或氣體滑脫上升時，靠調節(jié)節(jié)流閥使泵壓保持不變，即可保持井底負壓值不變［5］。

3 火山巖礫巖水平井鉆井技術現(xiàn)場應用

3.1 徐深平32井和徐深平34井施工簡況

火山巖礫巖水平井技術在徐深平32井、徐深平34井等進行了現(xiàn)場應用。其中徐深平32井為大慶油田第一口深層礫巖水平井，設計井深4763.58 m，完鉆井深4746.00 m，全井平均機械鉆速2.01 m/h，三開水平段首次采用欠平衡鉆井方式，鉆井液密度控制在0.95～1.00 g/cm3，及時發(fā)現(xiàn)并保護了油氣儲層，水平段施工中多次點火成功，火焰高達3 m。

根據徐深平32井的相關經驗，結合徐深平34井的地質情況及鉆井工藝要求，通過井身結構的進一步“瘦身”，有效降低了鉆井成本，提高了平均機械鉆速。該井設計井深 4555.00 m，完鉆井深4586.00 m，全井平均機械鉆速2.79 m/h，較徐深平32井提高了38.8%，取得了較好的應用效果。

3.2 試驗效果分析

目前已完成的多口火山巖礫巖水平井均取得了較好的試氣效果，其中徐深平32井水平井段長839.88 m，試氣無阻流量是周邊直井的2～3倍，增產效果較好。由此可見，利用火山巖礫巖水平井技術開發(fā)深層火山巖礫巖氣藏經濟效益明顯。

4 結論與認識

(1)大慶油田首次在火山巖礫巖水平井應用欠平衡鉆井工藝技術，該技術能夠及時發(fā)現(xiàn)并有效保護火山巖礫巖儲層。

(2)優(yōu)選出適合高轉速的 M系列鉆頭(MD637HDX)，提高了鉆頭與螺桿的匹配程度，從而延長了鉆頭壽命，減少了起下鉆次數，提高了行程鉆速。

(3)優(yōu)化后的井身結構及井眼軌道能夠滿足不同的地質情況和鉆井工藝要求，在確保施工安全的條件下，有效地降低了鉆井施工成本，提高了鉆井速度。

(4)形成了一套成熟的火山巖礫巖水平井鉆井完井技術，實現(xiàn)了深層氣藏的經濟有效開發(fā)。

［1］紀 明師，張富成，張慶華，等.砂礫巖地層鉆頭合理選型研究及應用［J］.石油鉆采工藝，2005，27(3):13－14.

［2］劉 乃震.定向井井眼軌道的最優(yōu)化設計方法［J］.石油鉆探技術，2001，29(4):14－16.

［3］韓 志勇.定向井設計與計算［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1989.

［4］韓 志勇.三維定向井軌道設計和軌跡控制的新技術［J］.石油鉆探技術，2003，31(5):1－3.

［5］周英操，翟洪軍.欠平衡鉆井技術與應用［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2003.

Horizontal Well Drilling Technique in Volcanic Rock and Conglomerate in Daqing Oilfield

GONG Hua，LI Guohua，DENG Sheng-cong，LI Rui-ying(Drilling Engineering Technology Research Institute of Daqing Drilling＆Exploration Engineering Company，Daqing Heilongjiang 163413，China)

With the sustainable development of deep volcanic rock and conglomerate gas reservoir in Daqing oilfield，there is an urgent request of developing deep gas reservoir with horizontal well technique.The paper described the geological characteristics of deep volcanic rock and conglomerate and the features and difficulties of horizontal well in volcanic rock and conglomerate.Research was made on bit selection，well trajectory optimization，well structure optimization，BHA selection and the under balanced drilling pressure value control with several field test wells completed.The average penetration rate is 2.79m/h in Xushen－P34 well，and a series of horizontal well drilling techniques has been developed for exploration and exploitation of the deep volcanic rock and conglomerate gas reservoir in Daqing oilfield.

volcanic rock;conglomerate;horizontal well;well drilling;Daqing oilfield

TE243

A

1672－7428(2012)08－0019－04

2012－04－10

宮華(1981－)，男(漢族)，黑龍江人，大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院工程師，勘查技術與工程專業(yè)，從事鉆井工藝技術研究工作，黑龍江省大慶市八百坰，gh_dq@126.com。