三維水平井YP－3X井鉆井難點(diǎn)與對(duì)策

周文軍，巨滿成，王彥博 低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室

段志鋒，張燕娜 （ 中石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安710021）

鄂爾多斯盆地致密油資源豐富，約占盆地總資源量的15%以上，是長(zhǎng)慶油田實(shí)現(xiàn)5000×104t“上得去、穩(wěn)得住、可持續(xù)”戰(zhàn)略的重要保障［1］。但其儲(chǔ)層物性差、壓力低，根據(jù)評(píng)價(jià)投入產(chǎn)出結(jié)果，不能實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。叢式水平井開發(fā)有利于提高單井產(chǎn)量、有效節(jié)約土地資源、便于后期的集輸與管理，可有效降低綜合開發(fā)成本，但長(zhǎng)慶油田致密油藏主要分布于山大溝深、溝壑縱橫的黃土塬地區(qū)，由于井場(chǎng)受限以及井眼水平段方向需垂直最大主應(yīng)力方向，導(dǎo)致井組部分水平井偏移距較大，井眼軌跡由二維演變?yōu)槿S。為實(shí)現(xiàn)致密油藏經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，針對(duì)三維水平井鉆完井的一系列瓶頸技術(shù)展開攻關(guān)，并在YP－3X井開展試驗(yàn)，旨在有效解決井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、剖面軌跡控制、PDC鉆頭設(shè)計(jì)、泥頁巖防塌等難題，探索致密油藏叢式水平井鉆完井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)致密油資源的快速高效開發(fā)。

1 概況

為擴(kuò)大三維水平井試驗(yàn)，探索致密油藏長(zhǎng)水平段叢式水平井鉆完井技術(shù)，2012年9月在長(zhǎng)慶油田部署了一口偏移距超過300m、水平段超過1500m的三維油井水平井YP－3X井，該井位于隴東區(qū)塊西2EA井區(qū)，設(shè)計(jì)方位345°，偏移方位75°，井深3720m，目的層位于上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)M油層。設(shè)計(jì)采用三開井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示，套管固井完井。該井2012年9月11日開鉆，10月5日完鉆，鉆井周期25d，平均機(jī)械鉆速13．98m／h。

圖1 YP－3X井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2 鉆井難點(diǎn)分析

陽字井組井場(chǎng)為典型的黃土高原地貌，溝壑縱橫，梁峁相間。YP－3X井鉆遇地層較多且地質(zhì)條件復(fù)雜多變，該井設(shè)計(jì)斜井段位于三維施工段，與二維井段相比，鉆井難度大。

2．1 工程設(shè)計(jì)難度大

陽字井組是長(zhǎng)慶油田第1個(gè)油井叢式水平井組，YP－3X井是該井組的一口三維水平井。方案要求水平段長(zhǎng)度超過1500m，是長(zhǎng)慶油田油井水平段平均長(zhǎng)度的2倍，鉆遇地層漏失、坍塌風(fēng)險(xiǎn)大，套管下入層數(shù)、下深均要求執(zhí)行低成本投資戰(zhàn)略。此外，井眼軌跡需在造斜點(diǎn)處偏離水平段方位，沿地層最大主應(yīng)力方向消除300m偏移距，扭回設(shè)計(jì)方位增井斜到90°左右入窗。長(zhǎng)慶油田在三維軌跡設(shè)計(jì)領(lǐng)域還處于技術(shù)空白，無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，工程設(shè)計(jì)難度大。

2．2 軌跡控制困難

YP－3X井造斜點(diǎn)井深200m，使用311．2mm鉆頭配合1．25°單彎228mm螺桿定向消除偏移距，311．2mm鉆頭反扭較大，工具面難以控制到位，且大井眼斜井段容易形成巖屑床，造成滑動(dòng)定向時(shí)脫壓嚴(yán)重，定向效率低。與二維水平井相比，YP－3X井需調(diào)整偏移方位至水平段延伸方位，這樣就大幅增加了滑動(dòng)定向井段，使井眼軌跡控制困難。

2．3 鉆井速度慢

該井斜井段既要調(diào)整方位，同時(shí)還要增井斜，大幅增加了鉆井進(jìn)尺與滑動(dòng)定向井段進(jìn)尺，在一定程度上延長(zhǎng)了鉆井周期，且井眼尺寸結(jié)構(gòu)為444．5mm＋311．2mm＋215．9mm，大鉆頭鉆進(jìn)與滑動(dòng)定向機(jī)械鉆速較低，導(dǎo)致整體鉆井速度慢，不僅增加了施工成本，而且不利于井下安全，因此提速提效是關(guān)系到該井試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。

2．4 泥頁巖坍塌嚴(yán)重

根據(jù)周邊鄰井鉆井資料顯示，井區(qū)鉆遇地層中生界中侏羅統(tǒng)直羅組、下侏羅統(tǒng)延安組，上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組地層都存在大量極易水化膨脹的棕色與棕紅色泥頁巖，鉆井過程中，鉆井液浸泡引起泥巖吸水膨脹，造成井壁失穩(wěn)、掉塊、垮塌，導(dǎo)致發(fā)生井眼 “縮徑”、“大肚子”等井下復(fù)雜，嚴(yán)重可引起卡鉆、套管難以下入難題，從而給企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

2．5 水平段摩阻、扭矩大

YP－3X井設(shè)計(jì)二開技術(shù)套管下深1450m，井斜25°左右，剩余770m斜井段與超過1500m的水平段均位于井眼尺寸為215．9mm的同一裸眼段內(nèi)，不小于2270m的大井斜裸眼井段摩阻與扭矩較大。此外，井底巖屑上返至技術(shù)套管腳處由于上部井眼尺寸變大導(dǎo)致環(huán)空返速突然降低引起砂沉，巖屑床厚度增加以及上部存在三維扭方位井段，也導(dǎo)致了施工過程中摩阻與扭矩過大。因此，鉆井液要具備良好的降摩減阻能力，否則容易導(dǎo)致水平段長(zhǎng)度無法完成，嚴(yán)重時(shí)還可引起完井后生產(chǎn)套管無法下入等難題。

3 鉆井技術(shù)對(duì)策與實(shí)施

3．1 井身剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)

YP－3X井設(shè)計(jì)采用表層套管封固上部黃土層、流沙層，二開技術(shù)套管封固易漏、易塌層，為降低斜井段摩阻、扭矩并考慮節(jié)約成本，技術(shù)套管下入至消除偏移距后扭至設(shè)計(jì)方位井段位置，封固整個(gè)三維井段?？紤]完井壓裂需求，三開生產(chǎn)套管下至井底，固井完井［2］。鑒于該井定向時(shí)需提前消除偏移距后扭正方位，因此為降低施工難度，保證井眼軌跡平滑，針對(duì)該井斜井段進(jìn)行剖面優(yōu)化，上提造斜點(diǎn)至井深200m，大幅延長(zhǎng)消除偏移距井段，有效降低井段狗腿度，確保套管下入順利［3］。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路結(jié)合地質(zhì)設(shè)計(jì)，YP－3X井剖面軌跡設(shè)計(jì)如表1所示。軌跡剖面如圖2所示。

表1 YP－3X井井身剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

3．2 井眼軌跡控制技術(shù)

3．2．1 斜井段軌跡控制技術(shù)

增井斜施工中為保證增斜率，起鉆更換牙輪鉆頭定向，保證實(shí)鉆造斜率略大于設(shè)計(jì)造斜率，采用80kN鉆壓，80r／min轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合，滑動(dòng)鉆進(jìn)工具面控制在345～15°范圍內(nèi)，鉆壓100kN，提高排量至34L／s；中部穩(wěn)斜段更換PDC鉆頭提高機(jī)械鉆速，復(fù)合微增斜，降低下部井段定向增斜壓力，同時(shí)避免消耗靶前距；入窗井段根據(jù)地質(zhì)需求小幅調(diào)整靶前距與中靶垂深，以4．4°／30m的增斜率增井斜至85°穩(wěn)斜探入油層上部入窗［4］。

斜井段施工順利，全井段復(fù)合率75%，全角變化率控制在6°／30m以內(nèi)，井眼軌跡平滑，實(shí)鉆中摩阻控制在220kN以內(nèi)，未發(fā)生任何井下復(fù)雜事故。

3．2．2 水平段軌跡控制技術(shù)

YP－3X井水平段設(shè)計(jì)采用215．9mm鉆頭鉆進(jìn)，設(shè)計(jì)井斜88～90°，油層厚度較薄，且根據(jù)后期改造要求井眼沿油層中上部穿行，軌跡控制難度較大。針對(duì)水平段巖屑床導(dǎo)致鉆頭加壓滑動(dòng)定向困難及軌跡走向要求，該井水平段采用更加主動(dòng)的鉆具組合。

圖2 YP－3X井井身剖面圖

水平段實(shí)鉆1530m，最大狗腿度3°／30m，大部分井段控制在1°／30m以內(nèi)，平均機(jī)械鉆速14．58m／h，井眼軌跡平滑，起下鉆無遇阻遇卡，套管下入順利。

3．3 鉆井液技術(shù)

3．3．1 斜井段鉆井液體系

通過對(duì)直羅組、延安組、延長(zhǎng)組地層坍塌機(jī)理的研究，從物理防塌、化學(xué)防塌和力學(xué)平衡三方面進(jìn)行攻關(guān)［5］，采用屏蔽封堵防塌技術(shù)，抑制泥巖膨脹，提高裂隙破碎地層的完整性和鉆井液的防塌性，研制出強(qiáng)抑制無土相復(fù)合鹽鉆井液體系。體系配方基礎(chǔ)為：0．05%PAM＋3%FTJ－1（胺基聚合物防塌降失水劑）＋0．3%PAC＋1．5%G303－WYR （無熒光生物油潤(rùn)滑劑）＋2%SMP－2（磺甲基酚醛樹脂降濾失劑）＋0．05%NaOH＋12%～16%KCl（配方中液體以體積分?jǐn)?shù)表示，固體以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示）。該體系密度1．07～1．32g／cm3，pH值8．5～10，塑性黏度15～20mPa·s，失水量3～5ml，動(dòng)切力8～13Pa，靜切力 （2～6）／ （5～14）Pa，潤(rùn)滑系數(shù)0．026～0．07，含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．1%～0．5%，固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%～8%。體系具有良好的抑制防塌性能、較好的井眼凈化能力以及優(yōu)異的潤(rùn)滑減阻效果。

該體系在YP－3X井應(yīng)用后，振動(dòng)篩返出的巖屑棱角分明、形狀規(guī)整，捻碎返出的巖屑內(nèi)部呈現(xiàn)干態(tài)，可以看出，體系有效控制了巖石坍塌壓力的上升趨勢(shì)，減少了泥頁巖的進(jìn)一步吸水膨脹，充分發(fā)揮出了優(yōu)良的防塌抑制性能；此外，該體系還具有較強(qiáng)的攜巖能力，克服了由巖屑床引起摩阻、扭矩大的難題，可在油井叢式水平井中推廣應(yīng)用。

3．3．2 水平段鉆井液體系

長(zhǎng)慶油田常規(guī)水平段鉆井液一般具有固相含量高、坂土含量高、含砂量高、失水高、動(dòng)塑比低的缺點(diǎn)，為提高鉆井液體系屏蔽暫堵率，降低儲(chǔ)層傷害，同時(shí)提高鉆井液體系潤(rùn)滑性能，針對(duì)長(zhǎng)水平段降摩減阻性能分析并在儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)暫堵微裂縫、減少濾液侵入、提高潤(rùn)滑與攜屑能力、降低巖屑床厚度等進(jìn)行研究［6］，優(yōu)化形成了強(qiáng)抑制高效屏蔽暫堵保護(hù)儲(chǔ)層鉆井液體系，體系配方基礎(chǔ)為：0．3%PAC－HV＋0．8%PAC－LV ＋3%G314－FDJ （復(fù)合堵漏劑）＋0．3%XCD （增黏劑）＋7%KCl＋4%NaCOOH （配方中液體以體積分?jǐn)?shù)表示，固體以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示）。

該體系在YP－3X井試驗(yàn)應(yīng)用取得了良好的效果，完鉆水平段1530m，裸眼段長(zhǎng)2300m，摩阻、扭矩未超出鉆機(jī)安全荷載，起下鉆無阻卡現(xiàn)象，室內(nèi)評(píng)價(jià)與應(yīng)用效果顯示，該體系具有抑制性強(qiáng) （一次回收率達(dá)到94%，二次回收率82．6%）、潤(rùn)滑性好、抗溫可達(dá)120℃、性能穩(wěn)定性好、屏蔽暫堵效果好（封堵率超過99%），低剪切速率下攜屑能力強(qiáng)，具備了 “快速”、“淺層”、“高效”的特點(diǎn)，是一種適合于長(zhǎng)慶油田叢式水平井長(zhǎng)水平段施工的鉆井液體系。

4 應(yīng)用效果

YP－3X井作為致密油藏三維水平井鉆井技術(shù)先導(dǎo)性試驗(yàn)井，取得了良好的應(yīng)用效果。該井完鉆井深3746m，水平段長(zhǎng)1530m，垂深1957．8m，偏移距303m，偏移方位90°，電測(cè)順利，施工中未發(fā)生井下復(fù)雜，技術(shù)套管下深1450．6m，生產(chǎn)套管下深3744m，鉆井周期24d，建井周期36d，完井試油產(chǎn)量112．7m3純油，是同區(qū)塊水平井的2．5倍以上。該井的成功實(shí)施突破了叢式水平井瓶頸技術(shù)難題，形成了以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、剖面軌跡控制、泥頁巖防塌等技術(shù)集成配套的三維水平井鉆井技術(shù)，為長(zhǎng)慶油田規(guī)模開發(fā)致密油藏奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

1）YP－3X井采用井身剖面優(yōu)化、三維水平井軌跡控制、PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)、復(fù)合鹽鉆井液等技術(shù)，試驗(yàn)完成了一口偏移角90°、偏移距超過300m的油井三維水平井，為探索叢式水平井組開發(fā)致密油藏積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2）井身剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合軌跡控制技術(shù)突破了叢式水平井瓶頸技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了低成本水平井井眼軌跡空間三維調(diào)整，填補(bǔ)了長(zhǎng)慶油田三維水平井設(shè)計(jì)技術(shù)空白。

3）應(yīng)用抑制無土相復(fù)合鹽鉆井液體系有效解決了斜井段泥巖坍塌、滑動(dòng)定向脫壓等難題；強(qiáng)抑制高效屏蔽暫堵保護(hù)儲(chǔ)層鉆井液體系在一定程度上降低了儲(chǔ)層傷害，并大幅降低了施工摩阻與扭矩，完成了三維油井1530m長(zhǎng)水平段。

［1］楊華，李士祥，劉顯陽 ．鄂爾多斯盆地致密油、頁巖油特征及資源潛力 ［J］．石油學(xué)報(bào)，2013，34（1）：1～11．

［2］曾勇，鄭雙進(jìn)，吳俊成，等 ．井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 ［J］．長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2005，8（9）：60～62．

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［4］Hummes O，Bond P，Jones A，et al．Using advanced drilling technology to enable well factory concept in the marcellus shale ［J］．SPE151466－MS，2012．

［5］王京光，張小平，王勇強(qiáng)，等 ．復(fù)合鉀鹽聚合物鉆井液的研制及應(yīng)用 ［J］．石油鉆采工藝，2012，34（6）：33～35．

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