吉木薩爾致密砂巖油藏工廠化水平井鉆井技術(shù)

廖騰彥， 余麗彬， 李俊勝

(中國(guó)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(zhǔn)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(gè)東高西低呈箕狀凹陷的二級(jí)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(gè)甜點(diǎn)體，屬于典型的致密油儲(chǔ)層。儲(chǔ)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(jī)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(yàn)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(diǎn)

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(xì)礫巖。古近系地層為紅褐色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)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(guò)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(qiáng)，鉆井過(guò)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(yè)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(guò)程中易發(fā)生井漏。

蘆草溝組儲(chǔ)層以云質(zhì)粉細(xì)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(chǔ)層裂縫相對(duì)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(diǎn)高，氣油比、地層壓力低)的特點(diǎn)。

2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)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(qiáng)、地層坍塌壓力低、井壁穩(wěn)定性差，導(dǎo)致鉆井過(guò)程中發(fā)生井塌。同時(shí)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(shí)：一方面要提高鉆井液的抑制性，抑制水敏性泥頁(yè)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(shí)，要注意防止地層漏失。

2)井眼軌跡控制難定向鉆進(jìn)時(shí)裸眼段長(zhǎng)，導(dǎo)致摩阻大，托壓嚴(yán)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(diǎn)井深2 760.00 m，二開斜井段長(zhǎng)420.00 m。后期定向過(guò)程中將有2 680.00 m長(zhǎng)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(zhǔn)確控制井眼軌跡。水平段較長(zhǎng)，均超過(guò)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(dòng)鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、效果差，嚴(yán)重影響鉆井效率。

3)井身質(zhì)量要求高水平段后期要進(jìn)行多級(jí)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(zhǎng)，與鄰井距離近，鉆進(jìn)中必須進(jìn)行防碰監(jiān)測(cè)；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(diǎn)(井斜角92.62°，方位角變化123.13°～57.00°)，后期定向時(shí)在方位和井斜控制上存在一定難度。

4)提速難造斜點(diǎn)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(jī)械鉆速僅為0.95 m/h。水平段較長(zhǎng)，定向滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)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(jī)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(gè)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(wèn)題，井眼軌跡控制難度大。繞障過(guò)程中方位不斷變化，給定向帶來(lái)一定難度，不但要準(zhǔn)確計(jì)算井斜角和造斜率，還要準(zhǔn)確計(jì)算方位角變化率，這就要求現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)工具造斜能力確定合理工具面和定向鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)的比例，才能保證井眼軌跡平滑。方位變化過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)影響防碰和中靶精度，入靶方位不準(zhǔn)確將給水平段鉆進(jìn)帶來(lái)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(jì)

根據(jù)該油田的鉆井實(shí)踐，設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)井眼尺寸縮小一級(jí)，可以大幅度降低鉆井成本和縮短鉆井周期，預(yù)計(jì)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(jì)為“直—增—穩(wěn)”三段制，設(shè)計(jì)繞障井的水平段長(zhǎng)1 300.00 m，中間井不繞障，水平段長(zhǎng)為1 800.00 m。表1為繞障井的井眼軌道設(shè)計(jì)結(jié)果。

表1 井眼軌道設(shè)計(jì)結(jié)果

3.2 井眼軌跡控制技術(shù)

長(zhǎng)水平段水平井鉆進(jìn)時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題是降低摩阻和扭矩。實(shí)鉆過(guò)程中應(yīng)盡量控制好造斜率，避免因造斜率過(guò)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(jì)，定向鉆進(jìn)初期精確控制工具面，確保實(shí)鉆方位與修訂后的設(shè)計(jì)吻合。鉆完一個(gè)單根后，劃眼修整井壁。定向增斜鉆進(jìn)期間采用MWD測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)井眼軌跡，測(cè)量間距不超過(guò)10 m；根據(jù)造斜情況及時(shí)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(jìn)方式為主，采用定向滑動(dòng)鉆進(jìn)方式對(duì)井眼軌跡進(jìn)行微調(diào)。加強(qiáng)待鉆井眼軌道預(yù)測(cè)計(jì)算，利用趨勢(shì)規(guī)律勤調(diào)，避免過(guò)度調(diào)整井眼軌跡，嚴(yán)格控制狗腿嚴(yán)重度，以降低摩阻。同時(shí)靈活測(cè)量，及時(shí)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(jìn)行防碰掃描分析，掃描間距應(yīng)不大于20 m，危險(xiǎn)井段掃描間距不大于5 m。

2) 防碰掃描時(shí)，井眼方位角應(yīng)使用當(dāng)時(shí)、當(dāng)?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(diǎn)工作，加強(qiáng)井眼軌跡監(jiān)測(cè)，每鉆進(jìn)30～50 m測(cè)斜一次，必要時(shí)應(yīng)加密測(cè)斜；出現(xiàn)磁干擾時(shí)，應(yīng)使用陀螺測(cè)斜儀測(cè)量。采用防斜打直技術(shù)，嚴(yán)格控制井斜角。

2) 加強(qiáng)井眼軌跡防碰掃描和200 m長(zhǎng)未鉆井段的防碰預(yù)測(cè)。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(shí)，及時(shí)調(diào)整井眼軌跡，進(jìn)行定向繞障，防止發(fā)生兩井相碰。

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

4) 鉆至設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)以上150 m時(shí)，大排量循環(huán)清洗井底，按要求調(diào)整鉆井液性能，進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，以便確定實(shí)際造斜點(diǎn)。

5) 斜井段鉆進(jìn)過(guò)程中，MWD儀器的地磁強(qiáng)度值超出正常值±2%時(shí)，分析磁干擾的原因，并進(jìn)行防碰計(jì)算，如安全，則繼續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)10～20 m，撈砂觀察水泥含量，發(fā)現(xiàn)異常則使用陀螺測(cè)斜儀進(jìn)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(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)確控制工具面，扭方位和造斜同時(shí)進(jìn)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(dòng)定向鉆進(jìn)，存在以下問(wèn)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(cè)斜、測(cè)方位時(shí)間較長(zhǎng)，易發(fā)生壓差卡鉆；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)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(jìn)中能連續(xù)導(dǎo)向造斜，可以提高機(jī)械鉆速和井眼凈化效果，減少壓差卡鉆，降低井下風(fēng)險(xiǎn)，而且還具有三維井眼軌跡的自動(dòng)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(zhǎng)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(jī)械鉆速快、井眼軌跡平滑等優(yōu)點(diǎn)，但因未實(shí)現(xiàn)國(guó)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(jìn)，以提高機(jī)械鉆速和井眼軌跡的控制精度。

水力振蕩器通過(guò)一對(duì)閥門周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)把流經(jīng)動(dòng)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(dòng)鉆具在軸線方向上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使鉆具在井底的靜摩擦變成動(dòng)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(zhǎng)水平段鉆進(jìn)中使用水力振蕩器，不但能提高工具面的穩(wěn)定效果，準(zhǔn)確控制井眼軌跡，而且在鉆進(jìn)中不需調(diào)整工具面，可減少非鉆進(jìn)時(shí)間，提高機(jī)械鉆速[9]。

根據(jù)吉木薩爾地層的特點(diǎn)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(jìn)水平井段。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2013年，在吉木薩爾區(qū)塊的不同平臺(tái)上鉆了8口水平井，通過(guò)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(jì)吻合度高，成功實(shí)現(xiàn)了防碰繞障，2#平臺(tái)的JHW005井和JHW007井實(shí)現(xiàn)繞障115 m，3#平臺(tái)的JHW016井實(shí)現(xiàn)繞障265 m，扭方位70°；8口井造斜段平均機(jī)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(jī)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(jī)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(zhǎng)度增長(zhǎng)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(shí)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(jī)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(jī)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(jì)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(jī)械鉆速大幅提高，其中滑動(dòng)鉆進(jìn)提高了48.16%。3口井側(cè)鉆滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)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(jìn)中，隨著井深的增加，所需鉆壓逐漸變大，托壓滯動(dòng)現(xiàn)象輕微，對(duì)延長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)起到了很好的作用。

5 結(jié)論與建議

1) 各項(xiàng)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(guò)程中機(jī)械鉆速低、防碰繞障及井眼軌跡控制難等問(wèn)題，機(jī)械鉆速明顯提高，井眼軌跡平滑，與設(shè)計(jì)吻合度高，平臺(tái)井成功實(shí)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(jī)械鉆速，延長(zhǎng)水平段長(zhǎng)度。

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

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