渭北油田高水垂比水平井鉆井設(shè)計(jì)與應(yīng)用

閆吉曾

(中國(guó)石化華北分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006)

渭北油田高水垂比水平井鉆井設(shè)計(jì)與應(yīng)用

閆吉曾

(中國(guó)石化華北分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006)

為解決渭北油田長(zhǎng)3儲(chǔ)層埋深淺、水平井水垂比高帶來(lái)的摩阻大、井眼軌跡控制難等問(wèn)題，開(kāi)展了淺層高水垂比水平井鉆井設(shè)計(jì)研究。在分析主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同尺寸井眼的摩阻和扭矩進(jìn)行了數(shù)值模擬，將待鉆井設(shè)計(jì)為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，三開(kāi)水平段采用φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)；為了確保準(zhǔn)確著陸入靶，根據(jù)長(zhǎng)3儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，采用雙增井眼剖面；根據(jù)各開(kāi)次鉆遇地層的特征和鉆井要求，一開(kāi)井段采用塔式鉆具組合，二開(kāi)和三開(kāi)井段采用倒裝鉆具組合，加重鉆桿放在井斜角為45°～60°的井段內(nèi)；根據(jù)渭北油田鉆遇地層的特點(diǎn)，采用鉀銨基聚合物鉆井液，水平段控制鉆井液濾失量小于5 mL；為降低鉆井成本，充分利用現(xiàn)有鉆井設(shè)備，選用ZJ30型非頂驅(qū)鉆機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，利用常規(guī)鉆井裝備，采用上述鉆井設(shè)計(jì)，解決了渭北油田長(zhǎng)3儲(chǔ)層淺層水平井鉆井中存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)3儲(chǔ)層的有效開(kāi)發(fā)。

淺層 水平井 井身結(jié)構(gòu) 井眼軌道 鉆具組合 聚合物鉆井液 渭北油田

渭北油田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部，面積2 028.9 km2，石油資源量1.46×108t[1]，主要目的層為三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)3儲(chǔ)層，埋深295.00～550.00 m，屬于超淺層油藏，孔隙度3.64%～15.72%(平均12.78%)，滲透率0.33～1.59 mD(平均0.71 mD)，壓力系數(shù)0.60～0.90(平均0.72)。長(zhǎng)3儲(chǔ)層為巖性油藏，油氣分布主要受沉積相帶、巖性及物性因素的控制，砂體分布較穩(wěn)定且構(gòu)造發(fā)育寬緩，采用水平井開(kāi)發(fā)，水平段長(zhǎng)必須達(dá)到800.00～1 000.00 m才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)采，但渭北油田長(zhǎng)3儲(chǔ)層埋深較淺，水垂比均高于2.00，鉆井過(guò)程中摩阻和扭矩大，管柱托壓嚴(yán)重。針對(duì)鉆井中摩阻大、鉆頭加壓困難、井眼軌跡控制困難等技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，按照由易到難的原則，采用ZJ30型非頂驅(qū)鉆機(jī)等常規(guī)鉆井裝備，成功鉆成了一批水垂比不低于2.48的淺層水平井，形成了渭北油田淺層高水垂比水平井鉆井技術(shù)，為產(chǎn)能建設(shè)提供了技術(shù)支持。

1 主要技術(shù)難點(diǎn)

1) 水平段摩阻、扭矩大，鉆頭加壓困難。由于造斜點(diǎn)淺，一般為50.00～150.00 m，直井段鉆柱重量輕，大斜度井段和水平段鉆頭加壓困難[2-4]。對(duì)于水平位移過(guò)大的高水垂比水平井，在水平段滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)中，管柱緊貼下井壁，與井壁的接觸面積大，導(dǎo)致水平段施工后期摩阻升高、扭矩增大，水平段延伸困難。

2) 造斜率選擇范圍窄。由于靶前位移的限制，造斜率可選擇范圍比較窄，因此給造斜工具的選擇和井眼軌跡控制帶來(lái)難度。造斜段一般在侏羅系地層中上部，地層壓實(shí)程度低，造斜工具的實(shí)際造斜率難以確定，使井眼軌跡控制難度進(jìn)一步增大。

3) 對(duì)鉆井液性能要求高。定向造斜井段地層疏松，多為細(xì)砂巖和粉砂巖并發(fā)育有灰色泥質(zhì)粉砂巖，砂泥巖互層頻繁，井壁穩(wěn)定性差，易發(fā)生井壁坍塌、掉塊[5]，甚至卡鉆；水平段長(zhǎng)達(dá)800.00～1 000.00 m，潤(rùn)滑防卡、降摩減阻難度大，需要鉆井液具有良好的攜巖能力、潤(rùn)滑性及防塌性。

4) 儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，入靶點(diǎn)著陸困難。渭北油田長(zhǎng)3儲(chǔ)層是河流道沉積，地層非均質(zhì)性強(qiáng)，造成入靶點(diǎn)預(yù)測(cè)垂深與實(shí)鉆垂深存在偏差，在著陸過(guò)程中垂深調(diào)整余量小，井眼軌跡難于控制，給著陸入靶帶來(lái)困難。

2 工程設(shè)計(jì)

針對(duì)上述主要技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)分析摩阻和扭矩，將待鉆井設(shè)計(jì)為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，采用φ215.9 mm鉆頭鉆水平段；為能順利著陸、準(zhǔn)確入靶，針對(duì)儲(chǔ)層的非均質(zhì)性特點(diǎn)，將井眼剖面設(shè)計(jì)為雙增剖面；為了有效給鉆頭加壓，二開(kāi)和三開(kāi)井段采用倒裝鉆具組合；為防止井壁失穩(wěn)，減少儲(chǔ)層傷害，采用鉀銨基聚合物鉆井液；選用不帶頂驅(qū)的ZJ30型鉆機(jī)，既能滿(mǎn)足施工要求，又可降低鉆井成本。

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高水垂比水平井在鉆進(jìn)過(guò)程中易出現(xiàn)鉆頭不能有效加壓的現(xiàn)象，為此，利用Landmark鉆井軟件對(duì)常見(jiàn)的φ152.4 mm和φ215.9 mm兩種井眼在鉆進(jìn)中的摩阻和扭矩進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)垂深大于739.50 m 時(shí)，φ152.4 mm井眼二開(kāi)鉆具最大扭矩小于扭矩極限值，滿(mǎn)足安全鉆進(jìn)條件，但井口鉆具張力接近0，已無(wú)法施加鉆壓；當(dāng)垂深小于739.50 m時(shí)，φ215.9 mm井眼既滿(mǎn)足安全鉆進(jìn)要求又能實(shí)現(xiàn)加壓，因此水平段采用φ215.9 mm井眼。

一開(kāi)井段采用φ444.5 mm鉆頭鉆至第四系地層下部，一開(kāi)井段井深不小于51.00 m，φ339.7 mm表層套管下深50.00 m，封固第四系黃土層和志丹群、直羅組上部的砂礫層和泥巖互層，采用內(nèi)插法固井工藝固井，水泥漿返至地面。二開(kāi)井段采用φ311.1 mm鉆頭鉆至入靶點(diǎn)后再鉆30.00 m，以保證測(cè)井時(shí)能準(zhǔn)確測(cè)到儲(chǔ)層，φ244.5 mm技術(shù)套管下至入靶點(diǎn)，水泥漿返至地面，為三開(kāi)水平段安全施工提供有利條件，降低水平段施工風(fēng)險(xiǎn)。由于技術(shù)套管封固段存在油層，因此采用雙凝水泥漿體系全井封固工藝固井，尾漿返至油氣層頂界以上200.00 m，低密度水泥漿返至井口。三開(kāi)水平段采用φ215.9 mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)出靶點(diǎn)，下入多級(jí)管外封隔器壓裂完井。

2.2 井眼軌道設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

1) 盡量降低造斜點(diǎn)，增加直井段長(zhǎng)度，以增大直井段鉆柱的重量，在水平段鉆進(jìn)時(shí)，方便給鉆頭加壓和保證套管順利下入；

2) 保證合理的造斜率，既可以實(shí)現(xiàn)斜井段的復(fù)合鉆進(jìn)，提高機(jī)械鉆速，又可降低摩阻和扭矩，保證水平段有效延伸；

3) 剖面設(shè)計(jì)以有利于入靶點(diǎn)著陸控制和水平段井眼軌跡調(diào)整為原則，在實(shí)際鉆井過(guò)程中，應(yīng)保證控制靶點(diǎn)符合地質(zhì)設(shè)計(jì)要求[6-7]。

2.2.2 井眼剖面優(yōu)選

渭北油田長(zhǎng)3儲(chǔ)層屬于河流道沉積，地層非均質(zhì)性強(qiáng)，地質(zhì)預(yù)測(cè)入靶點(diǎn)垂深與實(shí)鉆垂深一般存在2.00～8.00 m的誤差，地質(zhì)設(shè)計(jì)要求入靶點(diǎn)縱向偏移1.00 m、橫向偏移5.00 m。因此，進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮在著陸過(guò)程中留有垂深余量，為此，優(yōu)選“直—增—穩(wěn)—增—平”雙增井眼剖面(見(jiàn)圖1)。根據(jù)實(shí)際鉆井過(guò)程中地層的變化，穩(wěn)斜段可適當(dāng)調(diào)整，以確保準(zhǔn)確著陸入靶。

2.2.3 井眼剖面參數(shù)優(yōu)化

定向造斜段采用φ311.1 mm鉆頭鉆進(jìn)，單彎單穩(wěn)鉆具組合的造斜率為(6.5°～8.5°)/30m，為了增加直井段段長(zhǎng)，有效縮短鉆遇泥頁(yè)巖段長(zhǎng)，根據(jù)不同靶前距、穩(wěn)斜段長(zhǎng)、穩(wěn)斜段井斜角和造斜率等參數(shù)組合進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定靶前距為270.00～320.00 m，第一造斜率為(6.2°～7.5°)/30m，第二造斜率為(5.5°～6.0°)/30m，穩(wěn)斜段段長(zhǎng)為25.00～35.00 m，穩(wěn)斜段井斜角為60°～70°，這樣既能滿(mǎn)足φ244.5 mm技術(shù)套管(鋼級(jí)N80壁厚7.72 mm)下入要求，也能滿(mǎn)足后期下入壓裂管柱的需要。

2.3 鉆具組合設(shè)計(jì)

2.3.1 鉆頭選擇

一開(kāi)井段主要鉆遇第四系黃土層，部分井區(qū)含有礫石，為了降低鉆井成本，選用牙輪鉆頭。二開(kāi)井段由于直井段很短，已經(jīng)開(kāi)始定向造斜，為了提高造斜率，也選用牙輪鉆頭。三開(kāi)水平段在長(zhǎng)3儲(chǔ)層穿行，各個(gè)控制靶點(diǎn)之間的井眼曲率一般小于2°/30m，為提高機(jī)械鉆速，采用PDC鉆頭。

2.3.2 一開(kāi)井段鉆具組合

一開(kāi)井段較短，一般不超過(guò)100.00 m，主要是防斜打直，采用φ444.5 mm鉆頭+φ244.5 mm鉆鋌+φ203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+φ203.2 mm鉆鋌+φ177.8 mm鉆鋌+φ127.0 mm鉆桿的塔式鉆具組合。鉆壓控制為100～150 kN，排量為50～65 L/s。

2.3.3 二開(kāi)井段鉆具組合

二開(kāi)直井段很短，已經(jīng)開(kāi)始定向造斜，為減少起下鉆次數(shù)，要加上螺桿和隨鉆測(cè)量工具，采用φ311.1 mm鉆頭+φ203.2 mm×1.75°螺桿+MWD+φ203.2 mm無(wú)磁鉆鋌+φ165.1 mm鉆鋌+φ127.0 mm斜坡鉆桿+φ127.0 mm加重鉆桿+φ127.0 mm鉆桿的倒裝鉆具組合。泵壓為18～20 MPa，排量為45～55 L/s。在定向斜井段每鉆進(jìn)100.00～150.00 m進(jìn)行短起下鉆一次，以清除巖屑床。

2.3.4 三開(kāi)井段鉆具組合

三開(kāi)水平段井眼曲率一般為2°/30m，在鉆進(jìn)過(guò)程中根據(jù)地質(zhì)顯示，進(jìn)行井眼軌跡調(diào)整，因此選用1.00°單彎螺桿，為了給鉆頭加壓，采用φ215.9 mm鉆頭+φ172.0 mm1.00°螺桿+ MWD+φ165.1 mm無(wú)磁鉆鋌+φ127.0 mm斜坡鉆桿+φ127.0 mm加重鉆桿+φ177.8 mm鉆鋌+φ127.0 mm鉆桿的倒裝鉆具組合。鉆壓20～60 kN，排量15～17 L/s。加重鉆桿放在井斜角45°～60°的井段內(nèi)，以確保有效加壓。每鉆進(jìn)100.00～200.00 m，短起下鉆一次，以清除巖屑床，短起下鉆井段長(zhǎng)度100.00～500.00 m。

2.4 鉆井液設(shè)計(jì)

根據(jù)渭北油田上部地層特點(diǎn)及儲(chǔ)層特征，進(jìn)行鉆井液優(yōu)選，最大限度降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害，維護(hù)井壁穩(wěn)定。直井段選用聚合物鉆井液，二開(kāi)井段至出靶點(diǎn)采用低成本的鉀銨基聚合物鉆井液。鉀銨基聚合物鉆井液主要是通過(guò)K+和NH4+的晶格固定和離子交換作用來(lái)抑制泥頁(yè)巖水化膨脹，穩(wěn)定井壁[5]。定向斜井段以提高鉆井液的抑制性為主，并利用封堵劑封堵地層的層理裂隙，防止鉆井液漏失。水平段提高鉆井液的攜巖性和潤(rùn)滑性[8]，并將鉆井液的濾失量嚴(yán)格控制在5 mL以?xún)?nèi)。不同井段鉆井液的性能要求見(jiàn)表1。

二開(kāi)井段主要鉆遇直羅組、延安組和延長(zhǎng)組地層，延安組地層存在煤夾層，將鉆井液密度提高至1.07～1.10 kg/L可防止煤層垮塌；鉆進(jìn)煤層段時(shí)，在鉆井液中加入2%單向封堵劑，封堵煤層裂隙；將鉆井液的濾失量嚴(yán)格控制在5 mL以?xún)?nèi)，黏度保持在40～60 s，以保持井壁穩(wěn)定。三開(kāi)水平段選用鉀銨基鉆井液，控制其密度最高不超過(guò)1.08 kg/L，濾失量控制在5 mL以?xún)?nèi)，在水平段鉆進(jìn)400.00 m以后，加入2%～3%無(wú)熒光防塌劑和3%～5%潤(rùn)滑劑，以保持鉆井液的防塌抑制性和潤(rùn)滑性[9-10]。

表1 不同井段鉆井液的性能要求

Table 1 Requirement of drilling fluid properties in various well sections

2.5 鉆機(jī)優(yōu)選

對(duì)于渭北油田的淺層水平井，選擇鉆機(jī)時(shí)，要求提升系統(tǒng)能滿(mǎn)足起下鉆更換鉆頭和可下入完井預(yù)置管柱。渭北油田以長(zhǎng)3儲(chǔ)層為目的層的水平井的井深一般為1 700.00 m，水平段長(zhǎng)約1 000.00 m，水垂比一般高于2.50，鉆井施工難度大。因此，選擇鉆機(jī)時(shí)還應(yīng)考慮到鉆機(jī)處理事故的能力和成本等因素，所以選用不帶頂驅(qū)的 ZJ30型鉆機(jī)。

利用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，鉆至三開(kāi)水平段末，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)的扭矩約為17.0 kN·m，滑動(dòng)鉆進(jìn)施加20 kN鉆壓時(shí)，最大摩阻約為250 kN，井口拉力約為5 kN，因此ZJ30型鉆機(jī)能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工的要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 WB2P1試驗(yàn)井

WB2P1井是渭北油田長(zhǎng)3儲(chǔ)層第一口淺層水平井，設(shè)計(jì)垂深539.50 m，靶前距300.00 m，水平段長(zhǎng)800.00 m，入靶點(diǎn)(A點(diǎn))與出靶點(diǎn)(B點(diǎn))之間共15個(gè)控制靶點(diǎn)，采用裸眼管外多級(jí)封隔器壓裂完井,其詳細(xì)井眼軌道設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工，該井完鉆井深1 720.00 m，垂深530.66 m，水平位移1 315.13 m，水垂比2.48，三開(kāi)水平段長(zhǎng)1 028.00 m，水平段一趟完鉆，A點(diǎn)、B點(diǎn)及各控制靶點(diǎn)均在設(shè)計(jì)靶框要求范圍之內(nèi)。由于儲(chǔ)層顯示較好，水平段長(zhǎng)度進(jìn)行了調(diào)整，加之鉆了導(dǎo)眼，鉆井周期偏長(zhǎng)(78.96 d)，機(jī)械鉆速為4.47 m/h。圖2所示為WB2P1井實(shí)鉆井眼軌跡。

從圖2可以看出，WB2P1井地質(zhì)預(yù)測(cè)長(zhǎng)3儲(chǔ)層砂巖砂頂和砂底均較實(shí)鉆存在誤差，誤差大約為8.00 m，由于設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了儲(chǔ)層的不確定性，采用雙增剖面設(shè)計(jì)，實(shí)鉆過(guò)程中井眼軌跡控制合理，準(zhǔn)確著陸入靶，為水平段鉆進(jìn)創(chuàng)造了有利條件。

3.2 推廣應(yīng)用情況

WB2P1井成功完鉆后，在渭北2井區(qū)又鉆了WB2P6井、WB2P3井等6口淺層高水垂比水平井，鉆井過(guò)程順利，全部按照設(shè)計(jì)要求完鉆，水垂比均不低于2.48(見(jiàn)表3)。其中，WB2P27井垂深346.39 m，水平位移1 300.33 m，水垂比3.75，創(chuàng)造了渭北油田淺層水平井水垂比新紀(jì)錄。

隨著淺層高水垂比水平井鉆井技術(shù)的不斷成熟，機(jī)械鉆速不斷提高，鉆井周期不斷縮短(見(jiàn)表3)，所鉆水平井的水平段均為一只PDC鉆頭完鉆，提高了鉆井效率，降低了鉆井成本，實(shí)現(xiàn)了渭北油田長(zhǎng)3儲(chǔ)層的有效開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) 渭北油田淺層水平井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)、倒裝鉆具組合和鉀銨基鉆井液，并采用φ215.9 mm鉆頭鉆水平段，能有效傳遞鉆壓、降低摩阻，保證鉆井作業(yè)順利進(jìn)行。

2) 采用“直—增—穩(wěn)—增—平”雙增剖面，在儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與實(shí)鉆存在較大誤差的情況下，能順利實(shí)現(xiàn)淺層水平井著陸入靶，為水平段順利鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。

3) 渭北油田淺層高水垂比水平井成功實(shí)施表明，采用常規(guī)鉆井裝備，通過(guò)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道和鉆具組合并優(yōu)選鉆井液，鉆成了水垂比不低于2.48的淺層水平井，為其他類(lèi)似油田實(shí)施淺層水平井提供了借鑒和參考。

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[編輯 劉文臣]

The Design and Application of Horizontal Well Drilling
with High Dep/TVD Ratio in the Weibei Oilfield

Yan Jizeng

(ResearchInstituteofPetroleumEngineeringTechnologyofHuabeiBranch，Sinopec，Zhengzhou，Henan,450006，China)

To solve drilling difficulties in the Chang-3 Reservoir of the Weibei Oilfield that displayed high friction and difficult well trajectory control caused by shallow burial depth and high ratio of horizontal departure and true vertical depth(Dep/TVD)，the research on horizontal drilling technology with high ratio of Dep/TVD in shallow reservoir was conducted.Based on an analysis of the primary drilling technology difficulties in the oilfield,a numerical simulation for friction and torque was made in different hole sizes.Three spudding well sections were adopted,andφ215.9 mm drill bits were used to drill the last horizontal section.In order to ensure accurate landing and targeting,a double build hole profile was adopted according to the geological characteristics of the Chang-3 Reservoir.According to characteristics and drilling requirements of the formations drilled in the three sections,the first section adopted a tapered bottomhole assembly,the second and the third spudding sections adopted inverted BHA that the heavy weight drill pipe was applied in the hole section with a deviation angle of 45° to 60°,a potassium ammonium-based polymer drilling fluid was used and the fluid loss less than 5 mL in the horizontal section.To reduce drilling cost, the existing drilling rig ZJ30 without a top drive was selected.Field practice shows that,the conventional drilling equipment and drilling technology mentioned above can be used to solve the drilling difficulties of shallow horizontal wells,so as to achieve the effective the development for the Chang-3 Reservoir of the Weibei Oilfield.

shallow formation；horizontal well；casing program；hole trajectory；bottomhole assembly;polymer drilling fluid；Weibei Oilfield

2014-09-22；改回日期：2015-02-02。

閆吉曾(1975—)，男，山東德州人，1998年畢業(yè)于北京化工大學(xué)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)，2007年獲中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣井工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事鉆完井工程設(shè)計(jì)與研究工作。

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”之課題“鄂爾多斯盆地大牛地致密低滲氣田開(kāi)發(fā)示范工程”(編號(hào)：2011ZX05045-03)資助。

?現(xiàn)場(chǎng)交流?

10.11911/syztjs.201502023

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A

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