吉木薩爾凹陷致密油大井叢“工廠化”水平井鉆井技術(shù)

文乾彬，楊 虎，孫維國，陳偉峰，張 寧（中國石油新疆油田分公司.工程技術(shù)研究院；.重油開發(fā)公司，新疆克拉瑪依834000）

吉木薩爾凹陷致密油大井叢“工廠化”水平井鉆井技術(shù)

文乾彬a，楊 虎a，孫維國a，陳偉峰a，張 寧b
（中國石油新疆油田分公司a.工程技術(shù)研究院；b.重油開發(fā)公司，新疆克拉瑪依834000）

國外致密油開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，適宜的工程技術(shù)與“工廠化”作業(yè)模式的有機(jī)結(jié)合是實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)的重要手段。針對準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷致密油特點(diǎn)，開展大井叢“工廠化”水平井鉆井試驗(yàn)：一個鉆井平臺部署12口水平井，水平段延伸方向與最小主應(yīng)力方向平行，相鄰水平段間距300 m，水平段長1 300 m和1 800 m；采用批量化鉆井作業(yè)模式，每部鉆機(jī)實(shí)施3口井；采用五段制三維水平井軌跡設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用螺桿定向工具與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合的軌跡控制方式，實(shí)現(xiàn)軌跡精細(xì)控制；優(yōu)化井口間距，通過液壓推動滑軌實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井間快速搬遷；建立集中處理站，實(shí)現(xiàn)鉆井液統(tǒng)一處理和集中維護(hù)，提高鉆井液重復(fù)利用率。試驗(yàn)表明，“工廠化”鉆井平均機(jī)械鉆速達(dá)到9.19 m/h，較常規(guī)鉆井提高5.87%；平均鉆井工期64.88 d，較常規(guī)鉆井縮短19.65%；鉆井液重復(fù)利用率達(dá)到28%.降低成本增加效益成果顯著。

準(zhǔn)噶爾盆地；吉木薩爾凹陷；致密油；叢式水平井；“工廠化”鉆井；低成本開發(fā)

2012年，準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組致密油勘探獲得重大突破，這套油層在整個凹陷內(nèi)均有分布，在地震剖面上呈現(xiàn)出上、下2個“甜點(diǎn)體”，其最大厚度達(dá)65 m，面積1 278 km2，井控資源量10.18×108t，具有巨大的勘探開發(fā)潛力[1-2]。上“甜點(diǎn)體”平均孔隙度10.99%，平均滲透率0.012 mD；下“甜點(diǎn)體”平均孔隙度11.62%，平均滲透率0.01 mD，均屬于典型的致密油。國外成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，適宜的工程技術(shù)與“工廠化”作業(yè)模式的有機(jī)結(jié)合是實(shí)現(xiàn)致密油開發(fā)的有效手段。本文借鑒國外致密油成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合研究區(qū)致密油特點(diǎn)，提出了大井叢“工廠化”水平井開發(fā)模式，設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了一個鉆井平臺鉆12口水平井的“工廠化”批量鉆井作業(yè)模式，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著，這對進(jìn)一步提高我國致密油開發(fā)技術(shù)水平具有重要指導(dǎo)意義。

1 大井叢“工廠化”鉆井模式及技術(shù)方案

所謂“工廠化”鉆完井，是在同一個地區(qū)集中布置大批相似井，使用大量標(biāo)準(zhǔn)化裝備或服務(wù)，以生產(chǎn)或裝配流水線作業(yè)的方式進(jìn)行鉆井、完井的一種高效低成本作業(yè)模式，具有系統(tǒng)化、集成化、流程化、批量化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化以及效益最大化等基本特征[3-7]。針對“工廠化”鉆井作業(yè)特點(diǎn)，從井網(wǎng)部署、平臺和井口布置設(shè)計(jì)、井眼軌跡優(yōu)化、鉆機(jī)快速移動、批量鉆井作業(yè)流程設(shè)計(jì)以及鉆井液重復(fù)利用等方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和方案研究[8]。

1.1 井網(wǎng)部署

通常致密油開發(fā)遵循儲集層改造優(yōu)先原則，采用逆向設(shè)計(jì)思路，即以儲集層改造為中心，逆向設(shè)計(jì)鉆完井方式、井身結(jié)構(gòu)、井型以及井位部署。根據(jù)吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油特點(diǎn)，采用多級管外封隔分段大規(guī)模壓裂建產(chǎn)模式，經(jīng)數(shù)值模擬，以滑溜水為壓裂液，中密度陶粒為支撐劑，當(dāng)裂縫半長為140 m時，經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。因此，確定水平段間距300 m，水平井段延伸方向與最小水平主應(yīng)力一致，同時“工廠化”作業(yè)模式要求集群式布井，井口分布便于集中管理和后期調(diào)整，綜合分析認(rèn)為，采用“排狀正對”井網(wǎng)部署能形成復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫，滿足油藏開發(fā)要求。

1.2 鉆井平臺與井口布置設(shè)計(jì)

鉆井平臺與井口布置設(shè)計(jì)需要充分考慮技術(shù)現(xiàn)狀、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)合理性，試驗(yàn)區(qū)地表為農(nóng)田和公益林，是環(huán)境保護(hù)敏感地區(qū)，因此，設(shè)計(jì)原則是以當(dāng)前鉆井施工能力為基礎(chǔ)，單個平臺布置合理數(shù)量的井，降低征地費(fèi)用，減少環(huán)境破壞，使得致密油開發(fā)總投資最少。

經(jīng)過反復(fù)論證，確定試驗(yàn)平臺部署井?dāng)?shù)12口（在上“甜點(diǎn)體”和下“甜點(diǎn)體”各鉆6口井）。如圖1所示，平臺大小為190 m×180 m，井口“=”型雙排布置，井距10 m，排距70 m.為了縮短平臺建井周期，采用4部鉆機(jī)同時作業(yè)，每部鉆機(jī)實(shí)施3口井，保證每部鉆機(jī)獨(dú)立作業(yè)，設(shè)計(jì)相鄰鉆機(jī)安全距離不低于50 m.

圖1 “工廠化”鉆井平臺與井場布置示意

1.3 三維井眼軌跡優(yōu)化

根據(jù)井位部署和“工廠化”作業(yè)施工要求，一個“工廠化”平臺部署12口水平井（圖2），其中8口三維水平井，4口二維水平井，井口最大偏移距265 m，靶前位移350 m，水平段長度主體設(shè)計(jì)1 300 m，2口井水平段長1 800 m.由于井距小，井口偏移距大，為了降低井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)和軌跡控制難度，采用“直—增—穩(wěn)—扭—增—水平”軌跡剖面設(shè)計(jì)方法，加入15~40 m左右的穩(wěn)斜段，利于調(diào)整造斜點(diǎn)位置，便于小井斜角扭方位，同時也有利于實(shí)鉆靶點(diǎn)與設(shè)計(jì)靶點(diǎn)出現(xiàn)較大誤差時，給軌跡調(diào)整留有余地[9-10]。合理調(diào)整造斜點(diǎn)位置，相鄰井造斜點(diǎn)錯開距離30 m，相鄰井水平井方向反向布置，以降低井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)。軌跡設(shè)計(jì)造斜率小于6°/30 m，減小軌跡控制難度，增加復(fù)合鉆井進(jìn)尺，降低摩阻扭矩，確保后期完井作業(yè)順利進(jìn)行。

圖2 “工廠化”平臺水平井三維軌跡水平投影

1.4 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對前期探井水平井井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆井周期長，投資高等問題，筆者開展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究和可行性論證[11]，形成了適合該區(qū)“工廠化”鉆井的井身結(jié)構(gòu)（表1）。試驗(yàn)平臺采用三開井身結(jié)構(gòu)；一開表層套管封固古近系疏松地層；二開采用復(fù)合井眼，首先用直徑241.3 mm的鉆頭鉆至造斜點(diǎn)，然后用直徑215.9 mm的鉆頭造斜并鉆至蘆草溝組頂界，用直徑177.8 mm技術(shù)套管封固蘆草溝組以上地層，直井段大井眼可減緩侏羅系以上地層泥巖縮徑風(fēng)險(xiǎn)；三開采用直徑152.4 mm的鉆頭鉆至完鉆井深，最后下入裸眼分段壓裂完井管柱，為保證小井眼長水平段安全鉆進(jìn)，應(yīng)強(qiáng)化鉆井液潤滑性、攜巖性和防塌性。同時為便于鉆井液重復(fù)利用，各井段鉆井液體系為統(tǒng)一的鉀鈣基聚合物鉆完井液，定向段和水平段鉆井液混入10%~15%白油，濾失量小于5 mL，為后期壓裂提供優(yōu)質(zhì)井眼。

表1 試驗(yàn)區(qū)水平井身結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.5 鉆機(jī)快速移動技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)快速移動，縮短搬遷安裝時間，配置ZJ50D液動棘爪式滑軌鉆機(jī)。通過液缸推動實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)整體移動，鉆具和井口設(shè)備隨鉆機(jī)同步移動。為減少外圍設(shè)備搬遷，節(jié)約鉆機(jī)搬遷時間，利用加長電纜替代動力系統(tǒng)移動，加長出口管線替代循環(huán)罐系統(tǒng)移動，增長高壓地面管線替代鉆井泵移動。

1.6 批量鉆井作業(yè)程序設(shè)計(jì)

批量鉆井作業(yè)按照各開次依次批量作業(yè)，縮短鉆機(jī)等待時間，提高鉆機(jī)整體效率。如圖3所示，1號和2號鉆機(jī)施工作業(yè)順序?yàn)椋?號鉆機(jī)一開按1號井、2號井、3號井順序施工，1號井一開結(jié)束后，不待固井候凝，鉆機(jī)立即移至2號井鉆井，依此類推至3號井一開完鉆；3號井一開完鉆后進(jìn)行二開鉆進(jìn)，然后按3號井、2號井、1號井順序完成二開作業(yè)，1號井二開中完后繼續(xù)三開鉆進(jìn)，最后按1號井、2號井、3號井順序完成三開施工。2號鉆機(jī)與1號鉆機(jī)為同排位置，作業(yè)順序和移動方向一致，保證兩部鉆機(jī)同時作業(yè)時擁有足夠安全距離。

圖3 批量鉆井作業(yè)順序示意

1.7 鉆井液重復(fù)利用技術(shù)

采用批量鉆井作業(yè)模式，鉆井液可實(shí)現(xiàn)多口井重復(fù)利用。為了提高鉆井液重復(fù)利用率，應(yīng)從鉆井液體系選擇和設(shè)備工藝配套兩個方面開展研究。

首先，全井采用鉀鈣基聚合物鉆井液體系，在不同井段，加入合適的處理劑調(diào)整鉆井液參數(shù)和性能，體系簡單，易于維護(hù)和轉(zhuǎn)換，便于實(shí)現(xiàn)不同井段鉆井液重復(fù)利用，降低鉆井液處理費(fèi)用。其次，在平臺中部建立鉆井液集中處理站，通過管線連接每部鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，在不影響正常鉆井的情況下，實(shí)現(xiàn)鉆井液統(tǒng)一處理和性能調(diào)整。批量鉆井作業(yè)時，僅有地面循環(huán)罐中鉆井液可重復(fù)利用，因此，為及時補(bǔ)充鉆井液的地層消耗和井筒余留量，在集中處理站配置一組儲備罐，每口井中間完井之后，可將部分鉆井液回收至儲備罐內(nèi)，經(jīng)固控處理后重復(fù)使用。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

為降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，采取分步實(shí)施方式，首先實(shí)施上“甜點(diǎn)體”的6口井，依據(jù)其開采效果，再開展下步試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺選用2部鉆機(jī)同時作業(yè)，1部鉆機(jī)實(shí)施3口井，鉆機(jī)同向布置。鉆遇上“甜點(diǎn)體”的6口水平井組完鉆信息情況如表2所示，鉆井技術(shù)指標(biāo)較前期探井大幅提升，通過彎螺桿定向工具和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合使用，降低了定向服務(wù)成本，實(shí)現(xiàn)三維軌跡控制精細(xì)控制，最長水平段1 805 m.液缸推動方式實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)整體移動，移動一次耗時約2 h，提高了鉆機(jī)作業(yè)效率。通過鉆井液集中處理和統(tǒng)一維護(hù)，6口井鉆井液重復(fù)利用1 400 m3.編制了吉木薩爾凹陷致密油“工廠化”鉆井作業(yè)指導(dǎo)書，制定了作業(yè)各環(huán)節(jié)控制管理方法，初步形成了一套“工廠化”鉆井作業(yè)配套技術(shù)。

表2 “工廠化”平臺6口水平井鉆井技術(shù)指標(biāo)

3 效果評價(jià)

3.1 鉆井技術(shù)指標(biāo)分析

“工廠化”6口水平井組鉆井總進(jìn)尺29 602 m，其中水平段總進(jìn)尺8 705 m，平均完鉆井深4 922.77 m（表3），“工廠化”鉆井作業(yè)平均機(jī)械鉆速9.19 m/h，較常規(guī)鉆井提高了5.87%，“工廠化”鉆井平均鉆井工期64.88 d，較常規(guī)鉆井縮短19.65%，在井深較大與水平段長度較長的情況下，“工廠化”鉆井技術(shù)指標(biāo)仍然優(yōu)于常規(guī)鉆井，體現(xiàn)了“工廠化”鉆井作業(yè)的優(yōu)越性。

表3 試驗(yàn)區(qū)常規(guī)鉆井與“工廠化”平臺鉆井技術(shù)指標(biāo)對比

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和隨鉆測量儀（MWD）+螺桿定向工具配合使用，實(shí)現(xiàn)了大井叢三維水平井軌跡精細(xì)控制，井口最大偏移距265 m，最大閉合距2 312 m，平均優(yōu)質(zhì)儲集層鉆遇率高達(dá)75.5%，實(shí)鉆軌跡最大全角變化率9.7°/30 m，井眼軌跡光滑，無井下復(fù)雜事故，實(shí)現(xiàn)了完井管柱一次性順利下入（表4）。

3.2 批量鉆井效果分析

通過批量鉆井作業(yè)模式，大幅度提高了鉆機(jī)整體作業(yè)效率。如表5所示，1部鉆機(jī)作業(yè)3口井，鉆機(jī)共移動6次，減少2次井間拆裝，節(jié)約了6開次固井候凝時間和接甩鉆具時間，單部鉆機(jī)累計(jì)節(jié)約工期24 d.

表4 “工廠化”平臺6口水平井實(shí)鉆軌跡控制指標(biāo)

表5 “工廠化”試驗(yàn)平臺單部鉆機(jī)較常規(guī)鉆機(jī)節(jié)約工期統(tǒng)計(jì)

6口井各開次依次作業(yè)，便于鉆井液統(tǒng)一處理和維護(hù)，提高了鉆井液重復(fù)利用率。試驗(yàn)平臺6口井完井后重復(fù)利用鉆井液量達(dá)1 400 m3，重復(fù)利用率高達(dá)28%.此外，常規(guī)鉆井12口井井場面積要求8.1×104m2，而大井叢“工廠化”鉆井平臺面積3.42×104m2，相當(dāng)于常規(guī)5口井的井場面積，同時降低了生活區(qū)占地面積和重復(fù)鉆井液池挖掘工作量，極大地減小了對環(huán)境污染和破壞。

4 結(jié)論和認(rèn)識

（1）根據(jù)試驗(yàn)區(qū)致密油儲集層特點(diǎn)，從井網(wǎng)部署、平臺和井口布置設(shè)計(jì)、井眼軌跡優(yōu)化、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆機(jī)快速移動、批量鉆井作業(yè)流程設(shè)計(jì)以及鉆井重復(fù)利用等方面開展大井叢“工廠化”鉆井作業(yè)技術(shù)攻關(guān)，并通過6口水平井井組現(xiàn)場試驗(yàn)，獲得重大突破，初步形成了大井叢“工廠化”鉆井作業(yè)配套技術(shù)，為進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

（2）“工廠化”鉆井作業(yè)有效降低了鉆井輔助及完井時間，最大限度減少鉆機(jī)的非進(jìn)尺工作時間，節(jié)約了設(shè)備動復(fù)原費(fèi)用，提高了鉆機(jī)整體作業(yè)效率和鉆井液重復(fù)利用率，大幅度降低了鉆井綜合成本，是實(shí)現(xiàn)致密油開發(fā)的有效途徑。

（3）吉木薩爾凹陷致密油大井叢“工廠化”鉆井模式及配套技術(shù)尚不夠完善，與國外同類型致密油開發(fā)相比，在標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、自動化及流水線作業(yè)等方面還有較大差距，有待進(jìn)一步試驗(yàn)攻關(guān)。

［1］林隆棟，單江，羅建玲.準(zhǔn)噶爾盆地東部油氣勘探新啟示［J］.新疆石油地質(zhì)，2012，33（6）：640-642.

Lin Longdong，Shan Jiang，Luo Jianling.New insights from petroleum exploration in eastern Junggar basin［J］.Xinjiang Petroleum Geolo?gy，2012，33（6）：640-642.

［2］匡立春，唐勇，雷德文，等.準(zhǔn)噶爾盆地二疊系咸化湖相云質(zhì)巖致密油形成條件與勘探潛力［J］.石油勘探與開發(fā)，2012，39（6）：657-666.

Kuang Lichun，Tang Yong，Lei Dewen，et al.Formation conditions and exploration potential of tight oil in the Permian saline lacustrine dolomitic rock，Junggar basin，NW China［J］.Petroleum Exploration and Development，2012，39（6）：657-666.

［3］劉社明，張明祿，陳志勇，等.蘇里格南合作工廠化鉆完井作業(yè)實(shí)踐［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（8）：64-69.

Liu Sheming，Zhang Minglu，Chen Zhiyong，et al.Factory?like drill?ing and completion practices in the joint gas development zone of the South Sulige project［J］.Natural Gas Industry，2013，33（8）：64-69.

［4］Codesal P A，Salgado L.Real?time factory drilling in Mexico：a new approach to well construction in mature fields［R］.SPE 150470，2012.

［5］Olof Hummes，Paul Bond，Anthony Jones，et al.Using advanced drilling technology to enable well factor concept in Marcellus shale［R］.SPE 151466，2012.

［6］Jian Yu，Rong Huiyan，Xin Qunye，et al.A new integrated drilling and fracturing solution for tight oil exploration:a case study from central China［R］.SPE 166762，2013.

［7］張金成，孫連忠，王甲昌，等．“井工廠”技術(shù)在我國非常規(guī)油氣開發(fā)中的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，2014，42（1）：21-25.

Zhang Jincheng，Sun Lianzhong，Wang Jiachang，et al.Application of multi?well pad in unconventional oil and gas development in Chi?na［J］.Petroleum DrillingTechniques，2014，42（1）：21-25.

［8］王敏生，光新軍.頁巖氣“井工廠”開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)［J］.鉆采工藝，2013，36（5）：1-4.

Wang Minsheng，Guang Xinjun.Key technologies of shale gas devel?opment by“well factory”［J］.Drilling&Production Technology，2013，36（5）：1-4.

［9］蔣建偉，鄧毅，屈剛，等.吉木薩爾凹陷二疊系致密油藏優(yōu)快鉆井技術(shù)［J］.新疆石油地質(zhì)，2013，34（5）：588-590.

Jiang Jianwei，Deng Yi，Qu Gang，et al.Optimized and fast drilling technology for tight oil reservoir of Permian in Jimsar sag in Junggar basin［J］.XinjiangPetroleum Geology，2013，34（5）：588-590.

［10］郭元恒，何世明，劉忠飛，等.長水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及對策［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：14-18.

Guo Yuanheng，He Shiming，Liu Zhongfei，et al.Difficulties and countermeasures for drilling long lateral?section horizontal wells［J］.Oil Drilling&Production Technology，2013，35（1）：14-18.

［11］文乾彬，楊虎，石建剛，等.昌吉油田致密油長位移叢式水平井鉆井技術(shù)［J］.新疆石油地質(zhì)，2014，35（4）：356-360.

Wen Qianbin，Yang Hu，Shi Jiangang，et al.Drilling technology of large displaced cluster horizontal well for Changji oilfield tight oil in Junggar basin［J］.Xinjiang Petroleum Geology，2014，35（4）：356-360.

Factory?Like Drilling Technology of Cluster Horizontal Wells for Tight Oil Development in Jimusaer Sag,Junggar Basin

WEN Qianbina,YANG Hua,SUN Weiguoa,CHEN Weifenga,ZHANG Ningb
(PetroChinaXinjiangOilfield Company,a.Research Institute of EngineeringTechnology;b.Heavy Oil Production Company,Karamay, Xinjiang834000,China)

The practical experiences of tight oil development abroad indicate that the combination of proper engineering technologies with factory?like operation pattern is an important tool for economic and efficient production of tight oils.Based on the characteristics of tight oil in Jimusar sag of Junggar basin,this paper recommended a factory?like drilling test of cluster horizontal wells as follows:1)12 wells in a drilling pad were arranged,the horizontal section extensions paralleled to the minimum principal stress orientation,and the distance be?tween adjacent sections was 300 m,with the horizontal?section lengths of 1 300 m and 1800 m;batching drilling operation pattern was ad?opted,with 3?well drilling for each of rig;2)five?section profile was used for three dimensional horizontal well in track design,realizing the fine track control by combination of screw rod directional tool with rotary steering drilling tool;3)the optimization of wellhead spacing is run by hydraulic drive slide rail for quick rig moving;4)constructing central treatment station to maintain or treat drilling fluid for in?crease of repeating utilization factor of drilling fluid.Case study shows that the average rate of penetration of factory?like drilling can reach 9.19 m/h,increased by 5.87%compared with conventional drilling;the average drilling cycle is 64.88 days,shortened by 19.65%;the re?peating utilization factor of drilling fluid reaches 28%.Hence using this drilling technology can effectively reduce the cost,improve effi?ciency and/or benefit.

Junggar basin;Jimusar sag;tight oil;cluster horizontal well;factory?like drilling;low?cost development

TE22

A

1001-3873（2015）03-0334-04

10.7657/XJPG20150317

2015-01-13

2015-03-10

中石油“新疆大慶”重大專項(xiàng)（2012E-31-13）

文乾彬（1981-），男，四川南充人，工程師，碩士，鉆井工藝技術(shù)，（Tel）13899583105（E-mail）wenqianbin@petrochina.com.cn.