渭北油田超淺層水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)

王學(xué)俏， 孫敦乾， 王世將

(中國石化華北油氣分公司采油三廠，陜西延安 727500)

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渭北油田超淺層水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)

王學(xué)俏， 孫敦乾， 王世將

(中國石化華北油氣分公司采油三廠，陜西延安 727500)

針對(duì)渭北油田超淺層水平井鉆井過程中摩阻大、托壓嚴(yán)重、鉆井周期長、鉆速慢等問題，以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為核心，研究形成了渭北油田超淺層水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)：采用二開井身結(jié)構(gòu)，二開采用φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)；采用“直-增-平”三段式井眼軌道，以保證井眼軌跡平滑，降低鉆進(jìn)摩阻與扭矩；采用倒裝鉆具組合，以保證鉆頭有效加壓，提高機(jī)械鉆速；優(yōu)選鉀銨基聚合物鉆井液，造斜段摩阻系數(shù)控制在0.08以內(nèi)，水平段摩阻系數(shù)控制在0.06以內(nèi)，以避免或減少托壓現(xiàn)象。該技術(shù)在8口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，平均鉆井周期為17.81 d，與同區(qū)塊三開井身結(jié)構(gòu)水平井相比鉆井周期縮短了51.06%。渭北油田超淺層水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)解決了該油田超淺層水平井鉆井中存在的技術(shù)難點(diǎn)，為超淺層油藏的高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。

超淺層；水平井；井身結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；渭北油田

渭北油田位于鄂爾多斯盆地南部旬邑-宜君區(qū)塊，面積2 028.9 km2，石油資源量1.46×108t，屬于低孔、特低滲、低豐度的“三低”油田[1-2]，需采用水平井技術(shù)才能經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行開發(fā)[3]。渭北油田水平井前期采用三開井身結(jié)構(gòu)，二開采用φ311.1 mm鉆頭鉆至A靶點(diǎn)，下入φ244.5 mm技術(shù)套管固井，三開水平段采用φ215.9 mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)井深，下預(yù)置管柱完井，后改為尾管懸掛固井完井。采用三開井身結(jié)構(gòu)雖然可以保證復(fù)雜裸眼井段的鉆井安全，但存在套管層次多、鉆井周期長、套管及固井成本大幅增加等問題[4-5]。另外，渭北油田目的層長3儲(chǔ)層埋深較淺，約為400.00～600.00 m，超淺層水平井鉆井存在鉆頭加壓困難、機(jī)械鉆速慢、套管難以下到位和儲(chǔ)層裸露時(shí)間長易發(fā)生井下事故等技術(shù)難點(diǎn)[6]。為此，筆者將該油田超淺層水平井由三開井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為二開，并對(duì)鉆井工藝進(jìn)行了優(yōu)化，形成了渭北油田超淺層水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)，并在8口超淺層水平井中進(jìn)行了成功應(yīng)用，提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，為超淺層油氣資源的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)提供了技術(shù)支持。

1　鉆井技術(shù)難點(diǎn)

1) 超淺層水平井直井段井深僅為220.00～280.00 m，造斜點(diǎn)淺，直井段鉆柱重量輕，大斜度井段和水平段鉆頭加壓困難[6-7]；水平段長達(dá)800.00～1 000.00 m，水平段滑動(dòng)導(dǎo)向鉆進(jìn)中，管柱緊貼下井壁，與井壁接觸面積大，摩阻高，扭矩大[1]。已完鉆水平井水平段鉆進(jìn)中多次出現(xiàn)鉆具難以下到位的現(xiàn)象，如WB2P1井直井段長241.00 m，鉆至井深1 720.00 m時(shí)，鉆壓為0 kN，扭矩太大，上提鉆具轉(zhuǎn)盤倒轉(zhuǎn)8～10圈。

2) 機(jī)械鉆速低，鉆井周期長。三開井身結(jié)構(gòu)套管層次多，中途作業(yè)、等待時(shí)間長，且該結(jié)構(gòu)二開鉆頭尺寸大，井眼尺寸大，巖石破碎量多，影響機(jī)械鉆速[8]。渭北油田2012年施工的5口超淺層水平井平均機(jī)械鉆速5.15 m/h，平均鉆井周期為36.39 d，最長鉆井周期達(dá)49.81 d。

3) 對(duì)鉆井液和完井液性能要求高。超淺層水平井垂深淺、水平段長，鉆進(jìn)和下套管摩阻大，鉆具和套管下入困難，需要鉆井液和完井液具有良好的潤滑性。

2　優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)行了超淺層水平井優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究：以保證優(yōu)質(zhì)快速鉆井為原則優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，縮短鉆井周期，降低鉆井成本；優(yōu)選鉆頭、鉆井參數(shù)、鉆具組合及井眼軌道，提高機(jī)械鉆速；優(yōu)化鉆井液配方及性能，保證井下安全，降低摩阻，減少托壓；優(yōu)化完井管串結(jié)構(gòu)，保證套管安全下至設(shè)計(jì)位置。

2.1井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

渭北油田超淺層水平井前期選用三開井身結(jié)構(gòu)，采用φ311.1 mm鉆頭造斜，φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)水平段，存在作業(yè)周期長、鉆井成本高等問題，難以滿足經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的需求。為此，設(shè)計(jì)采用二開井身結(jié)構(gòu)，鉆至A靶點(diǎn)后不下技術(shù)套管，而是直接進(jìn)行水平段鉆進(jìn)，不僅精簡(jiǎn)施工程序，還節(jié)約鉆井費(fèi)用[9]。利用Landmark鉆井軟件對(duì)二開井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，結(jié)果表明：當(dāng)垂深小于500.00 m時(shí)，二開鉆具組合扭矩小于扭矩極限值，滿足安全需求，套管自然下入水平段長800.00 m，井口加壓49 kN時(shí)下入長度可達(dá)950.00 m，滿足套管下入要求。根據(jù)模擬結(jié)果將水平位移從1 300.00 m調(diào)整為1 000.00 m，水平段長800.00 m。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果見表1。

表1渭北油田超淺層水平井優(yōu)化前后井身結(jié)構(gòu)

Table 1Casing program before and after optimization for ultra-shallow horizontal wells in the Weibei Oilfield

開次優(yōu)化前優(yōu)化后一開 ?444.5mm鉆頭×?339.7mm套管 ?311.1mm鉆頭×?244.5mm套管二開 ?311.1mm鉆頭×?244.5mm套管 ?215.9mm鉆頭×?139.7mm套管三開 ?215.9mm鉆頭×?114.3mm預(yù)置管柱或?215.9mm鉆頭×?139.7mm尾管

2.2井眼軌道設(shè)計(jì)

基于提高機(jī)械鉆速、降低摩阻、控制著陸點(diǎn)和水平段井眼軌道調(diào)整的設(shè)計(jì)原則[10-11]，將原來的“直-增-穩(wěn)-增-平”雙增式井眼軌道優(yōu)化為“直-增-平”三段式井眼軌道，減少了大斜度井段及穩(wěn)斜段的進(jìn)尺，增加了連續(xù)定向增斜進(jìn)尺，保證井眼軌跡平滑；同時(shí)減少局部增斜和降斜井段，減小了鉆柱與井壁接觸面積，有效降低全井摩阻和扭矩[12]。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,確定靶前距為250.00～300.00 m，造斜率為(6.5°～7.2°)/30 m。實(shí)際鉆井過程中，可根據(jù)施工情況對(duì)造斜點(diǎn)井深和造斜率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以保證井眼軌跡平滑、A靶點(diǎn)符合地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

2.3鉆頭、鉆井參數(shù)及鉆具組合優(yōu)選

2.3.1鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選

造斜段井眼直徑從φ311.1 mm變?yōu)棣?15.9 mm，且A靶點(diǎn)中靶后需繼續(xù)水平段鉆進(jìn)，因此要優(yōu)選進(jìn)尺和壽命長的鉆頭。以儲(chǔ)層地質(zhì)特征為基礎(chǔ)，根據(jù)巖石可鉆性試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合該油田大斜度定向井、水平井鉆頭使用情況，對(duì)比單只鉆頭進(jìn)尺和壽命，最終優(yōu)選出適應(yīng)渭北油田地層特性、機(jī)械鉆速高的鉆頭及配套鉆井參數(shù)：上部井段(第四系—直羅組)選用滑動(dòng)軸承金屬密封、低抗壓強(qiáng)度、適用于軟到中等地層的保徑鑲齒牙輪鉆頭；下部井段(直羅組—延長組)推薦使用F5195J、4F和5F PDC鉆頭(見表2)。

表2渭北油田超淺層水平井鉆頭及鉆井參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

Table 2Optimization results of bit and drilling parameters for ultra-shallow horizontal wells in the Weibei Oilfield

地層鉆頭直徑/mm鉆頭型號(hào)鉆壓/kN轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速/(r·min-1)排量/(L·s-1)泵壓/MPa第四系311.1SJT517G30～8065402～5直羅組—延長組215.95F60～80653012215.94F60～120652811215.9F5195J10～80603010

2.3.2鉆具組合優(yōu)選

由于超淺層水平井垂深淺，表層設(shè)計(jì)井深200.00 m左右，設(shè)計(jì)定向儀器出套管便開始造斜鉆進(jìn)，因此二開井段采用“PDC鉆頭+螺桿+MWD”進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)。根據(jù)建立的超淺層水平井鉆柱摩阻計(jì)算模型，結(jié)合該油田鉆具組合實(shí)際使用情況，最終確定鉆具組合不采用鉆鋌加壓，而是增加加重鉆桿的數(shù)量。該鉆具組合的優(yōu)點(diǎn)是：減小了鉆柱與井壁的摩擦力，可有效降低摩阻；采用倒裝鉆具組合，加重鉆桿位于井斜角50°以上井段，可保證鉆頭有效加壓；二開A靶點(diǎn)前采取一趟鉆完鉆技術(shù)，根據(jù)鉆頭使用情況，可實(shí)現(xiàn)水平段一趟鉆完鉆[13],有效提高了鉆井速度。

優(yōu)化后的鉆具組合為：φ215.9 mm PDC鉆頭+φ172.0 mm×(1.25°～1.50°)螺桿+φ178.0 mm無磁鉆鋌(1根)+MWD定向接頭+φ127.0 mm鉆桿+φ127.0 mm加重鉆桿×(27～29根)+φ127.0 mm鉆桿。

鉆至A靶點(diǎn)后，可根據(jù)鉆頭及螺桿使用情況，對(duì)加重鉆桿位置進(jìn)行適當(dāng)上調(diào)，以保證鉆頭有效加壓，繼續(xù)鉆進(jìn)水平段，不需要起鉆重新變換鉆具組合。水平段鉆進(jìn)過程中可根據(jù)鉆頭使用情況更換鉆頭，并更換1.00°彎角螺桿。

2.4鉆井液優(yōu)化

渭北油田超淺層水平井具有井壁穩(wěn)定性差、井眼易坍塌、摩阻大等特點(diǎn)，因此鉆井液應(yīng)具備良好的抑制防塌能力、攜巖能力以及良好的潤滑性等性能。與采用三開井身結(jié)構(gòu)的水平井相比，采用二開井身結(jié)構(gòu)的水平井沒有技術(shù)套管，因而要求鉆井液具有更好的防塌能力及潤滑性，需對(duì)鉆井液性能進(jìn)行優(yōu)化。

直井段和造斜井段應(yīng)圍繞提高鉆井液的抑制防塌能力、封堵性、潤滑性優(yōu)化鉆井液配方[14-15]。根據(jù)降濾失劑優(yōu)選試驗(yàn)、防塌劑復(fù)配試驗(yàn)、潤滑效果優(yōu)化試驗(yàn)和巖心滲透率恢復(fù)評(píng)價(jià)試驗(yàn)等試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，最終確定了鉆井液添加劑：選用KPAM和KHPAN抑制地層水化膨脹，防止鉆屑水化分散；選用無熒光防塌劑WFT-666提高鉆井液的防塌能力；選用液體潤滑劑RHJ-1改善鉆井液的潤滑性，確保將斜井段摩阻系數(shù)控制在0.08以內(nèi)；選用NH4-HPAN改善濾餅質(zhì)量，降低濾失量，保護(hù)油氣層[16]。優(yōu)化后的二開斜井段鉀銨基聚合物鉆井液配方為：清水+4.00%鈉膨潤土+0.10%NaOH+0.15%Na2CO3+0.40%KPAM+0.60%KHPAN+1.00%NH4-HPAN+1.50%WFT-666+2.00%RHJ-1。

二開水平段鉆井液優(yōu)化的主要目標(biāo)是保證鉆井液的潤滑防塌能力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選用固體潤滑劑和液體潤滑劑復(fù)配來提高鉆井液的潤滑性。在上部井段鉆井液的基礎(chǔ)上添加有機(jī)硅醇抑制劑DS-302，增強(qiáng)鉆井液的抑制防塌能力；添加LV-CMC，進(jìn)一步降低鉆井液濾失量；添加液體潤滑劑RHJ-2和固體潤滑劑RT-1，進(jìn)一步改善鉆井液的潤滑性，將水平段摩阻系數(shù)控制在0.06以內(nèi)，以降低鉆進(jìn)摩阻和扭矩。優(yōu)化后的二開水平段鉀銨基聚合物鉆井液配方為：清水+3.50%鈉膨潤土+0.10%NaOH+0.15%Na2CO3+0.40%KPAM+1.00%LV-CMC+0.70%KHPAN+1.00%NH4-HPAN+1.00% DS-302+1.50%FT-666+2.00%RHJ-1+3.00%RHJ-2+2.00%RT-1。

2.5完井管串優(yōu)化

采用二開井身結(jié)構(gòu)的超淺層水平井的完井管串長、下入摩阻大，易出現(xiàn)難以下到位的現(xiàn)象，基于降低管串摩阻和增加管串井口壓力的設(shè)計(jì)原則，模擬計(jì)算完井管串在不同摩阻系數(shù)下的套管下入摩阻極值，最終確定完井管串自下而上為：浮鞋+2根套管+浮箍+1根套管+關(guān)井閥+套管串+水泥頭。主要完井技術(shù)措施包括以下幾個(gè)方面：

1) 穩(wěn)定器優(yōu)化。不再安裝剛性穩(wěn)定器，在造斜點(diǎn)到井斜角45°井段的中完井管串中安裝樹脂旋流套管穩(wěn)定器，每50.00 m加1只；從井斜角45°到B靶點(diǎn)井段的完井管串安裝滾輪式套管穩(wěn)定器，每30.00 m加1只。

2) 完井液性能優(yōu)化。通井起鉆前在井斜角50°至B靶點(diǎn)井段注入優(yōu)質(zhì)完井液，以減小摩阻系數(shù)。與三開井身結(jié)構(gòu)水平井應(yīng)用的完井液相比，優(yōu)化后的完井液中除了加入7%液體潤滑劑外，還加入塑料小球(加量大于2%)，進(jìn)一步提高了完井液的潤滑性。

3) 采用地面加壓裝置。當(dāng)井眼阻力過大，出現(xiàn)套管不能下入狀況時(shí)，鉆臺(tái)氣動(dòng)絞車與滑輪組配合制成簡(jiǎn)易井口加壓裝置，可加壓約98 kN，利用外加壓力強(qiáng)行下入。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

超淺層水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)在渭北油田8口超淺層水平井進(jìn)行了應(yīng)用，均未出現(xiàn)因鉆井液性能較差引起的壓差卡鉆、井壁坍塌等井下故障，井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率為7.40%，與該油田三開井身結(jié)構(gòu)水平井相比降低了17.55百分點(diǎn)；斜井段摩阻系數(shù)控制在0.08以內(nèi)，水平段摩阻系數(shù)控制在0.06以內(nèi)，大大減少了托壓現(xiàn)象。

渭北油田超淺層水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的鉆井技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況如表4所示。從表4可以看出，與優(yōu)化前的5口三開井身結(jié)構(gòu)水平井相比，8口二開井身結(jié)構(gòu)水平井的平均鉆井周期由36.39 d縮短至17.81 d，平均縮短51.06%；平均機(jī)械鉆速從5.15 m/h提高至9.43 m/h，平均提高了83.11%。

表3　渭北油田超淺層水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的鉆井指標(biāo)對(duì)比

WB2P40井是渭北油田一口超淺層水平井，設(shè)計(jì)垂深441.00 m，完鉆垂深438.22 m，水平位移1 217.20 m。該井采用“直-增-平”三段式井眼軌道，其設(shè)計(jì)井眼軌道與實(shí)鉆井眼軌跡如圖1所示。

圖1　WB2P40井設(shè)計(jì)井眼軌道與實(shí)鉆井眼軌跡Fig.1　Designed and drilled well trajectory of Well WB2P40

從圖1可以看出，WB2P40井在鉆井過程中井眼軌跡控制均在設(shè)計(jì)靶框范圍內(nèi)，井眼軌跡平滑、符合率高，現(xiàn)場(chǎng)施工未出現(xiàn)明顯托壓現(xiàn)象，體現(xiàn)了該類井眼軌道的可行性與優(yōu)點(diǎn)?！爸?增-平” 三段式井眼軌道形狀簡(jiǎn)單，在超淺層水平井造斜段短的情況下造斜率相對(duì)其他類型井眼軌道較小且穩(wěn)定，減小了井眼軌跡控制的難度和鉆井工作量，保證了井眼軌跡平滑，有利于安全、快速鉆井。

鉆進(jìn)時(shí)采用倒裝鉆具組合，二開采用4F和5F PDC鉆頭，轉(zhuǎn)速60 r/min，鉆壓60～120 kN，排量30～40 L/s，機(jī)械鉆速12.96 m/h，單只鉆頭進(jìn)尺780.00 m，用時(shí)11.88 d，創(chuàng)造了渭北油田超淺層水平井最短鉆井周期紀(jì)錄。

4　結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) 渭北油田超淺層水平井由三開井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為二開井身結(jié)構(gòu)，并優(yōu)選鉆頭、優(yōu)化鉆井參數(shù)和鉆井工藝等措施，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后機(jī)械鉆速提高83.11%，鉆井周期縮短51.06%。

2) 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，保證了二開斜井段長時(shí)間裸露時(shí)的井下安全，避免了壓差卡鉆、井壁坍塌等井下故障，井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，造斜段摩阻系數(shù)控制在0.08以內(nèi)，水平段摩阻系數(shù)控制在0.06以內(nèi)，減少了托壓現(xiàn)象。

3) 渭北油田超淺層水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)為超淺層油氣資源的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)提供了技術(shù)支持，可為類似油田超淺層水平井鉆井提速提供借鑒。

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[編輯滕春鳴]

High Quality and High Speed Drilling Technology for Ultra-Shallow Horizontal Wells in the Weibei Oilfield

WANG Xueqiao, SUN Dunqian, WANG Shijiang

(No.3OilProductionPlant,SinopecNorthChinaCompany,Yan’an,Shaanxi，727500,China)

Crews involved in the drilling of an ultra-shallow horizontal well in Weibei Oilfield encountered multiple problems, such as high friction, serious weight on bit (WOB) stack, long drilling cycle and low ROP. Focusing on optimization of casing program, a high quality and high speed (HQHS) drilling technology was developed. Specifically, a casing program with two spudding well sections was used, andφ215.9 mm drill bits were used to drill the second section. The “straight-increase-flat” well trajectory was adopted in order to ensure the hole smoothness and reduce the friction and torque. The inverted BHA was selected to ensure that the WOB could be increased effectively to improve the ROP. In order to avoid or eliminate WOB stack, a potassium amino polymer drilling fluid system was selected to control the friction coefficient to keep the building up section less than 0.08 and the friction coefficient in the horizontal section less than 0.06. Field application in 8 wells showed that the average drilling cycle was 17.81 d, which was 51.06% less than a horizontal well with three spudding well sections in the same block. The HQHS drilling technology for ultra-shallow horizontal wells had been successfully applied in Weibei Oilfield, providing technical reference for effective development of ultra-shallow reservoirs.

ultra-shallow formation； horizontal well； casing program； optimization design； Weibei Oilfield

2015-09-10；改回日期：2016-02-04。

王學(xué)俏(1989—)，男，江蘇徐州人，2012年畢業(yè)于常州大學(xué)石油工程專業(yè)，助理工程師，主要從事鉆井工程技術(shù)管理工作。E-mail：wangxq0911@126.com。

doi:10.11911/syztjs.201604003

TE243+.1

A

1001-0890(2016)04-0012-05

?鉆井完井?