工廠化水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)研究

陳春雷

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411）

工廠化水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)研究

陳春雷*

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411）

東部油田外圍區(qū)塊非常規(guī)油氣資源（致密油），采用水平井鉆井方式進(jìn)行開發(fā)，但此類資源儲(chǔ)層具有地層壓力低、滲透率低、產(chǎn)能低等特點(diǎn)，采用常規(guī)水平井鉆井方式無法實(shí)現(xiàn)該類儲(chǔ)層的安全、高效、規(guī)模、效益開發(fā)，為了有效開發(fā)此類儲(chǔ)層，主要應(yīng)用工廠化水平井鉆井模式，通過對(duì)井眼軌跡優(yōu)化、工具及參數(shù)的優(yōu)選、提速技術(shù)與事故復(fù)雜預(yù)防以及批量鉆井的研究，來保證工廠化水平井得以優(yōu)快施工。

工廠化水平井；批量鉆井；軌跡優(yōu)化；井眼防碰；“一趟鉆”鉆井

近幾年油田在外圍非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)層區(qū)塊，大量的布置工廠化水平井，以高臺(tái)子、扶楊為目的層，水平段長度一般都超過1500m，有的甚至達(dá)到2000多米，施工中主要存在以下難點(diǎn)：①機(jī)械鉆速低，鉆井周期長，制約勘探開發(fā)效率。②油層薄，整體物性連通性差，找油層過程中頻繁調(diào)整井眼軌跡；鉆進(jìn)中摩阻扭矩大，井壁失穩(wěn)，井下事故復(fù)雜頻出；影響鉆井效率和效益?，F(xiàn)有的技術(shù)、工具及裝備還不能完全滿足工廠化作業(yè)的要求，批量鉆井技術(shù)及井眼軌跡控制技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)仍需要進(jìn)一步攻關(guān)，施工流程需要經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化，一些模式和規(guī)范需在試驗(yàn)中制定和完善，為了經(jīng)濟(jì)有效勘探開發(fā)此類油氣藏，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，通過以下幾個(gè)方面的研究與試驗(yàn)，形成一套工廠化水平井優(yōu)快鉆井配套技術(shù)，為工廠化水平井優(yōu)快鉆井提供重要的技術(shù)保障。

1　工廠化水平井井眼軌跡優(yōu)化及控制技術(shù)研究

1.1工廠化水平井井眼軌跡優(yōu)化技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的的前提下，統(tǒng)籌考慮占地、平臺(tái)布井、井眼剖面之間的關(guān)系，確定井網(wǎng)方式及平臺(tái)井組布局，本著地面服從地下和綜合優(yōu)化的原則，盡量減少三維井眼，降低施工難度和避免扭方位施工。

（1）造斜點(diǎn)距A點(diǎn)垂深在500～700m以內(nèi)；探油頂段長度控制在50～100m，曲率保持在2°/30m左右，為預(yù)防儲(chǔ)層提前、及時(shí)增斜精確入靶創(chuàng)造條件。優(yōu)化水平段長度，綜合考慮儲(chǔ)層特性、產(chǎn)量、施工難度及經(jīng)濟(jì)性的影響。

（2）應(yīng)堅(jiān)持做好平臺(tái)井的整體設(shè)計(jì)，要兼顧防碰繞障、減摩降阻、井眼平滑、套管安全下入、工序優(yōu)化等問題，對(duì)所有井的軌道同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

1.2工廠化水平井井眼軌跡漸近控制技術(shù)

利用井眼軌跡控制軟件計(jì)算出直井段軌跡的參數(shù)，計(jì)算出井底水平位移、垂深、閉合方位、視位移、視垂距等參數(shù)。對(duì)靶點(diǎn)重新進(jìn)行修正設(shè)計(jì)，計(jì)算出各段的造斜率大小。

在定向造斜過程中，摸索出螺桿的實(shí)際造斜率大小，計(jì)算好滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)的比例，盡可能使實(shí)鉆軌跡逼近設(shè)計(jì)軌道。根據(jù)視位移大小、正負(fù)、井斜角大小以及井底閉合方位與設(shè)計(jì)方位的偏差，確定采用復(fù)合鉆進(jìn)、扭方位或定向鉆進(jìn)來進(jìn)行施工。

由于無線隨鉆測量儀器測點(diǎn)長度的限制以及螺桿造斜率在不同地層造斜能力的不確定性，開始定向鉆進(jìn)時(shí)一般采用連續(xù)定向2個(gè)單根，以確定螺桿在該地層的實(shí)際造斜率。若已知螺桿的實(shí)際造斜率K實(shí)，設(shè)計(jì)造斜率K設(shè)，單根長度為L，則可計(jì)算出每個(gè)單根需要定向長度L定：

上式僅當(dāng)K實(shí)＞K設(shè)時(shí)，可以繼續(xù)使用該螺桿定向施工；若K實(shí)＜K設(shè)，則應(yīng)立即起鉆更換彎角較大的螺桿，所以所選螺桿的理論造斜率應(yīng)高于設(shè)計(jì)造斜率10%～20%，提高復(fù)合鉆進(jìn)的比例，有利于井眼清潔，減少卡鉆事故。

1.3井底井斜方位預(yù)測技術(shù)

井底預(yù)測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)井眼軌跡定量預(yù)測與控制的基礎(chǔ)，如果預(yù)測不準(zhǔn)井底處井斜方位，則易造成大的施工誤差，因此對(duì)水平井而言，井底預(yù)測顯得更為重要。井底預(yù)測的方法很多，可分為2大類，一類是力學(xué)法，力學(xué)法比較準(zhǔn)確，但較復(fù)雜，現(xiàn)場施工已較少采用。另一類是幾何方法，井底預(yù)測的幾何方法主要是依據(jù)各種曲率的變化規(guī)律進(jìn)行選擇，并且需要緊密結(jié)合鉆井過程的實(shí)際工況。使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的鉆井工況，進(jìn)行分析判斷和預(yù)測。

從根本上講，要提高井底預(yù)測的精度，應(yīng)從以下2個(gè)方面入手：一是在工藝技術(shù)條件允許的前提下，盡可能縮短測點(diǎn)至井底的距離；二是提高測斜資料的精度。

1.4待鉆井眼軌跡修正設(shè)計(jì)

在進(jìn)行待鉆設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮所鉆地層對(duì)造斜工具造斜能力的影響。應(yīng)考慮地層傾向、走向及各向異性對(duì)井眼軌跡的影響，以保證設(shè)計(jì)出的待鉆井眼能充分利用地層的井斜方位作用。在進(jìn)行待鉆設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先考慮目前已有的井下工具實(shí)際造斜能力，并為施工留有余地。

在實(shí)際施工中從造斜點(diǎn)開始直到完鉆的施工中，每鉆完一個(gè)單根，用單弧剖面進(jìn)行一次待鉆井眼設(shè)計(jì)，選擇合適鉆進(jìn)參數(shù)，并以此作為下趟鉆選擇鉆具組合的重要依據(jù)。在造斜過程中，每次都以入靶點(diǎn)“軟著陸”為目標(biāo)，應(yīng)用可變曲率井眼軌跡設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化待鉆井眼設(shè)計(jì)。進(jìn)入水平段以后，則根據(jù)地質(zhì)要求，以期望縱向偏差、橫向偏差為目標(biāo)進(jìn)行待鉆井眼設(shè)計(jì)。

2　工廠化水平井提速技術(shù)研究

2.1鉆頭與螺桿鉆具優(yōu)選

2.1.1鉆頭優(yōu)選

破巖效率是鉆頭選型的主要考慮因素，PDC鉆頭可適應(yīng)于地層巖石可鉆性級(jí)值不超過5.5級(jí)的均質(zhì)非研磨性地層中。大慶長垣泉三段（包括泉三段）以上地層使用PDC鉆頭均可獲得較高的機(jī)械鉆速。

根據(jù)大慶地層與鉆頭匹配關(guān)系表，重點(diǎn)考慮工廠化水平井施工特性，對(duì)于直井段、造斜段及水平段的鉆頭選型進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)選，優(yōu)選結(jié)果如表1所示。

表1　直井段、造斜段及水平段鉆頭優(yōu)選結(jié)果

2.1.2螺桿鉆具優(yōu)選

對(duì)螺桿鉆具進(jìn)行選型與配套，使螺桿實(shí)鉆造斜能力與設(shè)計(jì)造斜率符合程度高，減少起下鉆次數(shù)，縮短鉆井周期，成為水平井螺桿鉆具選配的主要內(nèi)容。

螺桿鉆具的選型與配套主要考慮以下幾個(gè)方面因素：①井眼尺寸大??；②設(shè)計(jì)造斜率大?。虎坫@進(jìn)應(yīng)用介質(zhì)類型；④應(yīng)用地層的井底溫度；⑤鉆進(jìn)時(shí)排量的大小。

對(duì)于工廠化水平井，考慮鉆頭類型、鉆井液類型、地溫梯度大小等因素，要使用低轉(zhuǎn)速、大扭矩、耐油、抗高溫的五級(jí)螺桿。綜合考慮幾個(gè)方面，確定螺桿如表2所示。

表2　螺桿鉆具的選型與配套

2.2工廠化水平井批量鉆井工藝技術(shù)研究

工廠化水平井批量鉆井技術(shù)是基于叢式井（水平井）的開發(fā)的理念，工廠化批量井筒作業(yè)已成為工廠化水平井較好的施工方案。

批量鉆井工藝技術(shù)是基于2個(gè)方面：

一是平臺(tái)與井場布局。

二是鉆井施工流程。

批量布井：一個(gè)井場或一個(gè)鉆井平臺(tái)布多口水平井。

批量鉆井：按不同規(guī)格井眼鉆井順序，以鉆井液體系轉(zhuǎn)換為界面依次分批進(jìn)行多口平臺(tái)井同一規(guī)格井眼施工。

2.2.1改造鉆機(jī)底座鉆機(jī)快速平移

鉆機(jī)底座增加滑動(dòng)軌道，采用地面棘爪式軌道液缸推動(dòng)方式移動(dòng)鉆機(jī)。鉆機(jī)整體移動(dòng)創(chuàng)新了電動(dòng)鉆機(jī)加長電纜替代了移動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)；加長出口管線代替了移動(dòng)循環(huán)罐系統(tǒng)；增長高壓地面管線替代了移動(dòng)鉆井泵。通過應(yīng)用鉆機(jī)滑軌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速平移。10m井口距離2h內(nèi)可平移到位，比拆卸搬安縮短了5d左右時(shí)間。

2.2.2改造配套鉆井裝備

鉆機(jī)配備頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，適應(yīng)不拆甩鉆具作業(yè)。應(yīng)用同一套鉆具組合直接進(jìn)行下一口井的施工。配備3臺(tái)泥漿泵、4級(jí)固控設(shè)備，提高鉆井液凈化效率，為鉆井液重復(fù)利用奠定基礎(chǔ)。同一套鉆井液體系直接進(jìn)行下一口井的施工，降低了鉆井成本。地面循環(huán)管線進(jìn)行35MPa壓力改造，滿足大排量、高泵壓快速鉆進(jìn)施工需求要求。

2.2.3批量鉆井流程優(yōu)化

一開（技套）和二開（油層）均由一套鉆機(jī)批量施工。

平臺(tái)井技套先施工，然后依次施工油層。相同井段使用一套鉆具組合，減少鉆具拆甩及組合次數(shù)，每口井節(jié)約周期1.5d。

平臺(tái)井表層鉆進(jìn)重復(fù)使用一套水基鉆井液體系；油層重復(fù)使用一套油基鉆井液體系；即減少了鉆井液轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，又減少了鉆井液用量，節(jié)省了鉆井成本。

2.2.4安全環(huán)保并降低勞動(dòng)強(qiáng)度

實(shí)施批量鉆井，減少地面土地的占用，井場與泥漿排污坑的面積都得到有效控制，減少鉆井液及藥品的使用，實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保，同批量鉆井施工，鉆機(jī)平移，減少鉆機(jī)的拆搬及鉆具的甩配，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加施工效率。

2.3工廠化水平井優(yōu)快鉆進(jìn)“一趟鉆”鉆井技術(shù)研究

針對(duì)工廠化水平井施工效率偏低的問題。通過優(yōu)選井下工具、優(yōu)化鉆具組合，在工廠化水平井推行“造、探”+“水”2段分別實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”施工，提高作業(yè)效率。

為實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”推廣應(yīng)用6項(xiàng)配套技術(shù)措施：

（1）優(yōu)化鉆具組合，造斜段直接采用倒裝鉆具；

（2）優(yōu)選高效螺桿，螺桿使用壽命120h以上；

（3）優(yōu)選LWD儀器，提高儀器穩(wěn)定性，使用時(shí)間120h以上；

（4）優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，加大鉆井液排量，提高井底返砂效率；

（5）優(yōu)選五刀翼PDC鉆頭，提高倒裝鉆具組合工具面穩(wěn)定性；

（6）優(yōu)化實(shí)鉆軌跡，采用“上急下緩”模式，為探油頂施工預(yù)留調(diào)整余地。

3　工廠化水平井井下事故復(fù)雜預(yù)防技術(shù)研究

3.1工廠化水平井安全隱患分析

3.1.1工廠化平臺(tái)水平井直井段防碰

工廠化平臺(tái)水平井類似于叢式定向井，但因工廠化水平井直井段較長，防碰風(fēng)險(xiǎn)及要求較定叢井更高。

3.1.2鉆具貼井壁，受力狀況發(fā)生變化

（1）從造斜段開始，鉆具受力狀況相對(duì)直井發(fā)生了根本的變化。

（2）斜井段：由于鉆具自重，鉆具“躺在”下井壁，對(duì)井壁側(cè)壓力的增大，帶來了起下鉆摩阻和旋鉆扭距的增大。

（3）鉆頭的受力變化出現(xiàn)側(cè)向分力，當(dāng)使用增斜鉆具結(jié)構(gòu)時(shí)，由于近鉆頭扶正器的支點(diǎn)作用而產(chǎn)生向高邊的側(cè)向力。

3.1.3偏心環(huán)空和巖屑床

（1）偏心環(huán)空中，大環(huán)空處流速大，小環(huán)空中流速小，促使巖屑床產(chǎn)生。

（2）巖屑床的厚度隨流速的減小和井眼斜度的增加而增大，但傾角大于一定值后，其巖屑床的厚度基本保持不變。

（3）當(dāng)井眼傾角處于臨界傾角范圍內(nèi)時(shí)，由于巖屑床的形成及滑移，巖屑勢必下滑堆積，容易造成鉆具的阻卡。

3.2工廠化水平井安全施工措施

3.2.1工廠化水平井井眼防碰技術(shù)

（1）嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求測斜，兩井有防碰要求時(shí)加密測點(diǎn)，并及時(shí)根據(jù)測斜數(shù)據(jù)變化調(diào)整參數(shù)

（2）防碰井段必須要及時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，同時(shí)繪制防碰圖，觀察分析軌跡趨勢，堅(jiān)持做到測一點(diǎn)、計(jì)算一點(diǎn)、防碰圖繪制一點(diǎn)。

（3）井隊(duì)必須至少有2套測斜儀器。儀器及時(shí)校驗(yàn)，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

（4）防碰工作要從井組的第一口井做起。提前做出防碰預(yù)算，保證前拖距離滿足防碰要求，并上報(bào)技術(shù)服務(wù)分公司。

（5）防碰時(shí)要有井組整體防碰意識(shí)，如果有防碰趨勢或軌跡發(fā)展將影響下口井的施工，都要及時(shí)繞障采取措施。繞障施工宜早不宜遲，上部較下部施工效率高、更安全；繞障施工時(shí)要根據(jù)工作量和難度，合理選擇鉆頭、螺桿。

3.2.2井眼清潔技術(shù)

水平井鉆進(jìn)過程總巖屑在自重作用下向下井壁沉積形成巖屑床。巖屑上返過程中路程很長，巖屑被磨得很細(xì)，很難從鉆井液中清除，鉆進(jìn)過程中隨時(shí)監(jiān)測循環(huán)當(dāng)量密度（ECD）值，采取有力技術(shù)措施攜帶巖屑，清除巖屑床。

（1）足夠排量和鉆井液良好流變性攜帶巖屑。排量保持在34L/s以上，保證環(huán)空上返速度在1.5m/s左右，實(shí)現(xiàn)紊流攜巖。

（2）高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)破壞巖屑床。鉆進(jìn)中保證盡量多的高轉(zhuǎn)速時(shí)間，有輔助攜巖及清除巖屑床的作用，將下井壁巖屑帶向井眼中心，隨即被上返的鉆井液向上運(yùn)移。

（3）高效固相控制設(shè)備清除巖屑。采用4級(jí)固控設(shè)備，及時(shí)清除鉆井液中有害固相含量，保證井眼凈化。

3.2.3減磨降扭技術(shù)

（1）調(diào)整泥漿性能，降低鉆柱與井壁之間的摩擦系數(shù)，降低泥漿失水，降低泥餅厚度，從而降低了摩阻扭矩。

（2）凈化井眼，破壞巖屑床，可降低鉆柱與井壁之間的摩擦系數(shù)，從而大幅度地降低扭矩和摩擦阻力。

3.2.3井壁穩(wěn)定技術(shù)

控制失水量小于4mL，使井壁形成薄而堅(jiān)韌的泥餅，嚴(yán)格控制起下鉆速度。

4　現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用情況

4.12014年現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用的5口工廠化水平井與2013年周期對(duì)比

2014年試驗(yàn)2組平臺(tái)5口工廠化水平井，平均鉆速10.76m/h，平均鉆井周期27.18d，對(duì)比2013年鉆速提高12.55%，周期縮短16.83d，完成預(yù)期目標(biāo)。參見表3。

表3　2組平臺(tái)5口井鉆速及周期情況

重復(fù)使用第一口井的陽離子聚合物水基泥漿260m3，因一次打完整個(gè)平臺(tái)一開未更換泥漿體系節(jié)約泥漿約520m3，二開使用油包水鉆井液，節(jié)省了一開鉆井液的從新配置，及二開的油基鉆井液的倒運(yùn)。因施工所用鉆機(jī)的配套設(shè)備可帶鉆具整拖所以無甩鉆具時(shí)間，一開完井可節(jié)約甩鉆具及配鉆具時(shí)間約24h。

4.2工廠化水平井“一趟鉆”情況（表4）

表4　工廠化水平井“一趟鉆”情況

通過優(yōu)選井下工具、優(yōu)化鉆具組合，試驗(yàn)的5口井在“造、探”+“水”2段分別實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”施工，提高作業(yè)效率。

5　結(jié)論

推廣應(yīng)用工廠化批量鉆井，3口井重復(fù)使用第一口井的水基鉆井液，節(jié)省了一開鉆井液的從新配置，及二開的油基鉆井液的倒運(yùn)。

（1）優(yōu)化井眼軌跡，提高鉆速，采用變曲率漸近井眼軌跡控制技術(shù)，使井眼軌跡得到精確控制。

（2）改進(jìn)鉆井模式，實(shí)施批量鉆井，井場與泥漿排污坑的面積都得到有效控制，減少鉆井液及藥品的使用，實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保；應(yīng)用批量鉆井施工，鉆機(jī)平移，減少鉆機(jī)的拆搬及鉆具的甩配，增加施工效率。

（3）通過優(yōu)選螺桿和個(gè)性化PDC鉆頭，能夠提高機(jī)械鉆速。

（4）通過優(yōu)選井下工具、優(yōu)化鉆具組合及鉆井參數(shù)，在致密油工廠化水平井推行“造、探”+“水”2段分別實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”施工，提高作業(yè)效率，縮短鉆井周期。

［1］徐小峰.冀東油田水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油鉆采工藝，2002.

［2］葛云華.叢式水平井鉆井平臺(tái)規(guī)劃［J］.石油勘探與開發(fā)，2005，32（5）.

［3］雷群，王紅巖，趙群，等.國內(nèi)外非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀及建議［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（12）.

TE243

A

1004-5716（2016）01-0061-05

2015-09-14

2015-09-14

陳春雷（1982-），男（漢族），吉林梨樹人，工程師，現(xiàn)從事定向井井眼軌跡控制及定向井水平井管理工作。