勝利油田濟(jì)陽坳陷樊154區(qū)塊小井眼長水平段水平井鉆井技術(shù)

吳明波.

(中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營　257017)

隨著勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步和勘探程度的提高，勝利油田低滲透油田地質(zhì)儲量在新增探明地質(zhì)儲量中所占的比重越來越大，低滲透油田已成為儲量接替和新區(qū)產(chǎn)能建設(shè)的重要陣地。近幾年來，非常規(guī)連續(xù)型油氣聚集理論的創(chuàng)新及致密儲層中納米級孔隙的發(fā)現(xiàn)，推動了中國非常規(guī)致密砂巖油氣快速發(fā)展[1]。然而利用直井、定向井開發(fā)非常規(guī)油氣藏，單井產(chǎn)量約為0.1～3 t，無法實現(xiàn)工業(yè)化經(jīng)濟(jì)開發(fā)。從國內(nèi)外致密砂巖和頁巖油氣的開發(fā)技術(shù)來看，長水平段水平井鉆井技術(shù)和多級分段壓裂技術(shù)是一種有效的開發(fā)手段。勝利油田在這方面也進(jìn)行了有益的技術(shù)探索。勝利油田自2007年開始在長水平段水平井鉆井技術(shù)方面開展了持續(xù)技術(shù)研究和現(xiàn)場應(yīng)用，目前已初步形成了長水平段水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，包括以井眼軌道優(yōu)化設(shè)計為核心的工程設(shè)計技術(shù)、以底部鉆具組合優(yōu)化設(shè)計為基礎(chǔ)的長水平段優(yōu)快鉆井技術(shù)。樊154-平1井完成了1200 m水平段長，進(jìn)行了12段分級壓裂改造，初期日產(chǎn)油量50～70 t，穩(wěn)產(chǎn)后日產(chǎn)油量20～30 t，是周圍鄰井的4～5倍，增產(chǎn)效果顯著[2-3]。

1　地質(zhì)工程概況

樊154區(qū)塊位于勝利油田濟(jì)陽坳陷東營凹陷金家—樊家鼻狀構(gòu)造帶東翼樊154斷塊，主力含油層系為沙三中，儲層平均厚度為8 m，含油面積為12 km2。區(qū)塊構(gòu)造較為簡單，其北界為一條貫穿東西的近東西向、北傾、落差30 m以上的斷層，南高北低，地層傾角為3°～6°，整體構(gòu)造形態(tài)呈被斷層切割的向斜構(gòu)造。沙三中砂體沉積類型為三角洲—滑塌濁積扇主力砂層，厚度超過10 m，向四周逐漸減薄。儲層為高壓異常系統(tǒng)稀油構(gòu)造-巖性油藏，巖性以細(xì)砂巖為主，平均孔隙度為14.9%，平均滲透率為1.1 mD，為低孔特低滲透儲層，采用常規(guī)開發(fā)模式產(chǎn)能低、經(jīng)濟(jì)效益差。

大位移水平井的突出特點是水平位移大，裸眼井段長，鉆井施工中鉆柱和套管柱在井眼內(nèi)的摩阻、扭矩大[4]。為了封隔產(chǎn)層以上不穩(wěn)定泥巖地層，同時降低斜井段摩阻扭矩，有利于水平位移延伸，保障長水平段安全鉆進(jìn)和完井壓裂管柱的順利下入，根據(jù)樊154-平2井地質(zhì)特點和完井工藝要求，該井采用三開井身結(jié)構(gòu)(表1)，井眼剖面類型采用“直—增—平”三段制，具體設(shè)計參數(shù)見表2。

表1　樊154-平2井設(shè)計井身結(jié)構(gòu)Table 1　Casing program design of well Fan154-ping2

表2　樊154-平2井設(shè)計軌道Table 2　Design trajectory data of well Fan154-ping2

2　主要技術(shù)難點

(2)由于井身質(zhì)量要求高，設(shè)計靶框2 m×10 m，井徑擴(kuò)大率不超過5%。為了保證電測、下套管、分段壓裂等后期工序的順利進(jìn)行，斜井段造斜率不超過20°/100 m、水平段不超過10°/100 m，軌跡控制難度增加。

(3)鉆井液性能要求高。水平段使用聚合物潤滑鉆井液體系，隨著水平位移的增大，鉆井液的攜砂能力減弱，致使摩阻系數(shù)增大，鉆進(jìn)過程中摩阻扭矩高，常規(guī)導(dǎo)向鉆具滑動鉆進(jìn)時鉆壓傳遞十分困難，滑動鉆進(jìn)困難；設(shè)計水平段長達(dá)2000 m，水平段鉆進(jìn)的后期，特別是水平段超過1200 m以后，摩阻、扭矩會變大，滑動鉆進(jìn)鉆時慢、效率低、時效差[5]，進(jìn)一步增加軌跡控制難度。

(4)隨著水平段的延伸，攜巖能力逐漸減弱，不能達(dá)到完全凈化井眼的目的，在井眼低邊容易形成巖屑床，給鉆進(jìn)和井下安全造成很大困難。若砂體疏松，快速鉆進(jìn)時巖屑不能被及時帶離井底，加之井眼環(huán)空小，容易造成卡鉆的風(fēng)險，有效清洗井眼面臨很大困難。

3　關(guān)鍵技術(shù)

3.1　軌跡控制技術(shù)

3.1.1直井段(0～2314 m)

直井段采用“塔式鉆具”結(jié)構(gòu)，鉆進(jìn)時注意“防斜打直”，及時進(jìn)行單點測斜；若井斜有超標(biāo)的趨勢，采用小鉆壓吊打，盡量減小井底井斜角和井底閉合距。鉆進(jìn)至2314 m時投影位移僅為-4.46 m，為后續(xù)水平井施工打下良好的基礎(chǔ)。

3.1.2增斜段(2314～2901 m)

德國勞士領(lǐng)集團(tuán)旗下的勞士領(lǐng)汽車部件有限公司是汽車行業(yè)知名的塑料部件供應(yīng)商。公司專注于節(jié)能減排與輕量化，并在空氣動力學(xué)、動力總成和新能源領(lǐng)域提供諸多產(chǎn)品。這其中包括氣流、熱能、流體管理設(shè)計，聲學(xué)設(shè)計以及輕量化功能集成設(shè)計在內(nèi)的系統(tǒng)解決方案及相關(guān)產(chǎn)品。勞士領(lǐng)汽車部件在中國擁有五家工廠，生產(chǎn)眾多汽車塑料零件，主要產(chǎn)品包括主動式進(jìn)氣格柵、底盤護(hù)板、輪毅罩，高低壓進(jìn)氣系統(tǒng)和副水箱等產(chǎn)品。

3.1.3水平段(2901～4916 m)

長水平段水平井井眼軌跡控制技術(shù)的核心是如何克服或降低井下摩阻，提高水平井段的延伸能力。目前，水平段延伸鉆進(jìn)的主要技術(shù)手段有兩種：一種是以復(fù)合鉆進(jìn)和滑動鉆進(jìn)為基礎(chǔ)的連續(xù)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，另一種是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)[7]。由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向費用昂貴，因此目前在長水平段鉆井中很少采用。

使用動力鉆具調(diào)整井斜角和方位角，使實鉆軌跡線在靶框中穿行，提高了油層的鉆遇率。隨著水平位移的延伸，后期定向過程中摩阻增大，滑動鉆進(jìn)困難，及時混入原油和進(jìn)行短程起下鉆作業(yè)，有效減小了水平段鉆進(jìn)摩阻，確保了安全、高效鉆進(jìn)。水平段鉆進(jìn)共進(jìn)行了10趟鉆，其中常規(guī)穩(wěn)斜鉆具鉆進(jìn)6趟，螺桿鉆具鉆進(jìn)4趟。采用常規(guī)鉆具鉆進(jìn)時，盡量通過調(diào)整鉆井參數(shù)控制井斜角和方位角，以減少螺桿鉆具滑動鉆進(jìn)時的工作量。但由于地層中存在灰質(zhì)夾層和地層傾角的變化，在常規(guī)鉆具通過調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)無法控制井眼軌跡時，起鉆下入螺桿鉆具進(jìn)行定向調(diào)整。該井常規(guī)穩(wěn)斜鉆具和螺桿鉆具交替使用，實鉆軌跡圓滑，且在設(shè)計軌道中平穩(wěn)延伸，鉆井速度提高，鉆井周期縮短，達(dá)到勘探開發(fā)的目的。

水平段鉆進(jìn)時為了確保安全鉆進(jìn)，主要采取以下措施：

(1)為防止水平段鉆具黏卡，實現(xiàn)安全快速鉆井，每個單根鉆完后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤劃眼1～2次再進(jìn)行測斜和接立柱。同時，加強(qiáng)短起下鉆措施，根據(jù)施工情況每鉆進(jìn)100～150 m進(jìn)行1次短起下鉆，及時消除巖屑床，確保安全鉆進(jìn)。

(2)水平段起鉆時速度控制在8～10柱/h，起下鉆過程中遇阻不得超過正常摩阻50 kN，否則上下活動鉆具，必要時采取接頂驅(qū)循環(huán)或劃眼等有效措施。下鉆遇阻不能硬砸硬放，采用“一沖、二通、三劃眼”的原則，操作平穩(wěn)，防止卡鉆。

(3)減少鉆桿與套管之間的旋轉(zhuǎn)摩擦接觸或降低摩擦系數(shù)，防止套管磨損。鉆進(jìn)過程中，鉆具在自重的作用下貼靠在下井壁，鉆桿接頭易對套管造成嚴(yán)重磨損，同時增大鉆進(jìn)摩阻扭矩。通過優(yōu)選防磨接頭、優(yōu)化接頭安放位置、變旋轉(zhuǎn)接觸為非旋轉(zhuǎn)接觸，有效保護(hù)套管，適當(dāng)降低復(fù)合鉆進(jìn)時鉆具的扭矩[8]。

樊154-2HF井水平段井斜變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，井斜變化率波峰高值少，井斜變化平緩，井身軌跡圓滑度高。

井斜變化與碳酸巖含量對比如圖2所示。由圖2可知，碳酸巖含量高的地層，井斜呈降斜狀態(tài)。

圖1　樊154-2HF井水平段井斜變化率示意Fig.1　Horizontal section drift rate of well Fan154-ping2

圖2　樊154-2HF井水平段井斜變化與碳酸巖含量對比示意Fig.2　Horizontal section deviation change compared with content of carbonate rock of well Fan154-ping2

3.2　鉆井液技術(shù)

一開鉆井液要有較強(qiáng)的攜帶和懸浮能力，滿足大井眼鉆進(jìn)需要。

二開鉆井液的主要作用是抑制地層黏土造漿及滿足快速鉆進(jìn)的需要，選用聚合物鉆井液體系。直井段鉆遇明化鎮(zhèn)組、館陶組，地層巖性差，鉆井液主要以抑制地層造漿、攜帶巖屑，防止泥巖縮徑，確保安全鉆進(jìn)為目的；造斜段嚴(yán)格控制膨潤土含量，以8%～10%的加量均勻混入原油并充分乳化，配合加入固體潤滑劑，使鉆井液具有良好的潤滑防卡性能，確保定向鉆進(jìn)時鉆壓的有效傳遞。

三開水平段使用抑制防塌性能較強(qiáng)的聚合物(鋁胺基)潤滑防塌鉆井液體系，體系配方：2.0%～2.5%防塌降黏降失水劑+2.5%～3.0%改性瀝青防塌降失水劑+2%～3%磺化酚醛樹脂+2%～3%抗高溫抗鹽防塌降失水劑+0.3%～0.5% PAM+2%～3%磺化瀝青乳液+ 2%～3%有機(jī)胺頁巖抑制劑+0.5%～1.0%鋁基聚合物。鉆井液性能：密度為1.18～1.25 g/cm3，黏度為60～80 s，pH值為8～9，含砂量為0.3%，濾失量為4 mL，泥餅厚度為0.5 mm，塑性黏度為15～30 mPa·s，初切力為4～8 Pa，動切力為8～12 Pa。

施工中加足各種處理劑，及時混入原油，滿足長水平段的潤滑問題，同時保證鉆井液充分?jǐn)y砂、防塌、防卡。振動篩、除砂器、除泥器等與鉆井泵同步運轉(zhuǎn)。實踐證明，鋁胺抑制防塌鉆井液抑制性強(qiáng)，封堵性能好，不但能夠抑制泥頁巖的水化膨脹分散，而且能夠封堵地層層理、微裂縫和破碎帶，鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定，定向過程中傳壓順暢，無拖壓現(xiàn)象，有效預(yù)防復(fù)雜情況的發(fā)生，確保井壁穩(wěn)定、井眼規(guī)則、井下安全[9]。

3.3　鉆頭選型

為了杜絕鉆頭事故，減少起下鉆次數(shù)，實現(xiàn)安全優(yōu)快鉆井目的，針對樊154區(qū)塊的地層特點，設(shè)計個性化PDC鉆頭。該區(qū)塊東營組—沙三組巖性主要以泥巖夾砂巖互層為主，地層可鉆性相對較好。但是在定向段存在的夾層會給鉆頭定向鉆井時的穩(wěn)定性帶來一定的挑戰(zhàn)性，需加強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性設(shè)計。同時該區(qū)塊水平井靶前距普遍較短，一般為300 m以內(nèi)，要求定向段必須有較高的增斜率，因此定向段PDC鉆頭的設(shè)計要求具有較高的造斜率。

根據(jù)以上分析，確定定向段PDC鉆頭冠部輪廓為淺內(nèi)錐、短外錐的剖面，同樣的目的是為了提高鉆頭的側(cè)向切削能力，從而滿足高造斜率的要求。采用螺旋刀翼布齒方式的目的是加強(qiáng)鉆頭在鉆進(jìn)地層時切削齒逐個吃入地層，提高鉆頭的穩(wěn)定性。由于地層巖石抗壓強(qiáng)度中等，保證鉆頭壽命的同時可以具有較高的機(jī)械鉆速。采用復(fù)合切削結(jié)構(gòu)，在主切削齒后增加后備齒，目的是提高鉆頭穿越夾層時的穩(wěn)定性和滑動鉆進(jìn)時的工具面穩(wěn)定性。采用15°螺旋保徑結(jié)構(gòu)，可以提高鉆頭的穩(wěn)定性和保徑強(qiáng)度。增斜段和水平段全部采用5刀翼PDC鉆頭。根據(jù)該區(qū)塊的地層特點，結(jié)合PDC鉆頭適用性分析，斜井段使用P5362-MJ5型號鉆頭。該鉆頭在定向鉆進(jìn)時具有保徑短、定向工具面穩(wěn)定、側(cè)向能力強(qiáng)的優(yōu)點，復(fù)合鉆進(jìn)時具有切削能力強(qiáng)、扭矩小、鉆速快的優(yōu)點。水平段使用P5235MJH型鉆頭。該鉆頭采用拋物線冠部胎體、優(yōu)質(zhì)復(fù)合片為主切削元件、雙排切削結(jié)構(gòu)、中高密度布齒、中排泄槽水力結(jié)構(gòu)和倒劃眼切削結(jié)構(gòu)，適應(yīng)在水平段中鉆進(jìn)，適用于研磨性較強(qiáng)的軟到中硬地層。

3.4　隨鉆測量技術(shù)

二開造斜段采用地質(zhì)導(dǎo)向儀器，利用感應(yīng)電阻率儀器并結(jié)合地質(zhì)錄井巖性和氣測值曲線順利進(jìn)入目的層，為三開水平段鉆進(jìn)打好基礎(chǔ)。針對三開水平段長、測量井段深、儀器性能要求高等特點，選用斯倫貝謝公司的Slimpulse儀器。該儀器采用連續(xù)波信號傳送方式，可使用井底最高溫度達(dá)到177 ℃，具有測斜精度高(井斜±0.1°，方位±1°)、穩(wěn)定性好、速率快、信號強(qiáng)、防卡功能優(yōu)等特點，可實時提供伽馬測量，及時進(jìn)行地層對比，精確測量井斜和方位，為井眼軌跡控制提供保障。

4　施工效果

(1)選用的5刀翼PDC鉆頭大大減少了樊154-平2井的起下鉆時間，提高了鉆井效率，證明該鉆頭的高效應(yīng)用有助于提高機(jī)械鉆速，縮短建井周期。

(3)成功運用“雙穩(wěn)定器+鉆鋌”和螺桿導(dǎo)向鉆具組合。其中常規(guī)鉆具總進(jìn)尺1081.56 m，平均機(jī)械鉆速7.08 m/h；導(dǎo)向鉆具進(jìn)尺933.44 m，平均機(jī)械鉆速5.64 m/h；滑動鉆進(jìn)總進(jìn)尺12 m，占水平段總進(jìn)尺的6%，油層鉆遇率為100%；水平段純鉆時間僅13.26 d，全井平均機(jī)械鉆速達(dá)到了6.33 m/h。

5　結(jié)論

(1)樊154-2HF井是中石化6″小井眼水平段最長的一口水平井，也是國內(nèi)首口實施20段分級壓裂工藝的水平井，其成功實施為樊154區(qū)塊致密砂巖的高效開發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗。

(2)依靠傳統(tǒng)的常規(guī)鉆具和螺桿鉆具組合完全可以完成水平段長2000 m以內(nèi)的小井眼水平井。

(3)優(yōu)化設(shè)計井眼軌道、優(yōu)選鉆具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)和鉆井參數(shù)、選用合理的鉆進(jìn)方式，是保證長水平段水平井井下安全、縮短鉆井周期、實現(xiàn)順利施工的必要條件。

(4)建議下一步開展非均質(zhì)地層鉆具組合造斜能力的研究，以便增強(qiáng)常規(guī)鉆具組合和導(dǎo)向螺桿鉆具組合對井眼軌跡的控制能力。

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