延長(zhǎng)油田水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

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(陜西延長(zhǎng)石油國(guó)際勘探開發(fā)工程有限公司，陜西 西安 710075)

水平井鉆井技術(shù)在油氣勘探開發(fā)發(fā)揮著重要作用，是提高油氣田最終采收率、老油田挖潛、新油田開發(fā)的重要手段。相比于常規(guī)直井，水平井能較好的提高低滲透油藏單井產(chǎn)量、開發(fā)質(zhì)量以及提高油田采收率，非常適用于延長(zhǎng)低滲透油藏的開發(fā)，有效的解決了延長(zhǎng)油田開發(fā)過程中“多井、低產(chǎn)、低效”的問題。延長(zhǎng)油田第一口成功開發(fā)的低滲透水平井為薛平1井[1]，為油田的高效開發(fā)提供了成功經(jīng)驗(yàn)，自2011年大力推廣水平井以來，延長(zhǎng)油田在2013年～2014年間，成功鉆探水平井154口井，對(duì)油田的增儲(chǔ)上產(chǎn)具有重要意義。

1 延長(zhǎng)油田水平井鉆井優(yōu)化

1.1 優(yōu)化井眼軌跡

由于延長(zhǎng)油田地處陜北黃土高原，受限于復(fù)雜的地面條件和丘陵溝壑地貌，充分對(duì)隊(duì)伍素質(zhì)、油層落實(shí)程度以及施工效率等因素進(jìn)行綜合考慮[2,3]，以三增剖面、負(fù)位移以及三維軌跡等作為剖面設(shè)計(jì)方法，開展了水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要分為以下三種情況：

(1)水平井靶前距<240 m：以水平井井型、水平井段長(zhǎng)度為依據(jù)，采取側(cè)向位移、負(fù)位移以及非常規(guī)雙增為設(shè)計(jì)方法。若為三維井或水平段較長(zhǎng)，在直井段采取側(cè)向位移、負(fù)位移進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)，以降低鉆井的難度；水平段較短時(shí)，采取非常規(guī)雙增軌道，實(shí)現(xiàn)第一段造斜率大于第二段，使的入窗調(diào)整難度降低。

(2)水平井靶前距處于240～300 m之間：考慮兩種情況，二維井設(shè)計(jì)方法為常規(guī)雙增剖面，即“直-增-穩(wěn)-增-水平”，三維井需要綜合考慮隊(duì)伍素質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，素質(zhì)較高的隊(duì)伍二開時(shí)打側(cè)向位移采取小角度斜井段方式，下部為二維剖面常規(guī)設(shè)計(jì)，素質(zhì)較差的隊(duì)伍，為降低難度，僅在第二增斜段扭方位。

(3)水平井靶前距>300 m：為保證入窗精度，采取增大入窗可調(diào)范圍，采取三增剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)。二維井的三增剖面設(shè)計(jì)為“直-增-穩(wěn)-增-穩(wěn)-增-水平”；三維井為圓滑井身軌跡，采取扭方位在第二增斜段，第三增斜段僅僅進(jìn)行井斜調(diào)整。

1.2 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)

由于延長(zhǎng)油田主力開發(fā)區(qū)域之上為第四系黃土層，具有易漏失和垮塌、地層相對(duì)穩(wěn)定、壓力系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特征，井身結(jié)構(gòu)采取二開形式即可保證鉆井安全。

本次優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)為：一開鉆頭直徑為Φ311.2 mm，表層套管直徑為Φ244.5 mm，水泥漿返至地面，實(shí)現(xiàn)對(duì)上部不穩(wěn)定層的封固；二開直井段鉆頭直徑為Φ222.3 mm，鉆達(dá)造斜點(diǎn)后，選取鉆頭直徑為Φ215.9 mm進(jìn)行水平段鉆進(jìn)，解決由于上部地層縮徑導(dǎo)致的起下鉆困難問題，下入油層套管直徑為Φ139.7 mm，水泥漿仍返至地面(圖1)。

圖1 延長(zhǎng)油田典型水平井井身結(jié)構(gòu)

優(yōu)化的井身結(jié)構(gòu)充分對(duì)地層特征、鉆井工藝、對(duì)接工藝以及最大關(guān)井壓力等進(jìn)行了綜合考慮，實(shí)現(xiàn)了保證鉆井順利施工的同時(shí)，常規(guī)井和水平井的管材結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)等的一致性。總之，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，在保證鉆井安全、完成鉆探目的的前提下，又節(jié)約了成本，同時(shí)還有利于修井作業(yè)、后期投產(chǎn)等施工的展開。

2 延長(zhǎng)油田水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

20世紀(jì)90年代，地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)被提出并逐漸實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，作為前沿鉆井技術(shù)，其通過對(duì)井底信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)地層參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆遇地質(zhì)目標(biāo)的精確控制[4]。

2.1 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)

(1)延長(zhǎng)油田地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，因此開展地震勘探的區(qū)域并不多，使的對(duì)于井間的砂體、構(gòu)造多采取插值進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的不充足，以插值預(yù)測(cè)的地質(zhì)圖件誤差在所難免，實(shí)際上一般對(duì)油頂預(yù)測(cè)的誤差在1～2 m，這與高精度要求的水平井實(shí)施要求不一致。

(2)延安組要求在油頂上部為水平井穿行軌跡。過低的水平段多與水錐半徑靠近，常出現(xiàn)出水現(xiàn)象；過高的水平段又靠近油層頂，水平井投產(chǎn)后容易出現(xiàn)供液不足。

(3)主要目的層延長(zhǎng)組的鉆探時(shí)，要求鉆遇優(yōu)質(zhì)油層。延長(zhǎng)組的儲(chǔ)層物性比延安組差，因此，必須鉆遇高滲儲(chǔ)層或好油層，水平井鉆探時(shí)需要盡量多鉆遇天然裂縫，且必須與最大主應(yīng)力垂直，以保證壓裂時(shí)橫向裂縫易于形成，從而保證產(chǎn)能。因此，對(duì)儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)、油層和夾層的識(shí)別非常重要。

(4)水平井地質(zhì)導(dǎo)向時(shí)主要使用MWD儀器，雖然降低了鉆井成本，但由于僅存在伽馬數(shù)據(jù)，不利于油氣層的判識(shí)和地層對(duì)比。

2.2 水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)優(yōu)化方法

根據(jù)目前延長(zhǎng)油田鉆井設(shè)備和技術(shù)情況，主要采取以下地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)優(yōu)化方法保證水平井的施工[5,6]：(1)首先分析鉆井地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，施工前設(shè)計(jì)好各種預(yù)案；(2)在軌跡設(shè)計(jì)，需在A靶前20～50 m提前著陸，保障預(yù)留的調(diào)整井段充足；(3)對(duì)井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化控制，合理設(shè)計(jì)進(jìn)入油層的井斜角；(4)實(shí)時(shí)開展鉆井跟蹤，當(dāng)順利著陸后，對(duì)井眼軌跡進(jìn)行重新模擬；(5)綜合利用地質(zhì)錄井、鉆時(shí)、氣測(cè)以及伽馬等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判識(shí)。

2.2.1 地質(zhì)導(dǎo)向前的資料準(zhǔn)備

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)導(dǎo)向人員應(yīng)當(dāng)對(duì)地質(zhì)、工程設(shè)計(jì)進(jìn)行提前熟悉，收集與鉆探井相關(guān)的材料如鉆井和地質(zhì)設(shè)計(jì)、構(gòu)造圖、地層分層數(shù)據(jù)表、周邊井組合圖等，鉆探前編制好油頂微構(gòu)造疊合含油面積圖。若存在砂體尖滅，其構(gòu)造邊界就是砂體尖滅線，以延安組油藏為典型代表，構(gòu)造圖必須對(duì)油水界面、油藏空間形態(tài)準(zhǔn)確反映。對(duì)于延長(zhǎng)組薄層油藏、延安組邊底水油藏，需要開展儲(chǔ)層精細(xì)描述，按照等高線為1 m或2 m進(jìn)行油層頂面微構(gòu)造形態(tài)的精細(xì)刻畫。對(duì)于延長(zhǎng)組儲(chǔ)層較厚且均一的油藏，刻畫油層頂面微構(gòu)造形態(tài)的等高線可以為5 m或10 m。

水平井對(duì)地層、油藏的刻畫要準(zhǔn)確、細(xì)致，當(dāng)前延長(zhǎng)油田提供的相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)還不能滿足精細(xì)圖件的制作要求，因此還存在較多的不確定性，設(shè)計(jì)時(shí)需要給存在的可能區(qū)間，開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)對(duì)比并結(jié)合相關(guān)工程措施以降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。在對(duì)比分析后，需要綜合考慮儲(chǔ)層連通性、構(gòu)造變化分析地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，并制定地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避預(yù)案。

2.2.2 確保中靶技術(shù)

根據(jù)前期大量地質(zhì)工作，確定了油藏地質(zhì)模型，但是對(duì)于單井鉆探仍存在較多不確定性，因此，鉆井過程中，要求開展精細(xì)地層對(duì)比，地質(zhì)、工程相結(jié)合，卡準(zhǔn)標(biāo)志層深度、入窗點(diǎn)深度以及油頂深度，定準(zhǔn)入窗井斜角和地層傾角2個(gè)角度。

關(guān)鍵技術(shù)主要包括：(1)入窗前開展精細(xì)對(duì)比，主要為確定油頂深度，控制造斜段井眼軌跡，使其被控制在利于入靶點(diǎn)矢量中靶范圍內(nèi)；(2)對(duì)是否鉆至目的層進(jìn)行及時(shí)判斷，確保順利入窗，著陸后對(duì)垂深和井斜進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)鉆進(jìn)水平段。

在入窗前，油層垂深為50～200 m井段開展地層對(duì)比，即通過在A靶點(diǎn)前開展地層對(duì)比，確定好油層入窗點(diǎn)，進(jìn)入油層和A靶點(diǎn)前，需要多次合理調(diào)整井身軌跡，以保證進(jìn)入入窗點(diǎn)的軌跡順暢。部分風(fēng)險(xiǎn)井應(yīng)提前打?qū)а劬O(shè)計(jì)A靶點(diǎn)附近0～30 m為延長(zhǎng)組的導(dǎo)眼靶點(diǎn)，回填導(dǎo)眼到造斜點(diǎn)之上150 m。

2.2.3 提高油層鉆遇率技術(shù)

水平段鉆進(jìn)過程中，始終堅(jiān)持“實(shí)時(shí)監(jiān)控、穩(wěn)斜鉆進(jìn)、適度校斜、穿行油層” 原則，實(shí)現(xiàn)水平段軌跡通暢以及水平段又在合適的油層部位穿行。

過A靶點(diǎn)后，鉆進(jìn)過程中按照地質(zhì)三維軌跡走向的要求，對(duì)井身軌跡開展合理判斷和預(yù)測(cè)，保證好井身軌跡。按照地質(zhì)、工程設(shè)計(jì)規(guī)定的構(gòu)造圖、距油層頂?shù)椎母叨?、鄰井的油層深度以及井斜角確定井身軌跡變化趨勢(shì)，開展實(shí)時(shí)跟蹤。

目的層鉆進(jìn)過程中，對(duì)儲(chǔ)層和鉆頭位置關(guān)系應(yīng)該實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，以調(diào)整井斜角、鉆壓和方位角等參數(shù)來保證高精度控制水平段軌跡，保證水平段軌跡在最佳位置穿行，實(shí)現(xiàn)油層鉆遇率穩(wěn)步提升的目的。

當(dāng)水平井入窗后，要開展精細(xì)的錄井工作，合理的判斷油氣顯示、儲(chǔ)層物性、巖性及含油氣性等，正確引導(dǎo)導(dǎo)向工作，穩(wěn)步提升油層鉆遇率。根據(jù)錄井得到的參數(shù)，以滿足地質(zhì)要求為前提，確保水平段軌跡圓滑，其要求井眼擴(kuò)大率低于5%、全角變化率不超過6°/100m，良好的井筒質(zhì)量，對(duì)完井壓裂意義重大。

3 延長(zhǎng)油田水平井鉆井液技術(shù)優(yōu)化

3.1 水平井鉆井液技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)

(1)延長(zhǎng)油田的水平井井身結(jié)構(gòu)一般為二開結(jié)構(gòu)[7]，封固二開直井段后就進(jìn)入造斜段和水平段，一般情況下，水平段的長(zhǎng)度為500～1 000 m，大位移井一般更長(zhǎng)，因此，對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性提出了更高的要求。

(2)大位移水平井在淺層造斜段具有較高的造斜率，以滑動(dòng)鉆進(jìn)方式鉆斜井段，若鉆井液的攜砂能力欠缺，造斜段內(nèi)形成巖屑床的可能性較大，嚴(yán)重時(shí)井下事故頻繁。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，侏羅系直羅組泥巖伊/蒙間層比例超49%，具有較強(qiáng)的水敏性，長(zhǎng)期浸泡下，水化膨脹作用使的井眼不規(guī)則。因此，導(dǎo)致延長(zhǎng)油區(qū)侏羅系直羅組和安定組的砂泥巖地層井壁垮塌發(fā)生頻繁。

(4)在下部地層鉆探過程中，PDC鉆頭復(fù)合增斜率、造斜率均較低，降低了施工效率。一般情況下，水平井造斜點(diǎn)為1 800～2 000 m，在延安組、富縣組等層位可鉆性差，滑動(dòng)增斜率低導(dǎo)致嚴(yán)重的托壓現(xiàn)象。

(5)老區(qū)塊長(zhǎng)期注水開發(fā)，普遍存在“同存漏侵” 井，實(shí)施壓井作業(yè)困難。地層的承壓能力上部較低，不好把握，壓井密度窗口。

3.2 水平井鉆井液體系配方優(yōu)化

在鄂爾多斯、新疆、四川等地區(qū)，陽離子乳液聚合物鉆井液已普遍使用并取得了較好的應(yīng)用效果[8]。陽離子乳液主要為乳化石蠟RHJ-1、聚合物DS-301，其中乳化石蠟RHJ-1潤(rùn)滑防塌性優(yōu)良，對(duì)連續(xù)相性能的有效改善意義重大，聚合物DS-301為陽離子大分子抑制劑，陽離子基團(tuán)含量非常大，分子量達(dá)到600萬～1 100萬，對(duì)連續(xù)相黏度的有效提高有積極作用，DS-301、RHJ-1同時(shí)使用，對(duì)化學(xué)抑制能力的提高有促進(jìn)作用。該區(qū)原使用KPAM鉆井液體系，本次將KPAM替換為聚合物DS-301，對(duì)攜砂能力和抑制性進(jìn)行有效提升，將原水基潤(rùn)滑劑替換為乳化石蠟RHJ-1，增強(qiáng)潤(rùn)滑性能，鉆井液降濾失能力的提高使用降濾失劑RHPT-1。根據(jù)原KPAM鉆井液體系配方，結(jié)合前人研究成果，確定DS-301、RHJ-1以及RHPT-1的加量分別為：0.2%～0.3%、1.0%～2.0%以及0.5%，為確定RHJ-1、DS-301對(duì)鉆井液性能的影響，選用以下配方開展實(shí)驗(yàn)。

膨潤(rùn)土4%+RHPT-10.5%+Na2CO30.2%+無熒光防塌劑1.5%實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)DS-301從0.2%增加至0.3%時(shí)，鉆井液動(dòng)塑比、動(dòng)切力提升明顯；整體流變性能在老化前后并無太大變化，表明鉆井液體系具有較好的穩(wěn)定性；加入RHJ-1后較好的提升了鉆井液潤(rùn)滑性，在高溫(100℃)高壓下，加量為0.3%時(shí)，泥餅黏滯系數(shù)是0.052 4；但潤(rùn)滑系數(shù)低值是0.245，需要進(jìn)一步提高。本次引入減摩劑JM-1提升潤(rùn)滑性能，實(shí)驗(yàn)表明JM-1對(duì)潤(rùn)滑性的提高明顯(表1)。

表1 加入JM-1后鉆井液潤(rùn)滑性能變化情況表

此外，本次選取靖邊區(qū)塊B井延長(zhǎng)組巖屑(井深1 902 m)開展?jié)L動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為100℃，16 h，表明增加RHJ-1、DS-301，對(duì)鉆井液抑制性提高具有較好的作用，證實(shí)了陽離子乳液聚合物良好的抑制性。因此，本次優(yōu)選出鉆井液體系配方為：

膨潤(rùn)土4%+DS-301 0.3% +Na2CO30.2% + JM-1(1.0%)+ RHPT-1(0.5% )+ RHJ-1(2.0%)+無熒光防塌劑1.5%該鉆井液體系已在延長(zhǎng)油田西平15、羅平16、蒲平22 等多口井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)了該體系具有較好的攜巖能力、潤(rùn)滑性以及抑制性，能較好的滿足延長(zhǎng)油田水平井鉆井施工要求，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

(1)通過開展水平井鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較好的控制井眼軌跡，對(duì)鉆井施工能力、機(jī)械鉆速以及水平井成功率都有了較好提升。

(2)結(jié)合延長(zhǎng)油田水平井地質(zhì)導(dǎo)向存在的技術(shù)困難，制定了針對(duì)性的技術(shù)對(duì)策，在多方法下實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的水平井地質(zhì)導(dǎo)向。

(3)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)形成了陽離子乳液聚合物鉆井液體系，其抑制性、潤(rùn)滑性以及流變性均優(yōu)于原KPAM鉆井液體系，對(duì)泥頁巖水化膨脹有較好的抑制性，鉆井液體系中還加入減摩劑JM-1，較好的解決了鉆井托壓?jiǎn)栴}。