水平井鉆井工程提速認識

李 博

（大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163453）

1 基本情況

1.1 標準井身結(jié)構(gòu)

一開：?444.5mm鉆頭鉆至井深200m，下入?339.7mm×J55×7.09mm表層套管，固井水泥返至地面。

二開：?311.2mm鉆頭鉆至姚家組2100m，下入?244.5mm×N80×10.03mm技術(shù)套管，固井水泥返至地面。

三開：?215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深4300m，下入?139.7mm×P110×10.54mm油層套管×完鉆井深，固井水泥返至地面。井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 示范區(qū)三開井身結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 使用鉆井裝備

水平井根據(jù)油藏埋深和最大載荷計算分析，垂深3000m以內(nèi)且水平段長1500m（斜深小于4500m）的水平井選用ZJ50D電動鉆機，其余均選用ZJ70D電動鉆機。為實現(xiàn)鉆機快速平移，配套快移裝置。為滿足“三大兩高”強化參數(shù)，ZJ50及以上鉆機，配頂驅(qū)、35MPa及以上管匯、高壓泥漿泵（配備3個，一個備用），四級固控系統(tǒng)。

1.3 鉆具組合

直井段一開采用塔式，二開采用鐘擺鉆具組合。造斜段和水平段采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+地質(zhì)導(dǎo)向或LWD+螺桿配套工藝。

1.4 鉆頭及鉆井參數(shù)

噴嘴尺寸根據(jù)泥漿性能及鉆頭情況調(diào)整，保證達到設(shè)計排量與立管壓力，以提高清巖和水力破巖效果。詳細參數(shù)見表1。

2 施工風(fēng)險及保障措施

表1 三開井身結(jié)構(gòu)鉆頭及鉆井參數(shù)設(shè)計表

（1）配套油基鉆井液體系：古龍地區(qū)安全密度窗口窄，頁巖地層粘土礦物含量高，頁理/裂縫發(fā)育，為穩(wěn)定水平井井壁，選用配套地層的強封堵防塌油基鉆井液體系，提高鉆井液切力，增加井眼清潔能力，同時強化油基鉆井液封堵防塌性能，優(yōu)選合理的鉆井參數(shù)，有效降低水平井鉆井復(fù)雜時率，實現(xiàn)鉆井綜合時速。

（2）井眼軌跡優(yōu)化：水平段泥頁巖雜質(zhì)含量高、井斜變化規(guī)律不等，導(dǎo)致軌跡波動大、不平滑，摩阻大，容易發(fā)生扭矩高、阻卡嚴重等復(fù)雜。特別是地層各項異性強，軌跡易飄移，導(dǎo)致波動。需要通過完善地質(zhì)導(dǎo)向和軌跡精細控制，優(yōu)選隨鉆儀器和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，采用鉆柱扭擺滑動鉆井系統(tǒng)降摩減阻技術(shù)，使用清砂鉆桿接頭及時破壞井底巖屑床，強化固化鉆井參數(shù)，提高水平井鉆井速度和效率，從而實現(xiàn)“鉆達目標靶層、降低摩阻扭矩”的目標。

（3）提高固井優(yōu)質(zhì)率：復(fù)雜井眼條件下，長水平段水平井一次性封固固井質(zhì)量保障難度較大，特別是提高水平段優(yōu)質(zhì)井段比例方面滿足大規(guī)模壓裂。通過結(jié)合現(xiàn)場實際，以仿真數(shù)值模擬分析為基礎(chǔ)，對影響水平井固井質(zhì)量的因素進行定量分析，解決包括套管居中度、井眼軌跡和復(fù)雜的井眼幾何形狀、流體特性、注替排量和頂替效率低等問題，并使用完善的漂浮接箍工具降低套管下入風(fēng)險，優(yōu)化單井固井施工方案。

3 鉆井提速措施

3.1 完善地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，提高定向效率

開展泥頁巖裸眼快速識別和測井響應(yīng)特征研究，利用實鉆錄井資料與垂向剖面對比，建立地質(zhì)精細控制模型，形成“定測錄導(dǎo)”工程地質(zhì)一體化技術(shù)，實時調(diào)整導(dǎo)向模型，提高儲層識別能力和效率，確定軌跡處于油藏的空間位置，為提速提效釋放空間。

3.2 優(yōu)選PDC鉆頭鉆具提速

優(yōu)選高效旋沖螺桿及其配合使用的強攻擊性PDC鉆頭，預(yù)計水平段機械鉆速由6.5m/h提高到10m/h以上。根據(jù)已鉆井地層及巖性、鉆頭適應(yīng)性和井壁的穩(wěn)定性分析，優(yōu)選適合的PDC鉆頭。技套井段優(yōu)選5刀翼混合齒19mm復(fù)合片大水眼PDC鉆頭，適合三大兩高激進式鉆井；造斜段優(yōu)選五刀翼、淺內(nèi)錐、雙排齒設(shè)計、?16mm切削齒PDC，滿足定向鉆進時工具面穩(wěn)定、造斜能力強。水平段優(yōu)選五刀翼、尖圓齒、高攻擊性切削角、單排齒設(shè)計，切削能力強。同時造斜段和水平段均可配合高效的旋沖螺桿，提高機械鉆速。

3.3 強化施工工藝，優(yōu)化井眼軌跡控制技術(shù)

?215.9mm井眼推行“三趟鉆”工藝技術(shù)，實現(xiàn)精準軌跡控制。直井段+定向段一趟鉆，采取1.5°螺桿+LWD；前1000m水平段一趟鉆，采取1°螺桿+LWD；1000～1500m后水平段一趟鉆，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器；明確了水平段軌跡調(diào)整原則，按照水平段實鉆最大曲率不超過3.5°/30m，連續(xù)三點不大于3.0°/30m，最大井斜角不超過92°，在保證鉆遇率的同時，保持實鉆軌跡相對平滑；優(yōu)選LWD、近鉆頭、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器，提升儀器穩(wěn)定性；優(yōu)選高效鉆頭，低轉(zhuǎn)速高扭矩、等壁厚等高使用壽命螺桿，清砂鉆桿等工具，提高施工效率、減少系統(tǒng)摩阻和扭矩；強化參數(shù)：鉆壓50～100kN，轉(zhuǎn)速80～120r/min，排量35L/s以上，泵壓25～35MPa；嚴格落實技術(shù)措施，改進鉆井液體系，提高抑制性、潤滑性和攜砂能力，提高鉆井液性能，力爭事故復(fù)雜時率降低20%。

3.4 減摩降阻技術(shù)

（1）采用隨鉆井壁修整工具，縮短技套通井時間。針對水平井中上部姚家組等地層易縮徑，導(dǎo)致技套起鉆阻卡、測固井前需多次往復(fù)通井的問題（損失時間2～5d）。設(shè)計隨鉆井壁修整工具，該工具采用四直棱扶正結(jié)構(gòu)，直棱上設(shè)計有切削齒，采用特殊結(jié)構(gòu)的布齒設(shè)計，實現(xiàn)隨鉆對不規(guī)則井壁進行修復(fù)。

（2）采用清砂鉆桿接頭，破壞巖屑床，防止沉砂卡鉆。針對水平井井壁易失穩(wěn)，大斜度段、水平段易形成巖屑床的問題，研制清砂鉆桿接頭，該接頭設(shè)計有V型槽（采用漏斗式設(shè)計，入口尺寸大于出口尺寸，懸浮巖屑進入V型槽后流速急劇增大，提高巖屑運移速度），上返鉆井液流經(jīng)V型槽形成紊流，可將低邊巖屑懸浮井筒中，利于巖屑的清除和攜帶。

（3）采用鉆柱扭擺滑動鉆井系統(tǒng)，變靜摩擦為動摩擦，實現(xiàn)減摩降阻。水平井采用鉆柱扭擺滑動鉆井系統(tǒng)通過一個與頂驅(qū)司鉆箱相連的控制系統(tǒng)，控制頂驅(qū)帶動鉆具順時針、逆時針按設(shè)計參數(shù)反復(fù)連續(xù)擺動，以保持上部鉆柱一直處于旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，從而克服滑動鉆井過程中，因為鉆柱不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的摩阻大、“托壓”鉆速慢、巖屑床等多種問題。同時通過改變扭擺扭矩、角度設(shè)置等多種工具面調(diào)整模式，快速調(diào)整和穩(wěn)定滑動鉆井工具面（擺工具面由30min縮短至5min）。

3.5 優(yōu)選隨鉆儀器，實現(xiàn)軌跡精細控制

采用近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，提高儲層鉆遇率。一是及時掌握地層巖性變化信息，二是及時根據(jù)井斜和方位漂移狀況，合理優(yōu)選、調(diào)整施工參數(shù)，避免預(yù)判誤差造成軌跡不平滑。三是通過方位伽馬和電阻率判斷出層方向，提高決策準確率，并且減少決策等停時間，提高油層鉆遇率。

3.6 管理提速

一是成立組織機構(gòu)，成立了領(lǐng)導(dǎo)小組，下設(shè)生產(chǎn)保障、技術(shù)支撐和科研攻關(guān)3個工作推進小組，明確了職責(zé)及分工，積極落實雙盯工作法，統(tǒng)籌推進提速、提質(zhì)、降本增效工作；二是對存在的主要影響施工效率問題，逐項分析落實，制定相應(yīng)技術(shù)措施，形成了整體提速提質(zhì)提效施工模板；每口井施工前，利用學(xué)習(xí)曲線，制定詳細的“紙上鉆井”實施方案，工作安排和工序銜接時間控制到小時，加強分析實鉆與方案存在差異，及時總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，修正下步工作技術(shù)措施，確保提速效果。三是安排責(zé)任工程師及以上專家，實施“井長”包井制；充分利用RTOC遠程技術(shù)支持系統(tǒng)，確保工程技術(shù)措施落實到位，實現(xiàn)提速提效目標。四是堅持“四個超前”工作原則，推行“1343”管理模式，細化鉆井、固井、錄井各專業(yè)的工作流程，強化節(jié)點控制，做到各道工序“無縫銜接”，實現(xiàn)管理提速提效。五是強化裝備物資保障，以滿足“三大兩高”強化參數(shù)、實現(xiàn)鉆機快速平移、鉆井液體系快速轉(zhuǎn)換和工序無縫銜接等原則，加強高壓泵、高壓地面管線、鉆機平移裝置、固控設(shè)備、頂驅(qū)等裝備更新配套和保障，減少設(shè)備修理時間，確保施工高效。

4 結(jié)論與認識

（1）攻關(guān)試驗強攻擊性PDC鉆頭。大慶水平井施工井段是以泥巖為主，夾雜紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等巖的青山口組和泉頭組，改原有雙排齒，5刀翼為主的PDC鉆頭，為了解決紫紅色泥巖地層吃入難問題，對PDC鉆頭設(shè)計選型上做了較大的調(diào)整：①由5刀雙排改為5刀單排設(shè)計，同時能確保鉆頭的穩(wěn)定性；②減少了布齒密度，攻擊力加強；③調(diào)整齒的后角提高攻擊性，同時保證單齒受力均衡性；④為提高泥巖的吃入性，選配尖圓齒和玫瑰齒等切削齒。

（2）坍塌頁巖安全鉆進。依托井壁穩(wěn)定機理分析，通過分析巖石力學(xué)性能與測井數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系，建立三維壓力預(yù)測模型，優(yōu)化鉆井液密度和性能，匹配最佳參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工保障安全鉆進。在配合工程施工措施、清砂工具和鉆井參數(shù)的強化，最終形成古龍地區(qū)頁巖地層安全鉆進施工配套工藝。

（3）精準軌跡控制、減摩降阻。定向繞障前，必須測得上部井段可靠的井斜方位數(shù)據(jù)，測量間距不大于30m；在防碰井段要加密測量；二開完鉆后起鉆前必須投測電子多點，三開定向前由現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)上部井段情況適時投測多點；明確了水平段軌跡調(diào)整原則，按照水平段實鉆最大曲率不超過3.5°/30m，連續(xù)三點不大于3.0°/30m，最大井斜角不超過92°，在保證鉆遇率的同時，保持實鉆軌跡相對平滑；采用隨鉆井壁修整工具，縮短技套通井時間。針對水平井中上部姚家組等地層易縮徑，導(dǎo)致技套起鉆阻卡、測固井前需多次往復(fù)通井的問題（損失時間2～5d）。設(shè)計隨鉆井壁修整工具，該工具采用四直棱扶正結(jié)構(gòu)，直棱上設(shè)計有切削齒，采用特殊結(jié)構(gòu)的布齒設(shè)計，實現(xiàn)隨鉆對不規(guī)則井壁進行修復(fù)。

（4）集成配套。通過持續(xù)開展理論研究和技術(shù)攻關(guān)，并應(yīng)用于現(xiàn)場示范，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)，探索高效勘探開發(fā)方法，預(yù)計可形成鉆井平臺化施工工藝配套技術(shù)，提升水平井施工效率。