吉木薩爾頁巖油超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)

萬教育，折扶蓉，閆華兵，張學(xué)德，顧宗茂，李俊勝

(1.西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探吐哈錄井工程公司，新疆烏魯木齊830026)

吉木薩爾頁巖油儲(chǔ)量豐富，是新疆油田公司“十三五”后三年規(guī)模上產(chǎn)和中石油推進(jìn)新疆地區(qū)5000×104t油氣當(dāng)量上產(chǎn)工程的重要支撐。但目的層蘆草溝組油層厚度薄，內(nèi)部微幅構(gòu)造發(fā)育，開發(fā)難度大。目前采用2000m 左右水平段水平井開發(fā)雖然取得了較好的效果，但為一步動(dòng)用潛在儲(chǔ)量，在前期開發(fā)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，決定采用3000m以上水平段水平井開發(fā)。

1 區(qū)域地層特點(diǎn)

吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起。目的層蘆草溝組全凹陷均勻分布，面積1278km2，厚度200～350m；發(fā)育上、下兩個(gè)甜點(diǎn)體。蘆草溝組坍塌壓力低，井眼穩(wěn)定性好，井徑規(guī)則。兩套儲(chǔ)層主要為以云質(zhì)粉細(xì)砂巖、砂屑云巖為主，整體粘土礦物含量較低；孔隙度5%～15%，平均10.47%；滲透率在0.01～0.4mD 之間，平均0.11mD。由于儲(chǔ)層滲透率低，用常規(guī)技術(shù)和方法進(jìn)行勘探開發(fā)難度大，費(fèi)用高，而超長(zhǎng)水平段水平井開發(fā)可增加壓裂改造段數(shù)、提高致密油藏開發(fā)效率而被應(yīng)用。

2 超長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)

2.1 軌跡控制難度大

（1）裸眼段長(zhǎng)且鉆遇多個(gè)層系，鉆遇地層巖石可鉆性差，軌跡控制難。

（2）造斜段鉆遇層位韭菜園組、梧桐溝組和二疊系的蘆草溝組，地層主要以泥巖為主，巖石可鉆性差，機(jī)械鉆速低。

（3）水平段長(zhǎng)超過3000m，斜井段易形成巖屑床，摩阻扭矩大，定向滑動(dòng)鉆進(jìn)中，鉆具貼緊下井壁，鉆井施工過程中摩阻升高，鉆井施工難度增大，井眼軌跡控制難度大。

（4）三維繞障，摩阻扭矩大，軌跡控制難。吉木薩爾頁巖油采用工廠化作業(yè)，存在三維繞障，水平段超過3000m 后，長(zhǎng)水平段三維水平井因位垂比大、裸眼段長(zhǎng)，且消除偏移距后易形成井眼軌跡拐點(diǎn)，造成定向鉆進(jìn)中滑動(dòng)摩阻扭矩急劇增加，井眼軌跡控制難度大。

（5）水平段后期鉆具摩阻大、接單根困難、鉆頭處難以有效傳遞鉆壓、鉆具極易發(fā)生屈曲，導(dǎo)致鉆具疲勞損壞?；瑒?dòng)鉆進(jìn)時(shí)，托壓嚴(yán)重，鉆壓難以有效傳遞到鉆頭上，工具面失穩(wěn)，滑動(dòng)機(jī)械鉆速低，井眼軌跡控制難度大。

2.2 長(zhǎng)裸眼段井壁不穩(wěn)定

長(zhǎng)裸眼存在鉆井周期長(zhǎng)、祼眼段浸泡時(shí)間長(zhǎng)、井壁失穩(wěn)、噴漏同存等諸多技術(shù)瓶頸，對(duì)鉆井液提出了更高的要求，必須增強(qiáng)鉆井液的抑制封堵防塌、潤(rùn)滑防卡及攜砂性能。

3 超長(zhǎng)水平段定向井技術(shù)

3.1 井身剖面優(yōu)化

針對(duì)三維水平井，通過井眼軌跡優(yōu)化，三維轉(zhuǎn)二維，在上部井眼以小井斜將方位扭至接近或達(dá)到設(shè)計(jì)要求，打出側(cè)向偏移距，然后全力增斜，直到著陸入靶。通過軌跡優(yōu)化減少后期造斜段施工中扭方位井段長(zhǎng)度及方位調(diào)整幅度，優(yōu)化造斜段狗腿度。

3.2 3100m水平段延伸能力可行性及鉆柱摩阻扭矩分析

（1）計(jì)算條件。水平段鉆具組合：?215.9mm 鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+地質(zhì)導(dǎo)向+?127mm 無磁鉆鋋1 根+?127mm加重鉆桿3根+?127mm斜坡鉆桿。

井眼軌道設(shè)計(jì)：采用優(yōu)化后軌道設(shè)計(jì)。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：二開?244.5mm 技術(shù)套管下至A點(diǎn)，三開專打水平段。

鉆井液設(shè)計(jì)：三開水平段采用油基鉆井液體系，鉆井液設(shè)計(jì)密度1.55g/cm3。

摩阻系數(shù)：上層套管段摩阻系數(shù)0.2，裸眼段摩阻系數(shù)0.3/0.4。

計(jì)算軟件：Sunny軟件。

（2）計(jì)算結(jié)果。

①鉆柱抗扭強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及三軸應(yīng)力均滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求；

②鉆具屈曲計(jì)算：鉆柱在滑動(dòng)鉆進(jìn)和下鉆兩種工況下均有屈曲變形，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)沒有屈曲。裸眼段摩阻系數(shù)取0.3 時(shí)，螺旋和正弦屈曲屈曲井段1700～2700m（見圖1）；裸眼段摩阻系數(shù)取0.4時(shí)：螺旋和正弦屈曲井段1300～3000m（見圖2）。因此滑動(dòng)鉆進(jìn)方式無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)水平段的延伸鉆進(jìn)，而旋轉(zhuǎn)鉆井均無屈曲發(fā)生。因此，如果采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，變滑動(dòng)摩阻為滾動(dòng)摩阻，可有效減少鉆柱摩阻，保證軌跡控制的最大延伸長(zhǎng)度。

圖1 摩阻系數(shù)0.3軸向力計(jì)算結(jié)果

圖2 摩阻系數(shù)0.4向力計(jì)算結(jié)果

3.3 鉆頭及鉆具組合優(yōu)選

3.3.1 造斜段鉆頭優(yōu)選

造斜段韭菜園組巖性主要為泥巖和含礫泥巖。梧桐溝組巖性主要為泥巖，硬度大，因此優(yōu)選尖、圓混合布齒的牙輪鉆頭，提高攻擊能力和抗沖擊性。也可以選擇攻擊能力和抗沖擊性較強(qiáng)的PDC鉆頭。

3.3.2 水平段鉆頭優(yōu)選

水平段蘆草溝組地層巖石可鉆性較梧桐溝組地層相對(duì)較好，根據(jù)前期完鉆井經(jīng)驗(yàn)，選用應(yīng)用效果較好的史密斯MDi516鉆頭。該鉆頭增大了排屑槽，更適應(yīng)快速鉆進(jìn)的需要；調(diào)整了復(fù)合片減震結(jié)構(gòu)，提高鉆頭在低鉆壓狀態(tài)下的吃入深度；優(yōu)化了肩部布齒，若發(fā)生大段劃眼時(shí)可有效降低鉆頭損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.3 導(dǎo)向工具優(yōu)選

由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可以在定向過程實(shí)現(xiàn)鉆柱旋轉(zhuǎn)；通過井下控制系統(tǒng)、偏置裝置來改變鉆頭位置及側(cè)向力方向；具有更高的井眼延伸能力；具有更強(qiáng)的井眼清潔能力強(qiáng)，提速效果好。根據(jù)鉆具屈曲計(jì)算結(jié)果，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可確保水平段的延伸能力，因此首選旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向作為導(dǎo)向工具。

但因旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向數(shù)量不足，因此將常規(guī)螺桿導(dǎo)向與降摩阻工具配合使用，實(shí)現(xiàn)降摩減阻，可在造斜段應(yīng)用。

3.3.4 水力振蕩器的應(yīng)用

水力振蕩器能在泥漿脈沖的連續(xù)作用下，產(chǎn)生高頻的軸向振動(dòng)，帶動(dòng)井下工具產(chǎn)生振動(dòng)，將靜摩擦轉(zhuǎn)換為動(dòng)摩擦，且成本低，施工方便，因此選擇水力振蕩器作為降摩阻工具，并配合螺桿使用。

3.3.5 不同井段鉆具組合

造斜段：牙輪鉆頭+螺桿+水力振蕩器；

水平段：PDC（MDi516）+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。

3.4 軌跡控制技術(shù)措施

3.4.1 造斜段

（1）確定合理的造斜點(diǎn)。選擇巖性穩(wěn)定、可鉆性較好、機(jī)械鉆速較快的地層造斜，再計(jì)算摩阻扭矩，最終確定最佳造斜點(diǎn)位置。造斜段為216mm井眼，井眼尺寸相對(duì)較大，側(cè)鉆難度較高，使用牙輪鉆頭和1.75o單彎螺桿保證側(cè)鉆成功率。注意及時(shí)開復(fù)合，避免大狗腿出現(xiàn)。大井眼施工，因調(diào)整方位比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，應(yīng)盡量在側(cè)鉆階段將方位對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方位，減少后期施工難度。

（2）按優(yōu)化設(shè)計(jì)控制造斜率，根據(jù)地層可鉆性和定向施工鉆時(shí)情況，充分利用鉆具組合的復(fù)合增斜規(guī)律進(jìn)行軌跡控制。依據(jù)鄰井鉆井情況和錄井資料，在預(yù)判到的夾層、蓋層等難鉆井段提前做好待鉆軌跡設(shè)計(jì)，選擇復(fù)合鉆進(jìn)，利用鉆時(shí)快的層段進(jìn)行滑動(dòng)定向增斜，提高作業(yè)效率。

（3）造斜段后期入靶前可能會(huì)有軌跡調(diào)整，要求儀器工作穩(wěn)定，著陸井段以LWD 結(jié)合錄井地質(zhì)導(dǎo)向?yàn)闇?zhǔn)，確保準(zhǔn)確著陸和入靶。

3.4.2 水平段

（1）水平段使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，充分利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自身的導(dǎo)向優(yōu)勢(shì)，提高水平段鉆進(jìn)效率，減少儲(chǔ)層浸泡時(shí)間。

（2）強(qiáng)化水力參數(shù)，增加排量，從而提高井眼清潔能力。

（3）水平段延伸鉆進(jìn)中存在鉆壓的傳遞和攜屑困難等問題，施工中應(yīng)根據(jù)井眼狀況，提高轉(zhuǎn)速、加強(qiáng)短提、分段旋轉(zhuǎn)洗井、通井等工程措施，確保井眼清潔和井下安全。

（4）水平段選擇地層識(shí)別精度較高的地質(zhì)導(dǎo)向工具，配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，強(qiáng)化待鉆井眼軌跡預(yù)測(cè)和實(shí)鉆井眼軌跡走向預(yù)判，提高井眼軌跡控制效率和精度，確保井眼軌跡在最佳油層中穿行。

3.5 使用油基鉆井液，提高井壁穩(wěn)定性、降低摩阻扭矩

針對(duì)長(zhǎng)裸眼段浸泡時(shí)間長(zhǎng)、井壁失穩(wěn)、噴漏同存等諸多技術(shù)難題，推薦使用抑制性強(qiáng)、潤(rùn)滑性好的油基鉆井液，降低長(zhǎng)水平段水平井鉆進(jìn)過程中的摩阻扭矩。確定合理的鉆井液密度，確保井壁穩(wěn)定。優(yōu)選合理的流變參數(shù)，確保鉆井液流動(dòng)性的同時(shí)提高其懸浮攜帶能力；強(qiáng)化鉆井參數(shù)，增大排量，控制環(huán)空返速，提高鉆井液的攜巖能力，保證井眼清潔。

4 JHW00421井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 優(yōu)化井眼軌跡

根據(jù)實(shí)鉆地層情況對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了軌跡優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)考慮地質(zhì)要求、巖性變化及機(jī)械鉆速，造斜在巖性穩(wěn)定、可鉆性好的井段造斜，同時(shí)充分考慮軌跡摩阻扭矩，將造斜點(diǎn)提前30m，同時(shí)降低第一圓弧段狗腿度，將第一圓弧段狗腿度由5.81?/30m 降到4.91?/30m，第二圓弧段狗腿度由5.5?/30m降到4.82?/30m，從而降低摩阻扭矩，增大水平段延伸能力。原剖面設(shè)計(jì)見表1。優(yōu)化設(shè)計(jì)剖面見表2。

井眼軌跡優(yōu)化后進(jìn)行摩阻扭矩分析，計(jì)算結(jié)果表明，最大摩阻23.66t，地面最大扭矩22.32kN·m?？估?、抗扭、三軸應(yīng)力均通過，滑動(dòng)鉆進(jìn)至2150m附近正弦屈曲產(chǎn)生，但斜井段均采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，不會(huì)產(chǎn)生屈曲。因此優(yōu)化的軌跡和優(yōu)選的鉆具組合均滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

表1 原剖面設(shè)計(jì)表

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)剖面

4.2 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

根據(jù)伽馬、電阻率、巖性等，擬合計(jì)算地層傾角，確定當(dāng)前軌跡位置，指導(dǎo)井斜控制，確保軌跡在最佳油層中穿行。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與地質(zhì)導(dǎo)向相結(jié)合，2趟鉆完成3100m水平段，水平段平均機(jī)械鉆速達(dá)14.19m/h，油層鉆遇率96.0 %。

此外，在JHW00422井應(yīng)用，水平段旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與地質(zhì)導(dǎo)向相結(jié)合，6 趟鉆完成3500m 水平段，水平段平均機(jī)械鉆速達(dá)12.8m/h，油層鉆遇率98.0%。水平段長(zhǎng)創(chuàng)中石油集團(tuán)公司非常規(guī)油藏水平段最長(zhǎng)記錄。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）根據(jù)實(shí)鉆資料，造斜前進(jìn)行軌跡優(yōu)化及鉆柱摩阻扭矩分析，可確保3000m 及以上水平段水平井延伸長(zhǎng)度。

（2）利用油基鉆井液良好的潤(rùn)滑性，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，可有效降低了長(zhǎng)水平段摩阻扭矩，大大提高水平段延伸長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了3500m水平段的成功完鉆。

（3）造斜段牙輪鉆頭+水力振蕩器，機(jī)械鉆速較低，建議進(jìn)行PDC鉆頭選型并結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，提高造斜段機(jī)械鉆速。