渤海油田大位移定向鉆井關(guān)鍵技術(shù)

劉俊彥，林家昱，劉海龍，竇 蓬

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司天津分公司 天津300459；2. 中海石油(中國(guó))有限公司 天津 300459)

隨著渤海油田增儲(chǔ)上產(chǎn)，大位移井日益增多，部分區(qū)塊最大水垂比已達(dá)到3.0，為定向鉆井帶來(lái)很大困難，導(dǎo)致鉆井過(guò)程摩阻扭矩增大、鉆具易疲勞破壞、井眼清潔困難、井底ECD大、井壁失穩(wěn)、下套管及電測(cè)困難等問(wèn)題。傳統(tǒng)解決大位移井問(wèn)題主要通過(guò)研究鉆井液及井壁穩(wěn)定、井眼清潔及鉆具摩阻扭矩三方面入手，未涉及瘦身井井身結(jié)構(gòu)、可循環(huán)利用環(huán)保型鉆井液體系等內(nèi)容[1-3]。為了解決大位移定向鉆井的難點(diǎn)問(wèn)題，本文通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減少井身結(jié)構(gòu)開(kāi)次、使用瘦身井井身結(jié)構(gòu)等方式，在不同井段把作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分化，從而降低下部井段作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)縮短工期、降低鉆井成本；為降低整體鉆具摩阻優(yōu)選鉆具組合及導(dǎo)向工具，提出了采用中海油服的國(guó)產(chǎn)化工具“D+W”(Drilog+Wellleader)技術(shù)，能準(zhǔn)確識(shí)別油層并及時(shí)調(diào)整井眼軌跡[4]。針對(duì)超長(zhǎng)穩(wěn)斜段的大位移井，提出采用倒裝鉆具，可有效給下部鉆具加壓，以達(dá)到順利下鉆的目的。對(duì)于要求全回收的區(qū)域，可采用環(huán)保型BIODRILL A鉆井液體系，通過(guò)撬裝絮凝壓濾一體機(jī)實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的可循環(huán)利用，同時(shí)對(duì)于存在地層阻卡、倒劃眼時(shí)間長(zhǎng)及固井循環(huán)返出軟泥巖情況的地層，進(jìn)行了安全鉆井泥漿密度窗口與井壁穩(wěn)定周期研究。此外，合理使用巖屑床破壞器、水力振蕩器等降摩減阻工具，也能減少鉆柱整體摩阻扭矩，預(yù)防井下復(fù)雜情況，提高機(jī)械鉆速。

1 大位移井整體設(shè)計(jì)思路

大位移軌道設(shè)計(jì)是實(shí)施定向井鉆井作業(yè)的基礎(chǔ)，合理的井身剖面及井身結(jié)構(gòu)有利于降低鉆具摩阻扭矩，提高井眼清潔，預(yù)防井下復(fù)雜情況。

①造斜段狗腿設(shè)計(jì)盡量小，2°～3°/30 m最合適，扭方位設(shè)計(jì)盡量低于2°/30 m。

②井身剖面設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單越好，一般三段式剖面、懸鏈線(xiàn)形設(shè)計(jì)較為適合。

③穩(wěn)斜段設(shè)計(jì)低于86°以下較好。

④造斜段的套管柱設(shè)計(jì)盡量選用厚壁型。

⑤鉆具組合盡量簡(jiǎn)化，以利于電機(jī)正常工作。

⑥鉆柱的三軸應(yīng)力、屈曲、側(cè)向力校核，選擇合適的鉆井參數(shù)，確保管柱安全。

⑦加重鉆桿盡量少放，過(guò)多的加重鉆桿會(huì)增加底部鉆具質(zhì)量，增加無(wú)用的摩擦扭拒，增加泵壓，增大鉆具粘卡的可能性，嚴(yán)重時(shí)，可使電機(jī)失去作用，甚至損壞。

⑧考慮作業(yè)難度最大的工況。

2 定向鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 創(chuàng)新井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于渤海油田的地質(zhì)特點(diǎn)，創(chuàng)造性地優(yōu)化針對(duì)渤海油田大位移井井身結(jié)構(gòu)，將表層套管下至第一造斜結(jié)束點(diǎn)，在17-1/2″(注：1″＝25.4 mm，下同)井段開(kāi)始造斜，12-1/4″井段穩(wěn)斜鉆進(jìn)，各井段承擔(dān)不同任務(wù)，分化作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，降低下一開(kāi)次井段作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

渤海油田大部分大儲(chǔ)層位于明化鎮(zhèn)組淺層大位移井水平井，采用三層井身結(jié)構(gòu)，17-1/2″井眼下13-3/8″套管封固平原組，12-1/4″井眼下9-5/8〞套管至儲(chǔ)層頂部，8-1/2″井眼鉆水平段裸眼；在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，如遇到井漏、井塌等情況，各層套管下深應(yīng)根據(jù)實(shí)鉆情況進(jìn)行調(diào)整。如部分井深超過(guò)3 600 m的大位移井采用基本設(shè)計(jì)階段備用的四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)方案：在三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，8-1/2″井眼著陸，下7″尾管，6″井眼完鉆[5]。目前渤海少數(shù)淺層大位移井采用瘦身井井身結(jié)構(gòu)12-1/4″井眼內(nèi)下10-3/4″套管，然后打9-1/2″井眼，下入7-5/8″套管，再打6-1/2″井眼完井，通過(guò)持續(xù)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，減少井身結(jié)構(gòu)開(kāi)次，甚至使用瘦身井井身結(jié)構(gòu)，可縮短工期、降低鉆井成本。

2.2 鉆具組合設(shè)計(jì)

通常已鉆大位移井12-1/4″井段井深小于3 000 m井使用電機(jī)鉆進(jìn)，井深大于3 000 m的井，上部井段采用電機(jī)鉆具組合鉆進(jìn)，下部井段采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合鉆進(jìn)，配合使用巖屑床破壞器以提高井眼清潔的效果；8-1/2″井段基本采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合鉆進(jìn)。對(duì)于12-1/4〞上部井段通常采用海水搬土漿用電機(jī)鉆進(jìn)，常用鉆具組合為：12-1/4″PDC-Bit+9-5/8″PDM(1.15°)+8″F/V+STB+8″NMDC+MWD+8″S NMDC+8″(F/J+JAR)，當(dāng)鉆進(jìn)速度較慢時(shí)起鉆將馬達(dá)換為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向繼續(xù)鉆進(jìn)。

2.3 國(guó)產(chǎn)化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具研發(fā)及應(yīng)用

渤海油田常用的12-1/4"井眼旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆測(cè)井鉆具組合為：12-1/4"PDC-Bit+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+8"F/V+8"LWD+8"MWD+8"NMDC+8"(F/J+JAR)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具渤海油田通常采用的有4種，分別是：Baker Hughes公司生產(chǎn)的AutoTrak、中海油服的Wellleader、Schlumberger的PowerDrive/Xceed、Hallburton的Geopilot[6]。

隨著我國(guó)自主研發(fā)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，中海油田技術(shù)服務(wù)公司的“D+W”技術(shù)已得到較為廣泛的應(yīng)用[7]。其基本組合為Welleader(包含渦輪發(fā)電機(jī))+Drilog+MWD，其中Welleader為最初的儀器，儀器串組合為導(dǎo)向短節(jié)+柔性短節(jié)+渦發(fā)短節(jié)，導(dǎo)向單元由渦輪供電，MWD包括探管和脈沖發(fā)生器(圖1)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向渦輪發(fā)電機(jī)可穩(wěn)定提供300 W電能，供旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向使用，同時(shí)部分渦輪發(fā)電機(jī)拓展了向上供電功能，可為Drilog系統(tǒng)提供測(cè)量用電，在沒(méi)有外部供電情況下，部分儀器由中控鋰電池供電。

采用“D+W”技術(shù)配合MWD與實(shí)時(shí)LWD可實(shí)現(xiàn)井眼軌跡控制，選用合理的鉆井參數(shù)、適度的電機(jī)彎角及合適的上扶正器尺寸，保證軌跡控制效果。目前該技術(shù)已在渤海多油田展開(kāi)應(yīng)用，通過(guò)LWD的伽瑪和電阻率測(cè)量值可及時(shí)掌握地層信息，為準(zhǔn)確識(shí)別油層、及時(shí)調(diào)整井眼軌跡，提供了可靠的依據(jù)。

2.4 采用倒裝鉆具

大位移井超長(zhǎng)穩(wěn)斜段大斜度導(dǎo)致井眼清潔困難，起下鉆及下尾管摩阻較大，為此現(xiàn)場(chǎng)在直井段或井斜較小井段采用鐘擺鉆具組合，倒裝加重鉆桿為下部鉆具加壓，實(shí)現(xiàn)順利下鉆、鉆進(jìn)或下套管目的(圖2)。

2.5 鉆井液優(yōu)選與井壁穩(wěn)定研究

目前渤海常規(guī)淺層大位移井常溫常壓體系鉆明化鎮(zhèn)組泥漿密度范圍一般為1.07～1.18 g/cm3，所用泥漿類(lèi)型由海水膨潤(rùn)土漿過(guò)渡為聚合物體系再轉(zhuǎn)為改進(jìn)型PEC鉆井液，或者直接由海水膨潤(rùn)土漿轉(zhuǎn)為改進(jìn)型PEC鉆井液。對(duì)于斑海豹保護(hù)區(qū)、生態(tài)紅線(xiàn)區(qū)等要求全回收的區(qū)域，多采用BIODRILL A環(huán)保型鉆井液體系，并通過(guò)撬裝絮凝壓濾一體機(jī)實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的可循環(huán)利用。

部分大位移井明化鎮(zhèn)組及館陶組上部地層阻卡情況嚴(yán)重，尤其在井深較深時(shí)處理阻卡的時(shí)間占比更大，且三開(kāi)固井循環(huán)返出黏軟泥餅及部分細(xì)碎巖屑，說(shuō)明存在砂泥巖地層的坍塌、縮徑等井壁失穩(wěn)問(wèn)題，BIODRILL A鉆井液用包被抑制劑高分子胺基聚合物PF-BIOCAP，通過(guò)胺基的強(qiáng)吸附和插層抑制作用，有效吸附在黏土晶層間，抑制黏土和頁(yè)巖水；通過(guò)對(duì)井壁穩(wěn)定、管柱力學(xué)、鉆井水力學(xué)等方面開(kāi)展深入的綜合研究，進(jìn)一步精確預(yù)測(cè)安全鉆井泥漿密度窗口與井壁穩(wěn)定周期，建立更加符合本油田實(shí)際工程條件的水力攜巖模型、管柱摩阻扭矩和延伸極限預(yù)測(cè)模型，指導(dǎo)鉆井方案設(shè)計(jì)，提高長(zhǎng)裸眼段井壁穩(wěn)定性。

2.6 降摩減阻工藝

在保持井徑規(guī)則，減少縮徑、垮塌及掉塊等情況下，合理使用巖屑床破壞器、水力振蕩器等降摩減阻工具，也能有效減少鉆柱摩阻扭矩，預(yù)防井下復(fù)雜情況的發(fā)生[8-10]。

2.6.1 巖屑床破壞器

大位移井鉆井過(guò)程中，由于井眼較長(zhǎng)，井斜角過(guò)大(40°～65°)，導(dǎo)致井底巖屑攜帶困難，形成巖屑床，直接影響鉆井、下套管及電測(cè)等作業(yè)，嚴(yán)重時(shí)造成井下事故。巖屑床破壞器工具長(zhǎng)度、扣型與鉆桿一致，直接安放于鉆具之中且不會(huì)造成額外扭矩，能有效減少蹩泵、蹩扭現(xiàn)象，提高起下鉆作業(yè)效率，保證作業(yè)的連續(xù)性，同時(shí)有效清除井眼底邊的巖屑床，提高巖屑返出量。保證井眼清潔能夠降低循環(huán)當(dāng)量密度，輔助提高機(jī)械鉆速，其工具的設(shè)計(jì)性能遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)鉆桿，能夠保證井下作業(yè)安全性(圖3)。

2.6.2 水力振蕩器

水力振蕩器通過(guò)軸向振蕩克服鉆柱與井壁之間的摩阻，適用于復(fù)合鉆進(jìn)作業(yè)，主要解決托壓?jiǎn)栴}，能夠?qū)Ω墩掣娇ㄣ@以及幫助鉆具解卡。大位移井中電機(jī)配合水力振蕩器使用在渤海油田越來(lái)越多的井中，能夠有效減少定向托壓，提高機(jī)械鉆速，減少鉆井成本，同時(shí)具有良好的軌跡控制效果。渤海油田旅大區(qū)塊的一口井在8-1/2″井眼鉆進(jìn)中，使用水力振蕩器后，托壓減小，鉆速提高，和未使用水力振蕩器鉆進(jìn)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比，三段地層平均機(jī)械鉆速分別提高了340.6%、285.2%和324.2%(圖4)。

3 結(jié) 論

為了解決大位移定向鉆井的難點(diǎn)問(wèn)題，從大位移井設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，通過(guò)將表層套管下至第一造斜結(jié)束點(diǎn)、減少井身結(jié)構(gòu)開(kāi)次和采用瘦身井井身結(jié)構(gòu)等方式，降低了下部井眼段作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，有利于縮短施工工期、降低鉆井成本。

通過(guò)優(yōu)選鉆具組合及導(dǎo)向工具，采用中海油服的國(guó)產(chǎn)化“D+W”工具，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的識(shí)別油層并及時(shí)進(jìn)行井眼軌跡調(diào)整。

對(duì)于要求全回收的鉆井作業(yè)區(qū)域，可采用環(huán)保型BIODRILL A鉆井液體系，通過(guò)撬裝絮凝壓濾一體機(jī)實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液的可循環(huán)利用，并對(duì)井壁失穩(wěn)地層提出了安全鉆井泥漿密度窗口與井壁穩(wěn)定周期研究。大位移井鉆井作業(yè)中合理使用巖屑床破壞器、水力振蕩器等降摩減阻工具，能有效降低摩阻扭矩，保障井下作業(yè)安全性，提高機(jī)械鉆速?！?/p>