北美非常規(guī)油氣超長水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)及實例分析

張家希，于家慶，Roman Galchenko，何躍文，楊雄文，彭 齊，劉 青

（中石油休斯頓技術(shù)研究中心，美國休斯頓77042）

0 引言

目前國內(nèi)外非常規(guī)油氣田開發(fā)面臨油氣價格持續(xù)低靡的挑戰(zhàn)，增產(chǎn)增效顯得尤為關(guān)鍵。在鉆井方面有2 大發(fā)展趨勢：一是為提高單井產(chǎn)量和接觸的油藏體積，水平段長度越來越長；二是為提高經(jīng)濟效益、減少單位成本和建井周期，鉆井效率不斷提高。這對水平井鉆井，尤其是超長水平井（水平段長＞3000 m）鉆井提出了極大的挑戰(zhàn)。形成一套完善的超長水平井鉆井技術(shù)體系，有效地提速和縮短鉆井周期，就顯得尤為重要。

隨著中國國內(nèi)非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)步伐的逐步加快，水平井鉆井技術(shù)也在飛速發(fā)展。經(jīng)過2005-2010 年的開始階段，以及后續(xù)10 多年的發(fā)展，基本形成了一套適合各個油氣田的長水平井（水平段長1500 m 左右）鉆井技術(shù)方案。2021 年3 月，中石化華東石油局在川南成功鉆成一口創(chuàng)紀錄的超長水平井，完鉆井深 6455 m，水平段長 3583 m［1］，刷新了2020 年4 月由中石油在西南油田創(chuàng)下的3100 m 的記錄［2］。2021 年 7 月，川慶鉆探再次刷新了國內(nèi)超長水平井記錄，水平段長達到5256 m［3］。最近幾年里，國內(nèi)超長水平井鉆井技術(shù)有了重大的突破。在鉆井效率上也取得了很大的進展。西南油氣田最近完成一口超長水平井，完鉆井深5700 m，水平段長3000 m，鉆井周期縮短到創(chuàng)紀錄的56.5 d［4］，打破了此前國內(nèi)頁巖氣超長水平井鉆井周期記錄。

縱觀國內(nèi)超長水平井鉆井方面取得的成就，與北美相比還是存在一定的差距。北美在這方面起步較早，自2000 年以來取得了巨大的進步，已經(jīng)形成了成熟的超長水平井鉆井技術(shù)以及配套的工具、設(shè)備。水平段長度＞3000 m 的井非常普遍，而在2018年水平段長度紀錄達到了6340 m［5］。鉆井周期也在不斷縮短，以二疊紀盆地為例，水平段長在3000 m左右的井，二開設(shè)計鉆井周期一般13～14 d，三開設(shè)計鉆井周期一般21～22 d，鉆井效率明顯高于國內(nèi)。由于新冠疫情影響，該區(qū)塊鉆機總數(shù)從2018 年最高490 臺 降 至 2020 年 7 月 最 低 123 臺 ，下 降 比 例 為75%。但隨著疫情的減緩，國際油價的回升，該區(qū)塊目前鉆機總數(shù)已經(jīng)回升到227 臺（2021 年4 月數(shù)據(jù)［6］），同比其他北美油氣田，其鉆機總數(shù)上漲速度最快（85%）。二疊紀盆地的開發(fā)優(yōu)勢和疫情后的強力復(fù)蘇，表明該盆地油氣藏開發(fā)經(jīng)受住了市場的考驗。從技術(shù)角度來講得益于近年來不斷更新的非常規(guī)資源開發(fā)技術(shù)，尤其是水平井鉆井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)。本文從水平井鉆井技術(shù)出發(fā)，結(jié)合二疊紀盆地2 口井的實鉆數(shù)據(jù)，概要介紹北美超長水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)，供中國國內(nèi)同行參考。

1 實例井基本信息

1.1 地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)分層

二疊紀盆地是位于得克薩斯州西部和新墨西哥州東南部的大型沉積盆地，東西寬約400 km，南北長約480 km。地質(zhì)構(gòu)造上分為Delaware 盆地、Mid?land 盆地和中央臺地3 個相互連接但又互不相同的沉積區(qū)（圖1）。

圖1 二疊紀盆地區(qū)域及地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Permian Basin area and geological structure

由于其地質(zhì)結(jié)構(gòu)，油氣層數(shù)量、厚度、深度，含油比以及地理位置的不同，在不同區(qū)塊內(nèi)鉆遇的地層有比較大的差異，因此，鉆井設(shè)計以及建井周期和成本差異非常大。圖2 為二疊紀盆地地質(zhì)分層剖面圖，Delaware 盆地相對Midland 盆地儲層較深，垂直深度＞3000 m，并且地層壓力也相對較高。

圖2 二疊紀盆地各區(qū)域地質(zhì)分層對比Fig.2 Permian Basin geological stratification correlation

本文選用的實例井位于Delaware 盆地，其井位位于Bone Spring 和Wolfcamp 儲層疊加的區(qū)域。在該區(qū)域，作業(yè)者大多采用叢式井，多層同場疊加開發(fā)方案，并采用分開次批鉆井工廠化作業(yè)，以進一步提高鉆井效率。鉆遇巖層及其抗壓強度如表1 所示。主要的鉆井難題包括位于500～700 m 左右的大段鹽層和石膏層的井壁穩(wěn)定問題，中段的軟硬夾層，下部的硬砂巖、灰?guī)r互層的加壓和工具面控制的問題，以及上部各地層的井漏問題。

表1 鉆遇地層巖性及巖石抗壓強度Table 1 Lithology and rock compressive strength

1.2 井身結(jié)構(gòu)

該井場設(shè)計為并排2 口井的批鉆井（1 號井、2號井），井口間距20 ft（1 ft=304.8 mm）。目標層分別為較深的Wolfcamp A 和較淺的3rdBone Spring。由于目標層埋深和地層孔隙壓力的不同，2 口井分別采用三開設(shè)計和二開設(shè)計，如圖3 所示。

圖3 1 號井和2 號井井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Well 1 and Well 2 wellbore schematic

1 號井的目標層為Wolfcamp A，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計采用三開：預(yù)裝?508 mm 導(dǎo)管，封固表層松軟地層、水層，導(dǎo)管下入深度為40 m；一開采用?311.1 mm鉆頭，鉆至鹽層底部深度約660 m，下?244.5 mm 表層套管固井，封固鹽層和石膏層；二開采用?222.3 mm 鉆頭，分別鉆直井段/微增斜段、穩(wěn)斜段和造斜段至 Wolfcamp A 目標層頂部（井斜 75°），下 ?177.8 mm 技術(shù)套管固井，封固上部低壓地層；三開采用? 155.6 mm 鉆頭，完成余下的造斜段底部并入窗，繼續(xù)水平段鉆進（水平段長3045 m）至完鉆井深5976 m。

2 號井目標層為3rdBone Spring，由于其與上部地層屬同一個壓力系統(tǒng)，中間技術(shù)套管可以省略。因此，其井身結(jié)構(gòu)設(shè)計為二開。導(dǎo)管、一開、二開直井段/微增斜段、穩(wěn)斜段以及造斜段與1 號井設(shè)計基本相同。不同的是采用?215.9 mm 鉆頭完成水平段（水平段長3109 m），設(shè)計井深為5718 m。

1.3 實鉆完成情況

該井場于2019 年9 月中旬開鉆，10 月底結(jié)束鉆井作業(yè)。根據(jù)該區(qū)塊鉆井經(jīng)驗，2 口井的上部井眼（從地面至造斜段）采用常規(guī)螺桿鉆具，水平段則采用先進的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具并配合高性能螺桿進一步提高鉆井效率。

2 口井的鉆井周期如圖4 所示。各開次所用鉆具組合及鉆頭、螺桿型號參數(shù)如表2 所示，實鉆結(jié)果如表3 所示。

表3 1 號井和2 號井各開次鉆井完成情況Table 3 Well 1 and Well 2 drilling performance

圖4 1 號井和2 號井鉆井周期曲線Fig.4 Well 1 and Well 2 days vs.depth

1 號井全井鉆井周期23.9 d，比鉆前預(yù)算超2.6 d。一開、二開按設(shè)計目標完成一趟鉆完鉆，三開設(shè)計目標為一趟鉆，但由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具問題，額外增加2 趟鉆，耗時約2.9 d。雖然沒有完成預(yù)期的一趟鉆目標，但是在第二次嘗試的時候，進尺達到2313 m（表2 中鉆具組合5 號），為該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在北美的歷史紀錄。

表2 1 號井和2 號井各開次所用鉆具組合及鉆頭、螺桿情況Table 2 Well 1 and Well 2 BHA and bits,PDM

2 號井全井鉆井周期15.2 d，按鉆前預(yù)算完成鉆井任務(wù)。一開按設(shè)計目標完成一趟鉆任務(wù)，二開直井段/微增斜段、穩(wěn)斜段由于螺桿失效，額外增加一趟鉆，耗時15 h。二開造斜段和水平段按計劃完成一趟鉆任務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

綜上所述，實例井雖然每口井都有不完善的地方，比如1 號井在水平段、2 號井在二開直井/穩(wěn)斜段沒有完成一趟鉆的預(yù)期目標，但是總體來講，基本完成優(yōu)快鉆井目標。尤其是在二開和三開各井段達到非常高的機械鉆速，與國內(nèi)鉆井情況相比有比較大的優(yōu)勢。究其原因，可以歸結(jié)為以下幾個方面。

2.1 鉆井設(shè)備

水平段長度的不斷加長，對鉆井設(shè)備提出更高的要求，具體體現(xiàn)在：（1）更大功率的動力和提升系統(tǒng)；（2）高壓、高排量泥漿泵和高壓循環(huán)系統(tǒng)；（3）高扭矩頂驅(qū)和高強度、高扭矩小接頭鉆桿；（4）高額定載荷的可以自行的井架和底座等。同時，為了提高鉆井作業(yè)的高效性和安全性，鉆機及設(shè)備逐漸趨向模塊化和自動化，并具有直立帶載快速井間移動的能力，以實現(xiàn)叢式井、工廠化鉆井的需要。結(jié)合北美作業(yè)者的鉆井經(jīng)驗［7］，表4 總結(jié)了不同水平井段長對應(yīng)的鉆井設(shè)備基本配置要求，同時列出本例實鉆井所使用的鉆井設(shè)備以作對比。

從表4 可以看出，要實現(xiàn)超長水平井，鉆井絞車功率必須達到1500 HP，大鉤靜載荷在3630 kN，泥漿泵要求達到1500 HP，最高泵壓要求達到51.7 MPa，頂驅(qū)連續(xù)鉆進扭矩要求達到51 kN?m。實例井的鉆井設(shè)備基本滿足超長水平井的要求。泥漿泵功率雖然偏小，但是其最高泵壓可達到51.7 MPa。

表4 不同水平段長對應(yīng)的主要鉆井設(shè)備基本配置Table 4 Drilling equipment capacity requirements for lateral length categories

除此之外，實例井還使用Veristic Rocket-D 井架（見圖5），其特點是：（1）設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，適合叢式井群和大位移井水平鉆井；（2）鉆井設(shè)備模塊化，移井位快速、方便；（3）二層臺、下軌道、頂驅(qū)、游動滑車以及其他主要鉆井設(shè)備，在移井位的時候保持直立狀態(tài)；（4）井架、鉆井設(shè)備在地面安裝，然后整體拉升；（5）井場之間搬遷一般在24～36 h 內(nèi)完成。

圖5 Veristic Rocket-D 井架（圖片來源：Cactus 網(wǎng)站）Fig.5 Veristic Rocket-D drilling rig(Picture source:Cactus drilling website)

同時鉆機還使用Veristic Rig Walker（見圖6）實現(xiàn)井間快速平移鉆機，其主要特點為：（1）適合叢式井場，整體式移動鉆機；（2）可以 8 個方向移動；（3）移動速度 12.2 m/h；（4）1089 t 移動能力，鉆桿立柱保持原位，一起移動；（5）井間移動時間7～8 h（包括準備、安全檢查、移鉆機等時間）。

圖6 Veristic Rig Walker（圖片來源：Veristic 網(wǎng)站）Fig.6 Veristic Rig Walker(Picture source:Veristic website)

其他鉆井設(shè)備包括：鐵鉆工，頂驅(qū)自動搖擺裝置，液控卡瓦，液壓錨頭，液控貓道和液控鉆桿自動排放系統(tǒng)等，大大提高了鉆井作業(yè)的安全性和鉆井效率。

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計對優(yōu)快鉆井非常重要。對比2 口實例井，由于其目的層的不同，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計也不同，對應(yīng)的鉆井周期也有很大的差別。2 號井采用的是二開設(shè)計，二開直井段、造斜段、水平段連續(xù)完成，節(jié)省了中間下技術(shù)套管、固井、拆裝（測試）防噴器和井口的時間，可以節(jié)省至少1.5 d 的時間。如果2 口井水平段都是?215.9 mm 井眼的話，在批鉆井的時候，不用花費額外的時間在三開的時候甩? 127 mm 鉆桿單根和?101.6 mm 鉆桿的接單根時間，可以節(jié)約大概1 d 的時間。

另外水平段井眼尺寸對鉆井時效的影響非常大。對比2 口實例井，其主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）鉆井工具可靠性不同：?215.9 mm 井眼使用的井下動力工具為?171.5 mm 或?177.8 mm，不管是常規(guī)螺桿或是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，其可靠性都比小尺寸工具要高，一趟鉆成功率也相對較高。?155.6 mm 或?152.4 mm 井眼使用的井下動力鉆具為? 120.7 mm 或?127 mm，由于小尺寸的工具可靠性相對較差，一般比較難實現(xiàn)一趟鉆的目標。

（2）鉆桿不同：?215.9 mm 井眼使用的是?127 mm 鉆桿，以NC-50 鉆桿絲扣為例，上扣扭矩達到51.5 kN?m，而 ?155.6 mm 井眼使用的 ?101.6 mm鉆桿，以XT-39 鉆桿絲扣為例，上扣扭矩只能達到26.8 kN?m。同時?127 mm 鉆桿在超長水平段鉆進的時候，更不容易彎曲變形，更有利于鉆壓的傳遞以及滑動鉆進時工具面的控制。因此更有利于優(yōu)快鉆井。

因此，北美二疊紀盆地作業(yè)者除了采用前述圖3 的2 種井身結(jié)構(gòu)外，同時普遍采用以下2 種井身結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（1）?444.5 mm 一開表層，下?339.7 mm 套管；?311.1 mm 井眼二開，下 ?244.5 mm 技術(shù)套管；? 222.3 mm 或 ?215.9 mm 井眼造斜段；?215.9 mm水平段。

（2）?342.9 mm 一開表層，下?263.5 mm 套管；?250.8 mm 井眼二開，下 ?193.7 mm 技術(shù)套管；? 171.5 mm 井眼造斜段；?171.5 mm 水平段。這種設(shè)計的優(yōu)點是可以使用?114.3 mm 鉆桿，一是可以提升扭矩至 36.6 kN?m（NC-46），二是 ?114.3 mm 鉆桿比?101.6 mm 鉆桿不易彎曲變形，有利于鉆壓的傳遞。

總的來講，?215.9 mm 水平段井眼尺寸滿足完井、油藏以及生產(chǎn)的需要，并有利于優(yōu)快鉆井，因此在北美得到更為普遍的應(yīng)用。具體采用多大的水平段井眼尺寸，需要依據(jù)具體情況，針對油氣藏的生產(chǎn)能力進行地質(zhì)、油藏、工程一體化優(yōu)化來確定。

2.3 井眼軌跡設(shè)計

井眼軌跡的優(yōu)化體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）水平井間距和井臺優(yōu)化：在地質(zhì)和油田整體開發(fā)方案允許的情況下，盡量使用小間距、小型井場，建議每個鉆臺井?dāng)?shù)在3～5 口，以降低鉆井難度。

（2）降低穩(wěn)斜段井斜角：典型二疊紀盆地非常規(guī)油氣水平井井眼軌跡設(shè)計由于井間距較小，偏移距也小，穩(wěn)斜段井斜角一般小于20°。上部井眼小井斜有利于提高加壓效率，減少定向工作量，同時區(qū)域上部地層含大量軟硬互層，加壓困難、工具面難以控制，易損壞鉆頭和井下工具，小井斜角可有效增壓，減少滑動鉆進比例，有利于提速?？赡艿脑?，在造斜點前設(shè)計為垂直鉆進，以提高水平段加壓效率，特別是在使用螺桿鉆具時，可以減小水平段摩阻，改善滑動鉆進時工具面控制難的問題，有利綜合提速。

（3）盡量采用高造斜強度：一般水平段長度＜3000 m 的水平井采用（10°～12°）/30 m，＞3000 m 的水平井控制在8°/30 m。充分利用螺桿造斜能力，減少造斜段長度，總體上減少定向鉆進時間。1 號井的井眼軌跡設(shè)計詳見表5。

表5 1 號井井眼軌跡設(shè)計Table 5 Well 1 trajectory design

2.4 鉆頭優(yōu)選

一開表層優(yōu)選5 刀翼、19 mmPDC 切削齒，配合鋼體鉆頭可以提高刀翼之間的流動空間，防止鉆頭“泥包”。

二開直井段/穩(wěn)斜段鉆頭選型以鉆速快、高鉆壓、穩(wěn)定性好為主要特點。地層多變化，井段較長，使用優(yōu)化設(shè)計的PDC 鉆頭以期達到一趟鉆完成井段（2000 m 左右）。以常見的?222.3 mm 或?215.9 mm 鉆頭為例，優(yōu)選6 刀翼、16 mm 金剛石復(fù)合齒。此類鉆頭兼顧快速鉆進和承壓能力，適合大范圍、長井段綜合提速。地層較復(fù)雜，并且井段較長的區(qū)域，上部軟地層可考慮采用5～6 刀翼、16 mm PDC 鉆頭快速鉆進，下部復(fù)雜地層可根據(jù)需要采用個性化設(shè)計鉆頭，比如在鼻部布置切齒深度（DOC）限制鈕，在鼻部后排齒布置異型齒，以有效地控制粘滑震動（Stick?slip）以及側(cè)向震動［12-13］。目前在二疊紀 Dela?ware 盆地，基本可以實現(xiàn)一個鉆頭完成整個井段。

二開造斜段：鉆頭選型以穩(wěn)定性好為主要特點，優(yōu)選6 刀翼、13 mm PDC、雙排齒鉆頭。主要目標是達到所需的造斜強度（12°/30 m），由于此井段夾層和軟硬互層較常見，因此對鉆頭的穩(wěn)定性要求較高。

三開水平段：鉆頭選型以長壽命、大段鉆進以及穩(wěn)定性好為主要特點，優(yōu)選5 刀翼、13 mm PDC、雙排齒鉆頭，并具有防沖擊特性，如圖7 所示。

圖7 ?156 mm PDC 切削齒鉆頭Fig.7 ?156mm PDC bit

2.5 鉆井工具

2.5.1 高性能螺桿

螺桿選用的主要特點是：

（1）大尺寸，比如在 ?222.3 mm 和 ?155.6 mm井眼段分別采用?177.8 mm 和?127 mm 高性能螺桿。

（2）能承受高壓力差（大輸出扭矩），比如在? 222.3 mm 井眼使用 ?177.8 mm 6/7-8.4 級螺桿，螺桿可承受壓力差范圍為6.9～13.8 MPa，輸出扭矩可達10～12.6 kN?m。

（3）高轉(zhuǎn)速，在37.9 L/s 的排量下，輸出轉(zhuǎn)速為180 r/min。在二開造斜段，造斜率高，要求使用低頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，因此必須優(yōu)選高轉(zhuǎn)速螺桿，比如，?171.5 mm 4/5-7.0 級螺桿，在 37.9 L/s 的排量下，輸出轉(zhuǎn)速為300 r/min。而在三開水平段，優(yōu)選?127 mm高轉(zhuǎn)速、高性能螺桿，進行有效增速和實現(xiàn)大段鉆進。?127 mm 螺桿最高排量可達22 L/s，可以有效保持井眼清潔，并且大尺寸的螺桿，其工具可靠性大大增加，使水平段一趟鉆成為可能。

2.5.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具

為了進一步提高鉆井效率、提高井眼質(zhì)量，可優(yōu)選旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具。

一開直井段：本實例2 口井由于一開井段較短，沒有使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，但是如果井段較長和為了防斜、打直，可以嘗試使用專為垂直鉆進設(shè)計的垂鉆導(dǎo)向工具，井斜可以控制在1°以內(nèi)。

二開直井段/穩(wěn)斜段：在北美一些大型井場，水平段偏移距較大的情況下，二開直井段/穩(wěn)斜段井斜較高、井段較長，需要大量定向滑動鉆進的情況下，作業(yè)者會嘗試使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具進行增速。二開造斜段由于設(shè)計造斜強度較高，一般不建議使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，北美作業(yè)者做過嘗試，但效果不佳［8］。

三開水平段：在水平段長度＜3000 m 時，常規(guī)螺桿一般能夠順利完成井段；在水平段＞3000 m 的情況下，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具就顯得尤為重要。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合高性能螺桿，可以大大提高鉆速，提高井眼清潔程度，提高井眼質(zhì)量。目前市場上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具基本上都有自動井斜和方位控制功能，能夠自己根據(jù)預(yù)設(shè)的井眼軌跡要求進行自動調(diào)節(jié)。在進一步提升鉆井效率的同時，所鉆出的井眼更平滑，摩阻更低，有利于優(yōu)快鉆井和后續(xù)生產(chǎn)套管的順利下入。

2.5.3 水力振蕩器

水力振蕩器在北美非常規(guī)水平井使用比較普遍，主要用來減小摩阻、提高鉆壓傳遞效率。主要應(yīng)用在較長的水平段，但也可以用在造斜段。有鄰井?dāng)?shù)據(jù)顯示，二開造斜段使用水力振蕩器，其綜合機械鉆速明顯高于其他井（22.2 m/h 對比11.6 m/h）。水平段長在1500 m 以下，一般不使用水力振蕩器，水平段長在1500～3000 m 的井段，一般配合螺桿鉆具一起使用，可以明顯地減少托壓，提高工具面控制精度，提高機械鉆速。

使用水力振蕩器的優(yōu)點：（1）提高鉆進效率，減少摩阻的影響，提高鉆壓傳遞，提高機械鉆速；（2）滑動鉆進時能幫助提高工具面控制精度，提高鉆進效率以及井眼平滑程度。

一般水力振蕩器安放位置在鉆頭后面500～700 m。如果安放位置離鉆頭大于900 m，水力振蕩器的效果變得不明顯；而安放位置離鉆頭小于500 m 時，其對 MWD 的脈沖信號干擾風(fēng)險增加［9］，較大的振動力對MWD 和螺桿的壽命也有影響。

2.5.4 刮眼器

刮眼器在北美最近幾年的鉆井施工中應(yīng)用開始增多，一般配合螺桿鉆具和水力振蕩器一起使用，它可以使井眼更平滑，減少摩阻。

使用刮眼器優(yōu)點：（1）提高井眼質(zhì)量，減少摩阻，減少大鉤載荷，減少粘滑震動；（2）提高鉆進效率，提高鉆壓傳遞，提高機械鉆速，減少井下震動，降低MSE 和減少起下鉆時間；（3）有利套管順利下入，提高固井質(zhì)量等。

一般刮眼器安放位置在MWD 工具的上面，MWD 和刮眼器之間用一柱鉆桿隔開，配合水力振蕩器（刮眼器以上500～600 m）一起使用；刮眼器外徑稍微大于鉆頭外徑（大1.59 mm），具有輕微擴眼的功能。

2.6 鉆井液體系

鉆井液體系對穩(wěn)定井壁、控制漏失、減少摩阻和扭矩上非常重要。在水平段長度＞3000 m 的情況下，使用油基泥漿比使用水基泥漿更能滿足優(yōu)快鉆井需要。大量實例和研究表明［9-10］，水平段長3000 m 的井，在同等條件下，使用油基泥漿與使用水基泥漿相比，扭矩可以減少12.2 kN?m。因此，油基泥漿就成了超長水平井段鉆井液體系的首選，在北美二疊紀盆地，其應(yīng)用相當(dāng)普遍。實例井水平段使用的是INVERMUL?油基泥漿體系，主要泥漿性能為：密度 1.23～1.26 g/cm3；粘度 55～70 s；屈服值 12～18 lbf/100 ft2（1 lbf/ft2=47.8803 Pa，下同）；高溫高壓失水量＜10 mL/30 min；低密度固相含量＜8%；堿度2～4 mL；油水比65%/35%～75%/25%；電穩(wěn)定性400～600 V；屈服值（0 r/min）5～8 lbf/100 ft2。

2.7 鉆具組合

鉆具組合設(shè)計有如下考慮：（1）一開直井段：一般為直井或小井斜，鉆具組合以穩(wěn)斜為主要特征，一般設(shè)計有3 個穩(wěn)定器；（2）二開直井段/穩(wěn)斜段：一般為直井或小井斜，鉆具組合以穩(wěn)斜為主要特征，設(shè)計有3 個穩(wěn)定器；（3）二開造斜段：鉆具組合設(shè)計以有效造斜、減少摩阻為主要特點，減小扶正器外徑或不帶扶正器；（4）三開水平段：鉆具組合設(shè)計以穩(wěn)定性、減少摩阻為主要特點，不帶扶正器，利用水力振蕩器克服摩阻、提高工具面控制，并利用刮眼器提高井眼質(zhì)量。必要時采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，可以進一步提速，提高鉆井效率的同時提高井眼質(zhì)量。實例井使用的鉆具組合如表6 所示。

表6 1 號井及2 號井鉆具組合Table 6 Well 1 and Well 2 BHA

2.8 鉆井參數(shù)

鉆井參數(shù)優(yōu)化主要特點為：（1）在井下工具和鉆井設(shè)備能承受的情況下，盡量使用高鉆壓，特別是在直井段、穩(wěn)斜段和水平段。（2）配合選用高性能螺桿，提高鉆頭總轉(zhuǎn)速，造斜段因造斜強度大，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速低，螺桿應(yīng)優(yōu)選高轉(zhuǎn)數(shù)螺桿。（3）配合使用高性能螺桿，優(yōu)選的螺桿必須能夠承受井下產(chǎn)生的高扭矩，避免螺桿被憋停。（4）鉆桿必須能夠應(yīng)付高扭矩，比如?127 mm 鉆桿上扣扭矩必須達到47.5 kN?m 以上，?101.6 mm 鉆桿上扣扭矩必須達到 30 kN?m 以上。（5）建議使用大排量、高泵壓的泥漿泵，特別是? 215.9 mm 的水平井，排量要求在 35～38 L/s，最高泵壓可能達到38～41 MPa。以實例1 號井為例，其使用的鉆井參數(shù)如表7 所示。

表7 1 號井鉆井參數(shù)Table 7 Well 1 drilling parameters

2.9 水平段井眼清潔和起鉆管理

建議在鉆前根據(jù)井眼尺寸、鉆井工具要求、鉆井液體系等，模擬井眼清潔所需的最小排量，確保水平段排量高于最小排量，并盡可能采用大的排量。如果鉆井參數(shù)和機械鉆速在預(yù)計的范圍，井眼清潔應(yīng)該沒有問題。特別是在使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具時，整個鉆具在旋轉(zhuǎn)，本身就是最好的井眼清潔手段。有實鉆數(shù)據(jù)表明［11-13］，在使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆水平段時，中途停下來循環(huán)鉆井液清洗井眼，并沒有減少地面扭矩。說明在正常情況下，在水平段鉆進過程中沒有必要停下來循環(huán)清洗井眼，但如果地面扭矩有異常情況則例外。在鉆進至設(shè)計井底深度時，井眼清潔就顯得非常重要，因為北美作業(yè)者一般不做短起下和下套管前的通井。鉆至井底起鉆前的井眼清潔是最后保障生產(chǎn)套管順利下入的有效措施之一。鉆至設(shè)計井深后，起鉆前一般要求進行循環(huán)清潔井底，并且確保振動篩處回流清潔。具體做法是：在快到達設(shè)計深度之前10 m，可放慢鉆速至3 m/h，以幫助循環(huán)清洗井眼（約2 個循環(huán)時間）；到達井底后，短時間循環(huán)清洗井眼。不建議打稠泥漿，循環(huán)清洗井眼時，地面轉(zhuǎn)速至少100 r/min，同時上提、下放鉆具。上提、下放之間停頓1 min，上提、下放每柱時間不能少于15 min；短時間循環(huán)之后觀察振動篩處回流是否清潔，并開始慢慢倒劃眼3 個立柱（1 h/立柱），地面轉(zhuǎn)速100 r/min，并根據(jù)水平段實鉆情況，與鉆井監(jiān)督和工程師討論需要的循環(huán)周數(shù)。

起鉆時如果上提遇阻超過140 kN 要停止起鉆，重新下入3 個立柱或下至井底，然后循環(huán)鉆井液，開始清洗井眼程序，因為在通常情況下遇卡的原因是井眼不清潔。

3 總結(jié)

本文結(jié)合二疊紀盆地2 口井的實鉆數(shù)據(jù)，總結(jié)了北美非常規(guī)油氣井超長水平井的優(yōu)快鉆井技術(shù)，供中國國內(nèi)同行參考?？傮w來講，北美目前3000 m以上水平段的優(yōu)快鉆井技術(shù)已經(jīng)成熟，并且還在不斷地完善和進步，鉆井周期還在不斷地縮短，水平段的長度也在不斷地增加。除了以上提到的鉆井設(shè)備、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、井眼軌跡設(shè)計、鉆頭優(yōu)選、鉆井工具、鉆井液體系、鉆具組合、鉆井參數(shù)以及施工管理措施以外，還有很多具有先導(dǎo)性的優(yōu)快鉆井技術(shù)，比如，“直-斜-平”一趟鉆旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，自動鉆進系統(tǒng)（Auto?Driller），遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)，井下動態(tài)數(shù)據(jù)采集等。這些前沿技術(shù)必將是未來超長水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。中國國內(nèi)目前在大于3000 m 的超長水平井鉆井實踐上，已經(jīng)有很多成功的案例和嘗試［14-16］，從技術(shù)本身上來講已經(jīng)基本掌握，但是在提速和可重復(fù)性上，需要通過大量的鉆井實踐，不斷地探索和完善，才可能開發(fā)出適合各個油氣田的優(yōu)快鉆井技術(shù)。