長慶油田隴東地區(qū)頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)

田逢軍，王運(yùn)功，唐 斌，李治君，劉克強(qiáng)

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司頁巖油項(xiàng)目組，甘肅慶陽 745100；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018）

鄂爾多斯盆地頁巖油資源非常豐富[1]，2019 年長慶油田在該盆地隴東地區(qū)發(fā)現(xiàn)10 億噸級頁巖油田——慶城油田，延長組長7 段為其主要油氣儲層[2-5]。長7 段埋深1 700.00～2 100.00 m，既是主力烴源巖，也是頁巖油發(fā)育的主要層段，自生自儲、源內(nèi)成藏，為典型的陸相頁巖油層[1]。

但隴東地區(qū)為黃土塬地貌，溝壑縱橫，山地較多，生態(tài)環(huán)境脆弱，同時水資源、基本農(nóng)田和森林資源保護(hù)區(qū)較多，使水平井開發(fā)受地形地貌及資源保護(hù)區(qū)影響比較大，三維水平井偏移距的大小直接影響水平井平臺布井?dāng)?shù)量及大平臺工廠化作業(yè)，影響地下資源的有效動用[6]。為了解決地表布井難題，充分動用復(fù)雜地表及保護(hù)區(qū)地下資源，在分析大偏移距三維水平井特點(diǎn)及具體鉆井技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化井身剖面設(shè)計，優(yōu)選造斜點(diǎn)、消偏井斜角、方位角及消偏井段，完善井眼軌跡控制方式，在不使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的情況下優(yōu)化常規(guī)螺桿鉆具和PDC 鉆頭，并綜合應(yīng)用降摩減阻工具及適用于頁巖油大偏移距三維水平井鉆井的水基CQSP-4 鉆井液體系等,形成了隴東頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)之后，鉆速明顯提高，施工偏移距不斷增大，大平臺布井?dāng)?shù)量明顯增多，取得了很好的效果。

1 大偏移距三維水平井特點(diǎn)及鉆井難點(diǎn)

1.1 大偏移距三維水平井特點(diǎn)

三維水平井是指井口不在水平段方位線上的水平井，其井口到水平段方位線的垂直距離稱為偏移距（見圖1，圖中，OC為有效靶前距，CA為偏移距[7]）。一般情況下，認(rèn)為偏垂比小于0.1 的為小偏移距三維水平井[8]，偏垂比大于0.1 而小于0.3 的為中偏移距三維水平井，偏垂比大于0.3 的為大偏移距三維水平井。隴東地區(qū)頁巖油水平井以大偏移距三維水平井居多。

圖1 三維水平井偏移距、有效靶前距示意Fig.1 Offset and effective frontal distance from the target point of 3D horizontal wells

1.2 大偏移距三維水平井鉆井難點(diǎn)

與常規(guī)二維水平井相比，三維水平井隨著偏移距存在及增大，摩阻、扭矩、井眼軌跡控制難度、鉆井風(fēng)險等也增大。具體而言，隴東地區(qū)頁巖油大偏移距三維水平井的主要鉆井難點(diǎn)為：

1）目的層垂深淺，偏垂比大，摩阻扭矩大[9]。目的層埋深1 700.00～2 200.00 m，部分井的偏移距超過1 000.00 m，偏垂比大于0.5，滑動鉆進(jìn)時鉆頭加壓困難，易發(fā)生螺旋屈曲而使鉆具發(fā)生自鎖無法鉆進(jìn)。

2）應(yīng)用水基鉆井液鉆進(jìn)時，優(yōu)選摩阻扭矩較小、容易施工的井身剖面難度大；且大偏移距三維水平井設(shè)計水平段較長（最長超過2 000.00 m），優(yōu)選井身剖面困難。

3）井眼軌道設(shè)計難度大[10]，優(yōu)選造斜點(diǎn)、消偏井斜角和消偏方位角，防止井眼軌跡出現(xiàn)拐點(diǎn)或勺子形井眼，造成摩阻扭矩增大，鉆井施工困難。

4）井眼軌跡控制難度大。大井斜條件下，井眼軌跡方位調(diào)整幅度大、地質(zhì)條件復(fù)雜，實(shí)鉆過程中井眼軌跡調(diào)整頻繁、調(diào)整幅度大，井眼軌跡控制難度大[11]。

2 鉆井技術(shù)及主要技術(shù)措施

針對隴東地區(qū)頁巖油大偏移距三維水平井鉆井難點(diǎn)和長慶油田低成本鉆井的實(shí)際需求，以及使用水基鉆井液、不使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的施工要求，以提高井眼軌跡控制能力、降摩減阻和提速提效為主要著眼點(diǎn)，研究形成了隴東頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)。

2.1 井身剖面設(shè)計優(yōu)化

水平井一般設(shè)計為空間五段制[6]，即“直—增—穩(wěn)—增—平”。在設(shè)計頁巖油三維水平井井身剖面時，先將五段制剖面優(yōu)化為“直—增—雙穩(wěn)—邊增邊扭—平”，接著優(yōu)化為“直—增—雙穩(wěn)—穩(wěn)斜扭方位—增斜扭方位—平”[12]的六段制剖面，后根據(jù)需要進(jìn)一步優(yōu)化出3 種七段制剖面，分別為“直—增—雙穩(wěn)—降斜及增斜扭方位—增—增—平”、“直—增—雙穩(wěn)—穩(wěn)斜扭方位—增斜微扭方位—增—平”和“直—增—雙穩(wěn)—增斜扭方位—增—增—平”。

結(jié)合大井叢的防碰，分析鉆具受力和實(shí)際施工情況，可知在3 種七段制剖面中，相對其他2 種剖面，“直—增—雙穩(wěn)—穩(wěn)斜扭方位—增斜微扭方位—增—平”的摩阻和扭矩最小，水平段延伸能力最強(qiáng)。而且，該七段制剖面較五段制、六段制控制要素明確，方便現(xiàn)場技術(shù)人員控制，井眼軌跡平滑，鉆進(jìn)中的摩阻扭矩比其他類型剖面小，能滿足偏移距大于1 100.00 m、水平段長2 000.00 m 三維水平井的施工，適合入窗前儲層變化時調(diào)整找油。

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了降低大偏移距三維水平井施工中的摩阻、扭矩，前期全部采用了三開井身結(jié)構(gòu)，技術(shù)套管下至入窗位置。后改用增加表層套管下深的二開井身結(jié)構(gòu)（簡稱為二開深表層井身結(jié)構(gòu)），即用表層套管封固上部洛河組地層，封固井深1 000.00 m 左右，以有效降摩、減阻，提高地層承壓能力，滿足水平井后續(xù)安全快速施工要求。

但是，采用三開井身結(jié)構(gòu)和二開深表層井身結(jié)構(gòu)時，在φ311.1 mm 井段調(diào)整井眼軌跡困難，定向鉆進(jìn)鉆速低，且中完測井周期較長，不利于提速提效。通過分析鉆井施工情況并進(jìn)行鉆柱力學(xué)計算，發(fā)現(xiàn)技術(shù)套管下深對大偏移距三維水平井鉆進(jìn)中摩阻扭矩的影響比較小，因此將其優(yōu)化為減小表層套管下深的二開井身結(jié)構(gòu)（簡稱為二開淺表層井身結(jié)構(gòu)），表層套管下至井深260.00 m 左右封固黃土層。實(shí)踐表明，采用二開淺表層井身結(jié)構(gòu)后，提高了機(jī)械鉆速，減少了巖屑產(chǎn)生量，且施工過程安全順利。

2.3 井眼軌道設(shè)計優(yōu)化

1）造斜點(diǎn)優(yōu)化。對于大偏移距三維水平井，造斜點(diǎn)越淺，斜井段越長，地面扭矩越大，摩阻越??；造斜點(diǎn)越深，起下鉆摩阻越大，扭矩越小。考慮大平臺施工特點(diǎn)，根據(jù)鉆井設(shè)備能力、鄰井防碰繞障設(shè)計出的造斜點(diǎn)，優(yōu)化為出套管30.00～50.00 m 造斜。

2）靶前距優(yōu)化。入窗垂深2 000.00 m 左右的大偏移距三維水平井，有效靶前距越長，井深越大，摩阻、扭矩越大。有效靶前距短，增斜率不能滿足要求時，需要負(fù)位移鉆進(jìn)，以增加有效靶前距，但會導(dǎo)致摩阻扭矩增大。通過分析鉆具受力可知，有效靶前距為400.00～550.00 m 時，下鉆及滑動鉆進(jìn)都不產(chǎn)生屈曲，比較適合井眼軌跡控制。

3）消偏方位角優(yōu)選。鉆具造斜率不能滿足有效靶前距需要的造斜率時，延長有效靶前距消偏（靶體方位與消偏方位的夾角大于90°時，負(fù)位移消偏）；鉆具造斜率能滿足有效靶前距需要的造斜率時，縮短有效靶前距消偏（靶體方位與消偏方位的夾角小于90°消偏）；鉆具造斜率稍大于有效靶前距造斜要求時，不改變有效靶前距消偏（靶體方位與消偏方位的夾角等于90°）。然后根據(jù)單井具體情況，用三維水平井設(shè)計軟件優(yōu)選出最小摩阻、扭矩對應(yīng)的最佳消偏方位角。

4）消偏井斜角優(yōu)選。根據(jù)設(shè)計的偏移距優(yōu)選合理的消偏井斜角。消偏井斜角越小，鉆井中的摩阻、扭矩越小，越有利于水平段延伸。進(jìn)行井眼軌道設(shè)計時，根據(jù)具體情況，利用水平井設(shè)計軟件選擇最小的消偏井斜角。

2.4 應(yīng)用降摩減阻工具

使用常規(guī)螺桿鉆具組合鉆進(jìn)大偏移距三維水平井時，應(yīng)用性能優(yōu)異的降摩減阻工具是一種省時省力的選擇。如水平段鉆具組合中，用球形穩(wěn)定器替代螺旋穩(wěn)定器，用無磁承壓鉆桿替代無磁鉆鋌，使用CQWZ-172 型水力振蕩器，頂驅(qū)鉆機(jī)中使用“頂驅(qū)+扭擺”。尤其是多種工具綜合應(yīng)用，可有效防止滑動鉆進(jìn)中出現(xiàn)的托壓問題，降低摩阻，提高大偏移距三維水平井的偏移能力與水平段延伸能力。

2.5 井眼軌跡控制技術(shù)

1）“直+斜”井段一趟鉆井眼軌跡控制。使用增斜鉆具組合φ215.9 mm PDC 鉆頭+φ172.0 mm×1.50°螺桿（φ212.0 mm 穩(wěn)定器）+φ165.1 mm 回壓閥+φ165.1 mm MWD 接頭+φ127.0 mm 無磁鉆桿×1 根+φ127.0 mm 加重鉆桿×5 根+φ172.0 mm 水力振蕩器+φ127.0 mm 鉆桿。直井段滑動鉆進(jìn)時控制井斜，以保證井身質(zhì)量。消偏井段及扭方位井段，控制井斜角、方位角，使之與設(shè)計相符，井斜角大于60°后鉆具滑動增斜率較高，滑動鉆進(jìn)時應(yīng)及時預(yù)測井底井斜角，控制增斜率不大于7.5°/30m。

2）水平段一趟鉆井眼軌跡控制。使用穩(wěn)斜鉆具組合φ215.9 mm PDC 鉆頭+φ172.0 mm×1.25°螺桿（φ210.0 mm 穩(wěn)定器）+φ210.0 mm 球形穩(wěn)定器+φ165.1 mm 回壓閥+461×460 MWD 接頭+φ127.0 mm無磁鉆桿×1 根+φ127.0 mm 鉆桿。設(shè)計靶體上傾時，以井斜角88°～90°入窗，保持井斜角不大于91°復(fù)合快速鉆進(jìn)；設(shè)計靶體下傾時，以井斜角86°～88°入窗，保持井斜角不大于90°復(fù)合快速鉆進(jìn)，控制水平段井斜角變化不大于3.0°/30m，以保證軌跡平滑。

3）降摩減阻水基鉆井液。在保留以前水平井所用鉆井液優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對頁巖油大偏移距三維水平井鉆井過程中存在的泥巖坍塌、滑動托壓等問題，研制了CQSP-4 水基鉆井液。該鉆井液降低了密度，增強(qiáng)了抑制性和潤滑性，可提高井眼穩(wěn)定性和鉆井效率。

2.6 優(yōu)快鉆進(jìn)技術(shù)

1）通過強(qiáng)化鉆井參數(shù)（見表1），以“大鉆壓、大排量、高轉(zhuǎn)速”激進(jìn)鉆井，φ311.1 mm 及以上井眼上部地層開雙泵鉆進(jìn)，φ215.9 mm 井眼使用φ180.0 mm 缸套；2）使用大功率、多頭多級長壽命螺桿，鉆頭、螺桿鉆具與MWD 隨鉆測量儀器的配合使用，以減少起下鉆次數(shù)；3）提高鉆井工具在井下的有效使用率；4）斜井段優(yōu)先選用六刀翼φ16.0 mm 復(fù)合片深水槽、中長保徑強(qiáng)化鉆頭，水平段優(yōu)先選用五刀翼φ16.0 mm 復(fù)合片、長保徑鉆頭。

表1 強(qiáng)化前后的鉆井參數(shù)對比Table 1 Comparison between drilling parameters before and after the enhancement

3 現(xiàn)場應(yīng)用

隨著勘探開發(fā)持續(xù)進(jìn)行，長慶油田隴東地區(qū)三維水平井的偏移距不斷增大：2008 年最大偏移距100.00 m、水平段長216.00 m；到2017 年隴東頁巖油示范區(qū)建設(shè)前，三維水平井的最大偏移距431.00 m、水平段長1 544.00 m；2019 年底研究形成了隴東頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)，2020 年鉆成600.00 m以上大偏移距水平井25 口，其中900.00 m 以上大偏移距三維水平井6 口，水平段長度平均1 750.00 m。應(yīng)用新技術(shù)后，鉆井周期縮短了24.19%，鉆井安全高效。而且，成功鉆成了偏移距超過1 000.00 m 的井3 口，最大偏移距1 102.00 m、水平段長2 000.00 m。

頁巖油大偏移距三維水平井HH60-1 井有效靶前距429.70 m，偏移距1 102.00 m，入窗垂深1 939.00 m，水平段長2 000.00 m，位垂比1.37，水垂比0.99，偏垂比0.56。該井應(yīng)用了隴東頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)，采用了二開井身結(jié)構(gòu)、“直—增—穩(wěn)—穩(wěn)斜扭方位—增斜微扭方位—增—平”七段制剖面和二開“兩趟鉆”鉆具組合井眼軌跡控制與優(yōu)快鉆進(jìn)技術(shù)。直井段鉆至井深407.00 m—增斜鉆至井深730.00 m（井斜角43°、方位角255°）—穩(wěn)斜穩(wěn)方位鉆至井深1 935.00 m（扭方位至336°）—增斜微扭方位鉆至井深2 252.00 m（井斜角57.79°、方位346°）—增斜鉆至入窗（井斜角89.99°）—進(jìn)入水平段。

與同區(qū)塊未應(yīng)用該技術(shù)的HH34-9 井相比（見表2），HH60-1 井在偏移距增加129.00 m、水平段增長645.00 m 情況下，最大扭矩降低1 kN·m，下放最大摩阻降低2 kN，鉆機(jī)月速度提高617.00 m/（臺·月），取得了很好的綜合應(yīng)用效果。

表2 HH60-1 井與同區(qū)塊HH34-9 井鉆井指標(biāo)對比Table 2 Comparison between drilling indexes for Well HH60-1 and Well HH34-9 in the same block

4 結(jié)論與建議

1）通過優(yōu)化井身剖面設(shè)計，優(yōu)選造斜點(diǎn)、消偏井斜角、消偏方位角及消偏井段，完善井眼軌跡控制方式，在不使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的情況下優(yōu)化常規(guī)螺桿鉆具和PDC 鉆頭，并綜合應(yīng)用降摩減阻工具及適用于頁巖油大偏移距水平井鉆井的水基CQSP-4鉆井液體系等，解決了隴東地區(qū)頁巖油大偏移距三維水平井的鉆井難點(diǎn)，形成了隴東頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)。

2）隴東頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)取得了很好的現(xiàn)場應(yīng)用效果，鉆井施工安全高效，鉆井周期與之前未應(yīng)用該技術(shù)的同類井相比縮短24.19%。2020 年長慶油田在隴東地區(qū)順利完成6 口偏移距超過900.00 m 的三維水平井（水平段長度平均1 750.00 m），其中還成功實(shí)施了3 口偏移距超過1 000.00 m 的三維水平井。

3）隴東頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)帶來了鉆井生產(chǎn)方式的改變，支撐了隴東頁巖油大平臺多層系多鉆機(jī)工廠化高效開發(fā)，也促使鉆井鉆機(jī)作業(yè)方式由單機(jī)單隊(duì)向工廠化、集群化轉(zhuǎn)型。

4）大偏移距三維水平井鉆井過程中扭矩比較大，鉆具受力復(fù)雜，應(yīng)用隴東地區(qū)頁巖油大偏移距三維水平井鉆井技術(shù)時要加強(qiáng)對鉆具的監(jiān)測檢查，防止發(fā)生井下故障。