長慶油田小井眼超長水平段水平井鉆井技術(shù)

王忠良，周 揚(yáng)，文曉峰，龍 斌，丁 凡，陳邵維

（中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶分公司，陜西西安710200）

近年來，隨著長慶油田勘探開發(fā)的持續(xù)發(fā)展，在鄂爾多斯盆地部署開發(fā)的水平井越來越多，水平段越來越長。超長水平段水平井同城設(shè)計采用三開小井眼井身結(jié)構(gòu)，水平段采用φ152.4 mm小井眼鉆井施工方案。小井眼超長水平段水平井鉆井過程中存在摩阻扭矩大、機(jī)械鉆速低、井眼軌跡控制難度大、小鉆具磨損嚴(yán)重和鉆遇率低等問題，制約了長慶油田超長水平段水平井的規(guī)模化高效開發(fā)。

隨著井眼軌道優(yōu)化、鉆機(jī)和鉆井液性能的提升，小井眼水平井的水平段長度逐漸增大，施工周期逐漸縮短，但受隨鉆工具選型差異性大、技術(shù)方案與措施不統(tǒng)一的制約，水平段施工長度受限、儲層鉆遇率較低，且鉆井提速不明顯。為此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)油氣田水平井“工廠化”開發(fā)的經(jīng)驗[1-5]，通過應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能井眼軌跡控制技術(shù)、近鉆頭方位伽馬成像技術(shù)、優(yōu)化鉆頭選型和應(yīng)用納米成膜封堵水基鉆井液技術(shù)，形成了長慶油田小井眼超長水平井鉆井技術(shù)，并在9口井進(jìn)行了應(yīng)用，機(jī)械鉆速明顯提高，儲層鉆遇率大幅提升，水平段長度進(jìn)一步增大。

1 小井眼超長水平段鉆井技術(shù)難點

鄂爾多斯盆地水平井自上而下鉆遇地層包括新生界第四系，白堊系環(huán)河組、華池組和洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組和富縣組，中生界三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組和劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組和山西組，上古生界石炭系本溪組和太原組，下古生界奧陶系馬家溝組。小井眼超長水平井目的層一般為盒8段，巖性以巖屑石英砂巖、石英砂巖為主，其次為巖屑砂巖，石英砂巖硬度相對較強(qiáng)，孔隙度和滲透率較低。在該儲層進(jìn)行小井眼超長水平段施工時，存在以下技術(shù)難點：

1）井眼軌跡控制難度大，工程風(fēng)險高。在超長水平井中后段施工中，使用常規(guī)的單彎螺桿鉆具會形成嚴(yán)重托壓，滑動鉆進(jìn)困難，不能精準(zhǔn)控制井眼軌跡[6]，且摩阻、扭矩大，鉆具下放摩阻可達(dá)400～450 kN，扭矩達(dá)22～25 kN·m，極易出現(xiàn)鉆具傷扣。水平段后期泵壓升高，可達(dá)30～35 MPa，鉆井液管匯和鉆具有刺漏風(fēng)險。

2）儲層鉆遇率低。超長水平段水平井鉆井施工時，由于井眼軌跡控制難度大，且常規(guī)的隨鉆儀器很難準(zhǔn)確判斷井眼軌跡與地層的鉆遇情況，導(dǎo)致鉆遇率低。因此，利用隨鉆儀器及時監(jiān)測地層變化，使鉆頭最大程度地在儲層中的最佳位置鉆進(jìn)，提高儲層鉆遇率，對油氣藏開發(fā)具有重要作用。

3）小井眼水平井施工困難。井徑小，鉆具柔性大，加鉆壓后使得鉆具發(fā)生屈曲變形大，傳壓困難，控制井眼軌跡相對較難。鉆具強(qiáng)度低，易扭斷或折斷鉆具。小井眼環(huán)空允許排量低，鉆井液返速低，影響巖屑的懸浮和攜帶，容易形成巖屑床[7]。小井眼鉆井對鉆井液的性能要求較高[8]。

4）井眼失穩(wěn)及井漏問題頻發(fā)。隨著水平段增長，鉆遇泥巖的長度也隨之增大，且水平井施工周期長，裸眼段受鉆井液浸泡時間較長，泥巖強(qiáng)度降低，極易吸水分散，吸水后泥巖層間產(chǎn)生較大的膨脹壓力，井壁上出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，井眼失穩(wěn)風(fēng)險極大。雖然通過提高鉆井液的密度可以達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的，但鉆井液密度過高容易造成砂巖裸眼段或油氣藏裂縫發(fā)育地層發(fā)生井漏，也會導(dǎo)致濾液在壓差的作用下加速向地層滲入，從而導(dǎo)致井壁吸水膨脹后垮塌。因此，超長水平井的施工難點是維持井眼穩(wěn)定和預(yù)防井漏。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能井眼軌跡控制技術(shù)

小井眼超長水平段中后期摩阻、扭矩大[9]，使用常規(guī)的單彎螺桿定向技術(shù)時存在擺放工具面不到位、滑動困難等問題，不能精準(zhǔn)控制井眼軌跡，是超長水平段施工的主要難題[10]。

為了解決在小井眼超長水平段不能精準(zhǔn)控制井眼軌跡的問題，研究采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能井眼軌跡控制技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用推靠式原理的AutoTrak GT4-G旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[11-12]。該系統(tǒng)主要由AutoTrak導(dǎo)向裝置、X-Treme模塊馬達(dá)、OnTrak測量及主控短節(jié)、BCPM發(fā)電機(jī)及脈沖器短節(jié)和LithoTrak中子孔隙度/密度隨鉆測井短節(jié)等部分組成（見圖1）。

圖1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Mechanism of the rotary steering system

鉆頭前面的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭上有3個互成120°的推靠板，在整個鉆具高速旋轉(zhuǎn)過程中保持相對靜止，地面下發(fā)的指令準(zhǔn)確傳達(dá)給井下工具，通過智能液壓系統(tǒng)對3個推靠板產(chǎn)生的合力精準(zhǔn)控制井眼軌跡，全程復(fù)合鉆進(jìn)，井眼軌跡平滑，能夠減小鉆具的摩阻和扭矩，降低施工風(fēng)險，最大程度地延長水平段長度。

2.2 近鉆頭方位伽馬成像技術(shù)

超長水平井鉆井時，首先要考慮的問題是如何提高儲層鉆遇率，并保證最大程度地延伸水平段長度。AUTOTRAK GT4-G旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的近鉆頭方位伽馬成像技術(shù)先進(jìn)，使用雙伽馬探測器結(jié)合磁力計系統(tǒng)，實現(xiàn)井筒不同方位自然伽馬數(shù)據(jù)測量，并采用旋轉(zhuǎn)掃描式8扇區(qū)360°成像，成像圖的中部對應(yīng)儀器底部，兩側(cè)對應(yīng)儀器頂部，高伽馬顯示為深色，低伽馬顯示為亮色。當(dāng)儀器相對向下鉆遇泥巖時，成像圖的中部顏色先開始變深，隨著儀器上部也進(jìn)入泥巖段，圖像兩側(cè)的顏色也隨之變深；儀器相對向上鉆遇泥巖層時的圖像與之相反，在成像圖中響應(yīng)出經(jīng)典的“哭臉”或“笑臉”形狀（見圖2）。

圖2 近鉆頭方位伽馬成像示意Fig.2 Near-bit azimuthal gamma imaging

方位伽馬測量點距離鉆頭僅2.00 m，能夠及時判斷鉆頭與儲層邊界的位置關(guān)系，及時調(diào)整井眼軌跡，減少無效進(jìn)尺，有效應(yīng)對地層的不確定性，實鉆軌跡進(jìn)層和出層時有明顯的相應(yīng)特征，在地質(zhì)導(dǎo)向方面起到了重要作用[13]。

2.3 工程參數(shù)監(jiān)測技術(shù)

2.3.1 鉆具刺漏預(yù)警

小井眼超長水平段水平井施工時，由于鉆具直徑小、水平段長、泵壓高，存在鉆具刺漏的風(fēng)險。實時監(jiān)測泵壓曲線變化是防止因鉆具刺漏發(fā)生鉆具落井事故的有效手段之一。目前，水平井鉆井過程中使用鋼級較高的S135鉆桿，通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)泵壓曲線可明顯觀察到泵壓持續(xù)下降，首先排除地面管匯無刺漏，然后起鉆檢查鉆具，發(fā)現(xiàn)鉆具刺漏，更換并剔除。

2.3.2 井漏識別

井漏是由于鉆井液液柱壓力大于地層壓力產(chǎn)生正壓差、導(dǎo)致鉆井液直接進(jìn)入地層中孔隙、裂縫或溶洞等的一種井下復(fù)雜情況，是超長水平段水平井鉆井過程中必須要解決的一個難題。當(dāng)發(fā)生井漏時，鉆井液液柱高度、泵壓均會有變化，會導(dǎo)致環(huán)空壓力發(fā)生明顯的變化，進(jìn)而導(dǎo)致當(dāng)量循環(huán)密度迅速降低。井漏處會伴生大井眼，同時會導(dǎo)致電磁波電阻率設(shè)備探測范圍內(nèi)鉆井液增多，電阻率值較正常井段低。因此，通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)實時監(jiān)測當(dāng)量循環(huán)密度并結(jié)合電磁波電阻率的變化，可以實現(xiàn)井漏預(yù)警。

2.4 鉆井配套技術(shù)

2.4.1 鉆頭優(yōu)選

解決水平段后期機(jī)械鉆速慢是高效實現(xiàn)超長水平段水平井施工的關(guān)鍵之一[14]，因此選用什么類型的鉆頭進(jìn)行超長水平段施工尤為重要。

目前，水平井鉆井施工時普遍使用PDC鉆頭，PDC鉆頭的刀翼數(shù)量、切削齒形狀等因素影響著鉆頭的機(jī)械鉆速[15]。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)可以實現(xiàn)全程復(fù)合鉆進(jìn)，不需要考慮滑動鉆進(jìn)時工具面是否穩(wěn)定，因此選用刀翼數(shù)量較少、攻擊性較強(qiáng)的五刀翼PDC鉆頭，更有利于提高機(jī)械鉆速。

采用楔形齒PDC鉆頭鉆井時，楔形齒與巖石的接觸面積相對更小，受力更集中，從理論上講對堅硬巖石的破碎能力會更強(qiáng)，但實際施工效果卻恰恰相反。分析認(rèn)為，目的層為較軟的石盒子組砂巖，楔形齒在較軟地層上刻出的一道道凹槽并不能使巖石立即破裂，反而因接觸面積小影響切削效率，而圓形齒有更大的接觸面，破巖效率更高。因此，要根據(jù)地層的實際情況選取鉆頭類型。

2.4.2 納米成膜封堵水基鉆井液技術(shù)

長慶油田盒8段地層垂向節(jié)理及裂縫發(fā)育，巖性以砂泥巖為主，鉆遇泥巖時井壁極易垮塌和發(fā)生井漏，隨著水平段不斷增長，鉆遇泥巖段也隨之增長，為了控制水平段泥巖垮塌和預(yù)防井漏，需要采用固相含量低、抑制性強(qiáng)、封堵性強(qiáng)的鉆井液。針對油基鉆井液成本高、回收處理環(huán)保難度大的問題，優(yōu)選與油基鉆井液性能接近的納米成膜封堵水基鉆井液技術(shù)[16]。通過配方優(yōu)化試驗，確定納米成膜封堵鉆井液的配方為：0.2%NaOH+0.2%PHPA+1.5%成膜封堵劑G314+0.3%PAC-H+0.3%PACSL+0.5%動切力提高劑G310+2.5%封堵劑G309+1.5%液體潤滑劑G303+6.0%KCl+重晶石粉。

納米成膜封堵水基鉆井液的抑制性強(qiáng)，泥巖膨脹降低率與潤滑性能突出，形成的濾餅致密堅韌，可有效封堵孔隙和微裂縫，減少孔隙壓力傳遞，降低摩阻。

3 現(xiàn)場試驗

2020年，長慶油田蘇里格地區(qū)部署了一口設(shè)計水平段長達(dá)4400 m的超長水平井桃XX井。該井目的層為石盒子組盒8下1段，巖性以巖屑石英砂巖、石英砂巖為主，其次為巖屑砂巖。該井應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，水平段鉆進(jìn)4000 m后仍能實現(xiàn)井眼軌跡的精準(zhǔn)控制，最高純機(jī)械鉆速可達(dá)10.40 m/h，較同區(qū)塊水平井提高8.9%。該井地質(zhì)工程應(yīng)用效果較好，順利完成水平段4466 m（井深8008 m），儲層鉆遇率96.6%，較同區(qū)塊水平井提高11.2百分點。

桃XX井近鉆頭方位伽馬成像結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，伽馬值從5 105 m處開始由60 API升至190 API左右，井斜角為89°，氣測值由17.5%降至1.3%，巖屑中泥質(zhì)含量明顯增大，伽馬成像圖呈現(xiàn)下切跡象，分析軌跡下切進(jìn)入泥質(zhì)夾層，迅速增斜至89.7°，井深5 133 m處的伽馬值由190 API降至50 API左右，氣測值在5 139 m處突升至51.4%，表明井眼軌跡上穿泥質(zhì)夾層回到儲層內(nèi)。

圖3 桃xx井近鉆頭方位伽馬成像圖Fig.3 Near-bit azimuthal gamma imaging result of Well Tao XX

鉆至井深5 168 m處，電磁波電阻率從40Ω·m迅速下降至5Ω·m，接近鉆井液電阻率，井底當(dāng)量循環(huán)密度從1.45 kg/L降至1.39 kg/L，表現(xiàn)出明顯的井漏響應(yīng)特征（見圖4）。因此，現(xiàn)場及時預(yù)警施工人員進(jìn)行處理，約1 h后監(jiān)測到鉆井液罐液面下降。

圖4 井漏處當(dāng)量循環(huán)密度和電磁波電阻率示意Fig.4 Equivalent circulating density and electromagnetic resistivity at circulation loss

桃XX井在鉆壓、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速和排量等工程參數(shù)不變的情況下，水平段第一趟鉆采用五刀翼雙排楔形齒PDC鉆頭，鉆進(jìn)井段5 076～5 884 m，平均機(jī)械鉆速為7.40 m/h；第二趟鉆采用五刀翼單排齒圓形齒PDC鉆頭，鉆進(jìn)井段5 884～7 026 m，平均機(jī)械鉆速提高至12.80 m/h，提速效果明顯。

4 結(jié)論與建議

1）通過應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能井眼軌跡控制技術(shù)，能在超長水平段水平井施工中精準(zhǔn)控制井眼軌跡，最大程度地延伸水平段長度。

2）近鉆頭方位伽馬成像技術(shù)和工程參數(shù)監(jiān)測技術(shù)不僅能夠提高儲層鉆遇率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)安全快速鉆井。

3）納米成膜封堵水基鉆井液技術(shù)和PDC鉆頭優(yōu)選，是小井眼超長水平段水平井鉆井的重要配套技術(shù)，對國內(nèi)其他油田超長水平段水平井的施工具有借鑒作用。

4）與國外超長水平段水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)相比，長慶油田水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)仍有優(yōu)化空間，建議繼續(xù)研究優(yōu)化工程地質(zhì)一體化技術(shù)。