頁巖油大斜度深井側(cè)鉆技術(shù)淺析
——以高郵凹陷HY1HF 井為例

李仕釗，李根奎

（1.中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇南京 210000；2.中石化華東石油工程公司江蘇鉆井公司,江蘇揚(yáng)州 225200）

HY1HF井是在完成HY1井鉆探、落實(shí)高郵凹陷阜二段頁巖油［1］而部署的一口頁巖油水平井［2］,? 311.1 mm 井眼側(cè)鉆造斜至井深3 780 m,井斜54.6°,?244.5 mm 技術(shù)套管下至3 777.93 m；三開?215.9 mm井眼采用Archer675旋導(dǎo)工具［3］,近鉆頭井斜、方位、伽馬［4］以及遠(yuǎn)端電阻率、井斜、方位進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向及軌跡控制［5］,因旋導(dǎo)工具發(fā)生多次堵塞僅完成3 783 m至4 436 m井段控制,后換LWD儀器鉆至4 576 m,因地層斷層層位的變化實(shí)鉆軌跡進(jìn)入阜一段地層166 m,偏移了目的層。經(jīng)技術(shù)論證從3 950 m 側(cè)鉆,側(cè)鉆施工克服了井深、井斜大、油基鉆井液水泥塞膠結(jié)差［6］及地層自然造斜能力［7］強(qiáng)等困難,采用牙輪鉆頭與1.75°單彎組合側(cè)鉆成功,完鉆井深5 785 m,閉合位移2 113 m,水平段長1 278 m,油層鉆遇率100%。

通過本井側(cè)鉆施工,對頁巖油水平井大斜度深井側(cè)鉆在造斜工具、鉆頭、鉆具組合、側(cè)鉆軌跡控制方式的選擇有新的認(rèn)識。

1 技術(shù)難點(diǎn)

頁巖油大斜度深井側(cè)鉆與常規(guī)定向井側(cè)鉆相比,因側(cè)鉆點(diǎn)深、井斜大、油基鉆井液水泥塞膠結(jié)差等因素,施工難度大、風(fēng)險高,不容易側(cè)鉆成功。其技術(shù)難點(diǎn)：

（1）側(cè)鉆點(diǎn)井斜大［8］,井眼軌跡平滑無狗腿,側(cè)鉆井眼不易形成新臺階。3 783 m至4 436 m為旋導(dǎo)控制井段,其中3 900 m 至4 000 m 為旋導(dǎo)穩(wěn)斜井段,所選側(cè)鉆點(diǎn)3 950 m 正處旋導(dǎo)穩(wěn)斜井段,井斜68°左右。

（2）側(cè)鉆點(diǎn)水泥塞膠結(jié)強(qiáng)度難以保證,側(cè)鉆工具沒有支撐點(diǎn)。由于油基鉆井液、井斜大的原因,注水泥塞時水泥漿沉降和油基鉆井液井眼難以清潔,水泥漿容易被污染和造成很長的混漿段［9］,導(dǎo)致水泥塞膠結(jié)強(qiáng)度不夠。

（3）因井深壓實(shí)作用,側(cè)鉆點(diǎn)地層可鉆性差。而且側(cè)鉆軌跡與地層夾角小,以及地層自身造斜力強(qiáng)。三開老井眼地層自然減方位能力強(qiáng)（3°/30 m 左右）,地層傾角15°左右,軌跡與地層夾角小,不利于側(cè)鉆新井眼形成。

（4）新井眼的判斷與軌跡控制難度大?？刂沏@時返出的巖屑較細(xì)碎,又受油基鉆井液污染［10］,泥巖巖屑與水泥區(qū)分有困難；設(shè)計初始造臺階井段有限,定向儀器測斜零長偏長,新井眼數(shù)據(jù)難以預(yù)測,對軌跡控制帶來困難。

2 大斜度深井祼眼側(cè)鉆工藝技術(shù)

裸眼側(cè)鉆［11］的方式按側(cè)鉆工具可分為斜向器側(cè)鉆、降斜鉆具側(cè)鉆、單彎螺桿鉆具側(cè)鉆；按側(cè)鉆工藝可分為裸眼回填水泥側(cè)鉆和懸空側(cè)鉆。為了不影響后期壓裂開采需回填已鉆開的目的層［12］,同時滿足新井眼軌跡增斜需要,頁巖油水平井大斜度井側(cè)鉆常用注水泥填井動力（單彎螺桿）鉆具側(cè)鉆。HY1HF井依據(jù)工程補(bǔ)充設(shè)計剖面,應(yīng)采用單彎螺桿鉆具降斜增方位軌跡控制方式側(cè)鉆。

2.1 側(cè)鉆點(diǎn)與側(cè)鉆控制方式

（1）側(cè)鉆點(diǎn)的選擇［13］。側(cè)鉆點(diǎn)的選擇首先必須滿足地質(zhì)設(shè)計及完鉆目的要求；二是地層穩(wěn)定、可鉆性好、井眼規(guī)則井徑擴(kuò)大率小；三是盡量避免降斜、穩(wěn)斜段側(cè)鉆,方位與原井眼要有一定角度。

（2）側(cè)鉆控制方式的選擇［14］。單彎螺桿鉆具側(cè)鉆效果取決于工具造斜率和工具面角［15］,為提高裸眼側(cè)鉆成功率,一般初始采取降斜、降斜增方位、降斜降方位方式。

2.2 鉆具組合與鉆頭選擇

（1）單彎螺桿及鉆具組合的選擇。鉆具結(jié)構(gòu)的造斜率和側(cè)向力是選擇側(cè)鉆工具的主要依據(jù),側(cè)向力越大,側(cè)切力越強(qiáng)、就越有利于側(cè)鉆［16］。常規(guī)大斜度井、水平井側(cè)鉆采用PDC+1.5°帶穩(wěn)定器單彎螺桿單扶組合,對側(cè)鉆難度大的井則采用牙輪鉆頭+1.75°帶穩(wěn)定器單彎螺桿單扶組合。

（2）鉆頭的選擇。鉆頭的側(cè)向切削能力是側(cè)鉆鉆頭選擇依據(jù),側(cè)鉆鉆頭主要以短保徑專用定向PDC 鉆頭和適用螺桿高轉(zhuǎn)速的牙輪鉆頭為主,PDC鉆頭的保徑長度對鉆頭的側(cè)向切削能力影響較大,鉆頭保徑長度越大,保徑與地層的接觸面積就越大,越有利于提高鉆頭的穩(wěn)定性,但長保徑設(shè)計會降低鉆頭的造斜能力［17］,避免用側(cè)向能力弱的平底PDC 鉆頭、長保徑PDC 鉆頭、單牙輪鉆頭或類似鉆頭。

2.3 側(cè)鉆工藝技術(shù)

（1）水泥塞承壓測試。用大水眼鉆頭鉆探水泥塞到側(cè)鉆位置,大排量充分洗井,確保井眼暢通,鉆井液達(dá)到滑動鉆井要求,并進(jìn)行超過120 kN 的水泥塞承壓測試。

（2）工具、儀器檢查測試。側(cè)鉆鉆具組合下井前,用鉆進(jìn)排量對入井工具、儀器進(jìn)行井口檢查測試,鉆具組合的造斜能力要滿足井眼軌道設(shè)計要求。

（3）拉槽、磨臺階、控時鉆進(jìn)。鉆具下到實(shí)際側(cè)鉆位置調(diào)整好工具面,對側(cè)鉆點(diǎn)以上5 m 井段上下緩慢劃槽10 遍后,至側(cè)鉆點(diǎn)位置定向磨臺階0.5～1 h。后續(xù)視返出巖屑情況逐步調(diào)整控時,一般為正常鉆時的3～5倍,保證新井眼地層被切削。

（4）新井眼的判斷。新井眼的正確判斷是側(cè)鉆工藝技術(shù)必不可少的重要環(huán)節(jié),是快速高效完成側(cè)鉆的關(guān)鍵,其主要依據(jù)是鉆屑中巖屑與水泥所占比例［13］。判斷手段：①元素錄井技術(shù)的應(yīng)用［18］,元素分析協(xié)助巖屑錄井,新地層巖屑返出量占比增多,水泥量減少,最后100%為新地層巖屑；②軌跡數(shù)據(jù)對比計算。新井眼的井斜、方位測量數(shù)據(jù)與原井眼同井深測量數(shù)據(jù)不同；③對比鉆時。鉆井參數(shù)相同,鉆時與正常情況相似。側(cè)鉆成功后,根據(jù)井眼軌道設(shè)計要求繼續(xù)施工同時注意保護(hù)側(cè)鉆點(diǎn),新井眼形成后,要防止重新進(jìn)入老井眼,起下鉆時避免在側(cè)鉆井段開泵和劃眼［19］。

3 側(cè)鉆施工過程分析

按地質(zhì)補(bǔ)充設(shè)計A、B 靶點(diǎn)對軌跡控制要求,HY1HF 井側(cè)鉆點(diǎn)為3 950 m,此處井斜68°,方位127.83°,側(cè)鉆設(shè)計造斜率3.9°/30 m,最大井斜78°,側(cè)鉆方位134.56°?？紤]老井實(shí)鉆軌道閉合方位小于設(shè)計方位,側(cè)鉆軌跡設(shè)計方位大于老井設(shè)計方位,從老眼右側(cè)繞開。

3.1 注水泥塞及井眼準(zhǔn)備

（1）注水泥塞方案。HY1HF 井垂深達(dá)到3 985 m,井底溫度120 ℃,回填井段3 950～4 570 m,封固井段長。水泥漿體系采用抗高溫防氣竄水泥漿體系［20］,密度1.90 g/cm3、溫度120℃、稠化時間300～330 min、失水量小于50 mL。采用平衡法打水泥塞,分4 230～4 576 m、3 950～4 230 m 二次完成回填側(cè)鉆水泥塞施工,第一段注水泥漿替漿上提鉆具至4 230 m循環(huán)一周后,接著注第二段水泥漿。

（2）水泥漿計算及前置液體系。水泥漿計算借鑒西部頁巖氣井施工經(jīng)驗(yàn)。老井眼相對規(guī)則,井徑擴(kuò)大率小,水泥漿量計算第一段不增加附加量,第二段增加10%,注完第二段水泥塞起至3 890 m 循環(huán),比設(shè)計側(cè)鉆點(diǎn)3 950 m 高60 m,以確保水泥塞面不低于側(cè)鉆點(diǎn)和盡量少的混漿返出,減少污染。選用洗油前置液體系［21］,以清洗井眼,保證膠結(jié)效果,共注入12 m3,密度1.50 g/cm3,分段注水泥漿及返出效果見表1。

表1 分段注水泥漿及返出效果

（3）為防止水泥漿候凝期間環(huán)空氣竄,循環(huán)一周后關(guān)井候凝；候凝48 h 探得水泥面3 907 m,鉆至3 915 m 承壓180 kN,調(diào)整好鉆井液性能換側(cè)鉆組合。

3.2 側(cè)鉆施工

3.2.1 側(cè)鉆第一趟鉆

鉆具組合：?215.9 mmPDC+?172 mm 單彎螺桿（1.5°?208 mm穩(wěn)定器）+LWD短節(jié)+?127 mm無磁承壓鉆桿1 根+MWD 短節(jié)+?127 mm 無磁承壓鉆桿1 根+?127 mm 斜臺階加重鉆桿2 根+?159 mm 隨鉆震擊器+?127 mm 斜臺階加重鉆桿1 根+?127 mm 斜臺階鉆桿（40～190 根）+?127 mm 斜臺階加重鉆桿24 根+?139.7 mm 斜臺階鉆桿+133 mm方鉆桿。

從井深3 915 m 控時,工具面高邊右150°降斜增方位,拉槽后按80～110 min/m 控時鉆進(jìn)至井深3 943 m,3 916 m 至3 921 m 元 素 分 析Ca 由13%降至11%,新井眼臺階有形成趨勢,從井深3 922 m 至3 943 mCa 元素穩(wěn)定在17%至20%之間,從砂樣與元素分析,未形成新井眼,3 939 m、3 942 m 錄井巖屑見圖1。控制參數(shù)：排量32 L/s,鉆壓0～30 kN；在井深3 940.8 m下探承壓至3 941.8 m承壓130 kN。

圖1 第一趟錄井巖屑

3.2.2 側(cè)鉆第二趟鉆

初步分析第一趟鉆未形成新井眼原因,為旋導(dǎo)鉆進(jìn)井段井眼規(guī)則和水泥塞膠結(jié)不好。換牙輪鉆頭與1.75°單彎螺桿組合。鉆具組合為:?215.9 mmMDI517X+?172 mm 單彎螺桿（1.75°帶?212 穩(wěn)定器）+?152 mm 無磁鉆鋌1 根+MWD 短節(jié)+? 127 mm 無磁承壓鉆桿1 根+?127 mm 斜臺階加重鉆桿2根+?159 mm 隨鉆震擊器+?127 mm 斜臺階加重鉆桿1 根+?127 mm 斜臺階鉆桿（190 根）+? 127 mm 斜臺階加重鉆桿24 根+?139.7 mm 斜臺階鉆桿+133 mm方鉆桿。

（1）降斜增方位側(cè)鉆,井段3 943～3 952 m,按照懸空側(cè)鉆控時方案施工。參數(shù)：排量32 L/s、鉆壓0～30 kN；承壓測試,從3 943 m 下探井深3 946.18 m 承壓120 kN,根據(jù)承壓情況選擇3 945.3 m 作為側(cè)鉆點(diǎn),擺好工具面高邊右150°,在井深3 941～3 945.3 m 上下緩慢劃槽10 遍后,放至側(cè)鉆點(diǎn)位置定向磨臺階1 h。從兩次實(shí)際承壓情況分析,水泥塞膠結(jié)強(qiáng)度弱,按照懸空側(cè)鉆方案施工,200～240 min/m 控時鉆進(jìn)至3 952 m,元素分析Ca穩(wěn)定在17%左右,從元素分析仍未形成新井眼。

（2）降斜降方位側(cè)鉆,從3 953 m 開始調(diào)整工具面降斜降方位方式（-120°至-150°）側(cè)鉆,按150 min/m 控時側(cè)鉆,至3 955 m Ca 元素由18%下降至13.87%,3 957～3 959 m Ca 元素為10%,鉆至3 969 m,Ca元素穩(wěn)定為9%～10%,從錄井巖屑、元素分析,新井眼完全形成,牙輪鉆頭使用時間已到,起鉆換鉆具組合。錄井巖屑見圖2,鉆時、元素與老井眼對比見表2。

表2 Ca元素、鉆時與老井眼對比

3.2.3 側(cè)鉆第三趟鉆

側(cè)鉆第三趟鉆換1.5°無扶單彎及FL1653JH 進(jìn)行下步軌跡控制,按照地質(zhì)導(dǎo)向指令進(jìn)行新井眼軌跡調(diào)整。鉆具組合:?215.9 mmFL1653JH+?172 mm 無扶單彎螺桿（1.5°）+LWD 短節(jié)+?127 mm 無磁承壓鉆桿1 根+MWD 短節(jié)+?127 mm 無磁承壓鉆桿1 根+?127 mm 斜臺階加重鉆桿2 根+?159 mm 隨鉆震擊器+?127 mm 斜臺階加重鉆桿1 根+?127 mm 斜臺階鉆桿（190 根）+?127 mm 斜臺階加重鉆桿24 根+?139.7 mm 斜臺階鉆桿+133 mm 方鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)：排量30～32 L/s,頂驅(qū)轉(zhuǎn)速50 r/min,鉆壓80～120 kN；鉆進(jìn)井段3 969～4 874.04 m,進(jìn)尺905.04 m,機(jī)械鉆速7.13 m/h；本趟鉆具組合造斜率最高為5.1°/30 m,見表3。

表3 滑動效果分析

實(shí)鉆掃描結(jié)果基本達(dá)到井深3 980 m、4 040 m、4 100 m、4 160 m 處夾壁墻厚度分別1 m、4 m、15 m、25 m 的要求,由于改變了初始側(cè)鉆軌跡,降斜降方位從井眼左側(cè)形成新井眼再造斜按設(shè)計軌跡進(jìn)A靶,導(dǎo)致4 100 m 后的夾壁墻厚度增長不明顯,但不影響整體軌跡控制,見表4、圖3。

表4 側(cè)鉆新軌跡與老井眼距離

圖3 側(cè)鉆后新老井眼軌跡

3.3 側(cè)鉆施工失利因素分析

HY1HF三開可選擇側(cè)鉆位置有限,設(shè)計方位雖然與原井眼錯開,但由于老井眼光滑、水泥塞不實(shí)等諸多原因造成3 915～3 952m 新井眼臺階未形成。其原因：

（1）水泥塞質(zhì)量的影響。水泥塞質(zhì)量的好壞是深井側(cè)鉆成功的關(guān)鍵。第一趟側(cè)鉆采用江蘇區(qū)塊水平井常用的鉆具組合,正常定向造斜率可達(dá)8°/30m 左右,側(cè)鉆磨臺階初始元素Ca 基本穩(wěn)定在11%左右（水泥塊Ca 元素23%左右）,錄井新巖屑占比70%左右,有形成新井眼趨勢,而從井深3 922 m 至3 943 mCa 元素穩(wěn)定在17%,錄井新巖屑占比小于50%,以水泥為主。從3 930.5 m 下探承壓至3 931.9 m,承壓100 kN；從3 940.8 m 下探承壓至3 941.8 m,承壓130 kN。從承壓分析,水泥塞不實(shí)是未形成新井眼的主要原因之一。

（2）井眼軌跡的影響。第二趟鉆換成強(qiáng)造斜率側(cè)鉆組合并按照懸空側(cè)鉆控時方案施工,井段3 943～3 952 m,仍未形成新井眼,除去水泥塞不實(shí)有混漿原因外,井眼自身因素不能忽略,3 900 m 至4 000 m為旋導(dǎo)穩(wěn)斜段,井眼平滑規(guī)則,側(cè)鉆控時不容易形成新臺階。

（3）地層自然造斜力的影響。牙輪鉆頭與1.75°帶?212 mm 穩(wěn)定器單彎組合造斜率13°/30 m 左右,按懸空側(cè)鉆控時仍不起作用,此井段旋導(dǎo)穩(wěn)斜鉆進(jìn)地層自然減方位,從表5旋導(dǎo)指令參數(shù)可以看出,旋導(dǎo)一直在以30%右扭方位力量減緩地層自然減方位；地層自然造斜能力較強(qiáng),按旋導(dǎo)近鉆頭測量數(shù)據(jù)分析3°/30m 左右。由于水泥塞不實(shí)及井眼規(guī)則平滑,靠側(cè)鉆組合自身重量的側(cè)向力不能克服地層造斜力影響形成新井眼。

表5 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制指令

4 結(jié)論認(rèn)識

（1）側(cè)鉆方案設(shè)計是頁巖油水平井大斜度深井裸眼側(cè)鉆成功的關(guān)鍵。側(cè)鉆點(diǎn)的確定以滿足地質(zhì)設(shè)計目的、有利側(cè)鉆成功為前提,充分考慮地層穩(wěn)定性、可鉆性、井徑等因素外,老井眼軌跡和地層自然造斜力也不可忽視。

（2）水泥塞質(zhì)量是頁巖油大斜度深井裸眼側(cè)鉆成功的基礎(chǔ)。油基鉆井液注水泥塞,前置液的沖洗效率及隔離效果至關(guān)重要,直接影響水泥塞質(zhì)量,設(shè)計和施工應(yīng)足夠重視。

（3）牙輪鉆頭與大角度單彎螺桿組合是大斜度深井裸眼側(cè)鉆成功的保證。牙輪鉆頭與大角度單彎螺桿組合側(cè)向力大,有利于新井眼形成,施工時要注意軌跡預(yù)測,控制造斜力防止狗腿度過大影響后續(xù)軌跡控制。

（4）元素分析技術(shù)有利于判斷新井眼是否形成。采用油基鉆井液的頁巖油水平井,錄井巖屑受到油基鉆井液污染,新井眼巖屑不容易分辨,利用現(xiàn)場元素分析技術(shù),可以準(zhǔn)確分析水泥與巖屑組分的比例,以此判斷新井眼是否形成。