大慶油田頁巖油水平井鉆井提速技術(shù)

李玉海，李 博，柳長鵬，鄭瑞強，李相勇，紀(jì) 博

（中國石油集團大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

我國頁巖油資源豐富，儲量超過700×108t，準(zhǔn)噶爾盆地、松遼盆地、渤海灣和鄂爾多斯盆地等多個區(qū)域均發(fā)現(xiàn)頁巖油，部分地區(qū)初具開發(fā)規(guī)模[1-3]。松遼盆地北部大慶古龍頁巖油為典型的陸相頁巖油，主要目的層分布范圍廣、厚度大，巖性以層狀頁巖、紋層狀頁巖和泥巖為主。大慶油田已在古龍區(qū)塊完成3口頁巖油預(yù)探水平井，完鉆井深2 135～4 230 m，水平段長1 630～2 220 m，鉆井過程中存在井壁不穩(wěn)定、井眼縮徑、鉆進摩阻大和定向困難等問題，導(dǎo)致鉆井周期長、機械鉆速低，全井平均機械鉆速僅12.38 m/h[4-6]。國外采用LWD+螺桿定向、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、水力振蕩器和高效PDC鉆頭等工具和采取優(yōu)化鉆井參數(shù)等措施，以提高頁巖油鉆井速度；國內(nèi)川渝地區(qū)、渤海灣和新疆瑪湖地區(qū)等頁巖油氣開發(fā)的重點區(qū)域，采用高造斜旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、水力振蕩器和高效PDC鉆頭等方法提高鉆井速度[7-8]。

筆者根據(jù)現(xiàn)場實鉆經(jīng)驗及現(xiàn)有技術(shù)水平，對井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道進行優(yōu)化，以降低施工難度；針對二開直井段縮徑、三開造斜段和水平段鉆井周期長等問題，研究了井壁修整工具、旋沖螺桿鉆井工具、清砂接頭和水力振蕩器等工具，并進行了鉆井參數(shù)優(yōu)化，形成了大慶頁巖油水平井鉆井提速技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，為大慶油田采用水平井高效開發(fā)頁巖油提供了技術(shù)支撐。

1 頁巖油地層特點及鉆井難點

大慶油田頁巖油儲層巖性以富含有機質(zhì)的泥巖、頁巖為主，黏土礦物含量高，且多孔多縫，呈紋層狀結(jié)構(gòu)，地層水敏性強，易發(fā)生層間散裂。目的層上部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，中下部為灰黑、灰綠、紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，存在長泥巖段，鉆進時易出現(xiàn)縮徑、泥包鉆頭和卡鉆等復(fù)雜情況。泥巖遇水膨脹導(dǎo)致縮徑，影響鉆井時效，增大井下遇阻卡鉆事故風(fēng)險；造斜段采用三維井眼軌道，造斜率難保證，入靶精準(zhǔn)度低，并且施工困難；水平井水平段長，巖屑易堆積形成巖屑床，導(dǎo)致鉆進過程中摩阻扭矩大，最大摩阻超過343 kN，最大扭矩24.5 kN·m，嚴(yán)重影響了水平段鉆井速度。分析認(rèn)為，大慶頁巖油地層鉆井提速主要存在以下技術(shù)難點：

1）大慶頁巖油水平井上部地層存在流砂層和大段泥巖，特別是目的層上部地層水化膨脹，易引起井眼縮徑，導(dǎo)致起下鉆阻卡、測井和固井前需多次反復(fù)通井，影響鉆井時效；頁巖儲層黏土礦物含量高，井壁易剝落形成巖屑床，導(dǎo)致卡鉆、遇阻和憋泵故障頻發(fā)，已施工的3口頁巖油水平井均存在不同程度的井壁剝落或坍塌、頻繁憋泵和卡鉆等問題。

2）大慶油田頁巖油開發(fā)以叢式井為主，一般設(shè)計為大位移三維井眼軌道，在增斜的同時要扭方位，與常規(guī)二維井眼軌道相比，鉆進摩阻增加40%以上；長水平段三維水平井因位垂比大、裸眼段長，消除偏移距后易形成井眼拐點，造成井眼軌跡控制難度大[9-13]。已鉆井采用三維井眼軌道，造斜段鉆進過程中滑動摩阻扭矩急劇增大，定向工具和鉆頭作用力方向易偏離設(shè)計軌道，工具面不穩(wěn)，滑動鉆進比例高，嚴(yán)重影響機械鉆速。

3）頁巖油水平井水平段長，巖屑不易返出，在鉆柱低邊堆積形成巖屑床，鉆進后期鉆柱與井壁之間摩阻扭矩大，鉆頭難以有效傳遞鉆壓，鉆具極易發(fā)生彎曲，導(dǎo)致鉆具疲勞損壞；滑動鉆進時托壓嚴(yán)重，工具面失穩(wěn)，機械鉆速低。已施工3口水平井水平段的平均機械鉆速為8.05 m/h，與全井平均機械鉆速（12.38 m/h）相差較大。

2 鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)

針對頁巖油水平井鉆井存在的井壁不穩(wěn)定、井眼軌跡控制困難和鉆進摩阻大等問題，提出了提高鉆井速度、減少井下故障的技術(shù)思路，開展了井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道和鉆井參數(shù)優(yōu)化及鉆井提速配套工具研究，形成了大慶油田頁巖油水平井鉆井提速技術(shù)，達(dá)到了提高單趟鉆進尺、減少井下故障、提高機械鉆速和提高“一趟鉆”成功率的目的。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原井身結(jié)構(gòu)采用3層套管結(jié)構(gòu)，二開鉆至造斜點下技術(shù)套管，三開鉆進造斜段和水平段，技術(shù)套管下深2 000 m左右，三開下部地層井壁失穩(wěn)，影響了三開造斜段和水平段鉆井安全和效率。根據(jù)大慶頁巖油地質(zhì)特性及后期壓裂施工工藝，依據(jù)鉆井安全、提高鉆井效率的原則，對井身結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化：一開，采用φ444.5 mm鉆頭鉆進，下入φ339.7 mm表層套管，水泥返至地面，封隔淺部水層；二開，采用φ311.1 mm鉆頭鉆進，下入φ244.5 mm技術(shù)套管，水泥返至地面，封隔目的層以上大段易垮塌泥頁巖層，為三開水平段鉆進提供安全施工環(huán)境；三開，采用φ215.9 mm鉆頭鉆進，下入φ139.7 mm油層套管，水泥返至地面，為后期壓裂提供安全保障。

2.2 井眼軌道設(shè)計優(yōu)化

在實現(xiàn)地質(zhì)設(shè)計目的的前提下，充分考慮地質(zhì)特征、井眼軌跡控制技術(shù)、鉆進摩阻扭矩及鉆井參數(shù)等因素，優(yōu)化井眼軌道，以降低施工難度。已鉆井采用三維井眼軌道，由于二開為直井段，三開造斜段需要同時進行增斜和扭方位，導(dǎo)致滑動鉆進比例高、井眼軌道不平滑、鉆進摩阻增大和機械鉆速低。針對以上問題，優(yōu)化井眼軌道，依據(jù)造斜率小于6.5°/30 m的原則，在實現(xiàn)地質(zhì)目的的前提下，兼顧降低施工難度，合理上移造斜點，二開就進行造斜施工，以降低造斜率，提高井眼平滑度。在保證水平段長度的前提下，將三維井眼軌道優(yōu)化為雙二維井眼軌道，上部二維井段完成偏移距，下部井段按照常規(guī)二維水平井施工，實現(xiàn)三維變二維。采用雙二維井眼軌道井眼軌跡更平滑，井眼曲率最高降低20%，復(fù)合鉆比例提高25%，鉆進摩阻、扭矩更小，造斜段和水平段機械鉆速顯著提高。

2.3 鉆井提速工具研究

2.3.1 井壁修整工具

頁巖油水平井二開上部姚家組等地層易縮徑，導(dǎo)致φ311.1 mm井眼起下鉆阻卡，測井固井前需多次往復(fù)通井，嚴(yán)重影響鉆井周期。為解決此問題，研制了隨鉆井壁修整工具（見圖1）。該工具設(shè)計為四直棱結(jié)構(gòu)，直棱側(cè)面、上下斜面設(shè)計有切削齒。鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中，切削齒進入縮徑井段對其進行擴眼、修整，易縮徑井段位置每隔200～300 m安放1只井壁修整工具，解決了泥巖段縮徑需要多次通井的問題，可顯著提高鉆井時效。

圖1 井壁修整工具的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the borehole wall dressing tool

2.3.2 旋沖螺桿鉆井工具

為提高頁巖油二開造斜段造斜率和機械鉆速，研制了旋沖螺桿鉆井工具。該工具為螺桿鉆具+沖擊工具一體化設(shè)計（見圖2），采用高輸出扭矩的等壁厚高效螺桿，沖擊部分能夠?qū)@井液的壓力能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)破巖動力，輸出高頻沖擊輔助鉆頭破巖，提高機械鉆速。通過整體方案設(shè)計，旋沖螺桿工具彎點至連接鉆頭端面距離小于常規(guī)螺桿彎點至鉆頭端面距離，可提高造斜率。工具主要技術(shù)參數(shù)為：額定工作壓耗≤8 MPa，輸出扭矩8～18 kN·m，工作轉(zhuǎn)速70～130 r/min，沖擊頻率10～40 Hz，工作溫度0～120 ℃，使用壽命不小于180 h，彎點距離不大于2.00 m。旋沖螺桿鉆井工具可以保護鉆頭，提高單只鉆頭的進尺和鉆井速度，目前該工具已形成系列化產(chǎn)品及成熟的現(xiàn)場施工工藝。

圖2 旋沖螺桿鉆井工具的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the rotary screw

2.3.3 清砂接頭

頁巖油水平井井壁易失穩(wěn)，大斜度段、水平段易形成巖屑床，僅依靠水力參數(shù)優(yōu)化和工藝改進不能完全解決井眼清潔的問題[14]，為此，研制了清砂接頭（見圖3）。該接頭設(shè)計有V形螺旋槽式流道和反向螺旋結(jié)構(gòu)，采用漏斗式結(jié)構(gòu)，流道入口尺寸大于出口尺寸，懸浮巖屑進入V形螺旋槽后流速急劇增大并改變方向，提高巖屑運移速度，上返鉆井液流經(jīng)V形螺旋槽后進入反向螺旋結(jié)構(gòu)形成紊流，可將低邊巖屑懸浮在井筒中。工具主要技術(shù)參數(shù)為：總長1 250 mm，上下接頭外徑為165 mm；V形螺旋槽長240～350 mm，最大外徑165 mm。該工具可以破壞巖屑床，解決頁巖油水平井塌塊剝落造成的巖屑堆積問題，降低沉砂卡鉆風(fēng)險和水平段鉆進摩阻，提高機械鉆速。

圖3 清砂接頭的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the sand cleaning joint

2.3.4 水力振蕩器

針對三開水平段滑動鉆進時的托壓問題，研制了水力振蕩器。該工具主要由振動部分、動力部分和閥體總成組成（見圖4），其原理是利用鉆井液在流經(jīng)閥體總成時，因過流面積發(fā)生周期性變化從而產(chǎn)生水力脈沖，將鉆具與井壁之間的靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮Γ档豌@柱與井壁之間的摩阻，提高鉆壓傳遞效率[15-16]。應(yīng)用水力振蕩器能夠給鉆頭施加真實的鉆壓，并保證工具面穩(wěn)定，提高水平井鉆井效率，降低發(fā)生井下故障的概率。水力振蕩器主要工作技術(shù)參數(shù)為：排量32～36 L/s，壓降3～4 MPa，頻率16～17 Hz，振動幅度3～10 mm，振動沖擊力37～43 kN。

圖4 水力振蕩器的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the hydraulic oscillator

2.4 鉆井參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)古龍頁巖油地質(zhì)特性，模擬計算了不同鉆速、鉆桿條件下返砂所需的最小排量及巖屑床高度。計算結(jié)果表明：采用φ127.0 mm鉆桿，當(dāng)機械鉆速為15.0 m/h、轉(zhuǎn)速為90 r/min、排量為33 L/s時，巖屑床高度為3.2 mm；排量為36 L/s時，巖屑床高度為2.1 mm，排量與巖屑床高度成反比關(guān)系；排量超過40 L/s時，對頁巖井壁沖刷嚴(yán)重，井壁沖刷力增大25%，因此確定最優(yōu)排量為33～40 L/s。數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速為90 r/min、鉆壓為98 kN時，渦動轉(zhuǎn)速可達(dá)400 r/min以上，井壁受到瞬時側(cè)向應(yīng)力最高可達(dá)600 MPa。為了減少鉆具渦動、鉆井液沖刷對井壁穩(wěn)定的影響，并保證最大限度地攜巖，減小巖屑床高度，根據(jù)理論計算和現(xiàn)場實踐，對鉆井參數(shù)進行了優(yōu)化，確定了最優(yōu)的鉆井參數(shù)：排量33～40 L/s，轉(zhuǎn)速90～110 r/min，鉆壓58.8～98.0 kN。采用該鉆井參數(shù)鉆進可達(dá)到提速效果。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 總體應(yīng)用情況

大慶油田頁巖油水平井鉆井提速技術(shù)在古龍頁巖油區(qū)塊3口井進行現(xiàn)場試驗，平均完鉆井深4 691 m，平均機械鉆速19.03 m/h，平均鉆井周期35.23 d，與該區(qū)塊之前施工的水平井相比，機械鉆速提高53.7%（見表1）。下面以試驗1井為例介紹現(xiàn)場試驗情況。

表1 3口水平井現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)Table 1 Field test data from 3 horizontal wells

3.2 試驗1井

試驗1井是位于古龍頁巖油試驗區(qū)塊的一口開發(fā)井，設(shè)計井深4 735 m，設(shè)計水平段長2 020 m，采用三開井身結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場施工時，一開，采用φ444.5 mm鉆頭鉆至井深265.00 m，φ339.7 mm表層套管下至井深264.48 m；二開，采用φ311.1 mm鉆頭鉆至井深2 364.00 m，φ244.5 mm技術(shù)套管下至井深2 363.42 m；三開，采用φ215.9 mm鉆頭鉆至井深4 735.00 m，φ139.7 mm生產(chǎn)套管下至井深4 730.58 m。

二開從井深296.00 m開始進行造斜，第1趟鉆采用1.25°旋沖螺桿鉆具與φ311.1 mm PDC鉆頭配合的鉆具組合，旋沖螺桿鉆具增斜能力強，可合理確定滑動鉆進和復(fù)合鉆進比例，提高機械鉆速；進尺1 320 m，機械鉆速43.56 m/h。第2趟鉆采用φ311.1 mm PDC鉆頭+1.25°常規(guī)螺桿的鉆具組合，距鉆頭300 m的裸眼段每隔7柱鉆桿使用1只井壁修整工具，共使用5只井壁修整工具，防止目的層上部地層縮徑導(dǎo)致卡鉆。1 700～1 856 m井段鉆進過程中工具面不穩(wěn)，定向托壓嚴(yán)重，采用小鉆壓鉆進，并采用大排量循環(huán)和井壁修整工具修整縮徑井眼，鉆進情況得到改善，第2趟鉆進尺779 m，機械鉆速14.78 m/h。

三開φ215.9 mm井段進尺2 371 m，鉆至井深4 735 m，3趟鉆完成。第1趟鉆采用PDC鉆頭+1.50°常規(guī)螺桿+LWD鉆具組合，初期復(fù)合鉆進正常，鉆至井深2 492 m開始定向，定向過程中出現(xiàn)蹩跳鉆現(xiàn)象，滑動鉆進占比78.82%；鉆至井深2 623 m，起鉆更換鉆頭和螺桿；第1趟鉆進尺259 m（2 364～2 623 m），機械鉆速6.53 m/h。第2趟鉆采用PDC鉆頭+1.50°常規(guī)螺桿+LWD+水力振蕩器鉆具組合，水力振蕩器距鉆頭150 m，滑動鉆進占比降至40.74%，機械鉆速由6.53 m/h提至12.47 m/h；第2趟鉆進尺256 m，進入A靶點后起鉆，換旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合。第3趟鉆采用PDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+清砂接頭鉆具組合，距鉆頭200 m處安放第1只清砂接頭，然后每隔5柱鉆桿安裝1只清砂接頭，清砂接頭能在一定程度上減小巖屑床高度，降低卡鉆風(fēng)險；第3趟鉆進尺1 856 m（2 879～4 735 m），機械鉆速18.29 m/h。

試驗1井完鉆井深4 735 m，水平段長2 150 m，鉆井周期35.25 d，全井平均機械鉆速19.03 m/h，其中二開機械鉆速高達(dá)43.56 m/h，鉆井提速效果較好。

4 結(jié)論與建議

1）針對大慶油田古龍區(qū)塊頁巖油水平井的鉆井技術(shù)難點，開展了井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道和鉆井參數(shù)優(yōu)化及鉆井提速工具研究和等技術(shù)攻關(guān)，形成了大慶油田頁巖油水平井鉆井提速技術(shù)。

2）大慶油田頁巖油水平井鉆井提速技術(shù)解決了地層穩(wěn)定性差、井眼軌跡控制困難和水平段機械鉆速低等技術(shù)難點，降低了井下鉆井風(fēng)險，大幅度了提高鉆井速度，縮短了鉆井周期，為加快大慶油田古龍區(qū)塊頁巖油勘探開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

3）為了進一步提高頁巖油水平井機械鉆速，建議加強鉆井液井壁穩(wěn)定井眼清潔技術(shù)、高性能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)和高效減摩降阻技術(shù)等技術(shù)攻關(guān)，進一步完善頁巖油水平井鉆井提速技術(shù)，更好地滿足大慶古龍區(qū)塊頁巖油高效勘探開發(fā)的需求。