新疆吉木薩爾頁巖油水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

郭 亮，鄒 榮，王維良，涂福洪，楊 靜，李 敏

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司，天津 300280）

隨著石油勘探開發(fā)的深入，我國開啟了頁巖油產(chǎn)能部署。2017 年中國石油天然氣股份有限公司評估認(rèn)為頁巖油（含低成熟頁巖油資源）資源豐富，儲量超過700×108t，主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地、松遼平原、渤海灣區(qū)域、鄂爾多斯盆地等多個區(qū)域，部分地區(qū)初具開發(fā)規(guī)模[1-8]。新疆吉慶吉木薩爾頁巖油自2011 年勘探發(fā)現(xiàn)以來，歷經(jīng)“勘探發(fā)現(xiàn)、提產(chǎn)試驗、技術(shù)突破和效益開發(fā)探索”階段，目前采用的是二開井身結(jié)構(gòu)，采用大井叢工廠化鉆井模式施工，平均井深約5900m，水平段長1800～2200m，施工難度大。施工中面臨二開水平井裸眼段長、造斜點(diǎn)深、井眼軌跡控制難、易發(fā)生井漏井塌、定向鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重等難題，嚴(yán)重制約了鉆井速度[9-15]。為此，開展了吉木薩爾頁巖油水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究，形成了“表套深下+油基鉆井液”二開水平井開發(fā)技術(shù)方案，封隔淺部薄弱地層，采用化學(xué)抑制機(jī)理降低梧桐溝組坍塌風(fēng)險，降低梧桐溝組鉆井液密度，增大安全密度窗口，有效解決了三開變二開后長裸眼段“上下漏、中間塌”等安全鉆井難題，縮短了鉆井周期，為加快新疆油田吉慶頁巖油勘探開發(fā)步伐提供了技術(shù)支撐。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

（1）地層可鉆性差。地層縱向夾層多、巖性變化大、可鉆性差，鉆井周期長，常規(guī)螺桿鉆具組合條件下機(jī)械鉆速低，鉆井提速工具和鉆頭選型困難。

（2）摩阻扭矩高。吉木薩爾頁巖油采用大井叢工廠化鉆井模式開發(fā)，設(shè)計均為二開井身結(jié)構(gòu)井，平均井深5900m，造斜點(diǎn)深約3800m，水平段長1800～2200m，定向鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重。

（3）井眼軌跡控制難度大。二開裸眼段長，定向鉆進(jìn)效率低，水平段長，上傾井井斜最大達(dá)到95°，造斜率5.5°～5.8°/30m，機(jī)械鉆速低。

（4）事故復(fù)雜防控困難。表層容易發(fā)生串槽到地表，韭菜園子組至梧桐溝組井段坍塌壓力高，井眼易垮塌埋鉆具。韭菜園子組和梧桐溝組裂縫發(fā)育，易井漏。地層浸泡時間長，極易發(fā)生井塌，影響鉆井時效。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

針對上述技術(shù)難點(diǎn)，開展鉆頭優(yōu)化改進(jìn)、鉆具組合優(yōu)化與井眼清潔技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、長裸眼井壁穩(wěn)定及防漏技術(shù)及現(xiàn)場施工工藝技術(shù)等研究，形成吉木薩爾頁巖油水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 鉆頭改進(jìn)

前期試驗的五刀翼PDC 鉆頭，在造斜段碳酸鹽地層和水平段夾層對鉆頭磨損嚴(yán)重。從19口鄰井分析發(fā)現(xiàn)：8 口井造斜段能實(shí)現(xiàn)一趟鉆，機(jī)械鉆速范圍7～13.5m/h，一趟鉆鉆頭基本上肩部磨損達(dá)2～3。其他的井需使用2～3 只鉆頭，平均機(jī)械鉆速范圍6～10m/h，出井鉆頭部分切削齒有崩齒損傷。因此增大了排屑槽，更適應(yīng)快速鉆進(jìn)的需要；調(diào)整了復(fù)合片減震結(jié)構(gòu)，提高鉆頭在低鉆壓狀態(tài)下的吃入深度；優(yōu)化了肩部布齒，發(fā)生大段劃眼時可有效降低鉆頭損壞風(fēng)險。改進(jìn)后的五刀翼PDC 鉆頭（見圖1）在攻擊性提高4%，扭矩降低7%，還能減小鉆進(jìn)過程中SS 粘滑震動發(fā)生風(fēng)險，差值ΔMu由原來的0.23 降低到0.16。單趟進(jìn)尺2861m，平均機(jī)械鉆速11.91m/h，單日最高進(jìn)尺達(dá)341m。

同時針對可鉆性好的上部井段，為提高鉆頭攻擊性，四刀翼PDC鉆頭大幅度降低布齒密度，顯著提高塑性泥巖的鉆進(jìn)效率。

2.2 鉆具組合優(yōu)化與井眼清潔技術(shù)

（1）優(yōu)化鉆具組合。通過管柱力學(xué)和水力學(xué)計算，將工程設(shè)計中加重鉆桿20 柱優(yōu)化至6 柱，在保證鉆具強(qiáng)度、鉆壓傳遞的同時，降低摩阻、降低循環(huán)壓耗。

優(yōu)化后鉆具組合：?215.9mm 鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+MWD+LWD+?127mm 無磁承壓鉆桿×1 根+?127mm斜坡加重鉆桿×6 根+?127mm 斜坡鉆桿×240 根+?127mm斜坡加重鉆桿×12根+?127mm鉆桿×若干。

（2）井眼清潔技術(shù)。通過井眼清潔器機(jī)械切削與旋流擾動的雙重作用，破壞、清除已有巖屑床，并預(yù)防新巖屑床的形成，起到清潔井眼的作用（見圖2）。優(yōu)化清潔器加放位置。通過理論計算，在井斜30°至水平井段均勻覆蓋，有效提高了井眼清潔效率，進(jìn)一步降低系統(tǒng)循環(huán)壓耗，減輕機(jī)泵負(fù)載。例如上傾井JHW60-110井在造斜及水平段應(yīng)用井眼清潔器，通過巖屑稱重計量裝置監(jiān)測井段從3300～5800m 結(jié)束采集數(shù)據(jù)，預(yù)警3次，理論返出巖屑體積79.13m3，實(shí)際返出巖屑體積69.08m3，巖屑返出率達(dá)87.3%，巖屑濃度從11.61%降到4.86%，巖屑床厚度由30mm 減少到17.7mm，井眼清潔效果顯著。

圖2 井眼清潔器

2.3 井眼軌跡控制技術(shù)

針對設(shè)計造斜率高，水平段長，馬達(dá)鉆進(jìn)時效低。通過井眼軌跡控制技術(shù)研究，螺桿鉆具、導(dǎo)向工具及測量儲存儀器的優(yōu)選，以達(dá)到提速提效，在初始造斜階段或者全部造斜井段使用PDC 鉆頭+旋導(dǎo)配合大角度低摩阻馬達(dá)使用，取得和很好的效果。優(yōu)化軌道設(shè)計，從設(shè)計源頭降低長裸眼井段定向施工工作量，能夠進(jìn)一步提高長裸眼井段的施工效果，同時通過對鉆具的調(diào)整，配合改進(jìn)的井身結(jié)構(gòu)，能夠更好的發(fā)揮軌道設(shè)計的優(yōu)勢。

AutoTrak eXact 工具由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭、OnTrak MWD/LWD和雙向通訊發(fā)電短節(jié)組成。各工具短節(jié)都是模塊化設(shè)計，可隨時更換，有四大優(yōu)勢：三維軌跡精確制導(dǎo)；理論最高造斜率10°/30m；水平段穩(wěn)斜鉆進(jìn)井斜變量0.18°，實(shí)現(xiàn)極薄目的層內(nèi)的導(dǎo)向鉆進(jìn)；模塊化連接，可根據(jù)測井要求加接不同工具。

2.4 水平井井壁穩(wěn)定及防漏研究

（1）井壁失穩(wěn)的地質(zhì)特征及分析。西山窯組、八道灣組主要為煤線、泥巖段及砂泥巖薄互層段；克拉瑪依組至燒房溝組中部主要為褐色泥巖段；梧桐溝組中部及上部主要為灰色、褐色泥巖段。以上地層都是水敏性地層，吉木薩爾頁巖油區(qū)塊二開裸眼段長，地層浸泡時間長，如果使用水基泥漿極易發(fā)生垮塌等失穩(wěn)現(xiàn)象，但是全油基鉆井液幾乎不產(chǎn)生水化效應(yīng)；油包水乳化鉆井液在乳液穩(wěn)定的情況下也基本不發(fā)生水化效應(yīng)，因此油基鉆井液不會產(chǎn)生水化膨脹壓。

通過研究采用油基泥漿體系，防塌原理和措施：化學(xué)抑制。控制油水比80∶20以上，減少水相侵入地層，有效預(yù)防煤層和水敏性強(qiáng)地層遇水膨脹垮塌。物理封堵。在薄弱地層段提前加入BZ-OFL、細(xì)目鈣等封堵材料，提高地層承壓能力，預(yù)防井漏。力學(xué)支撐。密度控制在1.52g/cm3以上，進(jìn)入造斜段緩慢逐步提密度至設(shè)計上限1.58g/cm3。

（2）井漏特征及原因分析：二開井段井漏主要發(fā)生在目的層蘆草溝組，目的層由于裂縫發(fā)育，易井漏是由于密度過高及受鄰井壓裂影響造成。工程方面防漏措施：進(jìn)入易漏層前，保持BZ-OFL、細(xì)目鈣含量各3%；嚴(yán)格控制起下鉆速度，減少激動壓力；鉆進(jìn)中控制密度，及時監(jiān)測ECD值合理；施工前落實(shí)周邊生產(chǎn)井情況，及時關(guān)停。泥漿防漏技術(shù)：利用油基泥漿的強(qiáng)抑制能力，在薄弱地層段提前加入BZ-OFL、細(xì)目鈣等封堵材料，提高地層承壓能力，預(yù)防井漏。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 總體應(yīng)用情況

針對吉木薩爾頁巖油區(qū)塊鉆井技術(shù)難題，開展了三個階段的現(xiàn)場試驗，第一個階段確保了鉆井周期從50～60d 降低到40d 的轉(zhuǎn)變，在第二階段的基礎(chǔ)上逐步邁進(jìn)了30d 以內(nèi)。2021 年累計試驗13 口井，平均井深5909.62m，鉆機(jī)月速3567.03m/臺月，機(jī)械鉆速為14.31m/h，平均鉆井周期39.13d，事故復(fù)雜時間0.24%，同比2020年降低6.21%，達(dá)到了項目預(yù)期目標(biāo)。

3.2 取得的成果

（1）優(yōu)選出適合的高效鉆頭。史密斯215.9mm MDI516鉆頭和貝克旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、配合“激進(jìn)”式參數(shù)鉆井，實(shí)現(xiàn)了一開一趟鉆、二開直井段一趟鉆、定向+水平井段一趟鉆實(shí)現(xiàn)了1+1+1鉆井模式。

（2）鉆具組合優(yōu)化與井眼清潔技術(shù)優(yōu)異。鉆具組合中加裝井眼清潔器保證了井眼攜砂效果，在二開直井段鉆進(jìn)和造斜井段、水平井段減少了起下鉆時間，增加了純鉆進(jìn)時效，相應(yīng)提高了鉆機(jī)月速，完成的13口水平井平均鉆機(jī)月速3567.03m/臺月。

（3）掌握了井眼軌跡控制技術(shù)，合理確定鉆具組合在井叢場批鉆過程中不僅做好了防碰工作而且減少了直井段定向時間，增加了導(dǎo)向鉆進(jìn)時間提高了機(jī)械鉆速。JHW59-14井、JHW59-13井、JHW60-19井直井段日進(jìn)尺均突破800m 連續(xù)三口井創(chuàng)吉慶頁巖油區(qū)塊指標(biāo)。

（4）摸索出適合的防塌和防漏泥漿體系，具備以下優(yōu)點(diǎn)：電穩(wěn)定性強(qiáng)：現(xiàn)場施工過程中，體系破乳電壓維持在600V以上，保證了鉆井過程中體系穩(wěn)定性。攜砂性好：現(xiàn)場鉆井液水平段動切力8.5Pa，滿足長水平段攜砂要求。潤滑效果好：長水平段鉆井過程順利，起下鉆順暢，電測一次成功率100%。懸浮穩(wěn)定性強(qiáng)：現(xiàn)場施工起下鉆過程中體系密度無變化，循環(huán)罐無重晶石沉降。井壁穩(wěn)定效果好：施工井井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率4%以下。

（5）長裸眼井壁穩(wěn)定及防漏技術(shù)可靠，一開、二開鉆井過程中隨鉆加入堵漏材料和細(xì)目碳酸鈣封住鉆進(jìn)過程中形成的微裂縫，合理的確定鉆井液密度、動切力、破乳電壓有效的保護(hù)井壁做好了防塌、防漏工作。

（6）頁巖油白/柴油基鉆井液配方，主要性能指標(biāo)如下：密度1.52～1.58g/cm3；粘度70～90s；動切力7～10Pa；ES600～1000V；油水比（80∶20）～（85∶15），有效的保證了“激進(jìn)”鉆井在施工過程中的應(yīng)用。

4 結(jié)論及認(rèn)識

（1）通過管柱力學(xué)和水力學(xué)計算，將工程設(shè)計中加重鉆桿20柱優(yōu)化至6柱，在保證鉆具強(qiáng)度、鉆壓傳遞的同時，降低摩阻、降低循環(huán)壓耗，為優(yōu)化激進(jìn)鉆井參數(shù)提供有利條件。

（2）油基鉆井液具有良好的抑制性、穩(wěn)定性、潤滑性和油氣層保護(hù)效果，針對吉慶頁巖油開發(fā)中地層的分析，提出了強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵的油基鉆井液對策：加強(qiáng)對滲透性漏失、裂縫性漏失的封堵能力，合理控制鉆井液密度，防止壓裂地層，引起更大的漏失，較強(qiáng)的抑制性，對微裂縫有較強(qiáng)的封堵性。

（3）吉慶頁巖油區(qū)塊裸眼段長，地層浸泡時間長，極易發(fā)生井塌，根據(jù)井下地層承壓能力低的情況，主要采用密度防塌已經(jīng)無法滿足鉆井的防塌需求，急需要采用化學(xué)防塌方式進(jìn)行防塌。