吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井優(yōu)化技術(shù)

王 青，張 顥，韓基勝，段 江，甘 泉

（1.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探巴州分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

吉木薩爾頁(yè)巖油于2011 年發(fā)現(xiàn)蘆草溝組資源富集、油品良好，先后歷經(jīng)探索與發(fā)現(xiàn)、先導(dǎo)與提產(chǎn)試驗(yàn)、技術(shù)與動(dòng)用突破、規(guī)模試驗(yàn)與建產(chǎn)4個(gè)階段，目前以水平井開(kāi)發(fā)為主[1]。吉木薩爾蘆草溝組頁(yè)巖油形成于殘留海封閉后的陸緣近海咸化湖盆沉積，混合陸源碎屑與湖相碳酸鹽組分，源儲(chǔ)一體，是國(guó)內(nèi)重要資源接替區(qū)，是我國(guó)首個(gè)規(guī)?；_(kāi)發(fā)的陸源碎屑沉積頁(yè)巖油藏[2]。吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井實(shí)踐表明，蘆草溝組屬于強(qiáng)塑性薄層理狀泥頁(yè)巖地層，微裂縫發(fā)育，頁(yè)巖水化分散作用明顯，井漏頻繁[3]，地層可鉆性差，井眼失穩(wěn)嚴(yán)重，水平段摩阻大，鉆具易托壓與屈曲，鉆壓傳遞與井眼清潔難度大[4]，水平段易形成“糖葫蘆”井眼，井控風(fēng)險(xiǎn)大，鉆井難度大[5]。吉木薩爾頁(yè)巖油地質(zhì)條件復(fù)雜，水平井鉆井提速難度大，技術(shù)性強(qiáng)，鉆井工期和成本難以降低，制約了吉木薩爾頁(yè)巖油效益開(kāi)發(fā)[6]。本文借鑒國(guó)內(nèi)外水平井鉆井優(yōu)化的先進(jìn)做法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆井優(yōu)化實(shí)踐，在軌道設(shè)計(jì)、水力參數(shù)、提速工具與鉆頭、MSE 鉆井優(yōu)化方面開(kāi)展研究，形成吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井優(yōu)化技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，有利于吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井提速并提高鉆井效率。

1 鉆井優(yōu)化技術(shù)難點(diǎn)

吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井優(yōu)化實(shí)踐起步晚，經(jīng)驗(yàn)缺乏，主要面臨以下技術(shù)難題：

（1）吉木薩爾頁(yè)巖油超長(zhǎng)水平段水平井定向鉆井過(guò)程中，摩阻扭矩大，定向滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，鉆具易托壓與屈曲，儲(chǔ)層厚度薄且?guī)r性復(fù)雜，井眼軌道設(shè)計(jì)與實(shí)鉆軌跡控制難度大[6]。

（2）斜井段、水平段易形成巖屑床，井眼清潔要求高、難度大，排量受限因素多[7]，實(shí)鉆過(guò)程中有效監(jiān)測(cè)摩阻扭矩和井眼清潔情況難度大，存在井塌、井漏甚至溢流問(wèn)題，水力參數(shù)選擇困難[8]。

（3）吉木薩爾凹陷地層可鉆性差，鉆頭破巖效率低，提速需求大、成本高，鉆井周期長(zhǎng)，機(jī)械鉆速低[9]。

（4）MSE鉆井優(yōu)化技術(shù)日趨成熟，但在吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井施工中應(yīng)用缺乏，鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)選擇困難，渦動(dòng)、粘滑以及泥包等低效率事件識(shí)別與處理難度大，鉆井效率低。

2 井眼軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)選

吉木薩爾頁(yè)巖油水平井井眼軌道設(shè)計(jì)有三種不同類型：①雙二維（記為T1型），②著陸前完成扭方位（記為T2型）[10]，③著陸后完成扭方位（記為T3型），如圖1a所示。水平井井眼軌道優(yōu)選時(shí)應(yīng)考慮摩阻扭矩等因素[11]。從圖1b～圖1e可以看出，T2型井眼軌道起鉆懸重小、摩阻低，鉆具發(fā)生螺旋屈曲最小臨界懸重大（即不易發(fā)生鉆具螺旋屈曲），鉆具抗彎曲能力強(qiáng)，鉆進(jìn)和倒劃眼扭矩小，因此，三種井眼軌道設(shè)計(jì)類型中T2 型井眼軌道最優(yōu)[12]。

圖1 井眼軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)選

3 水力參數(shù)分析與優(yōu)化

水力參數(shù)優(yōu)化主要涉及到鉆井液、排量、壓耗、井眼清潔等問(wèn)題[13]，合理的水力參數(shù)要達(dá)到凈化井眼、提高機(jī)械鉆速的效果，目前頁(yè)巖油水平井相關(guān)優(yōu)化研究較少[14]。分析吉木薩爾頁(yè)巖油水平井水力參數(shù)內(nèi)在規(guī)律，有助于實(shí)鉆過(guò)程中結(jié)合具體情況調(diào)整優(yōu)化水力參數(shù)。數(shù)據(jù)分析表明，在同一井深下，排量、鉆井液密度、鉆井液動(dòng)切力、鉆井液塑性粘度與泵壓、井底ECD呈正相關(guān)，即增大排量、鉆井液密度、鉆井液動(dòng)切力、鉆井液塑性粘度會(huì)使泵壓、井底ECD增加，如表1所示。如圖2a所示，機(jī)械鉆速高于60m/h后，泵壓對(duì)機(jī)械鉆速的影響差異化才顯現(xiàn)出來(lái)，此時(shí)，在同一井深下，機(jī)械鉆速越快，泵壓越高。如圖2b所示，在同一井深下，機(jī)械鉆速越快，井底ECD 越高?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)這些規(guī)律進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，比如，根據(jù)地層壓力情況通過(guò)優(yōu)化水力參數(shù)調(diào)整井底ECD以減少井漏、溢流等事故復(fù)雜；在提速鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)調(diào)整水力參數(shù)優(yōu)化泵壓、井底ECD 保證優(yōu)快鉆井等。

表1 吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井水力參數(shù)相關(guān)性分析總結(jié)表

圖2 機(jī)械鉆速分析

排量、鉆井液密度與流變性、機(jī)械鉆速在影響井眼清洗的各因素中可操作性與影響力較大[13]，現(xiàn)場(chǎng)在通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)井眼清潔的同時(shí)要考慮其對(duì)泵壓、井底ECD 的影響。并且，實(shí)鉆過(guò)程中及時(shí)了解井眼清潔程度十分必要，特別是對(duì)于水平井，容易在大斜度井段和水平井段形成巖屑床，對(duì)正常鉆井、固井、測(cè)井會(huì)產(chǎn)生不利影響[14]。吉木薩爾頁(yè)巖油水平井在井眼清潔評(píng)價(jià)方面，運(yùn)用摩阻測(cè)試建模技術(shù)，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合摩阻系數(shù)，結(jié)合摩阻系數(shù)變化趨勢(shì)判斷井眼凈化情況[1,15]。吉木薩爾頁(yè)巖油水平井JHW16-14 現(xiàn)場(chǎng)每鉆進(jìn)3 柱進(jìn)行一次摩阻測(cè)試，實(shí)時(shí)跟蹤評(píng)價(jià)井眼凈化情況，建議鉆井液6 轉(zhuǎn)讀數(shù)提至8，每班使用離心機(jī)，鉆進(jìn)摩阻系數(shù)維持0.22，有效保持井眼清潔。

4 提速工具與鉆頭應(yīng)用優(yōu)化

4.1 提速工具

吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊提速主要用到旋導(dǎo)、螺桿+水力振蕩器工具。表2對(duì)比了吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊兩種提速方式及工具的機(jī)械鉆速與進(jìn)尺情況，整體而言，無(wú)論是在造斜段還是水平段，旋導(dǎo)的提速效果均優(yōu)于螺桿+水力振蕩器。吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊提速首選旋導(dǎo)，但鑒于其成本和市場(chǎng)數(shù)量的限制以及實(shí)際提速需求量大，螺桿+水力振蕩器作為備用。吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，淺層二開(kāi)水平井水平段使用螺桿+水力振蕩器提速可替代旋導(dǎo)，而深層三開(kāi)水平段，螺桿+水力振蕩器與旋導(dǎo)相比有一定差距，主要是螺桿定向時(shí)需要頻繁擺工具面，降低了純鉆時(shí)間。

表2 吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊提速工具機(jī)械鉆速與進(jìn)尺對(duì)比

4.2 鉆頭應(yīng)用評(píng)價(jià)與優(yōu)選

如圖3所示，統(tǒng)計(jì)出吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊相同地層使用鉆頭的機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺，基于地質(zhì)工程一體化理念采用黃金分割優(yōu)選方法建立圖版評(píng)價(jià)鉆頭使用效果，黃金分割線以上的鉆頭在本區(qū)塊相應(yīng)層位應(yīng)用較為理想，為鉆頭優(yōu)選提供參考和借鑒[16]。

圖3 吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊黃金分割法鉆頭應(yīng)用評(píng)價(jià)與優(yōu)選

5 MSE鉆井優(yōu)化

5.1 MSE相關(guān)理論

MSE（Mechical Specific Energy，即機(jī)械比能）定義為鉆進(jìn)單位體積巖石所用的能量，將旋轉(zhuǎn)做功與軸向做功之和同巖石體積做比，公式（1）給出地表MSE的模型公式[17]。鉆井過(guò)程MSE 值相對(duì)較小且平穩(wěn)時(shí)，鉆頭破巖效率高，鉆井效率高。由公式（1）知，鉆頭破巖時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速、鉆壓以及排量鉆井參數(shù)使MSE 值相對(duì)較小且平穩(wěn)[18]。圖4 說(shuō)明MSE 鉆井參數(shù)優(yōu)化分步測(cè)試的流程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆井實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)研究表明，實(shí)測(cè)鉆壓與機(jī)械鉆速分布曲線低于理想鉆進(jìn)曲線時(shí)，井下會(huì)發(fā)生低效事件（井底泥包、渦動(dòng)、剛性界面、鉆頭泥包以及粘滑），此時(shí)MSE 值會(huì)增加并呈現(xiàn)一定的實(shí)時(shí)形態(tài)，可據(jù)此診斷井下低效事件并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施[19]。吉木薩爾頁(yè)巖油水平井基于MSE鉆井理論，綜合測(cè)錄井參數(shù)，實(shí)時(shí)建立地表MSE 曲線，優(yōu)化鉆井參數(shù)，識(shí)別與處理井下低效事件，及時(shí)減小限制機(jī)械鉆速的主控因素，有效提高鉆井效率，降低鉆井成本[18]。

圖4 MSE鉆井參數(shù)優(yōu)化分步測(cè)試流程圖

式中：MSE——地表機(jī)械比能，MPa；

T——地面扭矩，kN·m；

N——地面轉(zhuǎn)速，r/min；

f——螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速流量比，r/L；

Q——排量，L/s；

D——鉆頭直徑，mm；

ROP——機(jī)械鉆速，m/h；

WOB——鉆壓，kN。

5.2 MSE鉆井優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

運(yùn)用MSE鉆井優(yōu)化技術(shù)可以對(duì)轉(zhuǎn)速、鉆壓、排量等鉆井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)MSE值最優(yōu)，達(dá)到提高破巖效率和機(jī)械鉆速的目的。如圖5a 所示，吉木薩爾頁(yè)巖油水平井JHW16-13 在進(jìn)行鉆壓分步測(cè)試優(yōu)選時(shí)，固定轉(zhuǎn)速100r/min 不變（此轉(zhuǎn)速值已事先經(jīng)過(guò)分步測(cè)試優(yōu)化），鉆壓依次由90kN 調(diào)整為100kN、110kN，地表MSE 基準(zhǔn)值依次由79ksi（544.71MPa）變?yōu)?1ksi（489.55MPa）、85ksi（586.08MPa），扭矩依次由5～15kN·m 變?yōu)?～15.5kN·m、4.5～17.5kN·m，機(jī)械鉆速依次由18.69m/h 變?yōu)?0.39m/h、18.51m/h，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鉆壓100kN時(shí)地表MSE較低且波幅小，鉆頭破巖效率高，扭矩與之前無(wú)明顯變化，鉆時(shí)最低，機(jī)械鉆速最高且穩(wěn)定，因此最推薦鉆壓100kN。

圖5 JHW16-13井鉆壓分步測(cè)試（a）與鉆頭粘滑低效事件（b1優(yōu)化前，b2優(yōu)化后）

運(yùn)用MSE鉆井優(yōu)化技術(shù)可以對(duì)井底泥包、渦動(dòng)、剛性界面、鉆頭泥包以及粘滑鉆井低效事件進(jìn)行識(shí)別，并及時(shí)采取優(yōu)化調(diào)整措施，排除鉆井低效事件的不利影響，恢復(fù)及提高機(jī)械鉆速。如圖5b1所示，吉木薩爾頁(yè)巖油水平井JHW16-13 在鉆至井深4948.06m 時(shí)，地表MSE 和扭矩周期性波動(dòng)，鉆時(shí)較大，機(jī)械鉆速較低，判斷鉆頭發(fā)生粘滑低效事件，于是調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速后鉆進(jìn)，地表MSE和扭矩變得相對(duì)平穩(wěn)，有效消除鉆頭粘滑不利因素，提高機(jī)械鉆速，如圖5b2所示。

6 鉆井優(yōu)化效果評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)吉木薩爾頁(yè)巖油水平井實(shí)施鉆井優(yōu)化的井的鉆井周期發(fā)現(xiàn)，實(shí)施優(yōu)化的井鉆井周期較平均鉆井周期最高縮短38.54%，實(shí)施優(yōu)化的井的平均機(jī)速較年平均機(jī)速最高提高12.2%，并且實(shí)施鉆井優(yōu)化的井較設(shè)計(jì)周期最高縮短23%，明顯提高了鉆井效率，鉆井優(yōu)化技術(shù)在吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井取得良好的應(yīng)用效果。表3給出了吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井優(yōu)化部分應(yīng)用指標(biāo)。

表3 吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井優(yōu)化部分應(yīng)用指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）吉木薩爾頁(yè)巖油水平井井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)著陸前完成扭方位，摩阻較低，起鉆懸重相對(duì)較小，螺旋屈曲最小臨界懸重大，鉆具抗彎曲能力強(qiáng)，鉆進(jìn)和倒劃眼扭矩較小。

（2）吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井水力參數(shù)存在內(nèi)在聯(lián)系，增大排量、鉆井液密度、鉆井液動(dòng)切力、鉆井液塑性粘度會(huì)使泵壓、井底ECD增加，通過(guò)優(yōu)化水力參數(shù)保障鉆井提速和井眼清潔要考慮其對(duì)泵壓、井底ECD的影響。

（3）吉木薩爾頁(yè)巖油水平井鉆井應(yīng)用MSE 鉆井優(yōu)化技術(shù)，在分布測(cè)試優(yōu)選鉆井參數(shù)，識(shí)別與處理井下低效事件，及時(shí)減小限制機(jī)械鉆速的主控因素方面起到一定的作用。