長慶氣區儲氣庫Y37-2H井長水平段鉆井技術

謝新剛 彭元超 李欣 蘇娣娣 崔貴濤

中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院

長慶氣區儲氣庫Y37-2H井長水平段鉆井技術

謝新剛 彭元超 李欣 蘇娣娣 崔貴濤

中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院

謝新剛等.長慶氣區儲氣庫 Y37-2H 井長水平段鉆井技術.天然氣工業，2012，32（6）：53-56.

鄂爾多斯盆地長慶氣區Y37-2H井（完鉆井深5 044 m，水平段長1 819 m）是國家儲氣庫項目榆林儲氣庫的第一口注采試驗水平井，儲氣庫的建設需要注采井不僅要達到強注強采（50×104～100×104m3／d）的功能、還要滿足長壽命（50年）要求。為此，在分析該區氣井生產情況的基礎上，采用215.9 mm井眼鉆長水平段并下139.7 mm篩管完井方案來保障注采井強注強采功能；優選長半徑水平井剖面，應用先進的隨鉆地質導向技術跟蹤儲層并控制水平段井眼全角變化率小于等于4°／30 m，滿足了固井下套管對井眼軌跡的質量要求；應用水力振蕩器在鉆井液流過時產生的壓力脈沖帶動鉆具產生溫和振動，將鉆具與井眼之間的靜摩擦轉換為動摩擦，有效地降低了摩阻和扭矩，改善了鉆壓傳遞，提高了水平段滑動鉆井機械鉆速和進尺；采用的無土相復合鹽低傷害暫堵鉆井（完井）液體系既能滿足保護山23儲層，又能滿足長水平段潤滑防卡和泥巖防塌的需要。該井的順利實施，為長慶氣區超大庫容的儲氣庫建設奠定了基礎。

鄂爾多斯盆地 長慶氣區 儲氣庫 井身結構 長半徑水平井 隨鉆地質導向 防摩減阻 長水平段

儲氣庫既是儲氣場所，又是方便的供氣氣源，儲氣庫每年要進行一個周期或多個周期的升壓—降壓過程，儲氣庫井始終處于反復交變載荷的變化過程當中，同時儲氣庫需要滿足50年使用要求［1］，這對新鉆注采氣井的設計、施工和完井管串技術都提出了非常高的要求。為此，中國石油天然氣集團公司在鄂爾多斯盆地長慶氣區部署了庫容為120×108m3的儲氣庫，屬于砂巖型儲氣庫，預期注氣量為50×104～100×104m3／d，中國石油長慶油田公司選擇榆林氣田南區塊山23低壓砂層部署實施了第一口儲氣庫試驗水平井——Y37-2H井，用于評價榆林氣田南區建設儲氣庫水平井注采能力，探索水平井在該區的注入與生產能力的可行性。通過優化設計及施工方案，采用了先進的隨鉆地質導向和防摩減阻技術［2］，并選用了合理的鉆井液體系，成功完成了該井的現場施工，完鉆井深5 044 m，垂深2 903.9 m，水平段長1 819 m，儲氣庫錄井顯示鉆遇砂巖長度1 695 m、儲層鉆遇率達93.2%，為長慶氣區儲氣庫的推廣應用奠定了基礎。

1 儲氣庫建設地質特征與井身結構

榆林氣田南區目的氣層較發育，橫向分布較穩定，但砂體垂向疊置關系存在變化，中間泥巖隔層厚度約為2.6 m。山23儲層埋深約2 900 m，厚度約15.5 m，平均孔隙度7.21%，滲透率5.54 mD。地層壓力由原始的22.93～28.87 MPa降至目前的20～23 MPa，平均壓力系數0.78。

Y37-2H井采用四開四完井身結構（圖1），為保證強注強采采用215.9 mm鉆頭鉆水平段，同時采用水平段139.7 mm篩管下至距井底10～30 m處，支撐裸眼產層，作為生產尾管。

地質要求水平段由上向下鉆穿整個山23儲層，先在山23上部儲層中穿行，如鉆遇中間泥巖夾層，大斜度穿過再鉆進下部儲層。

圖1 Y37-2H井井身結構示意圖

2 井眼軌道設計及摩阻分析

2.1 井眼軌道設計原則

1）以最短時間、最低消耗、最大復合鉆井比例入窗的優化設計理念，采用長半徑水平井剖面，靶前距優化700 m，為本井完整性關鍵的244.5 mm套管的固井創造良好的井眼條件［3］（圖1），同時使PDC鉆頭更有利于在斜井段應用，最大限度增加復合鉆井井段比例，提高機械鉆速。

2）水平段軌跡控制盡可能平滑，水平段井眼全角變化率小于等于4°／30 m，以確保139.7 mm長水平段篩管下入到位。

3）保障儲層鉆遇率，山23氣層厚度約15.5 m，且含厚度約為2.6 m的泥巖隔層。在鉆遇泥巖夾層時采取大斜度穿過再鉆進下部砂層。

2.2 水平段鉆具扭矩及摩阻計算

2.2.1 摩阻扭矩分析

長水平段大井眼水平井鉆柱優化設計的核心是在對下部鉆具組合的特性和造斜能力能滿足井眼軌跡控制需要的前提下，如何降低摩阻和扭矩，如何減少井下鉆柱可能產生的疲勞失效問題。隨著大井眼水平段的延長，加上地質導向的要求，摩阻、扭矩變化較大，大大增加了鉆具失效風險。

為了降低大井眼水平段摩阻的影響，防止巖屑床的形成，對水平段大部分井段都要求采用復合鉆進方式，而復合鉆進在鉆柱旋轉時產生的交變應力容易導致鉆柱產生疲勞破壞。因此，在長水平段鉆井中進行較準確的摩阻和扭矩計算分析，是實現安全鉆進的前提和保障。

2.2.2 扭矩摩阻計算

表1 大斜度段水平段扭矩摩阻計算表

通過理論計算分析，從井深4 400 m左右開始扭矩和摩阻是制約長水平段延伸的主要因素，因此從4 400 m開始就需要通過降摩減阻技術和鉆井液技術來保障長水平段的順利實施。

3 長水平段主要鉆井技術

3.1 隨鉆地質導向技術

Y37-2H井應用的哈里伯頓公司FEWD隨鉆地質導向儀器能夠隨鉆實時測量傳輸2條伽馬曲線和特淺、淺、中、深4條電阻率曲線，為現場地質導向提供隨鉆地質參數［4］。

鉆井過程中實時利用隨鉆測井與綜合錄井，協助地質工程師進行地層精細評價，準確判斷地層［5］，同時，通過加強現場隨鉆地質導向能力，在水平段的鉆井過程中及時準確地確定地層傾角和儲層的地質走向，通過伽馬和深、淺電阻率的探測深度及響應，建立地層預測數學模型，避免井眼軌跡的較大幅度調整。在確保了長水平段有效延伸的前提下，實現了在儲層中鉆進，使水平段的儲層鉆遇率高達93.2%。實時指導井眼軌跡的幾何走向如圖2所示。

圖2 Y37-2H井水平段實鉆地質導向圖

3.2 防摩減阻技術

大井眼長水平段存在摩阻大，加壓困難，鉆壓不能有效傳遞等技術難點，水力振蕩器是一種提高鉆壓傳遞有效性及防摩減阻的新技術工具，其主要由水力振蕩器和振蕩器短節組成。

鉆井液流經水力振蕩器時，通過其閥盤組合產生壓力脈沖。置于其上的振蕩短節在鉆井液壓力脈沖的作用下，產生軸向的蠕動，并帶動鉆具產生溫和振動，從而將鉆具與井眼之間的靜摩擦轉換為動摩擦，降低摩擦力并改善鉆壓傳遞，最終明顯提高機械鉆速。

該井在水平段鉆至4 296 m時，出現扭矩增大，復合鉆進扭矩達28.5～33.9 k N·m（頂驅上扣扭矩為39.3 k N·m，計算扭矩為25.49 k N·m），致使頂驅經常憋停，同時鉆具上提下放困難，鉆具下放摩阻最大達到253 k N（計算摩阻為232 k N），上提最大摩阻達到308 k N（計算摩阻為285 k N），導致定向加壓困難，定向時間長等困難。

結合摩阻計算和現場施工實際情況，從4 296 m開始使用水力振蕩器，即水平段1 007 m使用。考慮到泥巖段（4 020～4 036 m為致密泥巖）因素，將水力振蕩器安裝在離鉆頭450 m處，確保其在泥巖之上。

第一次在4 244～4 384 m井段使用，進尺88 m，通過與上一趟鉆對比，復合鉆進扭矩減少了19%，上提下放摩阻減少了60～80 k N，滑動鉆速由1.4 m／h提高到3.93 m／h，滑動鉆速提高181%；平均機械鉆速由2.38 m／h提高到3.14 m／h，平均鉆速提高32%。

第二次在水平段4 797～5 041 m井段使用，進尺244 m，與鄰近井段相比，復合鉆進扭矩減少了16%，上提下放摩阻減少了70～80 k N，加水力振蕩器后平均機械鉆速提高15.5%，滑動機械鉆速提高47.9%。使用水力振蕩器期間，有效解決了鉆進過程中的拖壓現象，減少滑動過程中調整工具面時間，極大提高了水平段的機械鉆速。

3.3 鉆井液技術

針對儲氣庫高要求的儲層保護［6－8］，選用無土相復合鹽低傷害暫堵鉆井（完井）液體系，該體系使用了可溶性有機、無機鹽類，從而具有較低的固相、較高的礦化度和較強的抑制性，有效克服了泥巖的水化分散，一次回收率高達93.06%，選用降濾失劑和暫堵劑提供的可變形粒子和剛性粒子，在正壓差的作用下形成薄而致密泥餅，能夠有效地保護儲層、降低PDC鉆頭泥包，有利于提高機械鉆速。

儲層壓力系數低，為了保護氣層，有效防漏，保證井控安全的前提下，水平段鉆井液密度盡可能控制到較低數值，并保持低黏度，降低循環壓力，避免壓差性滲漏發生，降低發生壓差卡鉆風險；如發現有泥頁巖夾層的掉塊，采取調節流變性及強化抑制性等解決措施；如發現摩阻和扭矩較大，采取加入潤滑劑、短程起下鉆和增大泵排量及加強固控設備等處理措施。根據井下情況，每鉆進500 m用高黏“清掃液”清洗一次井眼，尤其在起鉆前，保證井眼暢通，減小巖屑床的形成。

3.4 安全鉆進技術

1）本井屬于老井區塊，鄰井較多，多年開采壓力系數已降至0.72，存在井漏風險和井控安全風險。為了施工的安全，開鉆前收集距離本井井口及設計方位線500 m范圍內的鄰井數據，進行防碰風險分析，同時關停周圍3 000 m以內的鄰井采氣作業。

2）由于該井水平段長，地層復雜，水平段穿越泥巖，考慮到鉆機處理復雜的能力和后期下鉆困難等諸多因素，選用70DB頂驅鉆機及139.7 mm高抗扭雙臺階鉆具，滿足儲氣庫水平井鉆井要求，對本井成功施工起重要作用。

3）優化鉆具組合，靈活改變井下鉆具扣型，減少轉換接頭，同時采用小孔徑并預備應力槽接頭，避免出現應力集中，加強現場探傷，堅持起下鉆“每趟一小探、兩趟一大探”的探傷制度，確保鉆具安全。堅持勤倒換鉆具制度，避免鉆柱疲勞損壞。加強水力參數監控，及時發現問題，及時更換鉆具，避免鉆具刺、斷事故。

4）根據具體施工情況，采取短程起下鉆、分段循環等技術及時清除巖屑床，必要時更換柔性鉆具組合進行通井，保障長水平段的施工安全。

5）強化四級固控設備，提高固控效率。使用高頻直線式振動篩和變頻高速離心機，提高了鉆井液的固控能力，降低了有害固相，促進了鉆井液的性能優化。

4 結論與建議

1）合理的井身結構和井眼軌跡設計是長水平段水平井鉆井成功的前提；選用性能優越的防摩減阻工具及摩阻扭矩分析軟件是長水平段水平井順利施工的有效手段；具有良好抑制性、攜砂性、潤滑性、防塌性和屏蔽暫堵性的鉆井液體系是確保井眼軌跡有效控制和水平段延伸的重要保證。

2）儲氣庫注采井既是注氣井，又是采氣井，具有雙重功能，對鉆井軌跡控制要求比較高，水平段鉆進中要確保井眼軌跡的平滑，以便長水平段的實施。

3）建議在儲氣庫長水平段水平井設計時地質應與工程緊密結合，水平段盡量設計在同一儲層同一小層內穿行，以確保同時實現長水平段正常延伸和最大儲層鉆遇率兩項指標，如需地質探底，建議設計在水平段末端100～200 m進行。

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（修改回稿日期 2012-04-13 編輯 凌 忠）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.06.013

謝新剛：1977年生，工程師；2002年畢業于原江漢石油學院測控與儀器專業，現從事鉆井技術研究與技術服務工作。地址：（710018）陜西省西安市未央路151號長慶興隆園小區長慶大廈A303室。電話：（029）86594971，13991386257。E-mail：xiexingang2008＠163.com