新場氣田長水平段水平井鉆井技術

胥 豪 唐洪林 張曉明

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井組是部署在川西坳陷新場構造北翼的一個長水平段開發水平井組。目的層上沙溪廟組，埋深2 100～2 300 m，儲層巖石以中—細粒長石巖屑砂巖及巖屑長石砂巖為主，部分井段夾有少量薄層棕紅色泥巖、泥質粉砂巖及粉砂質泥巖。儲層孔隙度平均為9%，為中低孔隙度儲層，儲層滲透率平均為0.13 mD，屬典型的致密氣藏，采用常規方式開發效果不佳。隨著長水平段水平井和大型加砂壓裂技術的應用，其經濟效益和工業效益得到顯著提升。

1 井身結構和井眼軌道設計

新場氣田以往水平井多采用三開井身結構設計，二開采用?311.2 mm鉆頭鉆進，?244.5 mm技術套管下至A靶點；三開采用?215.9 mm鉆頭鉆至完鉆井深。采用此種設計方式有利于減少裸眼段長度，從而降低摩阻和扭矩，達到降低鉆井施工難度的目的。但是由于二開鉆頭尺寸較大，機械鉆速普遍較低，再加上中完作業，施工周期普遍較長。

二開井身結構水平井在相同的完鉆井眼尺寸條件下，上部井眼尺寸縮小，可大大提高機械鉆速，同時還減少了中完作業時間，并且節省了一定的套管和固井費用，具有明顯優勢。由于沙溪廟組以上地層壓力梯度自上而下逐漸增加，屬于正常壓力體系，基本不存在工程必封點［1］，因此井組3口井均采用了二開井身結構設計，具體設計數據見表1。

表1 新沙21井組井身結構設計

為了增大氣層裸露面積，配合大型加砂壓裂技術提高單井產量，新沙21井組3口水平井均設計為長水平段水平井，采用“增—穩—增”剖面類型，軌道設計時加入一個20～30 m左右的穩斜段，一方面有利于避免造斜率異常，給井眼軌跡控制提供便利，另一方面也有利于目的層垂深出現較大誤差時，可以及時進行軌跡調整。3口井的井眼軌道優化設計見表2，水平投影見圖1。

表2 新沙21井組井眼軌道設計

圖1 新沙21井組3口水平井水平投影

2 施工難點

（1）侏羅系蓬萊鎮組、遂寧組地層以棕褐色泥巖、泥質粉砂巖為主，夾雜部分長石、石英、鈣質，地層抗壓強度大、可鉆性差，鉆頭進尺低，起下鉆頻繁［2］，在高密度、高摩阻、高扭矩情況下易導致井下復雜或事故的發生。

（2）井身結構設計獨特，二開裸眼段摩阻扭矩極大，使得井眼軌跡控制困難，水平段后期容易出現滑動鉆進時效低，甚至于無法再進行滑動鉆進［3］。

（3）鉆井液性能要求高。井組所鉆地層壓力梯度為1.40～1.75 MPa/100 m，由于水平段長，泄流面積大，因此給予0.15 g/cm3安全密度附加值，造斜段及水平段鉆井液密度多在1.60～1.90 g/cm3，部分鄰井鉆遇發育較好的地層，鉆井液密度甚至高達2.10 g/cm3。高密度下鉆井液潤滑防卡、降摩減扭、防漏堵漏、穩定井壁的難度大，另外還容易導致信號傳遞困難，降低鉆井效率。

（4）井身質量要求高。新沙21井組共部署3口水平井，井間距4.00 m，因此直井段防斜打直非常重要；另外本井組水平段靶框要求上下2.00 m，左右15.00 m，長水平段后期軌跡控制困難。

（5）井眼清潔困難。隨著水平段的延伸，攜巖越來越困難，容易在井眼低邊形成巖屑床；井眼環空小，若砂體疏松，鉆時較快，巖屑不能及時帶離井底時還容易造成卡鉆事故。

3 關鍵技術

3.1 直井段防碰技術

井眼軌跡防碰是叢式井組施工的重中之重，直井打直是叢式井防碰的最佳方式。采用?215.9 mm鉆頭+?203 mm鉆鋌+?214 mm扶正器+?177.8 mm鉆鋌+?165.1 mm鉆鋌的塔式加鐘擺鉆具組合，以40～80 kN的鉆壓和80～110 r/min的轉速進行鉆進，重點井段加密測斜，并及時預測井眼間距。井組3口井直井段井斜大多小于1.70°，而區塊鄰井直井段井斜多在3～5°，防斜效果良好。造斜點相互錯開是叢式井防碰的主要措施之一［4］，新沙21-27H、28H、29H井實際造斜點分別為1 844.00 m、1 880.00 m、1 900.00 m，定向初始盡快使各井迅速分離，最終取得了防碰的成功。

3.2 斜井段及水平段井眼軌跡控制

長水平段水平井與一般的水平井不同，減少摩阻、扭矩是最關鍵的問題。實鉆過程中應盡量控制好造斜率，避免因造斜率過高使得摩阻扭矩增大，增加后期施工難度［5］。在水平段應通過鉆具組合和鉆井參數的調整達到穩斜效果，避免過多調整井眼軌跡，從而提高鉆井效率。根據井眼特點和軌跡控制需要，新沙21井組先后采用了單彎動力鉆具+MWD和小角度單彎動力鉆具+欠尺寸扶正器的單彎雙穩鉆具結構，前者主要用于增斜段，后者主要用于水平段。

（1）增斜段。增斜段采用?215.9 mm鉆頭+?172 mm 1.5°單彎鉆具+MWD的鉆具組合，采用復合鉆進與滑動鉆進交替進行，實鉆軌跡滿足設計，且軌跡圓滑。新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井增斜段最高造斜率分別為27.17°/100 m、26.83°/100 m、27.37°/100 m，取得了良好的控制效果。

（2）水平段。水平段采用?215.9 mm鉆頭+?172 mm 1.25°單彎鉆具+?212 mm欠尺寸扶正器+MWD的單彎雙穩鉆具組合，由于?172 mm動力鉆具自帶外徑212 mm扶正塊，復合鉆進時其效果類似于強增斜鉆具。為了降低其增斜力，在動力鉆具后接一個欠尺寸扶正器，形成單彎雙穩鉆具組合，結合區塊鄰井使用經驗，優選扶正塊20～30 cm的?212 mm扶正器，避免扶正塊過長增大摩阻和扭矩。通過調整鉆井參數進行井眼軌跡控制，根據鉆具組合控制效果和PDC鉆頭特性，采用合理鉆壓配合高轉盤轉速（110～120 r/min）進行鉆進，一方面有利于提高機械鉆速，另一方面也可提高攜巖效果。現場施工時60 kN鉆壓井斜基本穩定，鉆壓40 kN井斜微降，鉆壓80 kN井斜微增，水平段井斜基本趨于穩定（見圖2），配合間斷滑動鉆進控制井斜，新沙21-27H、28H、29H井水平段滑動進尺占整個水平段長度的比值分別為5.2%、3.9%、5.7%，取得了非常好的效果。

圖2 新沙21井組3口水平井水平段井斜變化率

3.3 水力振蕩器的應用

水力振蕩器可通過水力的作用產生沿鉆具組合或者鉆桿軸線方向上的振動，利用振動將靜態摩阻轉變為動態摩阻，從而大大減小鉆進過程中的摩阻。水力振蕩器的優勢在于降低鉆進時的摩阻和扭矩，使得鉆壓更容易傳遞，工具面更加容易控制，從而提高鉆進時的機械效率；另一方面水力振蕩器產生軸向高頻振動，對鉆頭形成類似于沖擊鉆井的效果，也有利于提高機械鉆速。在新沙21-28H井對Andergauge公司生產的水力振蕩器進行了應用。

新沙21-28H井定向段共采用2趟鉆完成，鉆頭性能一致，地層巖性相近。第1趟鉆未使用水力振蕩器，第2趟鉆使用，根據對比效果，采用水力振蕩器時定向鉆進機械鉆速提高45.16%，復合鉆進機械鉆速提高30.00%，取得了非常顯著的效果。但是由于該工具存在約3 MPa的壓差，現場受設備能力限制，施工排量較低，為了滿足攜巖需要，確保井下安全，未繼續使用。

3.4 摩阻扭矩跟蹤分析控制

長水平段水平井摩阻扭矩是最突出的問題，隨著位移增加，摩阻和扭矩相應增加，如何對實鉆摩阻扭矩水平進行監測和評估，以采取相應的技術措施，從而達到安全快速鉆進的目的是施工的重點［6-8］。由于新沙21-27H是3口井水平段最長、位移最大的一口，因此重點對新沙21-27H井進行了摩阻扭矩計算和分析。利用Wellplan軟件對上提下放摩阻以及扭矩值進行跟蹤，并通過數據反算摩阻因數，從而指導現場施工，摩阻扭矩曲線見圖3。

圖3 新沙21-27H井斜井段摩阻扭矩曲線

從圖3可看出，井深2 500 m以后摩阻呈現較快增加趨勢，實鉆扭矩與理論計算扭矩出現較大背離，根據計算摩阻因數達到0.4～0.5，定向鉆進比較困難。因此現場調整鉆井液性能，增加潤滑劑含量，確保摩阻扭矩不再繼續增加；鉆進到3 090 m后進行短起下鉆作業，暢通井眼，并加大鉆井液排量，確保攜巖，摩阻和扭矩水平得到改善。

3.5 鉆頭優選

PDC鉆頭具有在井下工作時間長、進尺高、起下鉆次數少、可以大幅降低鉆井綜合成本等優點。根據該區塊地層特點，結合PDC鉆頭適用性分析，優選短保徑5刀翼PDC鉆頭，定向鉆進時工具面穩定、造斜能力強，復合鉆進時切削能力強、扭矩小、鉆速快。新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井二開斜井段均采用保瑞特ABS1605F鉆頭，平均鉆速分別為 4.09 m/h、4.12 m/h、3.21 m/h，表明該類型鉆頭能夠適應川西地區長水平段水平井鉆進，有利于提高機械鉆速，縮短鉆井周期。

3.6 鉆井液體系

新沙21井組3口水平井鉆井液體系基本一致，二開均采用正電膠聚磺鉆井液體系，直井段遂寧組地層確保鉆井液具有較強的潤滑性和抑制防塌能力，進入斜井段后逐步加入足量潤滑劑增強鉆井液的潤滑防卡性能。基本配方為：上部基漿+2%～4%磺化酚醛樹脂+2%～4%無鉻磺化褐煤+1%～2%磺化丹寧+3%～4%瀝青類防塌劑+3%～5%液體潤滑劑+1%～2%極壓潤滑劑+0.1%～0.2%乳化劑；進入水平段后鉆井液配方為：上部基漿+4%～6%液體潤滑劑+1%～2%聚合醇+1%～2%極壓潤滑劑+0.1%～0.2%乳化劑，確保鉆井液具備很強的抑制性、封堵性，并加強維護，確保鉆井液性能穩定。水平段鉆井液性能：密度1.89～1.95 g/cm3，漏斗黏度49～52 s，失水 3 mL，濾餅厚度 0.5 mm，pH 值 9，含沙量0.2%，塑性黏度32 mPa·s，動切力14.5 Pa，初切5 Pa，終切12 Pa，固相含量34%，膨潤土含量28.6 g/L，油含5.6%。在摩阻扭矩較大井段和定向鉆進困難井段加入CC40、RH220、RH102等潤滑材料，進一步提高鉆井液潤滑性能；在鉆井液循環系統方面采用四級凈化系統，并通過工程措施，采取短起下鉆、大幅度活動鉆具、大排量循環等措施，確保攜巖，避免巖屑床的形成和堆積。

4 實鉆效果

通過采用以上措施，新沙21井組3口井均大幅度縮短了鉆井周期，完鉆指標見表3。新沙21-27H井水平段氣層鉆遇率99.23%，新沙21-28H、29H井氣層鉆遇率100%，取得了良好的效果。

表3 新沙21井組三口水平井完鉆指標

5 結論與建議

（1）選用合適的鉆具結構和適當的鉆井參數，通過旋轉鉆進配合滑動鉆進的鉆井方式，能有效控制井眼軌跡，提高鉆井速度。

（2）通過摩阻、扭矩預測技術，對實鉆摩阻因數進行計算，并通過調整鉆井液性能、配合短起下鉆工程措施，可以有效降低長水平段水平井摩阻扭矩水平。

（3）利用諸如水力振蕩器一類的新技術、新工具，有利于進一步提升鉆井速度，縮短鉆井周期。

（4）根據區塊地質條件，結合PDC鉆頭適用性分析，優選具有切削能力強、扭矩小、鉆速快的PDC鉆頭，對于提高長水平段水平井鉆井效率具有積極的作用。

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