吉木薩爾致密油鉆井提速技術(shù)與實(shí)踐

張茂林 萬(wàn)云祥 謝飛龍 張彥華 段 江

（中國(guó)石油西部鉆探準(zhǔn)東鉆井公司，新疆阜康 831511）

吉木薩爾致密油鉆井提速技術(shù)與實(shí)踐

張茂林 萬(wàn)云祥 謝飛龍 張彥華 段 江

（中國(guó)石油西部鉆探準(zhǔn)東鉆井公司，新疆阜康 831511）

水平井技術(shù)是實(shí)現(xiàn)致密油開(kāi)發(fā)的重要途徑。2013年在吉木薩爾致密油區(qū)開(kāi)展了水平井井組開(kāi)發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)，針對(duì)水平井裸眼長(zhǎng)、水平段長(zhǎng)、位移大的特點(diǎn)，及鉆遇地層井壁易垮塌、井漏、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)等主要技術(shù)難點(diǎn)，在分析地層特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡控制、優(yōu)化鉆井液體系、開(kāi)展個(gè)性化鉆頭及小井眼降摩減扭措施和配套工具的技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，初步形成了一套吉木薩爾致密油水平井鉆井提速技術(shù)，同比機(jī)械鉆速提高98.27%、鉆井周期縮短17.92%，為吉木薩爾致密油長(zhǎng)水平段水平井進(jìn)一步提速及規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

致密油藏；鉆井提速；長(zhǎng)水平段；水平井；鉆頭；鉆井液；吉木薩爾

準(zhǔn)噶爾盆地致密油勘探領(lǐng)域廣闊，資源潛力巨大，一旦突破將是新疆油田實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量跨越式增長(zhǎng)的重要接替領(lǐng)域。準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾蘆草溝組致密油藏，位于吉木薩爾凹陷東斜坡區(qū)，巖性圈閉構(gòu)造形態(tài)為一整體由西北向東南抬升的單斜，平面上大致呈“類長(zhǎng)方形”展布。致密油開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)井組是部署在吉174井區(qū)上甜點(diǎn)的10口水平井，采用“2+2+6”模式，建3個(gè)水平井平臺(tái)。平臺(tái)1、平臺(tái)2各部署2口井，平臺(tái)3部署6口井叢式水平井組。該區(qū)儲(chǔ)層巖石種類復(fù)雜，發(fā)育云質(zhì)、灰質(zhì)以及正常碎屑巖，儲(chǔ)層致密，通常孔隙度小于10%、滲透率小于1 mD。由于油氣聚集機(jī)理不同于常規(guī)儲(chǔ)層，采用水平井鉆井方式提高單井產(chǎn)能。 截至2013年12月完成7口井水平井施工，通過(guò)致密油水平井施工實(shí)踐，摸索出一套優(yōu)快鉆井的方法，初步形成井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各井段鉆具組合設(shè)計(jì)、水平井施工優(yōu)化方案、鉆頭優(yōu)選等技術(shù)，為致密油鉆井提速提供技術(shù)支持。

1 鉆井施工技術(shù)難點(diǎn)

（1）長(zhǎng)裸眼直井段防斜打快與防碰風(fēng)險(xiǎn)較高。直井段段長(zhǎng)2 900 m，地層條件復(fù)雜，依次為：新近系、古近系，發(fā)育大套膏泥巖、膏巖層，吸水易膨脹、縮徑，施工中極易遇卡、遇阻；侏羅系屯河組、西山窯組地層硬脆性泥巖和煤層易垮塌掉塊，易發(fā)生垮塌卡鉆及漏失，三工河組、八道灣組地層造漿，造成鉆井液固相污染，泥巖段存在縮徑現(xiàn)象；三疊系克拉瑪依組、燒房溝組、韭菜園組和二疊系梧桐溝組泥巖易發(fā)生水敏性垮塌，臨井鉆井中多出現(xiàn)掛卡和井壁垮塌。先導(dǎo)試驗(yàn)井部署叢式井組3口水平井，井間距10 m，防碰掃描結(jié)果表明，施工過(guò)程中防斜與打快矛盾突出。

（2）造斜段和水平段可鉆性差，機(jī)械鉆速低。侏羅系上部地層可鉆性相對(duì)較好，侏羅系下部及三疊系以下可鉆性較差。三疊系以下地層巖性致密，硬度大，二疊系梧桐溝組地層巖性均質(zhì)性差，夾層多且含礫，盧草溝組儲(chǔ)層埋深3 100~3 300 m，地層可鉆性級(jí)值6~7級(jí)，研磨性4~6級(jí)，常規(guī)PDC、牙輪鉆頭的適用性較差，前期梧桐溝組牙輪鉆頭平均鉆速1.53 m/h，常規(guī)PDC鉆頭平均鉆速1.38 m/h，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)。

（3）梧桐溝組地層水敏性強(qiáng)，造斜中穩(wěn)斜和繞障施工難度大。二疊系梧桐溝組地層易發(fā)生垮塌掉塊，在該地層進(jìn)行造斜和115 m和265 m繞障扭方位，造斜繞障井段長(zhǎng)，滑動(dòng)井段增加，造成機(jī)械鉆速低，施工中易發(fā)生井眼坍塌等惡性事故。

（4）小井眼長(zhǎng)水平段摩阻扭矩大，后期軌跡控制難度大，嚴(yán)重影響鉆井效率。隨著小井眼長(zhǎng)水平段延伸，循環(huán)壓耗大，鉆具柔性大，摩阻扭矩高，攜巖能力差，井眼清潔困難，易造成井下復(fù)雜和卡鉆事故；水平段在1 300 m以上時(shí)軌跡控制難度大，滑動(dòng)井段摩阻大、鉆井液返速低，頻繁發(fā)生托壓和鉆具自鎖等問(wèn)題，嚴(yán)重影響鉆井速度。

2 施工技術(shù)措施

2.1 井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

前期勘探采用四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，根據(jù)地層壓力剖面和臨井鉆井事故與復(fù)雜情況分析，井身結(jié)構(gòu)從能滿足水平段多級(jí)壓裂管柱的要求，技術(shù)套管封固復(fù)雜井段，降低定向繞障、長(zhǎng)水平段鉆井風(fēng)險(xiǎn)，為提高鉆井效率提供可靠的鉆完井工藝措施等方面進(jìn)行了優(yōu)化。技術(shù)套管下入到盧草溝組儲(chǔ)層40~50 m，為長(zhǎng)水平段鉆井提供條件，井身結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)

采用該井身結(jié)構(gòu)，有效封隔梧桐溝組以上復(fù)雜地層，二開(kāi)采用?241 mm井眼鉆至造斜點(diǎn)，造斜段采用?216 mm井眼，解決了上部1 000 m膏泥巖段和復(fù)雜地層井壁不穩(wěn)定對(duì)同尺寸鉆頭造斜彎螺桿下入的影響；依據(jù)致密油儲(chǔ)層壓力和地層巖性特征，降低鉆井液密度的使用，對(duì)長(zhǎng)水平段緩解高泵壓、提速起到重要作用。

通過(guò)確定井身結(jié)構(gòu)對(duì)井眼軌道進(jìn)行了優(yōu)化，采用“直—增—穩(wěn)—扭—增—水平”三維剖面設(shè)計(jì)，對(duì)不同造斜率、方位變化率、扭方位位置的井眼軌跡和摩阻進(jìn)行對(duì)比分析，降低了井眼軌跡控制難度，形成了115 m、265 m繞障井，分別在?216 mm井眼造斜段完成扭方位控制，確保軌跡圓滑，安全下入多級(jí)壓裂管柱。

2.2 直井段防斜打快鉆井技術(shù)

叢式水平井組直井段平均段長(zhǎng)達(dá)2 900 m，直井段防碰是叢式井組施工的重點(diǎn)之一。經(jīng)臨井鉆井實(shí)際和地質(zhì)分析，該井段防斜打直是防碰的最佳方式，采用塔式加鐘擺鉆具組合，個(gè)性化PDC鉆頭設(shè)計(jì)，在鉆頭部齒使用16 mm和19 mm復(fù)合片切削齒合理布置，小角度切地層削角提高鉆頭攻擊性能，提高復(fù)合片抗研磨性和穿夾層能力方面進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)；鉆井參數(shù)采取鉆壓10~30 kN，鉆井排量55~60 L/s，轉(zhuǎn)速120~150 r/min實(shí)施防斜打快，在地質(zhì)地層劃分的交界面井段每鉆進(jìn)100~150 m進(jìn)行加密測(cè)斜，預(yù)測(cè)井眼間距，實(shí)現(xiàn)直井段井斜控制小于2°。在JHW019井使用一只鉆頭5.58 d時(shí)間完成二開(kāi)2 350 m直井段，平均鉆速達(dá)24.5 m/h。

2.3 三疊系、二疊系鉆頭優(yōu)選

通過(guò)鉆頭適應(yīng)性和對(duì)井壁穩(wěn)定性分析，造斜段優(yōu)選短保徑5刀翼PDC鉆頭，?16 mm切削齒和高攻擊性切削角，在復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)扭矩小切削能力強(qiáng)，提高三疊系韭菜園組、二疊系梧桐溝組的鉆速；針對(duì)井壁易跨特征，增加鉆頭水眼，由4個(gè)噴嘴增加到7個(gè)噴嘴，減少射流對(duì)不穩(wěn)定井壁的破壞；通過(guò)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了1只牙輪造斜+1只PDC完成繞障，平均機(jī)械鉆速3.59 m/h；使用1只PDC鉆頭一趟鉆完成常規(guī)造斜井段，進(jìn)尺413 m，機(jī)械鉆速3.10 m/h。造斜段平均機(jī)械鉆速同比提高79.5%。

小井眼水平段，根據(jù)區(qū)塊地層特征和前期PDC鉆頭使用，進(jìn)行適應(yīng)性分析，優(yōu)選6刀翼，高強(qiáng)度耐磨?16 mm切削齒鉆頭，滿足定向鉆進(jìn)時(shí)工具面穩(wěn)定，扭矩小，造斜能力強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)了1只PDC鉆頭2次更換螺桿，進(jìn)尺1 310 m，鉆速4.77 m/h，機(jī)械鉆速同比提高62.12%。

2.4 造斜、水平段軌跡控制

造斜點(diǎn)相互錯(cuò)開(kāi)是叢式井防碰的主要措施之一，根據(jù)繞障軌跡優(yōu)化方案，為消減因直井段位移導(dǎo)致定向段造斜率、扭方位繞障難度增大問(wèn)題，提前上調(diào)造斜點(diǎn)，可極大緩解定向段軌跡控制壓力，在致密油叢式井水平井施工中，按軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)各井造斜點(diǎn)直井段垂深相差在35~100 m。鉆完直井段后，根據(jù)直井段井斜情況及時(shí)做好二次剖面設(shè)計(jì)及施工預(yù)案，優(yōu)選螺桿度數(shù)，在造斜初期因造斜率偏低，選用度數(shù)1.5°單彎螺桿，采用軌跡監(jiān)控軟件隨鉆作圖并預(yù)測(cè)，不斷與當(dāng)前井底的實(shí)際造斜率進(jìn)行對(duì)比分析，在定向初始盡快使各井井眼分離，以取得防碰成功。

繞障在很多情況下是在磁干擾條件下進(jìn)行，由于施工中受各種因素的影響， 井眼方位難免出現(xiàn)超出一定范圍的方位偏離。實(shí)施中造斜段扭方位在井眼方位的調(diào)整控制過(guò)程中， 進(jìn)行了綜合考慮， 一是盡量減少井眼的狗腿嚴(yán)重度；二是方位控制選在下技術(shù)套管之前， 將井眼方位調(diào)整到合適的范圍內(nèi)；三是減輕給后續(xù)長(zhǎng)水平段施工造成困難。因此調(diào)方位井段選擇在井斜角增至 40°以后，采用大單彎中高速螺桿度數(shù)，采取一邊增斜、一邊稍扭方位的措施。經(jīng)過(guò)實(shí)踐115 m繞障井，扭方位在二開(kāi)段調(diào)整完成；265 m繞障井，方位調(diào)整至增斜入靶的最佳井斜和方位，從而大幅降低扭方位作業(yè)施工難度，提高機(jī)械鉆速。

水平段優(yōu)選鉆具組合，采用?101.6 mm鉆桿降低循環(huán)壓耗，增強(qiáng)鉆具抗扭強(qiáng)度，使用?127 mm單彎螺桿柔性鉆具增斜入靶后，復(fù)合與滑動(dòng)鉆進(jìn)交替進(jìn)行，為了減少調(diào)整井斜的次數(shù)，提高機(jī)械鉆速，定向時(shí)將井眼軌跡控制在下靶區(qū)，而后依靠復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)井斜自然增加的規(guī)律使井身軌跡逐漸靠近設(shè)計(jì)軌道。當(dāng)井斜增到一定程度后，采用滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的方式隨時(shí)校正井眼軌道，保證實(shí)際井眼按設(shè)計(jì)軌道施工。隨著水平段的延伸大角度螺桿施工摩阻扭矩增大，采用1.25°螺桿完成1 300 m水平段施工。4口1 300 m水平段井復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)尺占62.8%，復(fù)合機(jī)械鉆速是滑動(dòng)鉆進(jìn)的2~2.5倍，取得了好的提速效果。

2.5 使用水力振蕩器工具，提高水平段的鉆井速度

水力振蕩器通過(guò)水力作用產(chǎn)生沿鉆具軸線方向上振動(dòng)，利用振動(dòng)將靜態(tài)的摩阻轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)摩阻，把單純的機(jī)械式加壓改為機(jī)械與液力相結(jié)合的加壓方式來(lái)提高鉆進(jìn)過(guò)程中鉆壓傳遞的有效性和減少鉆具與井眼之間的摩阻，減少扭轉(zhuǎn)振動(dòng)， 提高機(jī)械鉆速；通過(guò)減少鉆進(jìn)過(guò)程中的摩阻和扭矩，使得鉆壓易于傳遞、工具面易于控制，提高水平段的鉆井效率。

長(zhǎng)水平段摩阻扭矩大是鉆進(jìn)中突出的問(wèn)題之一，隨著位移的增加需對(duì)實(shí)鉆摩阻和扭矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，采取相應(yīng)的措施以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)水平段安全快速鉆井。JHW018井是本區(qū)塊目前水平段最長(zhǎng)、位移最大的一口井，利用LANDMARK軟件進(jìn)行了摩阻扭矩值模擬和實(shí)鉆跟蹤，從而指導(dǎo)鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工。在JHW018井水平段1 300 m以后延伸段4 572~ 5 325 m，鉆具加入AG-itator公司生產(chǎn)的水力振蕩器減摩降阻，工程措施上采取短起下鉆、大幅度活動(dòng)鉆具，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)， 一個(gè)單根最后 2~3 m可盡可能采用復(fù)合鉆進(jìn)的方式鉆進(jìn)， 鉆完1個(gè)單根進(jìn)行1~2次劃眼， 然后下放到底再測(cè)斜，這樣有利于攜帶巖屑；在造斜率允許的條件下盡量多采用復(fù)合鉆井的方式鉆進(jìn)， 這樣既可改善井眼的平滑性， 又可促進(jìn)鉆屑的返出，提高常規(guī)鉆具組合在長(zhǎng)水平段的延伸鉆進(jìn)能力，進(jìn)尺753 m平均鉆速可達(dá)4.85 m/h。對(duì)比發(fā)現(xiàn)（表1），采用水力振蕩器時(shí)滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高48.16%，復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高15.28%；取得了非常顯著的效果。

表1 水力振蕩器使用與未使用鉆速效果對(duì)比

2.6 鉀鈣基聚璜有機(jī)鹽鉆井液體系的應(yīng)用

鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)易造成井壁垮塌、縮徑、漏失、卡鉆等井下復(fù)雜情況和事故。該區(qū)塊已鉆井復(fù)雜統(tǒng)計(jì)表明每口井都有不同程度的縮徑、掉塊、掛卡。致密油井區(qū)鉆井井壁穩(wěn)定問(wèn)題一種是強(qiáng)水敏性地層（蒙脫石含量高達(dá)80%以上 ）及鈣、膏泥巖的水敏性坍塌；另一種是由地應(yīng)力引起的層理發(fā)育的泥頁(yè)巖地層的硬脆性坍塌。

針對(duì)井壁失穩(wěn)問(wèn)題優(yōu)選鉀鈣基聚璜有機(jī)鹽鉆井液體系，該鉆井液具有強(qiáng)防塌和抑制能力，適用于該區(qū)塊安全、快速鉆井。

直井段地層的膏質(zhì)泥巖強(qiáng)化鉆井液的強(qiáng)抑制性， 確保鉆井液封堵防塌能力；鉆至三疊系、二疊系梧桐溝組地層出現(xiàn)嚴(yán)重的硬脆性泥巖掉塊，因此保持鉆井液抑制性、封堵性，提高潤(rùn)滑性，鉆井液密度提高到1.48~1.50 g/cm3，保持高液柱壓力物理支撐井壁。在造斜前混入白油5%，進(jìn)入造斜段后逐步提高到白油含量10%，增強(qiáng)鉆井液的潤(rùn)滑防卡性能。水平段施工降低鉆井液密度至1.42~1.43 g/ cm3，配合鉆具組合降低循環(huán)壓耗，提高井眼清潔效率；隨著水平段延伸，鉆進(jìn)過(guò)程中補(bǔ)充白油含量逐步提高到12%~15%，配合使用固體潤(rùn)滑劑，保持良好的潤(rùn)滑性；監(jiān)測(cè)鉆井液中鈣離子、碳酸氫根、碳酸根濃度變化，及時(shí)處理維護(hù)，鉆井液中保持鈣離子濃度400~600 mg/L，鉀離子含量25 000 mg/L，pH值10~11，提高鉆井液抗污染能力；合理使用固控設(shè)備及時(shí)清除鉆井液中有害固相，控制鉆井液低的固相含量；配合工程措施，各次通井使用超細(xì)纖維洗井液清掃井眼，小井眼井段打封閉漿封閉等措施，保證了水平段安全鉆進(jìn)。

3 實(shí)施效果

通過(guò)以上措施，已完成的先導(dǎo)試驗(yàn)井組小井眼水平井，同比平均鉆井周期降低17.92%，平均機(jī)械鉆速提高98.27%，完成井平均水平段長(zhǎng)1 456.77 m，油層鉆遇率95%，井區(qū)首次完成水平段長(zhǎng)1 964 m，滿足最大23級(jí)壓裂管柱順利下入并成功完井，取得了良好的提速技術(shù)實(shí)踐效果。

4 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)致密油小井眼水平井的鉆井技術(shù)攻關(guān)和實(shí)踐，初步形成了吉木薩爾致密油水平井鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、井眼軌跡控制、鉆井液體系研制、鉆具合理組配、施工工藝優(yōu)化等鉆井配套技術(shù)，適應(yīng)本地區(qū)鉆井地質(zhì)特點(diǎn)，提高了鉆井速度，為后續(xù)鉆井提速技術(shù)推廣和進(jìn)一步提高吉木薩爾致密油開(kāi)發(fā)效益提供了經(jīng)驗(yàn)。

（2）應(yīng)用降低摩阻、扭矩的新工具和新技術(shù)，提高了長(zhǎng)水平段的鉆井速度，通過(guò)水力振蕩器的使用優(yōu)化井段，有利于降低鉆井成本。

（3）隨著水平段的延伸，井眼清潔及防卡是突出問(wèn)題，需進(jìn)一步開(kāi)展井眼凈化與防卡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。通過(guò)調(diào)整鉆井液潤(rùn)滑性能，配合工程措施，能有效減低摩阻和扭矩，需進(jìn)一步利用軟件對(duì)水平段鉆進(jìn)過(guò)程中摩阻和扭矩進(jìn)行跟蹤，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆井，提高施工效率，縮短鉆井周期。

（4）建議繼續(xù)開(kāi)展個(gè)性化PDC鉆頭、長(zhǎng)水平段鉆井液、工藝技術(shù)等方面的攻關(guān)，進(jìn)一步提高鉆井速度，探索致密油水平段2 000 m以上的長(zhǎng)水平段鉆井提速技術(shù)，滿足致密油多級(jí)大規(guī)模壓裂提高開(kāi)發(fā)效益的需求。

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（修改稿收到日期 2014-08-10）

〔編輯 付麗霞〕

Technology and practice of increasing drilling rate for tight oil in Jimusar

ZHANG Maolin,WAN Yunxiang,XIE Feilong,ZHANG Yanhua,DUAN Jiang
（Zhundong Drilling Company,CNPC Xibu Drilling Corporation,Fukang831511,China）

Horizontal well drilling technology is a critical way for tight oil development.In 2013,a pilot test was carried out for horizontal well group in tight oil area in Jimusar.In view of long openhole,great displacement of horizontal section,and technical difficulties such as collapse wellbore,lost circulation,low penetration rate and long drilling cycle,a technology for increasing drilling rate for tight oil in Jimusar has been preliminarily generated.It is based on analysis of formation features,optimizing the wellbore configuration,control of wellbore trajectory,optimizing drilling fluid system,making individual drilling bits,reducing drag and torque in slim hole and field application of supporting tools.As a result,the penetration rate was increased by 98.27%,and drilling cycle was shortened by 17.92%.The technology lays solid foundations for further speeding up and larger application scale of long horizontal sections for tight oil in Jimusar.

tight oil reservior;drilling rate increasing;long horizontal section;horizontal well;drilling bits;drilling fluid;Jimusar

張茂林，萬(wàn)云祥，謝飛龍，等.吉木薩爾致密油鉆井提速技術(shù)與實(shí)踐［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：18-21.

TE243

：B

1000–7393（2014） 05–0018–04

10.13639/j.odpt.2014.05.005

張茂林，1967年生。2009年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，高級(jí)工程師。電話：13779261213。E-mail：zdzml123@163.com。