蘇南水平井鉆井技術實踐與認識

2015-12-19 05:32:48郁燕飛李堆軍柳耀泉

西部探礦工程 2015年3期

郁燕飛，李堆軍，柳耀泉，王志

（渤海鉆探第三鉆井工程公司，天津300280）

蘇南水平井鉆井技術實踐與認識

郁燕飛*，李堆軍，柳耀泉，王志

（渤海鉆探第三鉆井工程公司，天津300280）

蘇南區(qū)塊儲層埋藏深，水平井設計平均井深5000m，垂深3550m，水平段長度1000m左右,摩阻及扭矩大、井眼清潔、井壁穩(wěn)定等技術難點。針對上述技術難點，研究形成了以優(yōu)化井身結構、優(yōu)化井眼軌跡與控制、泥漿性能的控制、鉆頭優(yōu)選等一系列水平井鉆井技術，對今后蘇里格氣田以及類似地區(qū)施工的水平井提供了借鑒。

水平井；斜井段；關鍵技術；鉆頭優(yōu)選：井眼軌跡優(yōu)化

蘇南區(qū)塊位于內蒙古自治區(qū)鄂托克前旗南部地區(qū)，與蘇南區(qū)塊相對大蘇里格儲層埋藏深，水平井二開裸眼段長300～800m，施工難度相對增加，二開斜段的優(yōu)快鉆井和事故復雜的預防成為制約蘇南水平井鉆井提速的關鍵影響因素。

蘇南水平井設計通常采用?241.3mm井眼的直井段井身結構，造斜段至入窗采用?215.9mm井身結構，下入?177.8mm套管固井，三開采用?152.4mm鉆頭鉆完水平段，然后下裸眼封隔器分段壓裂完井。造斜段剖面為雙增穩(wěn)剖面設計，增—穩(wěn)—增—82°穩(wěn)斜探層—入窗的剖面設計（圖1）。

圖1 蘇南水平井井身結構示意圖

1 蘇南水平井難點

（1）雙增剖面設計有相對較小的曲率半徑和較大的造斜率，滑動比例增加，軌跡中穩(wěn)斜段設計增加了井眼軌跡控制難度。

（2）二開造斜段，定向時托壓問題的影響。在滑動鉆進過程中，托壓是影響鉆進速度的關鍵問題，一旦托壓嚴重，導致沒有進尺，鉆具長時間靜止狀態(tài)，容易發(fā)生卡鉆，需要頻繁活動鉆具，影響造斜效果，增加滑動時間，造成惡性循環(huán)，且加劇鉆頭磨損，增加鉆頭數(shù)量。

（3）二疊系石千峰、石盒子地層塑性泥巖造漿嚴重，有害固相增加，極易粘附在鉆頭和扶正器上，造成泥包。

（4）目的層石盒子地層泥巖段，處于70°左右的井斜的井段極易發(fā)生井壁垮塌，對泥漿失水控制要求嚴格。

（5）在?215.9mm井眼內下入?177.8mm技術套管，環(huán)空間隙小，下套管、固井施工風險大。

2 蘇南區(qū)塊水平井鉆井技術

2.1 二開斜段鉆具組合優(yōu)選

為了保證斜井段鉆進時能給鉆頭施加有效的鉆壓,減小托壓。鉆具組合采用一次倒裝鉆具組合。加重鉆桿位置分為2部分,確保鉆具中和點的位置在下部加重鉆桿部分,上部加重鉆桿位于直井段或井斜30°以內的井段。

鉆具組合：? 215.9mmPDC+? 172mm馬達（1.5°）+?165mm浮閥+?165mmLWD+?165mm無磁鉆鋌+?177.8mmMWD+?165mm防磨接頭+ ?127mm加重鉆桿×6根+?127mm鉆桿+?127mm加重鉆桿×13根+?127mm鉆桿若干。

鉆井參數(shù)：馬達轉速，鉆壓60～160kN，排量34L/s，泵壓16～21MPa。

表1 2013年完成的4口水平井設計軌跡

2.2 井眼軌跡優(yōu)化及效果分析

2.2.1 優(yōu)化井眼軌跡

將設計“增—穩(wěn)—增—82°入窗”的雙增穩(wěn)剖面優(yōu)化為懸鏈線剖面。建設方對入窗前的井眼軌跡允許重新設計，這對軌跡優(yōu)化提供了便利。重新優(yōu)化井眼軌跡，本著操作性強，有利于優(yōu)快鉆進為原則。懸鏈線剖面軌道可以降低摩阻，改善鉆柱的受力狀況；使井眼曲率半徑更為科學，造斜率更低，有利于井眼軌跡平滑延伸，提高機械鉆速和固井質量[1]。井眼軌跡優(yōu)化見數(shù)據(jù)見表1。

續(xù)表1 2013年完成井優(yōu)化后的軌跡

從表1數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的剖面有較小的造斜率。根據(jù)現(xiàn)場實鉆數(shù)據(jù)，合理分配滑動比例，堅持“少滑動、多旋轉、微調勤調”原則，使井眼軌跡平滑延伸，實鉆數(shù)據(jù)見表2。

設計雙增剖面軌跡，在45°井斜處有一段穩(wěn)斜調整井段，長度200m左右，導向鉆具組合結構在鉆進過程中自然增斜，穩(wěn)斜困難，在井斜增大的情況下，需要反摳降斜作業(yè)，浪費工作量。采用懸鏈線結構軌跡剖面，在井斜50°以下的井段，利用導向鉆進自然增斜率[一般為（1.5°～3°）/30m]，導向增斜，只要進行微調就能達到設計的造斜率，這就大大減少了滑動比例，提高了機械鉆速。

表2 斜井段實鉆數(shù)據(jù)

2.2.2 優(yōu)化后摩阻和扭矩分析

隨著井深的延伸和井斜的增大，鉆具與井眼低邊的接觸面積增大，鉆具與井眼低邊形成的巖屑床相互作用,鉆井液固相含量高導致潤滑效果下降等[2]原因，鉆具與井壁之間的摩擦阻力隨著井深、井斜的增加而不斷增大。根據(jù)現(xiàn)場施工獲得的扭矩、摩阻數(shù)據(jù)分析見圖2、圖3,通過優(yōu)化井眼軌跡,有效降低了摩阻系數(shù)，提高了施工效率。

圖2 斜井段實際摩阻跟蹤圖

圖3 斜井段實際扭矩跟蹤圖

實鉆數(shù)據(jù)復合鉆進時最大扭矩10～15kN·m，滑動鉆進時,工具面調整較為容易，井斜大時滑動鉆進阻力一般在160kN左右,活動鉆具上提拉力100～120kN，下放阻力40～60kN。

使用計算機對SN0024-04H的載荷模擬結果顯示，在井斜60°之前，隨著井深和井斜的不斷增加，摩阻和扭矩呈線性變化。當井斜超過60°之后，摩阻和扭矩的增幅變緩。這個結果與現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)基本吻合，模擬結果見表3。

表3 載荷及扭矩模擬結果表

2.3 鉆井液技術

二開鉆穿劉家溝地層以后井段，是水平井的一個節(jié)點，開始定向，常規(guī)三開水平井改型為聚磺鉆井液體系。

造斜段穿越的地層為石千峰和石盒子組，簡稱“雙石層”，該地層泥巖易出現(xiàn)吸水膨脹，剝落，形成大肚子井眼。隨著井斜的增加，地層原來的應力平衡發(fā)生改變，導致井壁周圍巖石的應力重新分布，如果重新分布的應力超過巖石所能承受的最大載荷，井壁失穩(wěn)就會發(fā)生[3]，特別是在60°～75°井斜井段，極易發(fā)生井壁垮塌。因此選擇合理的鉆井液密度和失水控制十分重要。選用聚磺體系泥漿具有較強的抑制性，良好的造壁性、封堵性、流變性，以及熱穩(wěn)定性，基本能夠滿足三開水平井施工，關鍵抓好失水與密度控制。

2.4 井壁穩(wěn)定技術

2.4.1 變流洗井技術

由于二開裸眼段長，鉆速快，有部分巖屑粘附于井壁，隨著浸泡時間的延長，部分井壁發(fā)生周期性剝落，特別是在45°以后的井段，極易形成巖屑床，容易發(fā)生起下鉆阻卡。在短起下、劃眼，及長時間循環(huán)不能有效攜砂的情況下，采用變流技術來洗井攜砂。在環(huán)空流速確定的情況下，適宜的泥漿流變參數(shù)是攜帶巖屑清洗井眼的關鍵[4]。變流洗井技術主要做法為：稀泥漿加稠泥漿塞交替洗井，稀塞紊流沖洗掉附著在井壁上的巖屑，再利用緊跟的稠泥漿帶出。

2.4.2 不開泵劃眼技術

對于發(fā)生垮塌嚴重的井段，井徑擴大率較大，一般發(fā)生在70°左右石盒子泥巖井段，通井困難，無法進行下套管作業(yè)。一貫的做法是開泵劃眼，但劃眼效率極低。開泵的情況下劃眼，大直徑掉塊在水力的作用下被擠進井徑較大的井眼位置，鉆頭、扶正器可以通過，但是停泵后，掉塊又回到原來的位置，造成上提遇卡，下放遇阻。另一方面，在井塌井段長時間開泵劃眼，在水力和機械撞擊的作用下會產生新的掉塊，加重了劃眼難度。

通過近幾年的實踐，采用不開泵劃眼技術可有效解決該問題。鉆具組合中在近鉆頭位置放置一?210mm～?212mm扶正器；在遇阻位置，轉動鉆具，采用10～20kN鉆壓劃眼，不開泵，避免把掉塊擠進井徑較大的井眼位置，利用鉆頭和扶正器把直徑較大的掉塊破碎，再開泵循環(huán)盡可能攜砂，部分不能帶出地面的巖屑采用滴流泥漿進行封閉，利用封閉泥漿的高切力支撐，形成假井壁，通過短起下驗證，無阻卡后下技術套管。

2.5 鉆頭優(yōu)選

造斜段使用的鉆頭有迪普DM665D,迪普鋼體鉆頭 DS665D 和中成 MD6633ZC、MD6536ZC、MD6636ZC。在使用過程中中成鉆頭表現(xiàn)為初始機械鉆速高，但是鉆頭抗磨性和抗沖擊能力較差；迪普鉆頭表現(xiàn)為鉆時均勻，有較好的抗磨性和抗沖擊能力；就平均機械鉆速而言，中成鉆頭略高于迪普鉆頭；單只鉆頭使用時間和進尺，迪普鉆頭高于中成鉆頭。

迪普DS665D鋼體鉆頭，該型號鉆頭刀翼薄、流道寬等高效水力設計防止鉆頭泥包，提高鉆頭的切削效率。綜合防震設計提高鉆頭鉆進工作的平穩(wěn)性，防止鉆頭切削齒的非預期損壞；與迪普胎體鉆頭比較，同井段平均機械鉆速同比提高30%～50%。鉆頭使用效果見表4。