工廠化水平井優快鉆井技術研究

陳春雷

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411）

工廠化水平井優快鉆井技術研究

陳春雷*

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江大慶163411）

東部油田外圍區塊非常規油氣資源（致密油），采用水平井鉆井方式進行開發，但此類資源儲層具有地層壓力低、滲透率低、產能低等特點，采用常規水平井鉆井方式無法實現該類儲層的安全、高效、規模、效益開發，為了有效開發此類儲層，主要應用工廠化水平井鉆井模式，通過對井眼軌跡優化、工具及參數的優選、提速技術與事故復雜預防以及批量鉆井的研究，來保證工廠化水平井得以優快施工。

工廠化水平井；批量鉆井；軌跡優化；井眼防碰；“一趟鉆”鉆井

近幾年油田在外圍非常規油氣資源儲層區塊，大量的布置工廠化水平井，以高臺子、扶楊為目的層，水平段長度一般都超過1500m，有的甚至達到2000多米，施工中主要存在以下難點：①機械鉆速低，鉆井周期長，制約勘探開發效率。②油層薄，整體物性連通性差，找油層過程中頻繁調整井眼軌跡；鉆進中摩阻扭矩大，井壁失穩，井下事故復雜頻出；影響鉆井效率和效益?，F有的技術、工具及裝備還不能完全滿足工廠化作業的要求，批量鉆井技術及井眼軌跡控制技術關鍵技術仍需要進一步攻關，施工流程需要經進一步優化，一些模式和規范需在試驗中制定和完善，為了經濟有效勘探開發此類油氣藏，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，通過以下幾個方面的研究與試驗，形成一套工廠化水平井優快鉆井配套技術，為工廠化水平井優快鉆井提供重要的技術保障。

1　工廠化水平井井眼軌跡優化及控制技術研究

1.1工廠化水平井井眼軌跡優化技術

在實現地質目的的前提下，統籌考慮占地、平臺布井、井眼剖面之間的關系，確定井網方式及平臺井組布局，本著地面服從地下和綜合優化的原則，盡量減少三維井眼，降低施工難度和避免扭方位施工。

（1）造斜點距A點垂深在500～700m以內；探油頂段長度控制在50～100m，曲率保持在2°/30m左右，為預防儲層提前、及時增斜精確入靶創造條件。優化水平段長度，綜合考慮儲層特性、產量、施工難度及經濟性的影響。

（2）應堅持做好平臺井的整體設計，要兼顧防碰繞障、減摩降阻、井眼平滑、套管安全下入、工序優化等問題，對所有井的軌道同時進行優化。

1.2工廠化水平井井眼軌跡漸近控制技術

利用井眼軌跡控制軟件計算出直井段軌跡的參數，計算出井底水平位移、垂深、閉合方位、視位移、視垂距等參數。對靶點重新進行修正設計，計算出各段的造斜率大小。

在定向造斜過程中，摸索出螺桿的實際造斜率大小，計算好滑動鉆進與復合鉆進的比例，盡可能使實鉆軌跡逼近設計軌道。根據視位移大小、正負、井斜角大小以及井底閉合方位與設計方位的偏差，確定采用復合鉆進、扭方位或定向鉆進來進行施工。

由于無線隨鉆測量儀器測點長度的限制以及螺桿造斜率在不同地層造斜能力的不確定性，開始定向鉆進時一般采用連續定向2個單根，以確定螺桿在該地層的實際造斜率。若已知螺桿的實際造斜率K實，設計造斜率K設，單根長度為L，則可計算出每個單根需要定向長度L定：

上式僅當K實＞K設時，可以繼續使用該螺桿定向施工；若K實＜K設，則應立即起鉆更換彎角較大的螺桿，所以所選螺桿的理論造斜率應高于設計造斜率10%～20%，提高復合鉆進的比例，有利于井眼清潔，減少卡鉆事故。

1.3井底井斜方位預測技術

井底預測技術是實現井眼軌跡定量預測與控制的基礎，如果預測不準井底處井斜方位，則易造成大的施工誤差，因此對水平井而言，井底預測顯得更為重要。井底預測的方法很多，可分為2大類，一類是力學法，力學法比較準確，但較復雜，現場施工已較少采用。另一類是幾何方法，井底預測的幾何方法主要是依據各種曲率的變化規律進行選擇，并且需要緊密結合鉆井過程的實際工況。使用時，應根據實際的鉆井工況，進行分析判斷和預測。

從根本上講，要提高井底預測的精度，應從以下2個方面入手：一是在工藝技術條件允許的前提下，盡可能縮短測點至井底的距離；二是提高測斜資料的精度。

1.4待鉆井眼軌跡修正設計

在進行待鉆設計時，必須考慮所鉆地層對造斜工具造斜能力的影響。應考慮地層傾向、走向及各向異性對井眼軌跡的影響，以保證設計出的待鉆井眼能充分利用地層的井斜方位作用。在進行待鉆設計時，應首先考慮目前已有的井下工具實際造斜能力，并為施工留有余地。

在實際施工中從造斜點開始直到完鉆的施工中，每鉆完一個單根，用單弧剖面進行一次待鉆井眼設計，選擇合適鉆進參數，并以此作為下趟鉆選擇鉆具組合的重要依據。在造斜過程中，每次都以入靶點“軟著陸”為目標，應用可變曲率井眼軌跡設計技術優化待鉆井眼設計。進入水平段以后，則根據地質要求，以期望縱向偏差、橫向偏差為目標進行待鉆井眼設計。

2　工廠化水平井提速技術研究

2.1鉆頭與螺桿鉆具優選

2.1.1鉆頭優選

破巖效率是鉆頭選型的主要考慮因素，PDC鉆頭可適應于地層巖石可鉆性級值不超過5.5級的均質非研磨性地層中。大慶長垣泉三段（包括泉三段）以上地層使用PDC鉆頭均可獲得較高的機械鉆速。

根據大慶地層與鉆頭匹配關系表，重點考慮工廠化水平井施工特性，對于直井段、造斜段及水平段的鉆頭選型進行重點優選，優選結果如表1所示。

表1　直井段、造斜段及水平段鉆頭優選結果

2.1.2螺桿鉆具優選

對螺桿鉆具進行選型與配套，使螺桿實鉆造斜能力與設計造斜率符合程度高，減少起下鉆次數，縮短鉆井周期，成為水平井螺桿鉆具選配的主要內容。

螺桿鉆具的選型與配套主要考慮以下幾個方面因素：①井眼尺寸大??；②設計造斜率大小；③鉆進應用介質類型；④應用地層的井底溫度；⑤鉆進時排量的大小。

對于工廠化水平井，考慮鉆頭類型、鉆井液類型、地溫梯度大小等因素，要使用低轉速、大扭矩、耐油、抗高溫的五級螺桿。綜合考慮幾個方面，確定螺桿如表2所示。

表2　螺桿鉆具的選型與配套

2.2工廠化水平井批量鉆井工藝技術研究

工廠化水平井批量鉆井技術是基于叢式井（水平井）的開發的理念，工廠化批量井筒作業已成為工廠化水平井較好的施工方案。

批量鉆井工藝技術是基于2個方面：

一是平臺與井場布局。

二是鉆井施工流程。

批量布井：一個井場或一個鉆井平臺布多口水平井。

批量鉆井：按不同規格井眼鉆井順序，以鉆井液體系轉換為界面依次分批進行多口平臺井同一規格井眼施工。

2.2.1改造鉆機底座鉆機快速平移

鉆機底座增加滑動軌道，采用地面棘爪式軌道液缸推動方式移動鉆機。鉆機整體移動創新了電動鉆機加長電纜替代了移動動力系統；加長出口管線代替了移動循環罐系統；增長高壓地面管線替代了移動鉆井泵。通過應用鉆機滑軌系統，實現快速平移。10m井口距離2h內可平移到位，比拆卸搬安縮短了5d左右時間。

2.2.2改造配套鉆井裝備

鉆機配備頂部驅動系統，適應不拆甩鉆具作業。應用同一套鉆具組合直接進行下一口井的施工。配備3臺泥漿泵、4級固控設備，提高鉆井液凈化效率，為鉆井液重復利用奠定基礎。同一套鉆井液體系直接進行下一口井的施工，降低了鉆井成本。地面循環管線進行35MPa壓力改造，滿足大排量、高泵壓快速鉆進施工需求要求。

2.2.3批量鉆井流程優化

一開（技套）和二開（油層）均由一套鉆機批量施工。

平臺井技套先施工，然后依次施工油層。相同井段使用一套鉆具組合，減少鉆具拆甩及組合次數，每口井節約周期1.5d。

平臺井表層鉆進重復使用一套水基鉆井液體系；油層重復使用一套油基鉆井液體系；即減少了鉆井液轉運次數，又減少了鉆井液用量，節省了鉆井成本。

2.2.4安全環保并降低勞動強度

實施批量鉆井，減少地面土地的占用，井場與泥漿排污坑的面積都得到有效控制，減少鉆井液及藥品的使用，實現安全環保，同批量鉆井施工，鉆機平移，減少鉆機的拆搬及鉆具的甩配，大大降低了工人的勞動強度，增加施工效率。

2.3工廠化水平井優快鉆進“一趟鉆”鉆井技術研究

針對工廠化水平井施工效率偏低的問題。通過優選井下工具、優化鉆具組合，在工廠化水平井推行“造、探”+“水”2段分別實現“一趟鉆”施工，提高作業效率。

為實現“一趟鉆”推廣應用6項配套技術措施：

（1）優化鉆具組合，造斜段直接采用倒裝鉆具；

（2）優選高效螺桿，螺桿使用壽命120h以上；

（3）優選LWD儀器，提高儀器穩定性，使用時間120h以上；

（4）優化鉆進參數，加大鉆井液排量，提高井底返砂效率；

（5）優選五刀翼PDC鉆頭，提高倒裝鉆具組合工具面穩定性；

（6）優化實鉆軌跡，采用“上急下緩”模式，為探油頂施工預留調整余地。

3　工廠化水平井井下事故復雜預防技術研究

3.1工廠化水平井安全隱患分析

3.1.1工廠化平臺水平井直井段防碰

工廠化平臺水平井類似于叢式定向井，但因工廠化水平井直井段較長，防碰風險及要求較定叢井更高。

3.1.2鉆具貼井壁，受力狀況發生變化

（1）從造斜段開始，鉆具受力狀況相對直井發生了根本的變化。

（2）斜井段：由于鉆具自重，鉆具“躺在”下井壁，對井壁側壓力的增大，帶來了起下鉆摩阻和旋鉆扭距的增大。

（3）鉆頭的受力變化出現側向分力，當使用增斜鉆具結構時，由于近鉆頭扶正器的支點作用而產生向高邊的側向力。

3.1.3偏心環空和巖屑床

（1）偏心環空中，大環空處流速大，小環空中流速小，促使巖屑床產生。

（2）巖屑床的厚度隨流速的減小和井眼斜度的增加而增大，但傾角大于一定值后，其巖屑床的厚度基本保持不變。

（3）當井眼傾角處于臨界傾角范圍內時，由于巖屑床的形成及滑移，巖屑勢必下滑堆積，容易造成鉆具的阻卡。

3.2工廠化水平井安全施工措施

3.2.1工廠化水平井井眼防碰技術

（1）嚴格按設計要求測斜，兩井有防碰要求時加密測點，并及時根據測斜數據變化調整參數

（2）防碰井段必須要及時輸入計算機，同時繪制防碰圖，觀察分析軌跡趨勢，堅持做到測一點、計算一點、防碰圖繪制一點。

（3）井隊必須至少有2套測斜儀器。儀器及時校驗，確保測量數據的準確。

（4）防碰工作要從井組的第一口井做起。提前做出防碰預算，保證前拖距離滿足防碰要求，并上報技術服務分公司。

（5）防碰時要有井組整體防碰意識，如果有防碰趨勢或軌跡發展將影響下口井的施工，都要及時繞障采取措施。繞障施工宜早不宜遲，上部較下部施工效率高、更安全；繞障施工時要根據工作量和難度，合理選擇鉆頭、螺桿。

3.2.2井眼清潔技術

水平井鉆進過程總巖屑在自重作用下向下井壁沉積形成巖屑床。巖屑上返過程中路程很長，巖屑被磨得很細，很難從鉆井液中清除，鉆進過程中隨時監測循環當量密度（ECD）值，采取有力技術措施攜帶巖屑，清除巖屑床。

（1）足夠排量和鉆井液良好流變性攜帶巖屑。排量保持在34L/s以上，保證環空上返速度在1.5m/s左右，實現紊流攜巖。

（2）高轉速旋轉破壞巖屑床。鉆進中保證盡量多的高轉速時間，有輔助攜巖及清除巖屑床的作用，將下井壁巖屑帶向井眼中心，隨即被上返的鉆井液向上運移。

（3）高效固相控制設備清除巖屑。采用4級固控設備，及時清除鉆井液中有害固相含量，保證井眼凈化。

3.2.3減磨降扭技術

（1）調整泥漿性能，降低鉆柱與井壁之間的摩擦系數，降低泥漿失水，降低泥餅厚度，從而降低了摩阻扭矩。

（2）凈化井眼，破壞巖屑床，可降低鉆柱與井壁之間的摩擦系數，從而大幅度地降低扭矩和摩擦阻力。

3.2.3井壁穩定技術

控制失水量小于4mL，使井壁形成薄而堅韌的泥餅，嚴格控制起下鉆速度。

4　現場試驗應用情況

4.12014年現場試驗應用的5口工廠化水平井與2013年周期對比

2014年試驗2組平臺5口工廠化水平井，平均鉆速10.76m/h，平均鉆井周期27.18d，對比2013年鉆速提高12.55%，周期縮短16.83d，完成預期目標。參見表3。

表3　2組平臺5口井鉆速及周期情況

重復使用第一口井的陽離子聚合物水基泥漿260m3，因一次打完整個平臺一開未更換泥漿體系節約泥漿約520m3，二開使用油包水鉆井液，節省了一開鉆井液的從新配置，及二開的油基鉆井液的倒運。因施工所用鉆機的配套設備可帶鉆具整拖所以無甩鉆具時間，一開完井可節約甩鉆具及配鉆具時間約24h。

4.2工廠化水平井“一趟鉆”情況（表4）

表4　工廠化水平井“一趟鉆”情況

通過優選井下工具、優化鉆具組合，試驗的5口井在“造、探”+“水”2段分別實現“一趟鉆”施工，提高作業效率。

5　結論

推廣應用工廠化批量鉆井，3口井重復使用第一口井的水基鉆井液，節省了一開鉆井液的從新配置，及二開的油基鉆井液的倒運。

（1）優化井眼軌跡，提高鉆速，采用變曲率漸近井眼軌跡控制技術，使井眼軌跡得到精確控制。

（2）改進鉆井模式，實施批量鉆井，井場與泥漿排污坑的面積都得到有效控制，減少鉆井液及藥品的使用，實現安全環保；應用批量鉆井施工，鉆機平移，減少鉆機的拆搬及鉆具的甩配，增加施工效率。

（3）通過優選螺桿和個性化PDC鉆頭，能夠提高機械鉆速。

（4）通過優選井下工具、優化鉆具組合及鉆井參數，在致密油工廠化水平井推行“造、探”+“水”2段分別實現“一趟鉆”施工，提高作業效率，縮短鉆井周期。

［1］徐小峰.冀東油田水平井井身結構優化設計［J］.石油鉆采工藝，2002.

［2］葛云華.叢式水平井鉆井平臺規劃［J］.石油勘探與開發，2005，32（5）.

［3］雷群，王紅巖，趙群，等.國內外非常規油氣資源勘探開發現狀及建議［J］.天然氣工業，2008，28（12）.

TE243

A

1004-5716（2016）01-0061-05

2015-09-14

2015-09-14

陳春雷（1982-），男（漢族），吉林梨樹人，工程師，現從事定向井井眼軌跡控制及定向井水平井管理工作。