瑪湖致密砂礫巖2 000 m水平段水平井優快鉆完井技術

李洪鄒靈戰汪海閣劉穎彪章敬羅洪

1.中國石油集團鉆井工程技術研究院；2.中國石油新疆油田公司；3. 能新科能源技術有限公司

瑪湖致密砂礫巖2 000 m水平段水平井優快鉆完井技術

李洪1鄒靈戰1汪海閣1劉穎彪2章敬2羅洪3

1.中國石油集團鉆井工程技術研究院；2.中國石油新疆油田公司；3. 能新科能源技術有限公司

準噶爾盆地瑪湖斜坡百口泉組致密油為新疆油田公司新發現的大油區，在探索長水平段水平井開發過程中，面臨砂礫巖地層可鉆性差，地層井壁失穩垮塌嚴重，漏失復雜情況多，平均單井漏失173 m3，水平段機械鉆速僅2.06 m/h，固井難度大等問題。針對以上難點，重點開展了井身結構及井眼軌跡優化、EVOLUTION?類油基鉆井液、長水平段小間隙固井技術、砂礫巖難鉆地層的鉆頭選型等鉆井提速配套技術研究和實踐。在瑪131區塊成功完鉆了2口2 000 m長水平段水平井，鉆井周期減少27.7%，下套管順利，固井質量滿足大型分段壓裂要求，形成了一套適合瑪湖地區致密油經濟有效開發的鉆完井技術。

致密油；水平井；長水平段；優快鉆井；類油基鉆井液；小間隙固井

美國是目前全球致密油勘探開發最成功的地區，憑借在頁巖氣開發中形成的的水平井、分段壓裂改造及工廠化開采等非常規開發技術，在Bakken、Eagle Ford等不斷獲得突破，產量快速上升并改變了美國能源供應格局［1-2］。美國致密油水平井主體技術包括高效PDC鉆頭、優質鉆井液、高性能泥漿馬達、旋轉導向、地質導向等［3-5］。近年來隨著旋轉導向及近鉆頭地質導向鉆井工具的經濟性、有效性及可靠性不斷提高，其在致密油開發中應用呈日益增長趨勢。同時，技術服務公司針對不同地區和不同地層開發了一些個性化技術，如個性化鉆頭及可替代油基鉆井液的強抑制水基鉆井液等，配合高造斜率旋轉導向鉆井系統，使越來越多的水平井實現二開“一趟鉆”完鉆。致密油一般采用中長水平段進行開發，Eagle Ford致密油的平均水平段長1 600 m左右，16級壓裂改造，Bakken致密油的水平段長度較大，大部分在3 000 m左右，30級壓裂改造［6-8］。

中國致密油資源豐富，可采資源量18～27億t［3］。與北美海相致密油相比，中國陸相致密油層縱橫向變化大，儲層非均質性強，地理地貌條件復雜，北美的致密油勘探開發技術難以照搬應用［9-11］。中國致密油開發尚處于攻關試驗階段，長慶油田致密油是國內陸相致密油的典型代表，勘探開發已取得初步成效［12-14］。2011年以來，長慶油田通過建立3個致密油水平井體積壓裂試驗區和3個致密油規模開發試驗區，開展了從式井組的井身結構優化、PDC鉆頭優選及低摩阻復合鹽鉆井液等技術研究，并探索了適合盆地致密油特征的工廠化作業方式，形成了1500 m水平段水平井、體積壓裂為核心的致密油開發關鍵技術，有效降低投資成本，共完鉆水平井366口，日產原油2 235 t，年生產能力達到70萬t［15］。

新疆瑪湖地區百口泉組致密油是新疆油田近兩年勘探發現的規模儲量區塊，瑪131、瑪18井區百口泉組油藏探明石油地質儲量超過億噸。瑪湖地區致密油為致密砂礫巖儲層，埋藏較深（3 500～3 900 m），物性差，吼道小，存在異常高壓，常規技術難以適應低油價下有效動用的要求，因此，借鑒北美和國內致密油開發的經驗，探索采用2 000 m長水平段水平井、大規模壓裂技術實現瑪湖致密油的有效開發。

1 工程難點

Engineering difficulties

三疊系百口泉組砂礫巖致密油藏位于準噶爾盆地西北緣中央坳陷瑪湖凹陷斜坡區。自下而上發育三疊系百口泉組、克拉瑪依組、白堿灘組，侏羅系八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組、齊古組及白堊系吐谷魯群地層。主要工程難點如下。

（1）漏失復雜多。八道灣組煤層、八道灣組底部礫巖、白堿灘組砂巖地層裂縫發育，地層承壓能力低，易發生井漏復雜，平均單井漏失173 m3。

（2）泥巖地層井壁易垮塌。白堿灘組及克拉瑪依組泥巖發育，水敏性強，井壁易失穩，井徑極不規則，如H1井造斜段3 606～3 636 m井徑擴大率高達51.5%，從而造成鉆具阻卡頻繁，電測遇阻。百口泉組砂礫巖儲層含泥巖夾層，水平段鉆遇泥巖易垮塌、發生卡鉆事故。

（3）縱向上分布多套砂礫巖地層，可鉆性差。八道灣組底部礫石含量較多，克拉瑪依組上段也有部分砂礫巖，百口泉組為砂礫巖地層，礫巖粒徑一般為10～50 mm，PDC可鉆性級值8～9級，機械鉆速僅有2.04 m/h。

（4）砂礫巖儲層長水平段鉆進困難。2 000 m長水平段，鉆具摩阻扭矩大，井壁穩定性差、巖屑清除困難，易發生卡鉆，且砂礫巖儲層可鉆性差，鉆進機械鉆速僅為2.06 m/h，嚴重制約水平段延伸能力。

（5）長水平段小間隙固井難度大。三開?165.1 mm井眼小，長水平段下套管摩阻大，套管容易在水平段下不到位，且套管居中困難，加上環空間隙僅有19.1 mm，水泥漿頂替效率低，固井質量差，同時，水泥環薄，其動態力學性能如抗沖擊強度及韌性難以滿足大規模分段壓裂改造要求。

2 優快鉆完井技術

Good-quality fast drilling and completion technologies

2.1 井身結構設計

Casing program design

瑪湖地區上部地層為正常壓力，白堿灘和克拉瑪依組上段為壓力過渡帶，克拉瑪依組下段及百口泉組從斜坡區向湖盆區方向壓力逐漸升高（1.28～1.72 g/cm3）。勘探評價階段，采用四開和大三開井身結構鉆井經濟效益較差。在分析地層壓力剖面、事故復雜情況及成本因素的基礎上，將原四開及大三開井身結構，優化為小三開井身結構，見表1。原二開技術套管下至白堿灘頂部，因八道灣底部及白堿灘組地層裂縫發育，已鉆井井漏復雜較多，為確保三開安全鉆井，調整二開技術套管下深至克拉瑪依組上段，封隔上部漏失層，為三開安全鉆井創造有利條件。同時，小三開井身結構井眼尺寸小，有利于提高機械鉆速，且節省套管、鉆井液及固井等費用。

表1 小三開井身結構Table 1 Three-spud casing program

2.2 軌跡優化及控制

Trajectory optimization and control

水平井優選“直-增-穩-增-穩”五段制剖面，降低中靶難度。通過對比不同造斜點、造斜率及靶前位移，優選克拉瑪依組上段垂深2 950 m穩定地層為造斜點，造斜率設計6 （°）/30 m，靶前位移280 m，在減少造斜段進尺同時不會大幅度增加摩阻而使鉆具發生屈曲，軌跡控制難度也適中，降低了2 000 m水平段鉆井施工難度。

直井段軌跡控制采用帶螺桿的鐘擺鉆具組合，復合鉆鉆井方式，用電子單點或多點監測井斜，既能確保井眼打直，又能提高機械鉆速。為避免長水平段鉆進中鉆具易托壓，摩阻較大、卡鉆風險大，井眼軌跡控制困難，在造斜段和水平段采用旋轉導向工具PD Archer（0.8）+ IMPulse（MWD），提高軌跡控制及入靶精度，從而提高井眼質量，進一步降低長水平段下套管阻卡風險，并提高機械鉆速。同時，水平段建立地質導向模型，應用LWD進行儲層跟蹤，既提高儲層鉆遇率，又確保井眼軌跡平滑。

2.3 鉆井液技術

Drilling fluid technology

二開侏羅系及三疊系地層存在大套泥巖，侏羅系三工河組及三疊系地層黏土礦物總量高達55%，巖屑在清水中滾動回收率最高僅15.12%，地層具有較強的水化分散特性，易引發井壁失穩，鉆井液體系應以抑制分散為主。二開采用高性能BENFRAY鉆井液，當鉆遇泥巖時補充MEES-FIL-305控制濾失量，并保持MEES-HIB-1080和KCl的濃度，以維持足夠的抑制性。進入八道灣組底部和白堿灘組地層易發生滲透性漏失，已鉆井發生漏失最小鉆井液密度為1.22 g/cm3，因此控制鉆井液密度小于1.20 g/cm3，降低壓差，同時加入隨鉆堵漏劑和膠凝劑防止井漏。實鉆中BENFRAY鉆井液動塑比大于0.5 Pa/（mPa·s），優秀的流變性保證了快鉆時的井筒清潔問題。二開鉆井液配方為：水+1%～3%NaOH+0.5%～1.5%流型調節劑MEESVIS-500+4%～10%降濾失劑MEES-FIL-305+1%～3%抑制劑MEES-HIB-100+1.5%～3.0%多功能調節劑NDFT-253+3%～6%KCl+0.2%～0.5%殺菌劑+3%～8%井筒強化劑MEES-CAC+1%～7%抑制劑MEESHIB-1080+重晶石。

三開白堿灘組及克拉瑪依組砂泥巖互層，易發生井壁失穩，泥巖垮塌嚴重，要求鉆井液具有較好的抑制和封堵能力，且三開井眼小、水平段長，同時要求鉆井液潤滑性和攜巖能力較強［16］。三開采用EVOLUTION?環保型類油基鉆井液。該高性能鉆井液的潤滑性、抑制性和穩定性接近于油基鉆井液，但成本比油基鉆井液低，對環境的影響也較小。鉆進過程中及時補充抑制劑MEES-HIB-100和MEESHIB-1080，來控制泥巖的分散造漿，并加入足夠的降濾失劑MEES-FIL-305防止井壁坍塌，保證井眼規則和井壁穩定。加增黏劑MEES-VIS-500上調流變性，保持較高的低剪切速率黏度，動塑比大于0.55 Pa/（mPa·s），提高攜巖能力，保證井眼徹底凈化。鉆井液配方：水+1%～3%NaOH+5%～8%流型調節劑MEES-VIS-500+0.4%～1.0%降濾失劑MEESFIL-305+0～3%抑制劑MEES-HIB-100+1.5%～3.0%多功能調節劑NDFT-253+3%～6%KCl+0～6%油保型降濾失劑MEES-FIL-3018+0～6%流型調節型降濾失劑MEES-FIL-3028+0～15%流型調節型降濾失劑MEES-FIL-401+0～20%降濾失劑MEESFIL-403+0.2%～0.5%殺菌劑+15%～30%井筒強化劑MEES-CAC+1%～1.7%抑制劑MEES-HIB-1080+重晶石，鉆井液性能參數見表2。

2.4 分段鉆井提速技術

ROP improvement technology for staged drilling

在井身結構優化及軌跡設計與控制優化的基礎上，根據地層、巖石特點及可鉆性級值測定試驗，優選出適合于地層的高性能PDC鉆頭，優選長壽命螺桿、高效提速工具、高性能鉆井液及鉆具組合，形成鉆井提速配套技術。

表2 三開EVOLUTION?類油基鉆井液性能參數Table 2 Property parameters of three-spud EVOLUTION?similar oil based drilling fluid

（1）二開侏羅系齊古組至八道灣組中部地層。優選DBS攻擊性較強的5刀翼19 mm切削齒PDC鉆頭SF56H3，實鉆中機械鉆速高達24.35 m/h，比設計提速43%，鉆頭只有輕微磨損。配合長壽命螺桿及抑制能力強的BENFRAY鉆井液，實現1只鉆頭一次鉆完二開上部地層。

（2）二開八道灣組底礫巖至白堿灘組地層。二開八道灣組底部，由于礫石含量增多，礫巖粒徑一般為20～50 mm，最大為80～90 mm，含礫地層平均厚度在250～300 m，對鉆頭沖擊性強，普通的PDC鉆頭也會磨損嚴重。通過試驗多家廠商的PDC鉆頭，優選出6刀翼16 mm切削齒PDC鉆頭SF56H3，配合長壽命螺桿及封堵能力強的BENFRAY鉆井液，實現1只鉆頭一次鉆完二開下部地層。

（3）三開直井、造斜段。三開克拉瑪依組上段地層含有礫石，百口泉組為致密砂礫巖地層，礫石粒徑一般為10～50 mm，最大為65～85 mm，均質性和可鉆性較差。Smith公司新一代ONLYⅡ切屑齒在磨損方面減少了20%，在堅硬地層和強研磨性地層具有更優越的耐磨性和熱穩定性。因此，直井段、造斜段優選Smith公司的5刀翼16 mm ONLYⅡ切屑齒PDC鉆頭MSI516，采用旋轉導向工具并優選潤滑性和攜巖能力較強的EVOLUTION?類油基鉆井液，實現1只鉆頭一次鉆完三開直井、造斜段。

（4）三開水平段。進入水平段后，砂巖中礫石夾雜增多，選用Smith公司高抗沖擊性、高抗研磨性、短保徑且具有側向齒的6刀翼13 mm ONLY II切屑齒PDC鉆頭MSI613。采用旋轉導向工具配合EVOLUTION?類油基鉆井液。對于2 000 m的長水平段鉆進，目前還至少需要4只鉆頭。

2.5 長水平段小間隙固井技術

Small clearance cementing technology for long horizontal sections

2.5.1 水泥漿體系 三開?165.1 mm井眼下?127 mm套管，環空間隙僅有19.1 mm，水泥環薄，為滿足后期大型分段壓裂施工，固井水泥石除了需要具有一定抗壓強度，同時還需要具有一定的變形能力和韌性以滿足密封要求［17］。所優選的Centan彈韌性水泥石，其在受外部擠壓條件下具有一定的變形能力，因此能保證水泥石在一定彈性形變條件下，不發生破壞，滿足了水泥石彈性要求和強度要求。Centan彈韌性水泥石與常規水泥石力學性能相比彈性模量降低50%以上，抗拉強度提高100%以上。同時，該彈韌性水泥石能進一步改善油井水泥石力學性能，賦予油井水泥石一種可控塑性形變能力，增加水泥石抗沖擊破碎性能，起到增韌止裂、減輕水泥環在受沖擊力作用時的應力集中所造成的破裂傷害程度，延長油井壽命。該彈韌性水泥漿體系配方：G級水泥+10%彈性膠結劑+6%增韌劑+2%膠結改善劑+3%復合纖維+2%膨脹劑+1%減阻劑+0.5%緩凝劑+3%降濾失劑+0.5%消泡劑+44%水，性能見表3。

表3 Centan彈韌性水泥漿體系性能（45 MPa、89 ℃）Table 3 Properties of Centan elastic and tough cement slurry (45 MPa and 89 ℃)

2.5.2 通井下套管 三開環空間隙小，且水平段長，套管在重力作用下易貼下井壁，導致套管下入摩阻大，套管下入井底非常困難。通過模擬下入套管的剛度和外徑設計通井鉆具組合，分別采用單扶正器、雙扶正器及三扶正器3次模擬通井，達到破壞巖屑床、清除沉砂、修復井壁、修正井眼狗腿的目的，并模擬套管剛度通過井眼。3次模擬下套管通井，使井眼變得順暢、平滑，并通過計算下套管的摩阻及居中度分析，預測套管在井下狀況，為順利下入套管做好充分準備。

2.5.3 套管居中保障技術 整體式套管扶正器cenfirm具有剛性套管扶正器的安全性，又有彈性套管扶正器的可通過性、高居中度，過流面積較大，可以大幅度減小下套管摩阻。直井段每3根套管安放1只該扶正器，造斜段、水平段每1根套管安放1只，保證套管居中度，避免套管下沉貼邊，有效提高水泥漿頂替效率和封固效果。

3 實施效果

Application effects

（1）二開泥巖及煤層段井壁穩定，鉆井及起下鉆過程無掛卡、無掉塊，八道灣及白堿灘組等易漏地層的漏失減少48.8%。三開長水平段鉆進過程中井壁穩定、井底清潔，起下鉆、通井、測井順暢，套管下入順利，2口水平井水平段成功突破了2 000 m，創造了新疆油田水平段最長記錄。

（2）二開八道灣組底礫巖以上地層及下部地層分別實現1只鉆頭一次鉆完，所用PDC鉆頭SF56H3機械鉆速高達7.48 m/h，為設計鉆速的1倍以上。三開采用旋轉導向工具優選PDC鉆頭MSI516，實現造斜段1只鉆頭一趟鉆至A靶點。水平段PDC鉆頭MSI613配合旋轉導向工具的單趟進尺和機械鉆速分別是常規螺桿+PDC鉆頭的2倍和1.5倍，鉆頭單只最長進尺601 m，創造了區塊單只鉆頭最長進尺記錄。

（3）三開小井眼長水平段固井采用高效Centan彈韌性水泥漿體系及cenfirm整體式套管扶正器，固井施工順利，固井質量合格，順利完成了26段分段壓裂改造。

（4）通過井身結構優化，單井節約套管64.3 t，應用鉆井提速配套技術，水平段增加1 100 m的情況下，鉆井周期由前期的148 d減少到107 d，下降27.7%。

4 結論及建議

Conclusions and suggestions

（1）井身結構“瘦身”為小三開，并加深了二開技術套管下深，井身結構更具經濟性、合理性。

（2）BENFRAY鉆井液體系具有強大的抑制性，能有效防止二開井壁失穩。EVOLUTION?環保型類油基鉆井液具有優良的抑制性、潤滑性和攜巖能力，有效保證了2 000 m長水平段的鉆井延伸能力及安全作業。

（3）針對各地層巖性特征所優選的高效PDC鉆頭對地層有很好的適應性，基于高效鉆頭、提速工具及高性能鉆井液等形成的分段鉆井提速配套技術，能有效提高機械鉆速，降低鉆井成本。

（4）長水平段小間隙固井中整體式套管扶正器cenfirm兼有剛性和彈性套管扶正器的特性，安全性、可通過性、居中度較高。Centan彈韌性水泥石可以改善油井固井水泥環力學性能，滿足長水平段大型壓裂改造對固井水泥石的強度、抗變形能力及韌性要求。

（5）建議根據油藏地質情況平臺化部署水平井，開展工廠化鉆井；持續開展個性化高效PDC鉆頭設計與試驗，形成砂礫巖難鉆地層鉆井提速特色技術。

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（修改稿收到日期 2016-12-12）

〔編輯 薛改珍〕

High-quality fast drilling and completion technologies for horizontal wells with horizontal section of 2 000 m long in Mahu tight glutenites

LI Hong1, ZOU Lingzhan1, WANG Haige1, LIU Yingbiao2, ZHANG Jing2, LUO Hong3

1. CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206, China; 2. CNPC Xinjiang Oilfield Company, Korla 834099, Xinjiang, China; 3. ENTI Energy Technology Co. Ltd., Beijing 100022, China

The Baikouquan Formation tight oil in Mahu slope, the Junggar Basin is a large oil province which was newly discovered by Xinjiang Oilfield Company. The development of horizontal wells with long horizontal sections is faced with poor drillability of glutenites, serious borehole instability and collapse, complex circulation loss and difficult cementing. Average single-well circulation loss is 173 m3and the ROP in horizontal sections is only 2.06 m/h. To solve these problems, a series of supporting technologies for ROP improvement were mainly studied and applied, such as casing program “simplification”, well trajectory optimization, EVOLUTION?similar oil based drilling fluid, small clearance cementing technology for long horizontal sections and bit selection for difficult glutenites. They were successfully used for the drilling of two horizontal wells with long horizontal sections (2 000 m long) in Ma 131 block. Their drilling periods were shortened by 27.7%, the casing was run in the hole smoothly, and the cementing quality could satisfy the requirements of large-scale staged fracturing. Thus, a set of well drilling and completion technologies suitable for the economic and efficient development of tight oil in Mahu area are established. And they can be used as the technical reference for the drilling and completion of domestic horizontal wells with long horizontal sections.

tight oil; horizontal well; quick and optimal drilling; long horizontal section; based drilling fluid; small clearance cementing

李洪，鄒靈戰，汪海閣，劉穎彪，章敬，羅洪.瑪湖致密砂礫巖2 000 m水平段水平井優快鉆完井技術［J］.石油鉆采工藝，2017，39（1）：47-52.

TE243

B

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0047 – 06

10.13639/j.odpt.2017.01.009

:LI Hong, ZOU Lingzhan, WANG Haige, LIU Yingbiao, ZHANG Jing, LUO Hong. High-quality fast drilling and completion technologies for horizontal wells with horizontal section of 2 000 m long in Mahu tight glutenites［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 47-52.

國家科技重大專項“準噶爾盆地致密油開發示范工程”（編號：2016ZX05070）。

李洪（1981-），2010年畢業于中國石油大學油氣井工程專業，現從事鉆井技術研究及現場技術支持工作，工程師。通訊地址：（102206）北京市昌平區黃河街5號院1號樓。E-mail：lihdri@cnpc.com.cn