長垣、齊家地區致密油水平井鉆井提速配套技術

2017-12-17 17:26:28常雷

石油地質與工程 2017年6期

常雷

（大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

常雷

（大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

針對大慶長垣、齊家地區致密油水平井水平段長、三維井機械鉆速慢、鉆井周期長、井壁失穩等問題，通過井眼軌道設計優化，降低了三維井施工難度；通過高效螺桿優選，提高了鉆井施工效率；通過研制應用提速鉆井工具，提高了造斜段和水平段機械鉆速；通過研制高性能水基鉆井液體系，實現了長水平段防塌。現場應用14口井，取得了顯著的提速效果，平均機械鉆速10.53 m/h，相比應用之前機械鉆速提高了25.68%。

大慶油田；致密油；水平井；鉆井技術；摩阻扭矩

大慶油田中淺層石油勘探開發由中低滲透層到低滲透層再到以致密油層為主，剩余資源整體變差，剩余致密油資源以扶余和高臺子油層為主，主要分布在長垣、齊家等地區，是大慶油田今后增儲上產的關鍵[1–3]。松遼盆地北部致密油儲層單層厚度薄、縱向不集中、橫向不連續、開發難度和成本比較大。在鉆井上，針對長垣、齊家地區鉆井施工難點，如何利用相關技術措施，形成一套提速配套技術、提高機械鉆速、降低致密油鉆井成本是致密油開發的關鍵。

1 鉆井難點分析

1.1 三維井數多，扭方位角度大，摩阻扭矩大，影響造斜段施工效率

三維井影響施工效率主要體現在造斜段扭方位困難、托壓現象比較嚴重，嚴重影響造斜段機械鉆速[4]。由于地下儲層連續性差，地面條件受限，實施平臺井作業施工，長垣、齊家地區部署三維水平井數比例較高，占到76%。統計6口完鉆的三維水平井平均方位變化 58.8°，其中最大扭方位角度達到95.6°。造斜段平均機械鉆速僅為3.56 m/h ，施工效率較低。具體數據見表1。

1.2 水平段長，鉆井施工難度大，鉆井周期長

長垣、齊家地區儲層物性較差，油層較薄。為了有效控制儲層，水平井水平段長度一般在1 400 ～2 000 m。由于水平段較長，而且三維井扭方位較大，摩阻扭矩大，機械鉆速較慢，平均機械鉆速僅為8.2 m/h，嚴重影響鉆井周期。

1.3 井壁容易失穩，易發生井下事故，對鉆井液性能要求高

長垣、齊家地區致密油藏黏土礦物含量高，伊利石含量大于60%，伊蒙混層含量24%～39%。伊利石遇水易產生表面水化，伊蒙混層遇水易層間散裂，易導致井壁失穩。而且鉆井周期長，極易因為井壁坍塌發生泥包鉆具和井塌卡鉆，嚴重影響水平井正常鉆進施工，甚至會造成井眼報廢。

表1 長垣、齊家地區三維水平井扭方位施工數據

2 鉆井提速技術

2.1 三維井井眼軌道設計技術

三維井由于扭方位角較大、托壓嚴重，造斜段機械鉆速低。因此，井眼軌道優化設計應著重縮短偏移距，減小扭方位角度，降低井眼軌道摩阻扭矩，提高鉆井施工效率[5–6]。采用“直井段－定向增斜段－扭方位增斜段－平面增斜段”井眼軌道設計模型。

首先，在靶區的垂直平面上提前定向造斜，造斜至井斜角25°左右，在保證井眼軌道光滑的前提下，扭方位之前盡可能縮短偏移距；然后，進行扭方位造斜，在井斜角75°左右完成扭方位造斜；最后，平面造斜至著陸點，進行水平段鉆進。與常規三維井井眼軌道設計方法相比，該方法具有減少完鉆井深、降低扭方位角度和摩阻扭矩、提高造斜段機械鉆速的優點。

分別用常規和降低摩阻兩種井眼軌道設計方法對5口井進行井眼軌道設計和摩阻扭矩計算，對設計井深、扭方位角變化、摩阻和扭矩等數據進行對比，對比數據見表2。通過對比，利用降低摩阻的方法得到的井眼軌道平均設計井深減少69.80 m，平均扭方位角度降低5.95°，平均摩阻降低13.53%，平均扭矩降低7.82%，能夠起到減少設計井深，降低摩阻扭矩的作用。

2.2 優選高效螺桿

為了提高單只鉆頭鉆進時效，避免因更換螺桿增加起、下鉆次數，充分發揮鉆井工具和鉆頭的提速潛力，通過螺桿鉆具性能對比試驗，優選了具有密封性更強、承壓性更高、輸出扭矩更大、使用壽命更長的等壁厚螺桿鉆具。應用等壁厚螺桿鉆具在 5口井開展現場試驗，實現造斜段“一趟鉆”，具體試驗數據見表3。

表2 兩種井眼軌道設計方法詳細數據對比

表3 等壁厚高效螺桿現場試驗具體數據

通過應用等壁厚高效螺桿，實現平均日進尺118.2 m，平均機械鉆速8.27 m/h，造斜段周期4.37 d。同年未使用高效螺桿的井，造斜段平均日進尺90.2 m，平均機械鉆速5.68 m/h。現場試驗等壁厚高效螺桿的井與同年未使用高效螺桿的井相比，造斜段平均日進尺比提高 31.04%，平均機械鉆速提高45.60%，提速效果比較明顯。

2.3 研制提速鉆井工具

三維水平井長水平段摩阻大，施加鉆壓困難，影響機械鉆速。利用提速鉆井工具降低摩阻、增加鉆壓是提高機械鉆速的重要手段。

2.3.1 研制應用球形滾珠式扶正器

球形滾珠式扶正器是在扶正器外設計球形滾珠，使扶正器與井壁之間的摩擦變為滾動摩擦，與常規扶正器相比，具有降低摩阻的特點，更有利于給鉆頭施加鉆壓，提高機械鉆速。

2.3.2 研制應用水力振蕩器

針對長垣、齊家地區地質特征，優化設計高性能水力振蕩器，起到降低壓耗，實現高頻脈沖穩定激發，提高沖擊力和解決托壓難題。改進水力振蕩器葉輪設計參數，使工具壓耗由2.5～3.5 MPa降至1.6～2.5 MPa；改進閥體機構，采用流道開關方式激發壓力脈沖，實現在高轉速動力的驅動下，高頻率脈沖的穩定激發。優化閥體流道尺寸，使閥體壓差由2.94 MPa增加至4.31 MPa，工具沖擊提高45.8%；改進閥體結構，采用螺紋調節方式，總長由2.9 m縮短為1.88 m，更加有利于水平井井眼軌道控制。

2.3.3 現場試驗效果

2014年，上述兩種提速工具試驗8口井，平均機械鉆速8.53 m/h，平均摩阻4.4 t。鄰井相同井段或同井未使用工具井段平均機械鉆速7.11 m/h。使用上述兩種提速工具，平均鉆速提高20.24%，摩阻降低33.1% 。

2.4 研制應用高性能水基鉆井液體系

長垣、齊家地區嫩江組為黑褐色油頁巖、灰黑色泥巖、夾黑褐色油頁巖薄層，地層膠結能力差；姚家組上部為灰黑、黑灰色泥巖，下部為紫紅、灰綠色泥巖、灰色泥質粉砂巖，地層水敏性強，該層現注水開發，孔隙連通性好，易井漏；青山口組以黑色泥巖、灰色泥巖為主，長時間浸泡易出現井壁失穩。而且水平段比較長，三維井扭方位較大，摩阻扭矩大。因此，在鉆井液體系優選方面，主要考慮具有良好的抑制性、封堵性和潤滑性[7]，優選出高性能水基鉆井液體系。

2.4.1 鉆井液性能

聚胺通過強吸附和氫鍵作用壓縮雙電層，減小層間距，疏水膜使親水變成疏水；聚合醇通過吸附、螯合和降濾失作用，壓縮晶層、阻止水分子進入黏土層間；無機鹽通過壓縮使晶層致密，金屬離子交換鑲嵌層間，阻止液相進入，有效防止泥巖膨脹。通過聚胺、聚合醇和無機鹽三者的“多元協同”作用，提高鉆井液抑制性。

當井底溫度大于濁點時，聚合醇相分離，析出膠體顆粒對縫隙再次進行化學封堵；剛性、填充、彈性三種顆粒經過合理級配，在裂縫端口處形成一層物理封堵層。通過物理和化學“雙效封堵”作用，提高鉆井液封堵效果。通過添加液體潤滑劑和固體石墨改變摩擦界面潤滑性和增加滾動摩擦雙重作用，提高鉆井液潤滑效果。

2.4.2 室內評價

研制的高性能水基鉆井液性能穩定、潤滑性良好，與油基鉆井液性能接近，室內評價數據見表4，可以取代以前使用的低黏高切油包水鉆井液體系。