萬教育，折扶蓉，閆華兵，張學德，顧宗茂，李俊勝

(1.西部鉆探定向井技術服務公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探吐哈錄井工程公司，新疆烏魯木齊830026)

吉木薩爾頁巖油儲量豐富，是新疆油田公司“十三五”后三年規(guī)模上產(chǎn)和中石油推進新疆地區(qū)5000×104t油氣當量上產(chǎn)工程的重要支撐。但目的層蘆草溝組油層厚度薄，內(nèi)部微幅構造發(fā)育，開發(fā)難度大。目前采用2000m 左右水平段水平井開發(fā)雖然取得了較好的效果，但為一步動用潛在儲量，在前期開發(fā)經(jīng)驗基礎上，決定采用3000m以上水平段水平井開發(fā)。

1 區(qū)域地層特點

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起。目的層蘆草溝組全凹陷均勻分布，面積1278km2，厚度200～350m；發(fā)育上、下兩個甜點體。蘆草溝組坍塌壓力低，井眼穩(wěn)定性好，井徑規(guī)則。兩套儲層主要為以云質粉細砂巖、砂屑云巖為主，整體粘土礦物含量較低；孔隙度5%～15%，平均10.47%；滲透率在0.01～0.4mD 之間，平均0.11mD。由于儲層滲透率低，用常規(guī)技術和方法進行勘探開發(fā)難度大，費用高，而超長水平段水平井開發(fā)可增加壓裂改造段數(shù)、提高致密油藏開發(fā)效率而被應用。

2 超長水平段水平井鉆井技術難點

2.1 軌跡控制難度大

（1）裸眼段長且鉆遇多個層系，鉆遇地層巖石可鉆性差，軌跡控制難。

（2）造斜段鉆遇層位韭菜園組、梧桐溝組和二疊系的蘆草溝組，地層主要以泥巖為主，巖石可鉆性差，機械鉆速低。

（3）水平段長超過3000m，斜井段易形成巖屑床，摩阻扭矩大，定向滑動鉆進中，鉆具貼緊下井壁，鉆井施工過程中摩阻升高，鉆井施工難度增大，井眼軌跡控制難度大。

（4）三維繞障，摩阻扭矩大，軌跡控制難。吉木薩爾頁巖油采用工廠化作業(yè)，存在三維繞障，水平段超過3000m 后，長水平段三維水平井因位垂比大、裸眼段長，且消除偏移距后易形成井眼軌跡拐點，造成定向鉆進中滑動摩阻扭矩急劇增加，井眼軌跡控制難度大。

（5）水平段后期鉆具摩阻大、接單根困難、鉆頭處難以有效傳遞鉆壓、鉆具極易發(fā)生屈曲，導致鉆具疲勞損壞。滑動鉆進時，托壓嚴重，鉆壓難以有效傳遞到鉆頭上，工具面失穩(wěn)，滑動機械鉆速低，井眼軌跡控制難度大。

2.2 長裸眼段井壁不穩(wěn)定

長裸眼存在鉆井周期長、祼眼段浸泡時間長、井壁失穩(wěn)、噴漏同存等諸多技術瓶頸，對鉆井液提出了更高的要求，必須增強鉆井液的抑制封堵防塌、潤滑防卡及攜砂性能。

3 超長水平段定向井技術

3.1 井身剖面優(yōu)化

針對三維水平井，通過井眼軌跡優(yōu)化，三維轉二維，在上部井眼以小井斜將方位扭至接近或達到設計要求，打出側向偏移距，然后全力增斜，直到著陸入靶。通過軌跡優(yōu)化減少后期造斜段施工中扭方位井段長度及方位調(diào)整幅度，優(yōu)化造斜段狗腿度。

3.2 3100m水平段延伸能力可行性及鉆柱摩阻扭矩分析

（1）計算條件。水平段鉆具組合：?215.9mm 鉆頭+旋轉導向+地質導向+?127mm 無磁鉆鋋1 根+?127mm加重鉆桿3根+?127mm斜坡鉆桿。

井眼軌道設計：采用優(yōu)化后軌道設計。

井身結構設計：二開?244.5mm 技術套管下至A點，三開專打水平段。

鉆井液設計：三開水平段采用油基鉆井液體系，鉆井液設計密度1.55g/cm3。

摩阻系數(shù)：上層套管段摩阻系數(shù)0.2，裸眼段摩阻系數(shù)0.3/0.4。

計算軟件：Sunny軟件。

（2）計算結果。

①鉆柱抗扭強度、抗拉強度及三軸應力均滿足現(xiàn)場施工要求；

②鉆具屈曲計算：鉆柱在滑動鉆進和下鉆兩種工況下均有屈曲變形，旋轉鉆進沒有屈曲。裸眼段摩阻系數(shù)取0.3 時，螺旋和正弦屈曲屈曲井段1700～2700m（見圖1）；裸眼段摩阻系數(shù)取0.4時：螺旋和正弦屈曲井段1300～3000m（見圖2）。因此滑動鉆進方式無法實現(xiàn)長水平段的延伸鉆進，而旋轉鉆井均無屈曲發(fā)生。因此，如果采用旋轉導向實現(xiàn)旋轉鉆進，變滑動摩阻為滾動摩阻，可有效減少鉆柱摩阻，保證軌跡控制的最大延伸長度。

圖1 摩阻系數(shù)0.3軸向力計算結果

圖2 摩阻系數(shù)0.4向力計算結果

3.3 鉆頭及鉆具組合優(yōu)選

3.3.1 造斜段鉆頭優(yōu)選

造斜段韭菜園組巖性主要為泥巖和含礫泥巖。梧桐溝組巖性主要為泥巖，硬度大，因此優(yōu)選尖、圓混合布齒的牙輪鉆頭，提高攻擊能力和抗沖擊性。也可以選擇攻擊能力和抗沖擊性較強的PDC鉆頭。

3.3.2 水平段鉆頭優(yōu)選

水平段蘆草溝組地層巖石可鉆性較梧桐溝組地層相對較好，根據(jù)前期完鉆井經(jīng)驗，選用應用效果較好的史密斯MDi516鉆頭。該鉆頭增大了排屑槽，更適應快速鉆進的需要；調(diào)整了復合片減震結構，提高鉆頭在低鉆壓狀態(tài)下的吃入深度；優(yōu)化了肩部布齒，若發(fā)生大段劃眼時可有效降低鉆頭損壞風險。

3.3.3 導向工具優(yōu)選

由于旋轉導向可以在定向過程實現(xiàn)鉆柱旋轉；通過井下控制系統(tǒng)、偏置裝置來改變鉆頭位置及側向力方向；具有更高的井眼延伸能力；具有更強的井眼清潔能力強，提速效果好。根據(jù)鉆具屈曲計算結果，旋轉鉆進可確保水平段的延伸能力，因此首選旋轉導向作為導向工具。

但因旋轉導向數(shù)量不足，因此將常規(guī)螺桿導向與降摩阻工具配合使用，實現(xiàn)降摩減阻，可在造斜段應用。

3.3.4 水力振蕩器的應用

水力振蕩器能在泥漿脈沖的連續(xù)作用下，產(chǎn)生高頻的軸向振動，帶動井下工具產(chǎn)生振動，將靜摩擦轉換為動摩擦，且成本低，施工方便，因此選擇水力振蕩器作為降摩阻工具，并配合螺桿使用。

3.3.5 不同井段鉆具組合

造斜段：牙輪鉆頭+螺桿+水力振蕩器；

水平段：PDC（MDi516）+旋轉導向。

3.4 軌跡控制技術措施

3.4.1 造斜段

（1）確定合理的造斜點。選擇巖性穩(wěn)定、可鉆性較好、機械鉆速較快的地層造斜，再計算摩阻扭矩，最終確定最佳造斜點位置。造斜段為216mm井眼，井眼尺寸相對較大，側鉆難度較高，使用牙輪鉆頭和1.75o單彎螺桿保證側鉆成功率。注意及時開復合，避免大狗腿出現(xiàn)。大井眼施工，因調(diào)整方位比較費時費力，應盡量在側鉆階段將方位對準設計方位，減少后期施工難度。

（2）按優(yōu)化設計控制造斜率，根據(jù)地層可鉆性和定向施工鉆時情況，充分利用鉆具組合的復合增斜規(guī)律進行軌跡控制。依據(jù)鄰井鉆井情況和錄井資料，在預判到的夾層、蓋層等難鉆井段提前做好待鉆軌跡設計，選擇復合鉆進，利用鉆時快的層段進行滑動定向增斜，提高作業(yè)效率。

（3）造斜段后期入靶前可能會有軌跡調(diào)整，要求儀器工作穩(wěn)定，著陸井段以LWD 結合錄井地質導向為準，確保準確著陸和入靶。

3.4.2 水平段

（1）水平段使用旋轉導向，充分利用旋轉導向自身的導向優(yōu)勢，提高水平段鉆進效率，減少儲層浸泡時間。

（2）強化水力參數(shù)，增加排量，從而提高井眼清潔能力。

（3）水平段延伸鉆進中存在鉆壓的傳遞和攜屑困難等問題，施工中應根據(jù)井眼狀況，提高轉速、加強短提、分段旋轉洗井、通井等工程措施，確保井眼清潔和井下安全。

（4）水平段選擇地層識別精度較高的地質導向工具，配合旋轉導向工具，強化待鉆井眼軌跡預測和實鉆井眼軌跡走向預判，提高井眼軌跡控制效率和精度，確保井眼軌跡在最佳油層中穿行。

3.5 使用油基鉆井液，提高井壁穩(wěn)定性、降低摩阻扭矩

針對長裸眼段浸泡時間長、井壁失穩(wěn)、噴漏同存等諸多技術難題，推薦使用抑制性強、潤滑性好的油基鉆井液，降低長水平段水平井鉆進過程中的摩阻扭矩。確定合理的鉆井液密度，確保井壁穩(wěn)定。優(yōu)選合理的流變參數(shù)，確保鉆井液流動性的同時提高其懸浮攜帶能力；強化鉆井參數(shù)，增大排量，控制環(huán)空返速，提高鉆井液的攜巖能力，保證井眼清潔。

4 JHW00421井的現(xiàn)場應用

4.1 優(yōu)化井眼軌跡

根據(jù)實鉆地層情況對原設計進行了軌跡優(yōu)化。優(yōu)化時考慮地質要求、巖性變化及機械鉆速，造斜在巖性穩(wěn)定、可鉆性好的井段造斜，同時充分考慮軌跡摩阻扭矩，將造斜點提前30m，同時降低第一圓弧段狗腿度，將第一圓弧段狗腿度由5.81?/30m 降到4.91?/30m，第二圓弧段狗腿度由5.5?/30m降到4.82?/30m，從而降低摩阻扭矩，增大水平段延伸能力。原剖面設計見表1。優(yōu)化設計剖面見表2。

井眼軌跡優(yōu)化后進行摩阻扭矩分析，計算結果表明，最大摩阻23.66t，地面最大扭矩22.32kN·m。抗拉、抗扭、三軸應力均通過，滑動鉆進至2150m附近正弦屈曲產(chǎn)生，但斜井段均采用旋轉鉆進，不會產(chǎn)生屈曲。因此優(yōu)化的軌跡和優(yōu)選的鉆具組合均滿足現(xiàn)場施工要求。

表1 原剖面設計表

表2 優(yōu)化設計剖面

4.2 地質導向技術

根據(jù)伽馬、電阻率、巖性等，擬合計算地層傾角，確定當前軌跡位置，指導井斜控制，確保軌跡在最佳油層中穿行。

4.3 現(xiàn)場應用效果

旋轉導向與地質導向相結合，2趟鉆完成3100m水平段，水平段平均機械鉆速達14.19m/h，油層鉆遇率96.0 %。

此外，在JHW00422井應用，水平段旋轉導向與地質導向相結合，6 趟鉆完成3500m 水平段，水平段平均機械鉆速達12.8m/h，油層鉆遇率98.0%。水平段長創(chuàng)中石油集團公司非常規(guī)油藏水平段最長記錄。

5 結論與認識

（1）根據(jù)實鉆資料，造斜前進行軌跡優(yōu)化及鉆柱摩阻扭矩分析，可確保3000m 及以上水平段水平井延伸長度。

（2）利用油基鉆井液良好的潤滑性，使用旋轉導向，可有效降低了長水平段摩阻扭矩，大大提高水平段延伸長度，實現(xiàn)了3500m水平段的成功完鉆。

（3）造斜段牙輪鉆頭+水力振蕩器，機械鉆速較低，建議進行PDC鉆頭選型并結合旋轉導向，提高造斜段機械鉆速。