趙文莊,韋海防,楊 赟
1中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室
長(zhǎng)慶油田于2020年建成我國(guó)首個(gè)年產(chǎn)6 000萬(wàn)噸級(jí)別的特大型油氣田,而頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)將成為長(zhǎng)慶油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的重要組成部分。但其中長(zhǎng)7層頁(yè)巖油儲(chǔ)層品位低、物性差、開(kāi)采難度大,常規(guī)開(kāi)發(fā)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā),而采用“多層系、立體式、大井叢”長(zhǎng)水平井開(kāi)發(fā)模式可節(jié)約土地資源、降低單井成本和最大限度動(dòng)用可采儲(chǔ)量,實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油集約化、高效開(kāi)發(fā)要求。經(jīng)過(guò)多年探索和試驗(yàn),集大平臺(tái)、多層系、長(zhǎng)水平段、小井間距的集中部署開(kāi)發(fā)模式已形成[1],且隨著頁(yè)巖油的進(jìn)一步開(kāi)發(fā),大井叢平臺(tái)的數(shù)量、單個(gè)平臺(tái)所部署井?dāng)?shù)都會(huì)越來(lái)越多,對(duì)鉆井工藝水平提出了更高的要求。
H100平臺(tái)位于慶城油田西233區(qū)塊,部署31口井,如圖1所示。其中,長(zhǎng)71共計(jì)15口水平井,長(zhǎng)72共計(jì)16口水平井,另有定向?qū)а劬?口。

圖1 H100平臺(tái)井場(chǎng)布局示意圖
井場(chǎng)呈南北走向,南北長(zhǎng)度約220 m,東西約120 m;井眼軌跡南北跨度約7.8 km,東西跨度約1.4 km,水平段總長(zhǎng)超63.2 km,控制儲(chǔ)量達(dá)到1 000×104t。
平臺(tái)全部采用二開(kāi)二完井身結(jié)構(gòu)。一開(kāi):?311.2 mm鉆頭×?244.5 mm套管,套管下深240 m左右,封固第四系不穩(wěn)定地層,進(jìn)入穩(wěn)定巖層30 m;二開(kāi):?215.9 mm鉆頭×?139.7 mm套管,裸眼段段長(zhǎng)4 000~5 270 m,套管下至完鉆井深。
平臺(tái)采用4部鉆機(jī)雙排平行施工,井口距離8 m,鉆機(jī)采用同向拖動(dòng)的方式由南向北拖動(dòng)施工;平臺(tái)邊緣井偏移距較大,最大達(dá)1 266 m。
采用常規(guī)工藝鉆井,大井叢平臺(tái)的場(chǎng)地規(guī)劃和開(kāi)發(fā)部署模式給鉆井工程帶來(lái)以下難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)[2-3]:
(1)平臺(tái)密集部署,防碰繞障難度大;三維地質(zhì)目標(biāo),要求提前擺好井身剖面的方位,以滿足安全鉆進(jìn)、三維井身剖面要求。
(2)大平臺(tái)立體式開(kāi)發(fā)模式的邊緣井的偏移距較大,需用大井斜角來(lái)完成大偏移距,然后在大井斜角條件下進(jìn)行扭方位作業(yè),增加了定向作業(yè)段長(zhǎng)和斜井段的摩阻、扭矩,施工難度大,井下出現(xiàn)復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)高。如H100-29井,橫向偏移距1 266 m,模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)井下摩阻將高達(dá)54.39 t,如表1所示。常規(guī)鉆具在下鉆和滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆桿將發(fā)生屈曲,如圖2所示。

圖2 H100-29井鉆桿屈曲校驗(yàn)圖

表1 H100-29井摩阻、扭矩模擬分析表
(3)?215.9 mm井眼長(zhǎng)裸眼段定向施工存在鉆具粘卡復(fù)雜、巖屑床堆積等風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)水平段超過(guò)2 000 m后常規(guī)定向托壓嚴(yán)重,定向效率低、效果差,平均鉆時(shí)超過(guò)1 h/m,軌跡不平滑、呈鋸齒狀。
(4)水平井水平段延伸能力有限。水平段超過(guò)2 000 m以后,井眼軌跡調(diào)整困難,儲(chǔ)層鉆遇率難以提高,阻礙水平段的延伸能力,且井下故障風(fēng)險(xiǎn)增大。
(5)在斜井段采用單扶鉆具組合以實(shí)現(xiàn)快速增斜,入窗后起鉆更換為雙扶鉆具組合以滿足穩(wěn)斜或者小角度調(diào)整要求,增加一趟約24 h的起下鉆時(shí)間,降低鉆井時(shí)效。
(6)長(zhǎng)7層目的儲(chǔ)層分為長(zhǎng)712層和長(zhǎng)721層,地質(zhì)條件復(fù)雜,發(fā)育不均勻、夾層頻繁、地層傾角大且伴隨有斷層、裂縫,對(duì)儲(chǔ)層鉆遇率和安全鉆進(jìn)帶來(lái)巨大考驗(yàn)。H100平臺(tái)實(shí)鉆過(guò)程中儲(chǔ)層厚度不均,最薄處厚度僅為1~2 m,且有儲(chǔ)層尖滅風(fēng)險(xiǎn)。
基于以上難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn),本區(qū)塊要完成大平臺(tái)、多層系、長(zhǎng)水平段、小井間距井的鉆井施工作業(yè),使用軌跡調(diào)整便捷、及時(shí),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn),單趟進(jìn)尺更長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具勢(shì)在必行[4]。進(jìn)口旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具費(fèi)用較高,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫。
國(guó)內(nèi)自上世紀(jì)九十年代開(kāi)始攻關(guān)以來(lái),一些研究機(jī)構(gòu)和技術(shù)服務(wù)公司通過(guò)自主研發(fā),取得了一些技術(shù)上的突破。2019年,中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探自主研發(fā)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在遼河油田S229-36-72井完成水平井全井段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。同年,中國(guó)石化勝利石油工程公司隨鉆測(cè)控技術(shù)中心自主研發(fā)的SINOMACS ATS I型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器在勝利油區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功。中海油的Welleader旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具2016年在渤海油田投入了現(xiàn)場(chǎng)使用。中國(guó)石油川慶鉆探自研的CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具自2019年第一口頁(yè)巖氣水平井全井段試驗(yàn)以來(lái),目前已在四川頁(yè)巖氣、長(zhǎng)慶頁(yè)巖油和長(zhǎng)慶致密氣等地區(qū)使用40余井次,累計(jì)進(jìn)尺30 088.29 m。該工具具有造斜率高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),綜合性能已超過(guò)國(guó)內(nèi)同期產(chǎn)品,達(dá)到同類進(jìn)口產(chǎn)品水平,具備商業(yè)化推廣的條件[5]。
CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)采用靜態(tài)推靠式控制原理,主要由地面系統(tǒng)、導(dǎo)向及近鉆頭測(cè)量模塊、撓性短節(jié)、中樞控制模塊、發(fā)電機(jī)/雙向通訊模塊、靜態(tài)測(cè)量模塊六部分組成。工具造斜率最高可達(dá)到12.5°/30 m;性能穩(wěn)定,入井循環(huán)在239 h左右;近鉆頭測(cè)量單元集成了井斜、方位、伽馬等,近鉆頭井斜測(cè)量零長(zhǎng)1.1 m,近鉆頭伽馬測(cè)量零長(zhǎng)2.1 m,測(cè)量深度0.45 m,如圖3所示,實(shí)時(shí)反饋井眼穿行情況,精確指導(dǎo)儲(chǔ)層追蹤,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向功能;應(yīng)用“溫度補(bǔ)償+微動(dòng)態(tài)處理”技術(shù),近鉆頭井斜控制精度±0.1°,方位控制精度±1°,顯著提高了近鉆頭井斜與方位的測(cè)量精度。如表2所示。

圖3 CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具組合

表2 CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)參數(shù)
受黃土高塬地貌、工廠化作業(yè)、降本增效、最大化增加儲(chǔ)層動(dòng)用等因素的影響,大井叢平臺(tái)水平井開(kāi)發(fā)模式自2018年以來(lái)平臺(tái)部署井?dāng)?shù)逐步增加,隨之而來(lái)的就是對(duì)鉆井工藝及裝備水平更高的要求,特別是靠近平臺(tái)邊緣的大偏移距三維井的施工難度更大。
斜井段采用“空間圓弧+分段設(shè)計(jì)”三維井眼剖面對(duì)井眼軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)[4],斜井段狗腿度控制在(3.5°~5.5°)/30 m,水平段狗腿度控制在(0~3°)/30 m。
根據(jù)該工具的造斜原理,深入分析旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中影響造斜率的各種因素,針對(duì)不同的影響因素制定相應(yīng)的施工對(duì)策:
(1)應(yīng)用摩阻、扭矩計(jì)算軟件對(duì)設(shè)計(jì)剖面進(jìn)行摩阻、扭矩計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)條件調(diào)整出最優(yōu)的井身剖面:“七段制三維剖面”,即“直—增—雙穩(wěn)—穩(wěn)斜扭方位—增斜微扭方位—增—平”,摩阻、扭矩最小,水平段延伸能力較長(zhǎng)[6]。
(2)充分考慮了巖性對(duì)造斜率的影響。在長(zhǎng)3底部、長(zhǎng)4+5頂部伽馬值高、巖性較軟的泥巖段,剖面設(shè)計(jì)時(shí)盡量設(shè)計(jì)較小狗腿度,相反,在長(zhǎng)6層巖性較硬的地層,剖面設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)設(shè)計(jì)較高的狗腿度[7]。
參照國(guó)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具不同的組合方式[8],通過(guò)鉆柱力學(xué)計(jì)算,分析了不同鉆具組合對(duì)井下工具振動(dòng)的影響,優(yōu)化了加重鉆桿數(shù)量,將井下振動(dòng)導(dǎo)致的儀器傳輸失敗次數(shù)降低 50%。通過(guò)不斷優(yōu)化摸索,最終總結(jié)出了一套適合于長(zhǎng)慶頁(yè)巖油大井叢平臺(tái)使用的CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具組合,如圖4所示,即?215.9 mm PDC鉆頭+CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向×11.49 m+?208 mm扶正器+?127 mm無(wú)磁承壓鉆桿+?172 mm旋導(dǎo)專用馬達(dá)+回壓凡爾+?127 mm加重鉆桿12根+?127 mm加重鉆桿3根+震擊器+?127mm鉆桿。

圖4 CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆具組合
結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的特點(diǎn),鉆頭影響造斜率的因素有以下幾點(diǎn)[9]:
(1)鉆頭長(zhǎng)度。鉆頭本體的長(zhǎng)度與造斜率呈反比例關(guān)系,鉆頭本體越短造斜率越高。
(2)冠部造型。在側(cè)向力一定的情況下鉆頭和地層的側(cè)向接觸面積越小,作用在單位井壁上的側(cè)向力越大、側(cè)切力越強(qiáng)、造斜率越高。
(3)保徑長(zhǎng)短。鉆頭保徑長(zhǎng)度越長(zhǎng)耐磨性越強(qiáng),但可導(dǎo)向性差;而保徑長(zhǎng)度較短則耐磨性較差,而導(dǎo)向性好。
(4)保徑切削齒側(cè)傾角。保徑切削齒側(cè)傾角越小,切削齒吃入巖石的深度越大,鉆頭的側(cè)向切削能力越強(qiáng)。
(5)翼片數(shù)量。翼片多,工具面穩(wěn)定;翼片短,工具面穩(wěn)定,反扭角小,定向效果好。
(6)水眼參數(shù)。考慮到旋導(dǎo)的綜合能力和鉆頭壓降都比較小,流量系數(shù)大于0.95即可。
針對(duì)CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具對(duì)配套鉆頭的要求,專門(mén)設(shè)計(jì)了CAS2162Z型5刀翼短保徑PDC鉆頭(川慶科技)作為本平臺(tái)CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的配套鉆頭,如圖5所示。

圖5 高側(cè)向切斜能力PDC鉆頭
該鉆頭短冠型、淺內(nèi)錐,具有外錐非平面結(jié)構(gòu)齒,可以減小井底巖心定向作用,降低鉆頭側(cè)向鉆井阻力,增強(qiáng)鉆頭側(cè)向鉆進(jìn)能力,增加定向造斜能力,保徑短,保徑上有側(cè)切齒、保徑齒,進(jìn)行了光滑處理,增加了鉆頭側(cè)向切削能力,從而有助于提高工具的定向造斜能力,降低旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)與井壁的摩擦阻力。
CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)和力學(xué)原理不同于常規(guī)螺桿鉆具,工具長(zhǎng)11.5 m、外徑192 mm、剛性強(qiáng),井下發(fā)生井壁掉塊、井眼沉砂堆積等復(fù)雜時(shí),存在卡鉆、埋導(dǎo)向工具風(fēng)險(xiǎn),要求鉆井液具備很強(qiáng)的攜砂、封堵、抑制能力,確保井眼清潔,井壁穩(wěn)定[10]。鉆井液性能要點(diǎn):
(1)良好的井壁穩(wěn)定性。鉆井液性能具有較強(qiáng)的抑制性、封堵性,固相含量控制在要求范圍內(nèi),有效抑制井壁泥巖水化膨脹、防止井壁掉塊及坍塌等。
(2)優(yōu)秀的攜砂能力。鉆井液需具有較高的動(dòng)塑比、低剪切速率黏度和低剪切速率切力,進(jìn)而提高鉆屑清除效率和井眼凈化能力,減少井下巖屑床的形成。
(3)顯著的降摩減阻性能。添加足量降摩減阻產(chǎn)品,確保工具在低摩阻和低扭矩條件下工作,以延長(zhǎng)使用時(shí)間。
(4)固控設(shè)備可靠。嚴(yán)格執(zhí)行3級(jí)固控,確保振動(dòng)篩、除泥器和除砂器運(yùn)轉(zhuǎn)正常,同時(shí)定期對(duì)錐形灌進(jìn)行清理工作,確保有害固相和含砂量在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)以下。
通過(guò)優(yōu)選關(guān)鍵處理劑和正交實(shí)驗(yàn),確定了水基鉆井液的基本配方:3%CQZN+1.5%~2.0%PAC-LV+0.5%~1.0%BLA-MV+2.0%~4.0%LG-130+20.0%~30.0%CQFY-3+4.0%潤(rùn)滑劑A+2.0%潤(rùn)滑劑C。其主要性能要求:漏斗黏度控制在50~60 s,密度控制在1.25~1.35 g/cm3,濾失量控制在2~3 mL,高溫高壓濾失量控制在 6~10 mL,塑性黏度控制在 12~25 mPa·s,動(dòng)切力控制在7~14 Pa,動(dòng)塑比控制在0.5~0.7,3轉(zhuǎn)和6轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速分別控制在4~8 r/min和5~9 r/min,低剪切速率切力(LSYP)控制在3~7,水活度控制在0.5~0.7。
通過(guò)輸入鉆壓、排量、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)后,采用迭代法進(jìn)行模擬計(jì)算相應(yīng)的摩阻、扭矩,再根據(jù)計(jì)算的摩阻、扭矩值進(jìn)一步優(yōu)化鉆壓、排量、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù),反復(fù)迭代模擬計(jì)算后確定出合適的鉆井參數(shù),優(yōu)化后鉆井參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表3 優(yōu)化后鉆井參數(shù)
優(yōu)化后的鉆井參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在井下的振動(dòng)和stick slips黏滑指數(shù)的降低均有積極作用,有效提高了鉆頭破巖效率和鉆井機(jī)械速度,保證了儀器的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)了工具的使用壽命。
CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在H100平臺(tái)累計(jì)施工8口井,平均偏移距875.29 m,平均單趟鉆進(jìn)尺1 143 m,平均機(jī)械鉆速16.9 m/h,如表4所示。8口井全部采用免通井下套管,順利到底,單井節(jié)約完井周期3 d左右;另H100-28井實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成扭方位+增斜段+水平段施工作業(yè),以單趟鉆井進(jìn)尺2 331 m創(chuàng)造了國(guó)產(chǎn)旋導(dǎo)的最長(zhǎng)紀(jì)錄。CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在H100平臺(tái)降摩減阻、水平段延伸、提速提效等方面起到了較好的效果[11]。

表4 CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在H100平臺(tái)應(yīng)用情況
(1)H100-17井偏移距834.8 m,在完成大斜度井段增斜作業(yè)并進(jìn)入水平段74 m后,主動(dòng)轉(zhuǎn)為常規(guī)螺桿鉆具進(jìn)行水平段鉆進(jìn)。進(jìn)入水平段1 328 m后,摩阻、扭矩均大幅度增加,上提摩阻達(dá)38 t左右,下放摩阻達(dá)42 t左右,扭矩在33 kN·m左右,繼續(xù)鉆進(jìn)困難,于井深3 752 m再次轉(zhuǎn)為CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具,一趟鉆完成剩余水平段的施工。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在該平臺(tái)降摩減阻和水平段延伸上起到了較好的作用。
(2)H100-28井實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成扭方位+增斜段+水平段施工作業(yè),以單趟鉆進(jìn)尺2 331 m創(chuàng)造了國(guó)產(chǎn)旋導(dǎo)的最長(zhǎng)紀(jì)錄。相比鄰井H100-8井使用常規(guī)螺桿鉆具組合,縮短鉆井周期30.5%,單井節(jié)約鉆井周期3.5 d。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在實(shí)施平臺(tái)邊緣大偏移距井時(shí),避免了斜井段大段滑動(dòng)鉆進(jìn)帶來(lái)的機(jī)械鉆速低的問(wèn)題,大幅度提高了鉆井時(shí)效,且旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在鉆進(jìn)過(guò)程中,造斜組合與穩(wěn)斜組合于一體,節(jié)約一趟起下鉆周期。
(3)8口使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的井全部采用免通井下套管作業(yè),套管順利下入到底,節(jié)約完井周期3 d左右。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向作業(yè)保證了井眼軌跡平滑和一定的擴(kuò)眼率,井下摩阻、扭矩得到有效控制,降低了后期電測(cè)、下套管等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和難度,有利于縮短完井周期。
(4)由于CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是近鉆頭獲取井斜、方位和伽馬等數(shù)據(jù),在儲(chǔ)層突變時(shí),短時(shí)間內(nèi)就能反應(yīng)出來(lái)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具伽馬測(cè)距2.4 m,常規(guī)MWD測(cè)距約為13 m,在地層突變時(shí)反應(yīng)時(shí)間提前11 m。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在水平段可靠造斜率可高達(dá)11.2°/30 m,常規(guī)螺桿(1°單彎螺桿)的造斜率為(6°~8°)/30 m,相比而言,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在造斜率和施工效率都有巨大的優(yōu)勢(shì),并且工具為電腦指令操作便捷可靠,可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)軌跡調(diào)整,有效保障了儲(chǔ)層鉆遇率。在H100平臺(tái),儲(chǔ)層夾層多、傾角大且儲(chǔ)層有效厚度小,CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在該平臺(tái)使用發(fā)揮了優(yōu)勢(shì),鉆遇率與鄰井對(duì)比從76%提高至85%。
(1)CG STEER旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在長(zhǎng)慶頁(yè)巖油水平井的成功應(yīng)用,標(biāo)識(shí)著國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具技術(shù)已逐步成熟,具有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景,可突破旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外公司壟斷的局面。
(2)該工具近鉆頭伽馬測(cè)距短,及時(shí)準(zhǔn)確判斷井底的垂深和巖性,為現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)導(dǎo)向判斷和追蹤儲(chǔ)層提供可靠依據(jù),在提高儲(chǔ)層鉆遇率方面優(yōu)勢(shì)明顯。
(3)相比國(guó)外成熟的旋導(dǎo)工具,該工具在功能上還存在若干改進(jìn)的空間,如井下閉環(huán)、方位成像伽馬、電阻率測(cè)量等方面。儀器的穩(wěn)定性和材料強(qiáng)度還需要進(jìn)一步升級(jí)優(yōu)化,尋求在單趟鉆進(jìn)尺上有更進(jìn)一步的突破。