北美鉆井優化技術在瑪2井區三開鉆、完井提速中的應用

毛德森，羅亮，高東陽，成鵬飛，李鵬飛，董潤科

1.中國石油新疆油田分公司 開發公司（新疆 克拉瑪依 834000）

2.洲際海峽能源科技有限公司 新疆分公司（新疆 克拉瑪依 834000）

瑪湖10億噸級大油田是中國石油集團公司“十三五”后兩年及“十四五”期間原油上產的最重要領域。新疆油田制定了“十四五”實現原油產量1 795×104t的發展規劃；為了實現這一發展規劃，從2019 年開始在未來7 年內每年要完成水平井鉆井300 余口，鉆機供需矛盾已經成為制約實現這一發展目標的瓶頸問題，迫切需要大幅度提高鉆井速度、縮短鉆井周期。2018年在準噶爾盆地重點探區勘探開發建設現場指揮部的統一組織與協調下，在西部鉆探的大力支持與配合下，洲際海峽能源科技有限公司引進了北美系統優化鉆井理念和方法，在瑪131 示范區開展水平井提速先導性試驗，達到了預期的提速效果，并于2019年在瑪2井區進行推廣提速，效果顯著。北美某公司系統化鉆井優化技術是借助KM-ERA鉆井優化軟件和大數據，對施工井進行系統化、全方位、高精度優化分析，目前國內同等功能和精度的鉆井優化軟件尚且處于開發狀態，還未投入使用，部分油田的重點井有使用國外其他鉆井優化軟件，但開放的功能有限，也沒有在國內形成規模化應用[1]。

1 瑪2井區簡況

1.1 地質簡況

瑪北油田瑪2 井區位于準噶爾盆地西北緣，距克拉瑪依110 km，南距瑪納斯湖約5 km，西距艾里克湖約2.5 km處，其北部為瑪北油田瑪湖131井區，西南部為艾湖油田瑪湖18 井區。瑪2 井區構造位于準噶爾盆地中央坳陷瑪湖凹陷西環帶瑪北斜坡帶，在瑪005 北斷裂帶、瑪003 西斷裂帶和瑪2 東斷裂帶之間，主力開發三疊系百口泉組百二段第二小層（T1b22）致密砂礫巖油層，完井方式為套管完井。三開主要鉆遇克上組灰褐色泥巖、克下組褐色泥巖、百三段和百二段致密砂礫巖。

三開地層巖石力學,采用北美某公司ERA 優化軟件建立地質力學模型，并形成巖石力學模擬圖（圖1）。

圖1 巖石力學模擬圖

圖1 中百口泉組原始地層空隙壓力當量密度（ECD）為1.49 g/cm3，目前百口泉組地層空隙壓力當量密度<1.49 g/cm3；當不同井深下的井筒壓力當量密度<高坍塌風險界線對應的當量密度時，井眼失穩的風險很高；當不同井深下的井筒壓力當量密度>該井深處的地層最小水平應力對應的當量密度時，如果地層存在微裂縫，發生井漏的風險會比較大；當不同井深下的井筒壓力當量密度>該井深處的地層破裂壓力當量密度時，發生井漏的風險極高。根據巖石力學模擬結果發現瑪2井區內所有井的三開巖石力學數據相差不大，但是鐵路南北分布的井，以及區塊邊緣井的巖石力學模擬結果相差會比較大一點。結合實鉆情況，發現鐵路北邊的井，地質建模結果與實鉆情況吻合度要更高一些。

1.2 井身結構及井眼軌跡簡況

井身結構數據見表1。井眼軌跡，瑪2井區井眼軌跡設計一般為“直井段-增斜段-穩斜段-增斜段-水平段”五段式中半徑水平井。通常在三開開鉆后20 m左右開始造斜，造斜段一般在500~700 m，造斜率6°/30m~8°/30m，水平段一般在1 400~2 000 m。

表1 井身結構

2 瑪2井區三開鉆井優化技術

2.1 瑪2井區三開施工難點

三開密度窗口窄，克下組井眼失穩和水平段井漏問題很難得到平衡。瑪2井區克下組褐色泥巖易失穩，密度偏低時會發生嚴重井眼垮塌，同時百口泉組T1b22水平段微裂縫較發育，鉆進ECD易超過地層最小水平應力，易發生井漏。水平段長，井眼清潔難度大，易發生起下鉆困難及井眼堵塞問題；以及井眼摩阻大，滑動鉆進托壓嚴重。

2.2 三開鉆井優化技術

1）根據KM-ERA軟件巖石力學模擬圖，確定地層坍塌壓力、最小水平應力和破裂壓力，優選鉆井液密度在1.52~1.54 g/cm3，同時優化鉆井液流變性、鉆進排量和起下鉆速度，精細管理循環當量密度ECD，預防地層失穩和漏失。

2）利用北美某公司ERA水力學建模分析，精細控制ECD[2]。鉆進及循環ECD 的控制：根據北美某公司ERA 水力學建模分析，ECD 主要受鉆井液密度、排量、轉速、鉆井液流變性和機械鉆速的影響。一般情況下，鉆井液密度基本不做大的調整，在正常的調整幅度下（鉆井液流變性調整幅度10%，排量調整幅度1~2 L/s），大斜度井段鉆井液流變性對ECD 影響最大，其次是排量（圖2）。綜合考慮井漏和井眼清潔問題，通常在瑪2 井區水平段優化的鉆井液6 轉值為5~6，盡可能降低高端流變性，優化排量為14~16 L/s ，避免鉆進ECD 大幅度超過地層最小水平應力，發生井漏。

圖2 ECD分析優化圖

抽汲ECD 的控制：瑪2 井區高坍塌風險井段3 400~3 600 m控制起鉆速度≤10 m/min（圖3），必要時進行倒劃眼起鉆，避免抽汲誘導井眼失穩。激動ECD 的控制：井眼暢通情況下，下鉆激動ECD 都不會超過鉆進或循環時的ECD，因此在控制激動ECD防止井漏時，主要考慮開泵時產生的激動ECD。因此要求開泵前，先啟動頂驅30 r/min，轉動30~40 s，然后緩慢開泵，出口返出正常，扭矩、立壓正常，再逐步緩慢提高排量到正常排量，避免開泵過猛，激動壓力過大，導致井漏。

圖3 抽汲ECD和激動ECD對起下鉆速度敏感性分析圖

3）北美某公司井眼清潔理念及相關技術[3-4]。根據該公司提出的水平段井眼清潔的傳輸帶理念（圖4），優化鉆井參數和工藝；同時借助KM-ERA摩阻扭矩分析，監測井眼摩阻、扭矩發展趨勢，評估井眼清潔狀況，實現對鉆井參數和工藝的二次優化。

圖4 井眼清潔傳輸帶示意圖

165.1 mm（6?"）井眼清潔推薦的參數。旋導：頂驅轉速≥100 r/min，排量造斜段17~19 L/s，水平段14~16 L/s，鉆井液 6 轉值造斜段 4-5，水平段 5-6。1.25°螺桿：井斜60°以后頂驅轉速70~80 r/min，排量造斜段17~19 L/s，水平段14~16 L/s，鉆井液6 轉值造斜段4~5，水平段5~6。該公司根據現場大數據分析、軟件模擬和實驗室結果得出的一套水平井大斜度井段（井斜>60°）井眼清潔理念。當井眼直徑平方/鉆桿直徑平方<3.25 時，遵從小井眼清潔法則：最低轉速60~70 r/min，120 r/min為最佳，鉆井液6轉值=井眼直徑（單位英寸）×（0.8~1）倍，環空返速最低0.75 m/s，最佳1 m/s。當井眼直徑平方/鉆桿直徑平方>3.25 時，遵從大井眼清潔法則：最低轉速120 r/min，180 r/min 為最佳，鉆井液 6 轉值=井眼直徑（單位英寸）×（1~1.2）倍，環空返速最低0.75 m/s，最佳1 m/s。轉速、排量和鉆井液6轉值是水平井大斜度井段井眼清潔的關鍵參數，這3 個參數必須全部滿足才能達到井眼清潔的效果，否則井眼清潔效果會比較差，如果這3個參數進一步強化提高，井眼清潔效果會更好；當井漏風險較高時，就需要綜合考慮井漏風險、設備能力等因素，進行二次合理優化，盡可能地提高轉速，控制鉆井液6 轉值和排量走井眼清潔所需的最低要求，這樣既能滿足井眼清潔，也能控制ECD，降低井漏風險。

該公司井眼清潔判斷分析手段及措施。利用實際采集到的上提、下放懸重和空轉扭矩值（上提、下放懸重和空轉扭矩值采集方法：每鉆完一個立柱后，停頂驅，以6~10 m/min的速度，上提至少一個單根，記錄平穩的上提懸重值；然后以6~10 m/min 的速度，下放至少一個單根，記錄平穩的下放懸重值），借助ERA鉆井優化軟件對井眼上提、下放摩阻系數和扭矩摩阻系數進行分析，評估井眼清潔狀況。鉆進期間扭矩摩阻趨勢出現增加，排除鉆井液潤滑性、泥餅質量、地層原因和軌跡原因后，就預示著井眼清潔存在問題，可能是鉆屑導致的，也可能是井眼失穩導致的[5]。井眼清潔措施：進一步優化、強化鉆進參數（轉速、排量、鉆井液6 轉值）；增加接立柱前的劃眼循環時間，必要時停止鉆進，循環至少1.5 個遲到時間去清潔井眼，劃眼及循環參數不低于鉆進參數；起鉆前根據KM-ERA模擬出的井眼清潔所需最小循環時間，充分徹底循環井眼干凈，直到振動篩干凈為止；起鉆出現過提，要求下鉆1~3柱至正常井段，循環井眼干凈后再嘗試吊卡起鉆，或進行倒劃眼起鉆至井斜30°，然后再循環至少1.5個遲到時間，徹底充分清潔井眼后再吊卡起鉆。完鉆后雙扶鉆具組合倒劃眼起鉆至井斜30°井斜，循環至少1.5個遲到時間，然后吊卡起鉆，不通井直接電測或下套管。

4）利用ERA軟件模擬計算，對比分析MSE機械比能與CCS 巖石強度曲線（圖5），優化鉆井參數及措施，提高鉆井效率和鉆頭、螺桿壽命；同時也能夠判斷螺桿或鉆頭是否損壞（含鉆頭泥包）[6]。

圖5 MSE機械比能與CCS巖石強度曲線對比分析圖

MSE=井下鉆壓/井筒面積+120π×轉速×井下扭矩/井筒面積×機械鉆速。

MSE 接近巖石抗壓強度則說明破巖效率高，鉆井效率高。當MSE超過CCS時，預示著鉆頭選型可能不夠合理，或鉆井參數使用不當，大量能量做了無用功（比如粘滑、振動和渦動消耗的能量），需要優選鉆頭，優化鉆井參數，改善鉆井效率，提高鉆頭、螺桿壽命。

粘滑高的解決措施：優選鉆頭；控制低密度固相含量≤6%，提高泥餅質量，提高鉆井液潤滑性；提高轉速，降低鉆壓；倒劃眼短起下鉆。振動/渦動的解決措施：優選鉆頭；增加鉆壓，降低轉速。

鉆頭使用到中、后期，當MSE 持續大幅度超過CCS時，且伽馬和電阻率曲線基本平穩、地層巖性未變，鉆壓、轉速基本未變，立壓發生變化，機械鉆速降低，鉆頭或螺桿很可能出問題了。

5）該公司KM-ERA 軟件模擬分析下鉆摩阻趨勢，指導現場決策，提高鉆井速度。根據KM-ERA軟件模擬出的井眼下放摩阻系數，來分析判斷下鉆情況，提前預測因井眼摩阻導致的下鉆遇阻和滑動鉆進無法進行等問題，指導現場做出正確判斷和決策，提高施工速度。從圖6 可以看出不同井深下的下放懸重，以及預測下鉆發生螺旋屈曲鎖死的具體井深，當下放摩阻系數是0.37 時，下鉆到5 000 m時，鉆具發生螺旋屈曲鎖死，將無法下放，需要劃眼到底。如因井眼摩阻大，導致下鉆困難或無法下放鉆具時（摩阻大，鉆具發生螺旋屈曲鎖死），采用正常鉆進參數，正常下放速度，劃眼到井底即可，不用反復或緩慢劃眼，以免浪費時間；如果預測出水平段后期因井眼摩阻大，無法進行滑動鉆進時，可指導現場提前組織旋導鉆具組合，或通過提高鉆井液潤滑性、降低低密度固相含量和改善泥餅質量等措施，降低井眼摩阻，提高鉆井速度。

圖6 上提、下放懸重對摩阻系數敏感性分析圖

6）該公司KM-ERA 軟件模擬分析空轉扭矩和靜態扭矩趨勢（圖7），預測粘吸卡鉆風險，防止粘吸卡鉆。瑪2 井區三開鉆井液密度高，粘吸卡鉆風險大。施工中利用實際采集到的靜態扭矩和空轉扭矩值（根據按照優化工程師要求，在每次測斜結束后，保持鉆具不動，啟動頂驅30 r/min，記錄扭矩峰值，即為靜態扭矩；然后提高轉速至正常的鉆進轉速，記錄比較平穩的扭矩值，即為空轉扭矩），評估井眼粘吸卡鉆風險，當靜態扭矩與空轉扭矩值比較接近，意味著粘吸卡鉆風險很低，當靜態扭矩值和空轉扭矩值差值≥4 kN·m時，粘吸卡鉆的風險會比較大，需要調整鉆井液性能，采取預防粘吸卡鉆相關技術措施，降低粘吸卡鉆風險。在瑪2 井區施工的21口井中，通過監測空轉扭矩和靜態扭矩差值變化，評估粘吸卡鉆風險，在預防粘吸卡鉆方面起到了很好的效果。

圖7 轉扭矩和靜態扭矩對摩阻系數敏感性分析圖

7）該公司KM-ERA軟件進行工程力學建模，通過對等效拉力對鉆壓敏感性分析，判斷復合鉆進時鉆柱發生螺旋屈曲前的最大鉆壓（圖8），避免了鉆具在螺旋屈曲狀態下的疲勞傷害；以及通過等效拉力對摩阻系數敏感性分析，確定最大過提量（圖8），避免出現拉斷鉆具事故。

圖8 114.3 mm鉆桿拉應力對鉆壓和摩阻系數敏感性分析圖

鉆柱在螺旋屈曲狀態下，復合鉆進時鉆柱受力復雜，容易發生鉆具疲勞傷害，發生鉆具事故。通過KM-ERA軟件進行模擬計算，確定鉆柱發生螺旋屈曲前的最大鉆壓，要求復合鉆進不能長時間超過這個鉆壓，避免鉆桿發生疲勞傷害。鉆柱在彎曲應力狀態下，抗拉強度與直井中的抗拉強度完全不同，薄弱位置不再僅僅是井口附近的鉆具，如果鉆柱位于造斜段大狗腿、軌跡不好的井段，鉆柱的抗拉和抗扭強度都會有不同程度的降低，出現起鉆遇卡或卡鉆時，最大上提噸位不能再參考鉆具本身的抗拉強度，否則發生拉斷鉆具的風險較大。通過KM-ERA 軟件對整個鉆柱從上到下的等效拉應力進行分析（等效拉應力是將拉應力、彎曲應力、扭矩應力綜合后一種等效合力），確定薄弱點的抗拉強度，以及井口的過提量，避免發生拉斷鉆具事故。

3 瑪2井區三開完井優化技術

1）完鉆后按照KM-ERA 軟件模擬的井眼清潔所需最小循環時間和推薦的井眼清潔參數，充分循環清潔井眼，然后倒劃眼起鉆至井斜30°，倒劃眼參數為推薦的清潔參數，倒劃眼速度≤5 m/min，倒劃眼結束后循環至少1.5 個遲到時間，充分清潔井眼后（圖9），吊卡起鉆，直接電測[7-8]。

圖9 倒劃眼井眼清潔效果圖

2）電測結束后，下入四扶通井（通井鉆具組合：Φ165.1 mm 鉆頭+雙母+Φ160 mm 扶正器+Φ114.3 mm加重鉆桿1根+Φ160 mm扶正器+Φ160 mm扶正器+Φ114.3 mm 加重鉆桿1 根+Φ160 mm 扶正器+Φ 114.3 mm 加重鉆桿1 根+Φ114.3 mm 鉆桿），充分循環井眼，直到振動篩干凈為止，要求每循環一個遲到時間，卸一個立柱，避免長時間沖刷同一井段，同時提高井底附近的井眼清潔度，井眼循環干凈后，打入高潤滑性封閉漿（4%~5%液體潤滑劑+1%~2%固體潤滑劑+2%~3%聚合醇+1%~2%玻璃球），封閉整個斜井段和水平段，吊卡起鉆。通井優選倒角30°、包角330°和大排屑槽（排屑槽過流面≥環空過流面積的35%）的扶正器（圖10），提高扶正器的通過性，降低憋泵風險，提高通井安全[9]。

圖10 推薦的扶正器倒角和包角圖

3）通過分析鉆進期間（尤其是最后一趟鉆）和通井期間的井眼摩阻系數情況，并將所有鄰井鉆進和通井期間井眼摩阻系數與其實際下套管時的摩阻系數進行對比分析，得出一個鉆進和通井期間摩阻系數與實際下套管摩阻系數的關系經驗值。借助這個經驗值來預測本井實際下套管的井眼摩阻系數，最后將本井預測的下套管摩阻系數與ERA模擬出的本井常規法下套管所允許的最大井眼摩阻系數（圖11）進行比較，根據比較結果來優化下套管措施。如果預測的本井下套管摩阻系數≤ERA模擬的常規法下套管所允許最大井眼摩阻系數，選擇常規法下套管。如果預測的本井下套管摩阻系數＞ERA 模擬的常規法下套管所允許最大井眼摩阻系數，選擇漂浮下套管或旋轉下套管。

圖11 下套管懸重對摩阻系數敏感性分析圖

應用案例：MaHW2050 井完鉆井深5 422 m，造斜點3 200 m，造斜段段長接近500 m，水平段段長超過1 700 m。完鉆后根據最后一趟鉆鉆進期間的摩阻系數和通井期間的摩阻系數情況，結合鄰井已完成井的歷史數據資料，預測出本井下套管摩阻系數將會在0.38左右（ERA軟件模擬出下套管摩阻系數不超過0.41，采用常規下套管方式能夠將套管下到預訂井深5 404.76 m），最終實際下套管摩阻系數和預測的下套管摩阻系數基本吻合，僅用了30 h將套管順利下到預訂位置。

4）套管扶正器優選、放置，及柔性引鞋管串的優化[10-11]。套管扶正器選擇倒角30°、包角330°、大排屑槽（排屑槽過流面≥環空過流面積的35%）的剛性和滾柱扶正器，交替放置在大斜度井段和水平段，滾柱扶正器的輪要大，否則在水平段起不到作用；整體式彈性扶正器不要放到水平段和大斜度井段，否則會增加下套管摩阻。柔性引鞋管串的優化，從第一根套管開始采用一前一后2 個緊挨著的扶正器，然后隔開兩根套管，在第三根套管下部安裝扶正器，之后按照正常做法安裝扶正器，這樣套管引鞋居中度會比較好，且引鞋管串柔性和通過性也會更好一些。

5）KM-ERA 軟件模擬分析下套管激動ECD，給出合理的下套管速度（圖12），防止下套管激動ECD超過地層最小水平應力或地層破裂壓力，避免發生井漏。

圖12 下套管激動ECD對下套管速度敏感性分析圖

4 實施效果對比

2019 年海峽科技借助北美某公司先進鉆井理念，在瑪湖推廣區瑪2井區共完成21口井技術提速服務，主要為三開造斜段、水平段和完井作業技術提速服務，效果良好，平均三開鉆、完井周期由之前的80.8天縮短至53.95天，提速33.23%，三開復雜事故平均口井損失時間由之前的16.33 天減少至8.12天，復雜事故減少50.27%（表2）。

表2 應用效果統計

5 結論與建議

1）通過優化鉆井液密度、流變性、排量和起下鉆速度，精細管理控制ECD，是預防井漏和井眼失穩的關鍵。

2）應用北美某公司井眼清潔理念和措施，及該公司ERA鉆井優化軟件模擬計算，分析評估井眼清潔狀況，及時調整鉆井參數和措施，能夠很好地解決長水平段水平井的井眼清潔問題，實現安全高效鉆井。

3）完鉆后利用雙扶鉆具組合，倒劃起鉆至井斜30°，循環至少1.5 個遲到時間，充分清潔井眼，起鉆直接電測，不僅節約了電測前的通井時間，也為下套管做好了井眼的充分清潔工作。

4）應用北美某公司ERA 鉆井優化軟件對相關工程力學和水力學進行模擬分析，指導現場施工，能夠有效預防井下復雜事故，減少非生產時間。