高5斷塊深層致密油水平井鉆井關鍵技術實踐*

李云峰 吳曉紅 李 然 周 巖 羅 成

(中國石油冀東油田采油工藝研究院)

0 引 言

高5斷塊Ⅴ油組是冀東油田高柳構造帶的典型致密油區塊，油層發育相對集中，儲層物性差，屬低孔特低滲儲層，是冀東油田近年來開展致密油開發的試驗區塊[1-2]。由于該斷塊地質條件復雜，前期實施井出現了井眼掉塊、機械鉆速慢、鉆井周期長等問題，難以實現高效開發，嚴重制約了冀東油田深層致密油儲層勘探開發進程。

在對前期已完鉆井施工過程中技術難點分析的基礎上，圍繞低成本安全快速鉆井的目標，開展了高5斷塊深層致密油水平井井身結構和井眼軌道的優化、砂泥巖薄互層井壁穩定油基鉆井液的優選、適用于不同巖性地層的高效破巖鉆頭設計、鉆井提速配套工具的優選以及油基鉆井液地面降溫技術的試驗應用，逐步形成了一套適用于高5斷塊深層致密油水平井鉆井關鍵技術?，F場應用結果表明，鉆井成本進一步降低，鉆井速度得到了顯著提升，鉆井周期大幅度縮短。該成套技術可為高5斷塊深層致密油儲層利用水平井效益開發提供技術支撐。

1 鉆井技術難點分析

(1)高5斷塊地層巖性復雜，可鉆性差，鉆井周期長。該斷塊上部館陶組地層發育大段玄武巖和砂礫巖，硬度高、研磨性強；下部沙河街組巖石軟硬交錯、非均質性較強，可鉆性級值為5～8，可鉆性較差，機械鉆速慢，嚴重影響了鉆井速度[3]。

(2)地層穩定性差，井壁失穩風險高。高5斷塊儲層發育了多套泥巖，巖性變化快，水平段同時鉆遇泥巖、砂巖層。由于硬脆性泥巖膠結性差，易發生脆性掉塊進而誘發井壁失穩，特別是鉆遇硬脆性泥巖150～300 m，存在嚴重井壁失穩風險。

(3)致密油儲層埋藏深、溫度較高。高5斷塊儲層埋藏深度為3 600～4 400 m，井底溫度為140～150 ℃，高溫易造成井下工具儀器的電子器件老化，影響儀器信號傳輸的穩定性，進而造成頻繁的起下鉆更換井下工具儀器，影響鉆井效率，增加井下安全風險。

2 安全優快鉆井關鍵技術

針對高5斷塊深層致密油水平井鉆井技術瓶頸，本文從降低鉆井成本、提高鉆井速度和提升水平段砂泥薄互層井壁穩定方面開展攻關研究[4-9]，形成了井身結構和井眼軌道優化技術、高效鉆頭優選和提速工具配套技術、油基鉆井液及配套地面降溫技術。

2.1 井身結構優化技術

高5斷塊深層致密油水平井前期采用常規四開井身結構，如圖1a所示。該類型井身結構的主要特征：①一開表層?508.0 mm套管下深200 m，封隔平原組上部疏松地層；②二開第一層?339.7 mm技術套管下至沙三一段地層，封隔明化鎮組及館陶組地層，為下步高壓層安全施工提供條件；③三開第二層?244.5 mm技術套管進入沙三三段入儲層1～3 m，下至入窗點地層，封固沙三三段上部地層，為水平段儲層專打創造有利條件；④四開水平段采用?215.9 mm鉆頭進行鉆進，完鉆后使用?139.7 mm生產套管完井。該四開井身結構雖然降低了鉆井施工難度和風險，但機械鉆速慢，增設了一個開次作業時間，施工周期長、鉆井成本高。

圖1 高5斷塊深層致密油水平井井身結構示意圖Fig.1 Casing program of deep tight oil horizontal well in Gao 5 fault block

在總結前期施工經驗的基礎上，圍繞降低鉆井成本和保證安全施工，對井身結構進行了優化，如圖1b所示。優化后的井身結構特點：①一開表層套管下深600 m，封隔平原組及部分明化鎮組上部疏松地層，為下步安全鉆進建立井口；②二開技術套管下至沙三一段，封固沙一段，為下步高壓層安全鉆井創造條件；③三開全井段通過采用油基鉆井液體系、優選高效鉆頭、配合使用旋轉導向等高效鉆井技術，實現三開造斜段及水平段的安全快速鉆井。該井身結構降低了鉆井成本，提高了機械鉆速，縮短了施工周期。

2.2 井眼軌道優化設計

基于高5斷塊深層致密油水平井優化為三開井身結構的特點，綜合考慮地層巖性變化、致密油儲層厚度的空間變化、工具的造斜能力及鉆井提速的需求，進行井眼軌道的優化設計。

(1)造斜點位置的優選。為了給上部大尺寸井眼鉆井提速創造有利條件，造斜點位置應盡可能地下移，同時選擇地層巖性硬度適中且比較穩定的井段。因此，設計造斜點位置在1 500～2 100 m井段之間。

(2)不同井段井眼曲率的優選。為了確保高5斷塊深層致密油水平井井眼軌跡的圓滑，以盡量縮短增斜段的長度和減小鉆井施工中的摩阻及扭矩為原則，開展不同井段井眼曲率的優化設計。因此，第一增斜段的井眼曲率優化為每30 m 2.1°，井斜角由前期的40°降低至30°以下，為降低上部?311.1 mm井眼定向施工難度創造條件；第二增斜段及探層段的井眼曲率設計為每30 m 4.0°，著陸入窗，井斜角控制在80°～85°；水平段的井眼曲率設計為每30 m 2.1°～3.0°，實現水平段層內調整，提高儲層鉆遇率，為致密油儲層水平井水平段的快速鉆進提供保障。

基于上述選擇，最終確定了高5斷塊深層致密油水平井采用“直-增-穩-增-穩-探層-水平段”七段制的井眼軌跡剖面。其中斜井段采用動力鉆具配合水力振蕩器及頂驅扭擺裝置等工具，以達到減小鉆具摩阻，提升定向鉆進速度的目的；水平段應用高效PDC 鉆頭配合旋轉導向工具，以實現井眼軌跡適時調整，確保精確中靶；同時盡量采用復合鉆進方式，提高機械鉆速，降低斜井段的井眼曲率，為提高井眼平滑度及后期生產套管的安全下入提供保障。

2.3 油基鉆井液技術

高5斷塊致密油儲層泥巖含量較高，平均伊/蒙混層含量為52%，表現為強水敏性。由于硬脆性泥巖膠結性差，采用常規的水基鉆井液在鉆遇砂泥巖互層井段時易導致泥巖發生水化崩裂，進而誘發井壁失穩。如前期施工的高32-平4井水平段采用水基鉆井液，在鉆進過程中表現為井眼掉塊嚴重，起下鉆頻繁遇阻，最后導致井眼坍塌而報廢水平段283 m進尺。

為了解決高5斷塊深層致密油水平井井壁失穩的問題，優選應用了具有良好抑制性和封堵性的油基鉆井液體系[10-14]，體系配方為85∶15～90∶10(白油∶30%CaCl2水溶液)+1%～3%主乳化劑+2%～3%輔助乳化劑+2%～3%有機土+1%～3%降濾失劑+0.5%～1%提切劑+2%～3%生石灰+2%～3%超細鈣+重晶石。室內評價和現場應用結果表明，該配方性能穩定，具有良好的抗污染能力，具體性能指標如表1所示。

表1 油基鉆井液體系性能參數Table1 Performance parameters of oil-based drilling fluid system

2.4 鉆井提速集成技術

2.4.1 高效破巖鉆頭優選

通過對高5斷塊不同地層鉆井工程地質特性分析，參考巖性、可鉆性及已完鉆井情況分析[15-16]，采用測井參數的反演或者直接的室內試驗等方法，獲取不同地層巖石特性參數，如表2所示。以此對高5斷塊不同地層及井段開展鉆頭個性化設計研究。

表2 高5斷塊不同地層巖石力學參數及可鉆性級值Table2 Rock-mechanical parameters and drillability grades of different formations in Gao 5 fault block

(1)二開井段鉆頭優選設計。針對高5斷塊上部地層館陶組含有大段玄武巖和砂礫巖，鉆頭設計應側重攻擊性，為上部井段鉆井提速創造條件。因此PDC鉆頭采用了5刀翼16 mm異形齒、中拋物線平緩頭形、三長兩短低密度布齒、肩部加密布尖圓齒設計，增強鉆頭在中硬到硬地層的攻擊性和抗研磨性，增強鉆頭穿越礫巖、夾層的能力。

(2)三開井段鉆頭優選設計。針對高5斷塊沙河街組地層軟硬交錯，硬度高、非均質性較強的特點，鉆頭設計重點是提高鉆頭切削地層能力與造斜率，為提高深部地層的造斜能力和水平段優快鉆進創造條件。因此PDC鉆頭采用五刀翼16 mm平面齒、三長兩短低密度布齒、一體式高側切設計，增強鉆頭在高研磨性地層與軟硬交錯地層鉆進能力。

2.4.2 鉆井提速工具配套技術

高5斷塊深層致密油儲層水平井三開長裸眼段定向鉆進時井壁對鉆具摩阻大，易托壓，致使機械鉆速慢，鉆井周期長。三開造斜段應用耐油抗高溫水力振蕩器+頂驅扭擺裝置，以此減小鉆具摩阻，提升定向鉆進的速度。

水平段由于儲層橫向展布窄、縱向薄(平均厚度2.8 m)的特點，前期采用“PDC +螺桿+ LWD”鉆具組合，但造成軌跡調整頻繁、工具面擺放困難、優質儲層鉆遇率低等問題。為了有效提升水平段的鉆遇率和鉆井速度，應用了貝克休斯AutoTrak G3井下旋轉導向工具?；谠摴ぞ叻轿毁ゑR距離井底近(約5.65 m)的特點，減輕了目的層提前或滯后引入的影響，能夠實現在最佳位置入窗和及時調整井眼軌跡，為提高儲層鉆遇率和鉆井速度提供保證。

2.4.3 油基鉆井液地面降溫技術

為了解決高5斷塊深層致密油儲層水平段鉆進期間井底溫度過高導致井下儀器故障的問題，試驗應用了地面降溫系統。該系統將油基鉆井液的熱量利用板式換熱器吸收，然后將吸收的熱量轉移到冷水塔，通過空氣流動進行降溫，最終將冷水再回到板式換熱器，以此循環使用。采用油基鉆井液地面降溫系統后，地面鉆井液溫度由 60 ℃降至40 ℃，完鉆井底循環溫度由135 ℃降至129 ℃。而且高5斷塊深層致密油儲層?215.9 mm 井眼平均起下鉆次數由6.2 趟降低至 3.5 趟，減少了井下儀器因高溫導致信號失聯的問題，提升了鉆井效率。

3 現場應用效果

截至目前，高5斷塊深層致密油儲層已成功實施水平井6口，平均完鉆井深5 355 m，最大完鉆井深5 762 m，最長水平段1 483 m，平均機械鉆速11.08 m/h，平均鉆井周期63.88 d，如表3所示。

表3 高5斷塊深層致密油首批6口井鉆井情況Table3 Implementation of the first batch of 6 wells for deep tight oil in Gao 5 fault block

由于機械鉆速得到了大幅度的提升，鉆井周期進一步縮短，鉆井成本得到有效控制，逐步形成了一套適合于高5斷塊深層致密油儲層水平井鉆完井工藝技術，為高5斷塊深層致密油儲層效益開發提供工程技術保障。下面以P4井為例詳細介紹其應用情況。

P4井具體參數如表3所示，預測井底溫度為140 ℃，采用三開井身結構，設計為七段制井眼軌道。該井一開?444.5 mm井眼，直井段采用?444.5 mm牙輪+?244.5 mm直螺桿的鉆具組合，一趟鉆鉆至中完井深655 m。二開?311.1 mm井眼從1 830 m開始定向增斜，定向鉆至井深2 010 m時井斜角達到29.94°，隨后穩斜鉆至中完井深2 888 m；該井段通過優選5刀翼16 mm復合片異形齒PDC鉆頭，采用1.5°彎角螺桿鉆具組合，一趟鉆鉆完二開井段，機械鉆速為20.69 m/h，較前期區塊平均機械鉆速提高21.3%。三開?215.9 mm 井眼采用高性能油基鉆井液，鉆井液密度控制在1.46～1.55 g/cm3，塑性黏度控制在50～65 mPa·s，破乳電壓控制在900 V以上，油水體積比84∶16～90∶10，高溫高壓濾失量1.5～2.0 mL，滿足了三開造斜段和水平段砂泥薄互層井壁穩定的需求，確保了水平段安全快速鉆進；并優選采用五刀翼16 mm復合片三長兩短平面齒PDC 鉆頭，應用1.5°彎角螺桿鉆具從井深2 888 m以井斜角29.24°穩斜鉆至第二造斜點井深3 975 m，從3 975～4 545 m采用近鉆頭地質導向、1.5°彎角大扭矩螺桿、耐油抗高溫水力振蕩器及頂驅扭擺裝置，以每30 m 4°的井眼曲率進行增斜鉆進及探層；從4 545～5 705 m水平段采用貝克休斯AutoTrak G3旋轉導向工具與長壽命大扭矩螺桿控制井眼軌跡，一趟鉆完成水平段進尺，水平段機械鉆速8.41 m/h。同時，為了保障近鉆頭地質導向工具及旋轉導向工具信號穩定的輸出，從3 975 m造斜段開始應用油基鉆井液地面降溫系統，井底循環溫度由125 ℃降至120 ℃，鉆至完鉆井深5 705 m時，井底循環溫度由135 ℃降至129 ℃。最終，P4井較前期實施的井，縮短鉆井周期達36.3 %。

4 結論與建議

(1)針對高5斷塊深層致密油儲層水平井鉆井技術難點，通過優化井身結構及井眼軌跡，優選高性能油基鉆井液、高效破巖鉆頭和配套提速工具及地面降溫技術，有力支撐了水平井安全快速鉆進，形成了一套適合高5斷塊深層致密油儲層水平井鉆完井技術，為高5斷塊深層致密油儲層效益開發提供了保障。

(2)高5斷塊深層致密油儲層水平井優化設計為三開井身結構和七段制的井眼軌道，不僅降低鉆井成本，同時也保證了鉆井施工的安全順利進行，為降低高5斷塊深層致密油儲層開發成本奠定了基礎。

(3)高性能油基鉆井液有效解決了長水平井段砂泥薄互層條件下井壁易失穩的問題，避免了因井壁失穩引起井下復雜情況的發生，為高5斷塊深層致密油儲層水平段安全鉆進提供了技術支持。

(4)油基鉆井液地面降溫系統可以降低井底循環溫度5～6 ℃，但部分旋轉導向工具在井底循環溫度低于135 ℃的情況下仍出現儀器故障的問題，建議持續攻關高溫條件下旋轉導向工具的研發。