中東某碳酸鹽巖油田3000m超長(zhǎng)水平段優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳永川 劉軍波 李曉 鄭挺 白海鵬

1.中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459

2.廣東南油服務(wù)有限公司天津分公司 天津 300450

盡管目前國(guó)內(nèi)外石油勘探的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向深層油氣資源，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，水平井延伸極限不斷被突破，超長(zhǎng)水平段逐漸成為國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油氣資源規(guī)模效益開(kāi)發(fā)的重要手段[1]。美國(guó)在2016年5月鉆出了目前世界水平長(zhǎng)度最長(zhǎng)的頁(yè)巖氣井Purple Hayes 1H，水平段長(zhǎng)達(dá)5652.2m[2]；中國(guó)長(zhǎng)慶油田在2021年6月鉆出亞洲水平段最長(zhǎng)紀(jì)錄的H90-3井，水平段長(zhǎng)達(dá)5060米[3]。由于超長(zhǎng)水平段水平井技術(shù)能大幅提高單井產(chǎn)量和最終采收率[4]，因此該類(lèi)井型就成為開(kāi)發(fā)中淺部油氣藏的可選手段之一。

相比直井和常規(guī)水平井，超長(zhǎng)水平段更加有利于油氣資源的高效開(kāi)發(fā)，但它同時(shí)也給后期鉆井施工帶來(lái)了諸多技術(shù)難點(diǎn)。如何在裝備和工具資源受限的前提下，在白堊系灰?guī)r儲(chǔ)層段完成3000m水平段就成為鉆井技術(shù)人員需要思考的問(wèn)題。本文擬通過(guò)調(diào)研和軟件模擬，從軌跡優(yōu)化、鉆柱優(yōu)選、參數(shù)優(yōu)化和完井管柱下入等方面進(jìn)行分析比對(duì)，為中東某油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層試鉆3000m水平段制定優(yōu)化方案。

1 基本情況簡(jiǎn)介

目標(biāo)油田處于弱伸展構(gòu)造環(huán)境，其淺部構(gòu)造形成了一系列NW-SE走向的斷層和長(zhǎng)軸背斜。該油田近期沿最大水平主應(yīng)力方向鉆多口水平井，水平段未發(fā)生井壁失穩(wěn)。

目標(biāo)井設(shè)計(jì)為四開(kāi)次井身結(jié)構(gòu)，其中二開(kāi)直井段以黏土為主，含細(xì)粉砂巖，局部石膏含量高達(dá)90%以上，易坍塌和縮徑；三開(kāi)造斜段，巖性復(fù)雜，含鈣質(zhì)白云巖、泥晶、鮞粒狀灰?guī)r、泥質(zhì)石灰?guī)r夾雜頁(yè)巖，部分井段為脆性頁(yè)巖，易坍塌、掉塊，已鉆井局部頁(yè)巖曾發(fā)生周期性坍塌；四開(kāi)水平段鉆白堊系碳酸鹽巖。選擇本井為試驗(yàn)井，設(shè)計(jì)延長(zhǎng)水平段至3000m，最大程度增加邊部單井控制儲(chǔ)量，由構(gòu)造高部向低部延伸。

初步設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)KOP @ 1900m，造斜段采用“增-穩(wěn)-增”的軌跡方案，控制狗腿度小于4°/30m；在2699m以88.33°傾角著陸；水平段方位116.85°，段長(zhǎng)3000m，靶前位移424m，水平段呈89°下傾，水平段控制狗腿度小于2°/30m。為提高井眼清潔和防止鉆具螺旋屈曲，設(shè)計(jì)水平段為8-1/2”井眼，使用旋導(dǎo)工具，配合錐形齒或異形齒PDC鉆頭鉆進(jìn)，具備一趟完鉆的條件，設(shè)計(jì)5"加重鉆桿加放在造斜段。

2 鉆井難點(diǎn)

超長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)難題包括：1）小尺寸鉆柱通過(guò)超長(zhǎng)水平段容易屈曲；2）井眼摩阻扭矩大，鉆柱易發(fā)生螺旋屈曲；3）低排量循環(huán)和停泵接鉆具期間，水平段及大井斜段鉆桿接頭處容易發(fā)生巖屑堆積而形成巖屑床，增大摩阻[5]；4）碳酸鹽巖強(qiáng)度高，長(zhǎng)水平井段有效鉆壓和扭矩施加難，破巖效率低；5）采取大排量清潔井眼，則導(dǎo)致井底ECD過(guò)高，在裂縫地層鉆進(jìn)易井漏；6）完井管柱下入易屈曲。

如果按初始方案，盡管水平段采用了較大井眼及選用旋導(dǎo)鉆井方式，在3000m水平段鉆進(jìn)過(guò)程中仍將面臨以下問(wèn)題：1）下鉆、滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆柱屈曲現(xiàn)象嚴(yán)重；2）泵壓高達(dá)30MPa；3）水平段存在巖屑床；4）完井管柱可能無(wú)法下到位。大量實(shí)例和研究表明，水平段長(zhǎng)3000m的井，在同等條件下，使用油基泥漿比水基鉆井液扭矩減少12kN·m[6-7]，但當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策不允許使用油基泥漿。為降低作業(yè)難度，本文利用專(zhuān)業(yè)軟件，摩阻扭矩計(jì)算采用柔性管柱計(jì)算模型，流體水力計(jì)算采用賓漢模式，模擬對(duì)比不同軌跡、鉆具組合下的鉆柱受力和井眼清潔情況來(lái)優(yōu)選鉆井方案。

3 技術(shù)對(duì)策

3.1 軌跡優(yōu)化調(diào)整

分析國(guó)內(nèi)超長(zhǎng)水平井實(shí)鉆案例，發(fā)現(xiàn)減少靶前位移將有利于增加超長(zhǎng)水平段段長(zhǎng)[5]。調(diào)整造斜點(diǎn)KOP @ 1100m，方位296.46°，增斜至10.96°穩(wěn)斜鉆600m后增斜扭至方位116.68°并鉆至著陸點(diǎn)；靶前位移減至300m，水平段狗腿度小于1.5°/30m。在相同參數(shù)下，模擬兩種井眼軌跡多工況下的摩阻扭矩、應(yīng)力、水力參數(shù)和井眼清潔，結(jié)果如圖1～圖4所示：

圖1 原軌跡下鉆工況下的有效應(yīng)力模擬

圖1顯示原軌跡下鉆時(shí)鉆柱發(fā)生螺旋和正弦屈曲；圖2顯示優(yōu)化軌跡下鉆時(shí)鉆柱未發(fā)生屈曲。圖3顯示原軌跡下的滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆柱發(fā)生螺旋和正弦屈曲；圖4顯示優(yōu)化軌跡滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆柱僅發(fā)生正弦屈曲。

圖2 優(yōu)化軌跡后下鉆工況的有效應(yīng)力模擬

圖3 原軌跡滑動(dòng)鉆進(jìn)工況有效應(yīng)力模擬

圖4 優(yōu)化軌跡后滑動(dòng)鉆進(jìn)工況有效應(yīng)力模擬

模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)：①原軌跡上提下放摩阻和最大扭矩比優(yōu)化軌跡小。②原軌跡在滑動(dòng)鉆進(jìn)中可能發(fā)生螺旋屈曲。③兩種井眼軌跡均能滿足井眼清潔的需求，但優(yōu)化軌跡后的套管鞋處ECD要比原軌跡稍小。

3.2 鉆具組合優(yōu)化

通過(guò)倒裝，將鉆鋌或加重鉆桿等單位重量大的鉆具放在小井斜段，原5"鉆桿和加重鉆桿改為5-1/2"鉆桿和加重鉆桿，可增加鉆壓和降低ECD，地面泵壓和井眼清潔均滿足要求。

3.3 鉆井液性能優(yōu)化

在排量受限或接鉆具期間，鉆井液在環(huán)空呈層流或滯留狀態(tài)，巖屑在大斜度和水平段將發(fā)生沉降并形成巖屑床，因此，優(yōu)化鉆井液性能是超長(zhǎng)水平段是否成功的關(guān)鍵因素之一。本井采用水基鉆井液，其優(yōu)化措施包括：①定期短起下修整井壁，及時(shí)泵入高懸浮性稠塞清除巖屑床。②調(diào)整鉆井液性能，加入3%左右的極壓潤(rùn)滑劑，控制泥餅的摩阻系數(shù)在0.08以下。③利用離心機(jī)清除低密度固相，最大程度降低鉆進(jìn)期間摩阻。④起鉆前泵入高潤(rùn)滑封閉液，1%石墨和2%塑料小球，以降低下完井管串的摩阻。

3.4 完井管柱下入

通過(guò)計(jì)算完井管柱受力，當(dāng)裸眼摩阻系數(shù)小于0.33情況下時(shí)，完井管柱才能順利下到位。因此鉆進(jìn)期間，應(yīng)減少軌跡大幅度調(diào)整，以保障井眼光滑。完鉆后，應(yīng)考慮用通井校正摩阻系數(shù)并調(diào)整鉆井液性能。如果摩阻系數(shù)過(guò)大，則需考慮旋轉(zhuǎn)下管柱或在管柱上加裝扶正器，以改善其與井壁的接觸方式。

4 認(rèn)識(shí)和建議

通過(guò)上述對(duì)比，建議目標(biāo)井超長(zhǎng)水平段作業(yè)主要措施如下：

采用優(yōu)化軌跡將有利于多個(gè)工況作業(yè)，但鉆進(jìn)中扭矩偏大，推薦使用高抗扭鉆桿。

在合適井段加裝倒裝鉆具和使用大尺寸鉆桿，有利于施加鉆壓和井眼清潔。

推薦定向段和水平段全程使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向組合，保證軌跡平滑，最大程度的降低摩阻。

鉆井液中加入性能優(yōu)良的極壓潤(rùn)滑劑及封堵材料，可降低摩阻和提高井壁承壓。

下完井管柱前應(yīng)進(jìn)行摩擦系數(shù)校正，必要時(shí)在管柱安放半剛性扶正器模塊及旋轉(zhuǎn)引鞋。