周文軍 歐陽勇 黃占盈 吳學(xué)升 王俊發(fā)

1．中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院 2．“低滲透油氣田勘探開發(fā)”國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室3．中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司工程監(jiān)督處

鄂爾多斯盆地蘇里格氣田是我國(guó)陸上最大的整裝氣田，同時(shí)也是致密砂巖氣藏的典型代表。主力氣層埋深3 300～3 500m，大量數(shù)據(jù)表明，該氣田是典型的低滲透（0．06～2mD）、低壓力（壓力系數(shù)0．87）、低豐度［（1．1～2）×108m3／km2］氣田，其“三低”特征決定了氣田單井的低產(chǎn)現(xiàn)狀。地層可鉆性較差、巖性致密導(dǎo)致蘇里格開發(fā)初期機(jī)械鉆速低、鉆井周期長(zhǎng)、開發(fā)成本高，根據(jù)評(píng)價(jià)投入產(chǎn)出結(jié)果，蘇里格氣田不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)［1－3］。為提高鉆井速度，降低開發(fā)成本，解決氣田規(guī)模效益開發(fā)難題，2008年開始，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司科研人員轉(zhuǎn)變思路，針對(duì)制約鉆井速度的一系列瓶頸技術(shù)展開攻關(guān)，推進(jìn)了主體開發(fā)方式由直井到水平井的轉(zhuǎn)變［3－4］，平均井深突破4 500m，走出了一條低成本水平井快速鉆井的新路子，實(shí)現(xiàn)了蘇里格氣田的整體效益開發(fā)［5－6］。

1 水平井鉆井難點(diǎn)分析

1．1 機(jī)械鉆速低

蘇里格氣田屬于非均質(zhì)性極強(qiáng)的致密巖性氣田，儲(chǔ)層深度達(dá)3 500m，鉆遇地層中的白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系等地層硬度高、可鉆性差，其中紙坊組—石千峰組為含礫石夾層砂巖，鉆時(shí)極慢，直井段平均機(jī)械鉆速5．37m／h，斜井段復(fù)合鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速1．01m／h，滑動(dòng)鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速0．35m／h。鉆進(jìn)時(shí)蹩跳嚴(yán)重，往往造成PDC鉆頭切削齒崩裂、肩部齒脫落、保徑嚴(yán)重磨損等早期損壞（圖1）。

圖1 PDC鉆頭損壞照片

1．2 軌跡控制難度大

蘇里格氣田實(shí)鉆資料顯示，在橫向甩開幾百米甚至幾十米的情況下，儲(chǔ)層垂深會(huì)發(fā)生很大的變化，含氣砂體厚度分布不均，發(fā)育不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)砂體變薄、儲(chǔ)層上傾或下傾、甚至尖滅。在斜井段（著陸）入窗及水平段鉆進(jìn)過程中，需要頻繁調(diào)整井眼軌跡，軌跡控制難度大，造成水平段長(zhǎng)度短、砂體有效鉆遇率低。

1．3 鉆頭泥包嚴(yán)重

斜井段鉆遇二疊系中的石千峰組、石盒子組多為黏性很強(qiáng)的泥巖，極易黏附在PDC鉆頭上，堵塞噴嘴，形成泥包（圖2），造成機(jī)械鉆速大幅度降低、泵壓升高、甚至鉆頭長(zhǎng)時(shí)間無進(jìn)尺。

圖2 PDC鉆頭泥包照片

1．4 井壁泥巖坍塌

蘇里格氣田鉆遇地層直羅組、延安組、延長(zhǎng)組、石千峰組、石盒子組都存在大量泥巖夾層，其中石千峰組、石盒子組地層的大段泥巖水化力極強(qiáng)，易出現(xiàn)吸水膨脹，造成井壁失穩(wěn)、垮塌、掉塊等現(xiàn)象［7］，從而導(dǎo)致后期下套管、固井施工困難。如蘇平14－1X－3H井因?yàn)樾本尉谔?，套管無法下入井底被迫填井側(cè)鉆。

2 水平井快速鉆井技術(shù)

2．1 水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)蘇里格氣田地層巖心可鉆性分析，并對(duì)不同鉆頭尺寸模擬水平井鉆進(jìn)參數(shù)時(shí)的機(jī)械破巖能力進(jìn)行對(duì)比，由表1可以看出，215．9mm鉆頭在一定條件下，破巖能力最強(qiáng)。斜井段優(yōu)化為215．9mm井眼可大幅提高機(jī)械鉆速。

針對(duì)蘇里格氣田水平井311．2mm鉆頭機(jī)械鉆速低、203mm螺桿造斜率小、斜井段施工周期長(zhǎng)、井壁穩(wěn)定性差等難題，通過理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并參考井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［8］中套管與井眼之間環(huán)空的合理間隙［9］，優(yōu)化形成蘇里格氣田水平井的273．1mm×177．8mm×裸眼的主體井身結(jié)構(gòu)（圖3），表層井眼尺寸由444．5mm優(yōu)化為346．1mm，第二次開鉆使用尺寸241．3mm的鉆頭鉆至造斜點(diǎn)，取消了導(dǎo)眼段，斜井段再采用215．9mm鉆頭鉆至入窗點(diǎn)，下入177．8mm技術(shù)套管，水平段優(yōu)化為152．4mm井眼。

表1 不同鉆頭尺寸鉆進(jìn)破巖能力對(duì)比表

圖3 蘇里格氣田水平井主體井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

2．2 PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)

2．2．1 斜井段PDC鉆頭設(shè)計(jì)

根據(jù)蘇里格氣田多硬夾層地層的特點(diǎn)，215．9 mm的PDC鉆頭采用等磨損原則和等切削原則相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在基本輪廓理論曲線方程進(jìn)行擬合的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和使用鉆頭類比［10－11］，確定鉆頭為淺內(nèi)錐、短外錐、拋物線形鉆頭肩部外形（圖4）。

圖4 斜井段PDC鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

對(duì)其模擬定向鉆進(jìn)有限元力學(xué)分析表明，在一定的鉆壓下，短外錐的PDC鉆頭受力均勻，拋物線形鉆頭肩部外形的連續(xù)性過渡可消除集中點(diǎn)載荷，這更有利于PDC鉆頭的穩(wěn)定性。外錐短拋物線可以減小鉆頭與井壁的接觸面積，從而減小鉆頭與井壁之間的摩擦力，減輕鉆頭與井壁摩擦導(dǎo)致的鉆頭渦動(dòng)，提高了鉆頭定向反應(yīng)靈敏度。攻擊型布齒設(shè)計(jì)既保證鉆頭能吃入硬夾層，且鉆頭鉆出硬夾層時(shí)切削齒不損壞。此外，增加鉆頭鼻部至保徑部分切削齒的投影密度，有利于保護(hù)切削齒，增強(qiáng)鉆頭穿硬夾層的能力和加強(qiáng)保徑的能力。在斜井段施工過程中，這種結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭在較小的鉆壓下就能獲得比常規(guī)PDC鉆頭更高的鉆速，同時(shí)由于扭矩較小，鉆頭穩(wěn)定性強(qiáng)，工具面更加穩(wěn)定，使斜井段平均機(jī)械鉆速、單只鉆頭進(jìn)尺與壽命大幅提高。

2．2．2 水平井段PDC鉆頭設(shè)計(jì)

蘇里格氣田水平井儲(chǔ)層位于上古生界二疊系中統(tǒng)石盒子組，該層上部以雜色、灰色泥巖夾灰綠色砂巖為主，下部以灰白色砂巖夾深灰色泥巖為主。水平井段鉆進(jìn)時(shí)，PDC鉆頭經(jīng)常出現(xiàn)崩齒、失去保徑、偏磨、泥包、定向能力差等問題，嚴(yán)重制約了水平井段施工效率與水平井段實(shí)鉆長(zhǎng)度。

經(jīng)過對(duì)蘇里格氣田巖石可鉆性、鉆頭破碎規(guī)律進(jìn)行分析，并結(jié)合巖心、測(cè)井等資料，針對(duì)硬夾層設(shè)計(jì)了雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)，減小鉆頭震動(dòng)，提高鉆頭抗沖擊能力及耐磨性［12］。根據(jù)鉆頭水平井段鉆進(jìn)時(shí)水平射流流體流動(dòng)場(chǎng)，調(diào)整鉆頭噴嘴的方位角和噴射角度，增加鉆頭排屑槽面積，降低水力能量對(duì)切削齒和刀翼體的沖蝕。此外，根據(jù)水平井段施工穩(wěn)斜的需要，設(shè)計(jì)了短徑螺旋保徑5刀翼結(jié)構(gòu)，減小PDC鉆頭反扭矩，提高鉆頭定向和穩(wěn)斜能力［13］（圖5）。

圖5 水平井段PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2．3 井眼軌跡控制技術(shù)

2．3．1 剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

蘇里格碎屑巖地層巖性變化大，縱向上存在目標(biāo)層提前或推后，橫向上巖性變化快。為實(shí)現(xiàn)最短施工時(shí)間、最低成本消耗，斜井段以井斜約85°穩(wěn)斜鉆進(jìn)至目標(biāo)層頂部最為理想。若儲(chǔ)層提前，當(dāng)增斜至90°時(shí)，進(jìn)入靶區(qū)儲(chǔ)層僅2～3m；若儲(chǔ)層推后，可繼續(xù)穩(wěn)斜快速向下追蹤。因此，蘇里格氣田根據(jù)該區(qū)塊最優(yōu)造斜率5°／30m～6°／30m 與斜井段復(fù)合鉆進(jìn)比例最大靶前距500m進(jìn)行研究，優(yōu)化形成了“上急下緩、直增穩(wěn)增”的雙增剖面設(shè)計(jì)，使軌跡控制始終占據(jù)主動(dòng)，確保準(zhǔn)確入窗，復(fù)合鉆進(jìn)井段達(dá)70%。

2．3．2 實(shí)鉆軌跡控制技術(shù)

蘇里格氣田儲(chǔ)層含氣砂體薄，傾角變化大，LWD測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層信息滯后于鉆頭位置，實(shí)鉆過程中井眼軌跡調(diào)整頻繁，砂體有效鉆遇率低。為提高氣層有效鉆遇率，提高鉆井速度，針對(duì)軌跡控制難題，通過鉆具力學(xué)分析與儲(chǔ)集砂體走向評(píng)價(jià)，改變了以往的鉆具組合，實(shí)施近鉆頭測(cè)量［14］，形成了“精確監(jiān)控、緩慢糾偏、斜有余地、穩(wěn)斜探頂”的軌跡控制技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)能夠及時(shí)掌握實(shí)鉆軌跡，并根據(jù)地質(zhì)提示提前做出調(diào)整，避免軌跡大幅度變化，降低了軌跡控制難度，提高了砂體有效鉆遇率，縮短了鉆井周期。2010年該技術(shù)在蘇6－1A－4HX井應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了砂層鉆遇率85．6%，氣層（含氣層）鉆遇率67．6%的突破（圖6）。2011年該技術(shù)在蘇里格氣田實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，先后鉆井163口，平均砂巖鉆遇率81．4%，氣層（含氣層）鉆遇率65．5%。

2．4 鉆井液技術(shù)

2．4．1 斜井段鉆井液體系

通過對(duì)“石千峰組、石盒子組”地層坍塌機(jī)理研究，從強(qiáng)化封堵、抑制膨脹和力學(xué)平衡三方面進(jìn)行攻關(guān)，研制出CQSP－X強(qiáng)抑制無土相復(fù)合鹽鉆井液體系。體系配 方 為：1．5%SFT－1＋1%SMP－2＋0．3%CMC（PAC）＋0．5%HL－60＋0．2%NaOH＋0．5%CMS＋4%～5%QS－4＋10%～15%KCl＋10%WT－1。其主要性能與三磺鉆井液體系對(duì)比如表2所示。可以看出，體系防塌能力強(qiáng)、潤(rùn)滑防卡性能好、低剪切速率下攜屑能力強(qiáng)。

復(fù)合鹽鉆井液體系2011年開始在水平井全面推廣，累計(jì)應(yīng)用約100口井，平均縮短斜井段施工周期7～10d。有效抑制了石千峰組、石盒子組的坍塌，克服了PDC鉆頭泥包、黏卡等施工難題，攜帶出的巖屑棱角分明、形狀規(guī)整、無吸水膨脹，如圖7所示。

2．4．2 水平井段鉆井液體系

圖6 蘇6－1A－4HX井實(shí)鉆井眼軌跡剖面圖

表2 優(yōu)化鉆井液前后性能對(duì)比評(píng)價(jià)表

圖7 復(fù)合鹽鉆井液體系攜帶出的巖屑圖

在儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)水平井段鉆（完）井液體系從封堵微裂縫、減少濾液侵入，擴(kuò)大鉆井液密度窗口的下限（降低坍塌壓力）3個(gè)方面攻關(guān)試驗(yàn)，優(yōu)化形成了適合于蘇里格水平井段的無土相暫堵鉆（完）井液體系。體系配方為：1．0% ～1．5%G314－FDJ＋7%KCL＋5%NaCOOH＋1%G301－SJS＋1．5%G302－SZD＋0．3%XCD＋0．3%PAC－H＋0．5%PAC－L＋0．3%KPAM＋NaCl適量＋NaOH 適量［15］。鉆井液體系具有抑制性強(qiáng)（一次回收率達(dá)到94%，二次回收率82．6%）、潤(rùn)滑性高、抗溫可達(dá)120℃、可加重到1．40g／mL、性能穩(wěn)定性好、屏蔽暫堵效果好（封堵率超過99%），具備“快速”“高效”等特點(diǎn)。

該體系2011年開始在水平井規(guī)模推廣，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用累計(jì)超過80井次，平均縮短水平井段施工周期5～8d，應(yīng)用效果表明，無土相暫堵鉆（完）井液體系潤(rùn)滑防卡性能好、低剪切速率下攜屑能力強(qiáng)，返出泥巖巖屑內(nèi)部呈干態(tài)，表明抑制性良好，未出現(xiàn)吸水膨脹現(xiàn)象（圖8）。

圖8 水平井段返出泥巖巖屑內(nèi)部狀況圖

3 應(yīng)用情況

2010—2012年底，以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、PDC鉆頭設(shè)計(jì)、井眼軌跡控制、復(fù)合鹽鉆井液體系等技術(shù)集成配套的水平井快速鉆井技術(shù)在蘇里格氣田水平井規(guī)模推廣應(yīng)用約240口，平均鉆井周期由2010年以前的90．2d縮短至67．1d，井下復(fù)雜引起的非生產(chǎn)時(shí)間較應(yīng)用前降低了27．5%，鉆井成本下降了1／3，平均砂層鉆遇率達(dá)到了81%，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。2013年該技術(shù)在長(zhǎng)慶氣田水平井全面推廣，成為鄂爾多斯盆地快速高效開發(fā)的主體技術(shù)之一。

4 結(jié)論

1）攻關(guān)形成了以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、PDC鉆頭設(shè)計(jì)、井眼軌跡優(yōu)化與控制、復(fù)合鹽鉆井液體系等為核心的水平井快速鉆井配套技術(shù)，基本解決了蘇里格氣田水平井鉆井難點(diǎn)。

2）水平井快速鉆井配套技術(shù)有效提高了機(jī)械鉆速，大幅度降低了鉆井成本，使蘇里格氣田走出了一條低成本快速鉆水平井的新路子，實(shí)現(xiàn)了蘇里格氣田整體效益開發(fā)，2013年在長(zhǎng)慶氣田水平井全面推廣，成為鄂爾多斯盆地天然氣快速高效開發(fā)的主體技術(shù)之一。

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