李克智, 閆吉曾

(1.中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006；2.西南石油大學石油工程學院，四川成都 610500)

紅河油田位于甘肅省鎮(zhèn)原、涇川、崇信三縣境內(nèi)，處于鄂爾多斯盆地西緣天環(huán)向斜南段，主力含油層系為三疊系延長組長8、長9層段，埋深一般為2 000.00～2 400.00 m，探明儲量4.53×108t，控制儲量0.558×108t。目前，該油田共完鉆水平井110口，平均井深3 340.86 m，平均水平段長948.67 m，平均機械鉆速7.33 m/h，平均鉆井周期52.42 d。從鉆井指標分析，機械鉆速較低，鉆井周期偏長，嚴重影響了該油田的開發(fā)速度和效益，因此鉆井提速成為重要任務(wù)之一。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)外鉆井提速措施主要是優(yōu)選高效PDC鉆頭、優(yōu)化鉆具組合和簡化井身結(jié)構(gòu)[1-8]，部分區(qū)塊采用高壓噴射鉆井和旋沖鉆井等技術(shù)[1,9-15]，取得了較好的提速效果，但高壓噴射鉆井或旋沖鉆井技術(shù)成本較高。為此，筆者根據(jù)紅河油田現(xiàn)狀，利用現(xiàn)有常規(guī)鉆井裝備，提出“四個一趟鉆”綜合鉆井提速技術(shù)，即一開直井段、二開直井段、二開造斜段和三開水平段分別用一個鉆頭一趟鉆完成施工，對其進行了深入研究并在紅河油田現(xiàn)場進行了試驗應(yīng)用,并取得良好的提速效果。

1 地質(zhì)特征

紅河油田地層平緩西傾，構(gòu)造南東高，北西低，單斜背景上發(fā)育低幅度的鼻狀構(gòu)造[6]，該油田鉆遇地層自上而下主要有第四系、白堊系、侏羅系和三疊系地層。第四系地層巖性主要為灰黃色黏土層、底部為棕色砂礫層，黃土層垂直節(jié)理發(fā)育。白堊系地層砂巖粒度較粗，單層厚度大，地層疏松，易發(fā)生滲漏及裂隙性漏失。侏羅系地層巖性主要以灰色、深灰色中細粒、中粒長石巖屑及巖屑長石砂巖為主。三疊系延長組長8段為主要目的層?！拔迕簟痹囼灲Y(jié)果表明，長8段敏感程度較弱，存在一定水鎖傷害，傷害率10.8%～16.2%。其滲透率一般為0.40～1.98 mD，孔隙度為10.8%～13.2%。

紅河油田主要位于辮狀河三角洲扇裙上，為辮狀河三角洲沉積體系，地層非均質(zhì)性較強，具有較大的差異性，其中泥巖以非膨脹性黏土礦物為主，部分井段地層蒙脫石含量較高，表現(xiàn)為易水化膨脹、剝落掉塊，井徑易擴大。延安組地層含有較厚煤層，穩(wěn)定性差，易發(fā)生掉塊、卡鉆等復雜情況，對鉆井液性能要求較高。

2 鉆井提速難點分析

2.1 地層研磨性強、穩(wěn)定性差

泥巖地層易水化膨脹、剝落掉塊，井徑易擴大。根據(jù)巖屑錄井可知，下部地層屬于石英砂巖混層，石英平均含量為28%，長石平均含量為31%，研磨性達到三級，部分層段達到四級，研磨性強，鉆井中蹩鉆、跳鉆頻繁，不但造成鉆具和鉆頭磨損嚴重，而且極易發(fā)生鉆鋌絲扣斷裂、粘扣。

2.2 定向井段機械鉆速低

定向井段主要鉆遇直羅組、延安組和延長組上部地層，延安組地層存在較厚煤層，易發(fā)生井壁失穩(wěn)。由于地層非均質(zhì)性較強，在A靶點著陸過程中，地質(zhì)調(diào)整較多。受靶前距限制，定向造斜井段多采用造斜率較高的三牙輪鉆頭，復合鉆進進尺較短。以上因素導致該井段平均機械鉆速較低，僅為3.64 m/h，與全井平均機械鉆速7.33 m/h比相差較大。

2.3 起下鉆頻繁

鉆頭適應(yīng)性差，每口井要用8～10只鉆頭，平均起下鉆次數(shù)超過10次，最多的一口井用了29只鉆頭，起下鉆37次。頻繁起下鉆導致鉆井周期過長，制約了水平井鉆井速度的提高。

3 “四個一趟鉆”提速技術(shù)

通過對已完鉆的110口水平井，尤其是鉆井指標較好的水平井進行分析、總結(jié)、歸納，針對鉆井提速難點，基于現(xiàn)有常規(guī)鉆井裝備，提出了“四個一趟鉆”鉆井提速技術(shù)。

3.1 “四個一趟鉆”技術(shù)可行性分析

已完鉆的110口水平井的分析結(jié)果表明：一開直井段平均長度354.42 m，基本是一趟鉆完鉆；二開直井段平均長度1 376.45 m，單只φ241.3 mm鉆頭的最大進尺1 766.88 m，多口井直井段單只φ241.3 mm鉆頭的進尺超過1 500.00 m，所以該井段一趟鉆可以完鉆；二開造斜段長度根據(jù)靶前距不同而存在差異，一般約550.00 m，單只φ215.9 mm鉆頭在造斜段最大進尺650.00 m，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，選擇合理的靶前距，優(yōu)選合適的鉆頭，一趟鉆可以完鉆；三開水平段長度一般為800.00～1 200.00 m，單只φ152.4 mm鉆頭的最大進尺1 400.00 m，多口井單只φ152.4 mm鉆頭的進尺超過1 000.00 m，有40多口井三開一趟鉆完鉆，只要優(yōu)選出合適的PDC鉆頭和高性能的螺桿鉆具，一趟鉆完鉆是可行的。

3.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

紅河油田的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化經(jīng)歷了一個不斷探索優(yōu)化的過程。HH37P1井是該油田的第一口水平井，采用三開井身結(jié)構(gòu)：一開，采用φ444.5 mm鉆頭鉆進，下φ339.7 mm表層套管；二開，采用φ311.1 mm鉆頭鉆進，下φ244.5 mm技術(shù)套管；三開水平段，采用φ215.9 mm鉆頭鉆進，完鉆電測后下入φ139.7 mm壓裂管柱[16]。隨著壓裂工具的配套，將三開水平段優(yōu)化為φ152.4 mm井眼與φ114.3 mm壓裂管柱配合。隨著紅河油田開發(fā)的進一步展開，斜井段機械鉆速較慢，制約了鉆井的提速提效。為此，對井身結(jié)構(gòu)進行了進一步優(yōu)化：一開，采用φ374.7 mm鉆頭鉆進，下φ273.1 mm表層套管；二開，直井段采用φ241.3 mm鉆頭鉆至造斜點，造斜點至A靶點之間的定向井段采用φ215.9 mm鉆頭鉆進，下φ177.8 mm技術(shù)套管；三開，采用φ152.4 mm鉆頭鉆進，完鉆電測后下入φ114.3 mm壓裂管柱進行壓裂改造。

3.3 井身剖面優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化靶前距

為了實現(xiàn)有效縮短鉆遇泥巖、煤層井段的長度及穩(wěn)定井壁的目的，根據(jù)紅河油田二開采用φ215.9 mm鉆頭定向造斜，單彎單穩(wěn)鉆具組合復合鉆進的增斜率基本在(2.6°～4.5°)/30m的情況，靶前距確定為300 m。但通過實踐發(fā)現(xiàn)，水平段超過1 000 m時，后期壓裂管柱下入比較困難。后經(jīng)過軟件模擬計算與鉆井實踐，靶前距設(shè)計為350 m比較合理。這樣既能滿足地質(zhì)方面要求單井控制儲量的要求，又能滿足后期壓裂管柱順利下入的要求。

3.3.2 優(yōu)化設(shè)計軌道類型

為了充分利用單彎單穩(wěn)鉆具組合復合鉆進的增斜特性，提高復合鉆進的進尺，達到提高鉆井效率的目的，井身剖面從“直—增—穩(wěn)”三段剖面優(yōu)化為“直—增—穩(wěn)—增—平”雙增剖面[17-18]，水平段井眼方位沿最小水平主應(yīng)力方向。優(yōu)化后的井身剖面如圖1所示。

3.4 鉆井液優(yōu)選及性能要求

圖1 優(yōu)化后的井身剖面Fig.1 Optimized well profile

性能參數(shù)一開二開直井段斜井段三開密度/(kg·L-1)<1.051.05～1.101.10～1.151.05～1.08漏斗黏度/s40～7040～6050～10045～60濾失量/mL10～12<10≤5≤5屈服值/Pa2～55～1210～15塑性黏度/(mPa·s)3～127～2015～20流性指數(shù)0.4～0.70.4～0.7

二開上部直井段主要鉆遇白堊系及侏羅系上部的安定組和直羅組地層，選用鉀基聚合物鉆井液，鉆進過程中補充KPAM和KPAN膠液，防止由于處理劑加量不足造成井徑擴大與井壁失穩(wěn)。鉆遇砂巖地層時，可適當增大KPAM的加量以增加護壁能力，控制鉆井液的密度不大于1.10 kg/L、濾失量小于10 mL、黏度在50 s左右。二開定向斜井段主要鉆遇侏羅系延安組和三疊系延長組地層，選用鉀基聚合物鉆井液。為防止煤層垮塌和封堵煤層裂隙，控制鉆井液密度為1.10～1.15 kg/L，加入2%單向封堵劑，嚴格控制濾失量小于5 mL。三開水平段鉆遇三疊系延長組長8段地層，選用鉀銨基鉆井液，控制鉆井液的密度不大于1.08 kg/L、濾失量不大于5 mL，以更好地保護儲層。

3.5 “PDC鉆頭+螺桿+MWD”復合鉆井

紅河油田二開直井段主要鉆遇白堊系、侏羅系地層，這一井段極易發(fā)生井斜，前期均采用牙輪鉆頭配合轉(zhuǎn)盤鉆進，每鉆進100～150 m測斜一次，井斜角超標時采取輕壓吊打糾斜，鉆井速度較慢，二開直井段平均施工時間12.4 d，制約了水平井的提速提效。

根據(jù)上部地層多為砂巖地層的特點，經(jīng)過論證與試驗，采用“PDC鉆頭+螺桿+MWD”復合鉆井模式[20-21]來提高鉆速?！癙DC鉆頭+螺桿+MWD”復合鉆井模式采用低鉆壓高轉(zhuǎn)速與鐘擺鉆具組合配合使用，防斜糾斜能力強，并且通過MWD隨鉆測量井斜角，發(fā)現(xiàn)其有超標趨勢，及時糾斜。該鉆井模式在HH37P8井二開直井段進行了試驗，平均機械鉆速高達55.28 m/h，最大井斜角1.62°，遠低于設(shè)計(3°)要求，一趟鉆完成，施工時間3 d。后又進行了20多口水平井的試驗，平均機械鉆速較常規(guī)鉆井提高了105.28%，施工時間縮短了58.33%，提速提效非常顯著，也為二開直井段“一趟鉆”完成奠定了基礎(chǔ)。

3.6 鉆頭選型

在紅河油田的探井進行了地層微鉆頭可鉆性試驗，得到了該油田地層的可鉆性級值(見表2)。根據(jù)地層可鉆性級值，初步優(yōu)選了PDC鉆頭，并且在實鉆過程中建立了鉆頭數(shù)據(jù)庫，通過對比單只鉆頭進尺和鉆頭壽命，最終優(yōu)選出了適用于各井段的PDC鉆頭(見表3)。

表2 紅河油田地層可鉆性級值Table 2 Formation drillability of Honghe Oilfield

表3 各井段PDC鉆頭優(yōu)選結(jié)果Table 3 Optimization of PDC bits in Honghe Oilfield

3.7 PDC鉆頭定向技術(shù)

紅河油田儲層埋深2 200.00 m左右，水平井造斜點1 500.00～1 800.00 m，一般鉆遇侏羅系下部及三疊系上部地層，地層傾角一般小于1°。根據(jù)已完鉆110口水平井的情況，PDC鉆頭配合1.5°單彎螺桿，滑動鉆進時造斜率為(9.0°～9.6°)/30m，復合鉆進時造斜率為(2.6°～4.5°)/30m。因此，一方面將靶前距設(shè)計為350 m提高復合鉆進進尺，確保提速提效；另一方面將井身剖面設(shè)計為雙增剖面，并采用MWD測量工具確保準確著陸中靶。定向造斜段普遍采用的鉆具組合是φ215.9 mmPDC鉆頭+φ172.0 mm×1.5°單彎螺桿×8.50 m+411×4A10接頭+φ158.8 mm無磁鉆鋌×9.00 m+MWD短節(jié)+4A11×410接頭+φ127.0 mm無磁承壓鉆桿×9.60 m+φ127.0 mm斜坡鉆桿+φ127.0 mm加重鉆桿×200.00 m+φ127.0 mm斜坡鉆桿。采用“PDC鉆頭+螺桿+MWD”鉆井模式造斜段一趟鉆完鉆，機械鉆速較以前平均水平大約提高了65%。表4為紅河油田“PDC鉆頭+螺桿+MWD”復合鉆井斜井段應(yīng)用效果。從表4可看出，與設(shè)計A靶點的中靶精度(縱距1.50 m，橫距10.00 m)相比，中靶精度明顯提高。

表4 “PDC鉆頭+螺桿+MWD”復合鉆井斜井段應(yīng)用效果

Table4Applicationresultsof“PDCbits+PDM+MWD”ininclinedwellsection

井號進尺/m機械鉆速/(m·h-1)A點縱距/mA點橫距/mHH12P38500.005.880.612.92HH42P32554.004.740.030.80HH73P24615.006.410.561.85HH12P70483.009.470.892.13HH42P56549.007.630.040.44

4 應(yīng)用效果

4.1 HH73P14井試驗效果

“四個一趟鉆”提速技術(shù)首先在HH73P14井進行了試驗并取得成功。該井完鉆井深3 709.00 m，實鉆水平段長1 051.05 m，鉆井周期41.33 d，全井機械鉆速10.19 m/h。各開次實施情況見表5。

4.2 推廣應(yīng)用效果分析

“四個一趟鉆”提速技術(shù)在HH73P14井試驗獲成功后，隨后在紅河油田HH12P38井、HH12P71井等8口井進行推廣應(yīng)用，4個鉆頭4趟鉆就可鉆成一口水平井，較已往水平井使用鉆頭數(shù)量和起下鉆次數(shù)分別減少60%和67%，與應(yīng)用“四個一趟鉆”提速技術(shù)前相比，平均鉆井周期縮短42.31%，機械鉆速提高59.74%(見表6)，平均單井節(jié)約鉆井成本大約160萬元，鉆井提速、鉆井成本降低效果非常顯著。

表5HH73P14井“四個一趟鉆”提速技術(shù)試驗結(jié)果

Table5Testingresultsfor“FourOne-TripDrilling”techniqueinWellHH73P14

序號鉆頭型號鉆進井段/m進尺/m機械鉆速/(m·h-1)1M19520～362.50362.5051.792M1625362.50～2 099.001 736.5021.793M16252 099.00～2 696.00597.005.024EDM16162 696.00～3 709.001 013.006.41

表6 “四個一趟鉆”提速技術(shù)在推廣應(yīng)用情況Table 6 “Four One-Trip Drilling” technique applied in Honghe Oilfield

5 結(jié)論與建議

1) 針對紅河油田鉆井提速難點，利用現(xiàn)有鉆井裝備，提出“四個一趟鉆”鉆井提速技術(shù)。紅河油田應(yīng)用“四個一趟鉆”鉆井提速技術(shù)后，平均鉆井周期縮短42.31%，機械鉆速提高59.74%，鉆井成本降低效果顯著。

2) 高效PDC鉆頭的優(yōu)選應(yīng)用、復合鉆井及鉀銨基鉆井液是“四個一趟鉆”鉆井提速技術(shù)應(yīng)用成功的主要因素?！爸薄觥€(wěn)—增—平”雙增剖面設(shè)計為“四個一趟鉆”鉆井提速技術(shù)的成功實施奠定了基礎(chǔ)。

3) 建議進一步優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，探索試驗二級井身結(jié)構(gòu)，以進一步提高機械鉆速，縮短鉆井周期。

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