趙文彬

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

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大牛地氣田長水平段鉆井技術(shù)

趙文彬

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

長水平段水平井可有效擴(kuò)大泄氣面積，提高單井產(chǎn)量。為實現(xiàn)優(yōu)快鉆進(jìn)，通過確定合理井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化井眼軌道設(shè)計、優(yōu)選鉆，完井液體系，提出長水平段水平井降低摩阻扭矩工藝措施，分井段優(yōu)選出合適PDC鉆頭并優(yōu)化鉆井參數(shù)，優(yōu)質(zhì)高效完成了DP31H井施工。完鉆水平位移2 122.30 m，水平段長度1 698.72 m，刷新大牛地氣田長水平段水平井水平位移最大、水平段長度最長紀(jì)錄。

大牛地氣田；水平井；長水平段；井壁穩(wěn)定；摩阻扭矩

長水平段水平井可以更大限度地穿越油層，增大油藏裸露面積，是改善低壓、低滲等低效油氣田開發(fā)效果的理想技術(shù)手段[1-3]。大牛地氣田屬致密低滲油氣田，儲層地層壓力系數(shù)低，砂體展布穩(wěn)定且不含水，為實現(xiàn)進(jìn)一步降本增效，迫切需要試驗更長水平段、更大壓裂規(guī)模。

國外長水平段水平井鉆井技術(shù)發(fā)展迅速，國內(nèi)技術(shù)水平參差不齊，且各專項技術(shù)尚未得到充分的整合應(yīng)用。有成功案例，但缺乏理論與實踐結(jié)合，未形成系統(tǒng)可行的鉆井技術(shù)(成功的偶然性或費用過高)，可復(fù)制性差。形成特色的長水平段水平井鉆井技術(shù)并推廣應(yīng)用，打破國外公司對該技術(shù)的壟斷，提高我國鉆井技術(shù)水平。

1 長水平段井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過優(yōu)選“必封點確定法”確定井身結(jié)構(gòu)，“中間向兩邊推導(dǎo)法”確定各層套管下深，同時，考慮長水平段施工的復(fù)雜性和配套工具性能問題，確定合理的井眼尺寸，為長水平段順利實施創(chuàng)造良好的井眼條件。

3)小井眼后續(xù)處理手段較少，增加處理長水平段井下復(fù)雜情況的難度；

根據(jù)以上分析，優(yōu)選三級井身結(jié)構(gòu)，Φ339.7 mm表套進(jìn)入侏羅系中下統(tǒng)安定組基巖，封住上部膠結(jié)強度低、疏松、易垮塌地層，二開采用Φ311.2 mm鉆頭，鉆至地質(zhì)A靶點，并下入Φ244.5 mm技術(shù)套管封住斜井段。三開采用Φ215.9 mm鉆頭鉆至地質(zhì)B靶點，井身結(jié)構(gòu)與套管程序數(shù)據(jù)見表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)與套管程序數(shù)據(jù)

2 井眼軌道優(yōu)化及軌跡控制

2.1 井眼軌道優(yōu)化技術(shù)

選擇合理的井眼軌道是長水平段水平井順利施工的關(guān)鍵之一，盡量降低扭矩及摩阻，有利于后期作業(yè)，降低相關(guān)風(fēng)險[4-6]。通過模擬不同造斜率、剖面類型、靶前位移、水平段長多種情況下摩阻和扭矩計算分析并對比，利用Landmark軟件分析計算對井眼軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，DP31H井最終軌道如表2所示。

表2 DP31H井軌道數(shù)據(jù)

軌道設(shè)計依據(jù)：1)2 296.06 m～2 755.30 m井段造斜率僅3.53°/30 m，不但有利于在鉆井過程中使用PDC鉆頭進(jìn)行定向造斜，而且提高了復(fù)合鉆進(jìn)比例，從而極大的提高了施工效率。2)在2 251.09 m～2 296.06 m井段設(shè)計了36°井斜角穩(wěn)斜，避開了45°～62°井斜井段容易形成巖屑床的鉆井安全風(fēng)險。3)軌道設(shè)計的入井管柱的摩阻、扭矩均控制在較低范圍。

上行摩阻和下行摩阻表示軸向力。通過分析造斜率和法向力可以看出，由于軌道不同對不同工況下摩阻的影響。法向力越大，摩擦力越大。優(yōu)化后軌道，在造斜段各點法向力要小于原設(shè)計數(shù)據(jù)。

2.2 井眼軌跡控制

2.2.1 直井段防斜打直控制技術(shù)

一開采用塔式鉆具高轉(zhuǎn)速、低鉆壓、大排量快速鉆穿疏松地層；直井段采用塔式鉆具組合防斜，加強井斜監(jiān)測，及時糾斜。

二開直井段采用復(fù)合鉆具組合防斜，加強井斜監(jiān)測，及時糾斜。平均機械鉆速達(dá)到12.24 m/h。直井段1 983.22 m，最大水平位移未超過10 m。

2.2.2 斜井段與水平段實時調(diào)整控制技術(shù)

采用MWD進(jìn)行井眼軌跡的動態(tài)監(jiān)測，每次下鉆前采用待鉆井眼設(shè)計技術(shù)選擇工具造斜率，預(yù)測待鉆井眼軌跡趨勢。鉆進(jìn)中采用待鉆井眼設(shè)計技術(shù)跟蹤軌跡發(fā)展情況，為及時調(diào)整軌跡提供依據(jù)。

根據(jù)地層的自然造斜率，以及選擇工具的造斜率，運用待鉆井眼設(shè)計技術(shù)，預(yù)測井眼軌跡趨勢，根據(jù)實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整軌跡。調(diào)整和維護(hù)好泥漿性能，使流動性、潤滑性、攜巖性、抑制性、防塌性都達(dá)到最佳狀態(tài)。

適當(dāng)選擇高造斜率的動力鉆具，以轉(zhuǎn)盤鉆配合滑動鉆的鉆進(jìn)方式，既能大幅度地提高鉆井速度，又可通過復(fù)合鉆進(jìn)破壞巖屑床，使井眼暢通，減小摩阻和扭矩便于滑動定向鉆進(jìn)[7-9]。

2.2.3 水平段多靶點軌跡控制技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)要求并結(jié)合工程工藝，提出了多靶點水平井井眼軌道的確定方法。分兩步實現(xiàn)：首先確定從井口至A點井眼軌道，然后確定水平段井眼軌道。采用1°單彎螺桿，水平段要求小于3°造斜率，微增后穩(wěn)斜，既滿足地質(zhì)要求，又保證井眼光滑。DP31H井設(shè)計水平段長2 000 m，水平段控制靶點達(dá)到22個。

DP31H井實鉆水平段長1 698.72 m，1 300 m前砂巖鉆遇率100%，實鉆與地質(zhì)調(diào)整符合程度高。

3 長水平段井壁穩(wěn)定技術(shù)

3.1 井壁失穩(wěn)機理分析

基于井壁圍巖應(yīng)力理論，采用有限元分析，進(jìn)一步評價粘土礦物的失穩(wěn)機理，針對性提高鉆井液抑制能力。盒1泥巖浸泡前后力學(xué)穩(wěn)定分析如圖3所示。

從圖中可以明顯看出：鉆井液浸泡前井壁十分穩(wěn)定，只有局部有輕微剝落掉塊；鉆井液浸泡后井壁穩(wěn)定性下降，井壁開始出現(xiàn)大范圍垮塌失穩(wěn)。因此，鉆遇泥巖或泥質(zhì)條帶將存在失穩(wěn)風(fēng)險。

3.2 防塌鉆井液體系優(yōu)選

鉀銨基懸浮乳液鉆井液體系是在鉀銨基聚合物基礎(chǔ)上，通過引入陽離子乳液聚合物DS-301、乳化石蠟RHJ-1和有機硅醇抑制劑DS-302三種懸乳液型處理劑研制而成的一種懸浮乳液鉆井液體系。通過正電荷中和作用和長鏈聚合物的架橋作用使粘土比表面和負(fù)電荷大大下降，從而使粘土的水敏性基本喪失，有效抑制粘土顆粒的膨脹、分散、運移，起到穩(wěn)定粘土的作用，結(jié)合乳化石蠟?zāi)茉诮貛纬蓾B透率極低的屏蔽帶的協(xié)同作用，減小進(jìn)入儲層的濾液及有害固相可能對油層造成的損害，有效地防止井壁坍塌和保護(hù)油氣層。

3.3 應(yīng)用效果

DP31H井鉆至水平段1 300 m后，共計鉆遇泥巖358.72 m，并順利穿越，未發(fā)生井下失穩(wěn)問題，如圖4 所示。

DP31H井刷新了大牛地氣田連續(xù)鉆遇290.72 m泥巖未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)記錄，充分體現(xiàn)了優(yōu)選出的鉀銨基懸浮乳液體系具有超強抑制性、很好的懸浮攜帶性和潤滑性，能有效滿足大牛地氣田長水平段水平井安全鉆井的需要。

4 長水平段降摩阻扭矩措施

為準(zhǔn)確計算摩阻扭矩，對影響因素分析，合理基本假設(shè)，建立方程組，確定邊界條件，采用數(shù)值分析方法求解。

以現(xiàn)場實鉆數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用對不同摩阻系數(shù)下的上提下放懸重進(jìn)行模擬計算，然后對現(xiàn)場實鉆過程中的上提下放懸重數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，再根據(jù)井深進(jìn)行繪圖，即可充分掌握井眼摩阻扭矩狀況，從而指導(dǎo)現(xiàn)場采取相應(yīng)的技術(shù)措施。DP31H井摩阻扭矩跟蹤分析見圖5。

多組摩擦系數(shù)模擬，計算結(jié)果與實際吻合較好，說明方法的正確性。通過準(zhǔn)確的計算，掌握井下管柱受力，同時采用降摩阻扭矩措施減少無效受力，另外根據(jù)現(xiàn)場實際需要，優(yōu)選倒裝鉆具的位置和長度，確保了水平段的有效延伸。

DP31H井完鉆井深井深4 386.72 m，水平位移2 122.2 m，水平段長達(dá)到1 698.72 m。

5 長水平段配套鉆井工藝措施

1)巖石可鉆性分析及鉆頭設(shè)計優(yōu)化

通過收集大牛地氣田的巖心和巖屑，開展地層巖石可鉆性室內(nèi)實驗研究；根據(jù)現(xiàn)場的測井資料進(jìn)行巖石可鉆性的測井資料解釋研究，建立大牛地氣田縱向和橫向上的巖石可鉆性剖面，鉆頭選型和鉆井參數(shù)優(yōu)選提供基礎(chǔ)，保障了長水平段水平井的鉆井提速。

特別水平段在新型雙排切削齒PDC鉆頭6″ P5235MJ獲得成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對81/2″井眼對冠部輪廓、布齒和水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化形成P6248MJH鉆頭，深內(nèi)錐、低摩阻保徑的冠部輪廓。雙排切削齒結(jié)構(gòu)， 將前排切削齒的厚度由13 mm縮小到8 mm，試驗應(yīng)用獲得初步成功。

P6248MJH鉆頭刷新了大牛地氣田水平段單只鉆頭進(jìn)尺記錄，水平段平均機械鉆速達(dá)到9.44 m/h。

2)鉆井參數(shù)優(yōu)化

采用迭代方法求解由目標(biāo)函數(shù)、極限條件和約束條件組成的方程組，進(jìn)行全局尋優(yōu)。要求地層允許的情況下，適量加大2 L～4 L排量，清理井底巖屑，避免重復(fù)破碎，提高機械鉆速。

通過深入研究、現(xiàn)場實踐，已經(jīng)形成了長水平段水平井鉆井技術(shù)體系，具備了復(fù)制DP31H鉆井成功的能力，隨著技術(shù)水平不斷提高，可以鉆得更長、更快、更好。蘇5-5-17AH井技套采用漂浮接箍，水平段延伸采用油基鉆井液、水力振蕩器等大幅增加鉆井費用；DP31H井通過計算分析， 采用常規(guī)鉆井工藝完成；6″水平段采用4″鉆桿仍可行。對于致密低滲油氣田DP31H井鉆井模式可規(guī)模推廣。

6 結(jié)論

1)為更經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)大牛地氣田，試驗長水平段水平井技術(shù)，旨在加大水平段長度、加大壓裂規(guī)模、擴(kuò)大泄氣面積，實現(xiàn)提高單井產(chǎn)量的目的。

2)通過調(diào)研分析及與施工方交流，合理井身結(jié)構(gòu)及軌道優(yōu)化設(shè)計、井下摩阻分析、井眼軌跡控制、安全鉆井等，形成了長水平段水平井配套鉆井工藝措施。

3)DP31H井完鉆井深4 386.72 m，水平位移2 122.2 m，水平段長1 698.72 m，刷新大牛地水平段最長記錄，DP31H井實際鉆井費用僅1 998萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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Long Horizontal Drilling Technology in Daniudi Gasfield

ZHAO Wen-bin

(Engineering & Technology Research Institute of Huabei Branch, SINOPEC,Zhengzhou 450006, Henan, China)

Long horizontal-section wells can effectively expand the deflated area and improve the single well production. Well DP31H have been made by the high quality through determining a reasonable hole structure, optimizing the design of the borehole trajectory, optimizing drilling and completion fluid system, reducing long horizontal-section wells friction torque, selecting the right PDC bit and drilling parameters. The well drilled horizontal displacement 2 122.30 m, horizontal section length 1 698.72 m, refreshing the Daniudi gasfield long horizontal section horizontal displacement, horizontal section length of the longest record.

Daniudi gasfield; horizontal well; long horizontal section; borehole wall stability; friction torque

國家科技重大專項(低豐度致密低滲油氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù))：2016ZX05048

2016-07-19

趙文彬(1982-)，男，山東青島人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事鉆井工藝技術(shù)研究及應(yīng)用工作，E-mail:zhao1wen2bin3@163.com。

TE242

B

1008-9446(2017)01-0018-06