趙文莊,韋海防,楊 赟

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室

0 引言

長慶油田于2020年建成我國首個年產(chǎn)6 000萬噸級別的特大型油氣田，而頁巖油開發(fā)將成為長慶油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的重要組成部分。但其中長7層頁巖油儲層品位低、物性差、開采難度大，常規(guī)開發(fā)技術難以實現(xiàn)效益開發(fā)，而采用“多層系、立體式、大井叢”長水平井開發(fā)模式可節(jié)約土地資源、降低單井成本和最大限度動用可采儲量，實現(xiàn)頁巖油集約化、高效開發(fā)要求。經(jīng)過多年探索和試驗，集大平臺、多層系、長水平段、小井間距的集中部署開發(fā)模式已形成[1]，且隨著頁巖油的進一步開發(fā)，大井叢平臺的數(shù)量、單個平臺所部署井數(shù)都會越來越多，對鉆井工藝水平提出了更高的要求。

1 H100平臺鉆井難點

1.1 平臺簡介

H100平臺位于慶城油田西233區(qū)塊，部署31口井，如圖1所示。其中，長71共計15口水平井,長72共計16口水平井，另有定向導眼井5口。

圖1 H100平臺井場布局示意圖

井場呈南北走向，南北長度約220 m，東西約120 m；井眼軌跡南北跨度約7.8 km，東西跨度約1.4 km，水平段總長超63.2 km，控制儲量達到1 000×104t。

平臺全部采用二開二完井身結構。一開：?311.2 mm鉆頭×?244.5 mm套管，套管下深240 m左右，封固第四系不穩(wěn)定地層，進入穩(wěn)定巖層30 m；二開：?215.9 mm鉆頭×?139.7 mm套管，裸眼段段長4 000～5 270 m，套管下至完鉆井深。

平臺采用4部鉆機雙排平行施工，井口距離8 m，鉆機采用同向拖動的方式由南向北拖動施工;平臺邊緣井偏移距較大,最大達1 266 m。

1.2 鉆井難點及風險

采用常規(guī)工藝鉆井，大井叢平臺的場地規(guī)劃和開發(fā)部署模式給鉆井工程帶來以下難點和風險[2-3]：

(1)平臺密集部署，防碰繞障難度大;三維地質目標，要求提前擺好井身剖面的方位，以滿足安全鉆進、三維井身剖面要求。

(2)大平臺立體式開發(fā)模式的邊緣井的偏移距較大，需用大井斜角來完成大偏移距，然后在大井斜角條件下進行扭方位作業(yè)，增加了定向作業(yè)段長和斜井段的摩阻、扭矩，施工難度大，井下出現(xiàn)復雜的風險高。如H100-29井，橫向偏移距1 266 m，模擬計算發(fā)現(xiàn)井下摩阻將高達54.39 t，如表1所示。常規(guī)鉆具在下鉆和滑動鉆進時鉆桿將發(fā)生屈曲，如圖2所示。

圖2 H100-29井鉆桿屈曲校驗圖

表1 H100-29井摩阻、扭矩模擬分析表

(3)?215.9 mm井眼長裸眼段定向施工存在鉆具粘卡復雜、巖屑床堆積等風險；當水平段超過2 000 m后常規(guī)定向托壓嚴重，定向效率低、效果差，平均鉆時超過1 h/m，軌跡不平滑、呈鋸齒狀。

(4)水平井水平段延伸能力有限。水平段超過2 000 m以后，井眼軌跡調整困難，儲層鉆遇率難以提高，阻礙水平段的延伸能力，且井下故障風險增大。

(5)在斜井段采用單扶鉆具組合以實現(xiàn)快速增斜，入窗后起鉆更換為雙扶鉆具組合以滿足穩(wěn)斜或者小角度調整要求，增加一趟約24 h的起下鉆時間，降低鉆井時效。

(6)長7層目的儲層分為長712層和長721層，地質條件復雜，發(fā)育不均勻、夾層頻繁、地層傾角大且伴隨有斷層、裂縫，對儲層鉆遇率和安全鉆進帶來巨大考驗。H100平臺實鉆過程中儲層厚度不均，最薄處厚度僅為1～2 m，且有儲層尖滅風險。

基于以上難點及風險，本區(qū)塊要完成大平臺、多層系、長水平段、小井間距井的鉆井施工作業(yè)，使用軌跡調整便捷、及時，監(jiān)測數(shù)據(jù)更精準，單趟進尺更長的旋轉導向工具勢在必行[4]。進口旋轉導向工具費用較高，旋轉導向工具國產(chǎn)化迫在眉睫。

2 CG STEER旋轉導向工具介紹

國內自上世紀九十年代開始攻關以來，一些研究機構和技術服務公司通過自主研發(fā)，取得了一些技術上的突破。2019年，中國石油長城鉆探自主研發(fā)的指向式旋轉導向系統(tǒng)在遼河油田S229-36-72井完成水平井全井段現(xiàn)場試驗。同年，中國石化勝利石油工程公司隨鉆測控技術中心自主研發(fā)的SINOMACS ATS I型旋轉導向儀器在勝利油區(qū)現(xiàn)場試驗成功。中海油的Welleader旋轉導向工具2016年在渤海油田投入了現(xiàn)場使用。中國石油川慶鉆探自研的CG STEER旋轉導向工具自2019年第一口頁巖氣水平井全井段試驗以來，目前已在四川頁巖氣、長慶頁巖油和長慶致密氣等地區(qū)使用40余井次，累計進尺30 088.29 m。該工具具有造斜率高、性能穩(wěn)定等特點,綜合性能已超過國內同期產(chǎn)品，達到同類進口產(chǎn)品水平，具備商業(yè)化推廣的條件[5]。

CG STEER旋轉導向鉆井系統(tǒng)采用靜態(tài)推靠式控制原理，主要由地面系統(tǒng)、導向及近鉆頭測量模塊、撓性短節(jié)、中樞控制模塊、發(fā)電機/雙向通訊模塊、靜態(tài)測量模塊六部分組成。工具造斜率最高可達到12.5°/30 m；性能穩(wěn)定，入井循環(huán)在239 h左右;近鉆頭測量單元集成了井斜、方位、伽馬等，近鉆頭井斜測量零長1.1 m，近鉆頭伽馬測量零長2.1 m，測量深度0.45 m,如圖3所示，實時反饋井眼穿行情況，精確指導儲層追蹤，實現(xiàn)地質導向功能；應用“溫度補償+微動態(tài)處理”技術，近鉆頭井斜控制精度±0.1°，方位控制精度±1°，顯著提高了近鉆頭井斜與方位的測量精度。如表2所示。

圖3 CG STEER旋轉導向工具組合

表2 CG STEER旋轉導向鉆井系統(tǒng)參數(shù)

3 CG STEER在H100平臺配套技術

受黃土高塬地貌、工廠化作業(yè)、降本增效、最大化增加儲層動用等因素的影響，大井叢平臺水平井開發(fā)模式自2018年以來平臺部署井數(shù)逐步增加，隨之而來的就是對鉆井工藝及裝備水平更高的要求，特別是靠近平臺邊緣的大偏移距三維井的施工難度更大。

3.1 井身剖面優(yōu)化

斜井段采用“空間圓弧+分段設計”三維井眼剖面對井眼軌跡進行設計[4]，斜井段狗腿度控制在(3.5°～5.5°)/30 m，水平段狗腿度控制在(0～3°)/30 m。

根據(jù)該工具的造斜原理，深入分析旋轉鉆進過程中影響造斜率的各種因素，針對不同的影響因素制定相應的施工對策：

(1)應用摩阻、扭矩計算軟件對設計剖面進行摩阻、扭矩計算，根據(jù)計算結果，結合地質條件調整出最優(yōu)的井身剖面：“七段制三維剖面”，即“直—增—雙穩(wěn)—穩(wěn)斜扭方位—增斜微扭方位—增—平”,摩阻、扭矩最小，水平段延伸能力較長[6]。

(2)充分考慮了巖性對造斜率的影響。在長3底部、長4+5頂部伽馬值高、巖性較軟的泥巖段，剖面設計時盡量設計較小狗腿度，相反，在長6層巖性較硬的地層，剖面設計時可適當設計較高的狗腿度[7]。

3.2 鉆具組合優(yōu)選

參照國內外旋轉導向工具不同的組合方式[8]，通過鉆柱力學計算，分析了不同鉆具組合對井下工具振動的影響，優(yōu)化了加重鉆桿數(shù)量，將井下振動導致的儀器傳輸失敗次數(shù)降低 50%。通過不斷優(yōu)化摸索，最終總結出了一套適合于長慶頁巖油大井叢平臺使用的CG STEER旋轉導向工具組合,如圖4所示，即?215.9 mm PDC鉆頭+CG STEER旋轉導向×11.49 m+?208 mm扶正器+?127 mm無磁承壓鉆桿+?172 mm旋導專用馬達+回壓凡爾+?127 mm加重鉆桿12根+?127 mm加重鉆桿3根+震擊器+?127mm鉆桿。

圖4 CG STEER旋轉導向工具鉆具組合

3.3 鉆頭優(yōu)選

結合旋轉導向工具的特點，鉆頭影響造斜率的因素有以下幾點[9]：

(1)鉆頭長度。鉆頭本體的長度與造斜率呈反比例關系，鉆頭本體越短造斜率越高。

(2)冠部造型。在側向力一定的情況下鉆頭和地層的側向接觸面積越小，作用在單位井壁上的側向力越大、側切力越強、造斜率越高。

(3)保徑長短。鉆頭保徑長度越長耐磨性越強，但可導向性差；而保徑長度較短則耐磨性較差,而導向性好。

(4)保徑切削齒側傾角。保徑切削齒側傾角越小,切削齒吃入巖石的深度越大，鉆頭的側向切削能力越強。

(5)翼片數(shù)量。翼片多，工具面穩(wěn)定；翼片短，工具面穩(wěn)定，反扭角小，定向效果好。

(6)水眼參數(shù)?？紤]到旋導的綜合能力和鉆頭壓降都比較小，流量系數(shù)大于0.95即可。

針對CG STEER旋轉導向工具對配套鉆頭的要求，專門設計了CAS2162Z型5刀翼短保徑PDC鉆頭(川慶科技)作為本平臺CG STEER旋轉導向工具的配套鉆頭，如圖5所示。

圖5 高側向切斜能力PDC鉆頭

該鉆頭短冠型、淺內錐，具有外錐非平面結構齒，可以減小井底巖心定向作用，降低鉆頭側向鉆井阻力，增強鉆頭側向鉆進能力，增加定向造斜能力，保徑短，保徑上有側切齒、保徑齒，進行了光滑處理，增加了鉆頭側向切削能力，從而有助于提高工具的定向造斜能力，降低旋轉作業(yè)時與井壁的摩擦阻力。

3.4 鉆井液體系優(yōu)選

CG STEER旋轉導向工具結構和力學原理不同于常規(guī)螺桿鉆具，工具長11.5 m、外徑192 mm、剛性強，井下發(fā)生井壁掉塊、井眼沉砂堆積等復雜時，存在卡鉆、埋導向工具風險，要求鉆井液具備很強的攜砂、封堵、抑制能力，確保井眼清潔，井壁穩(wěn)定[10]。鉆井液性能要點：

(1)良好的井壁穩(wěn)定性。鉆井液性能具有較強的抑制性、封堵性，固相含量控制在要求范圍內，有效抑制井壁泥巖水化膨脹、防止井壁掉塊及坍塌等。

(2)優(yōu)秀的攜砂能力。鉆井液需具有較高的動塑比、低剪切速率黏度和低剪切速率切力，進而提高鉆屑清除效率和井眼凈化能力，減少井下巖屑床的形成。

(3)顯著的降摩減阻性能。添加足量降摩減阻產(chǎn)品，確保工具在低摩阻和低扭矩條件下工作，以延長使用時間。

(4)固控設備可靠。嚴格執(zhí)行3級固控，確保振動篩、除泥器和除砂器運轉正常，同時定期對錐形灌進行清理工作，確保有害固相和含砂量在規(guī)定標準以下。

通過優(yōu)選關鍵處理劑和正交實驗，確定了水基鉆井液的基本配方：3%CQZN+1.5%～2.0%PAC-LV+0.5%～1.0%BLA-MV+2.0%～4.0%LG-130+20.0%～30.0%CQFY-3+4.0%潤滑劑A+2.0%潤滑劑C。其主要性能要求：漏斗黏度控制在50～60 s，密度控制在1.25～1.35 g/cm3，濾失量控制在2～3 mL，高溫高壓濾失量控制在 6～10 mL，塑性黏度控制在 12～25 mPa·s，動切力控制在7～14 Pa，動塑比控制在0.5～0.7，3轉和6轉轉速分別控制在4～8 r/min和5～9 r/min，低剪切速率切力(LSYP)控制在3～7，水活度控制在0.5～0.7。

3.5 鉆井參數(shù)優(yōu)選

通過輸入鉆壓、排量、轉速等鉆井參數(shù)后，采用迭代法進行模擬計算相應的摩阻、扭矩，再根據(jù)計算的摩阻、扭矩值進一步優(yōu)化鉆壓、排量、轉速等鉆井參數(shù)，反復迭代模擬計算后確定出合適的鉆井參數(shù),優(yōu)化后鉆井參數(shù)見表3所示。

表3 優(yōu)化后鉆井參數(shù)

優(yōu)化后的鉆井參數(shù)對旋轉導向工具在井下的振動和stick slips黏滑指數(shù)的降低均有積極作用，有效提高了鉆頭破巖效率和鉆井機械速度，保證了儀器的穩(wěn)定性，延長了工具的使用壽命。

4 現(xiàn)場應用效果分析

CG STEER旋轉導向工具在H100平臺累計施工8口井，平均偏移距875.29 m，平均單趟鉆進尺1 143 m，平均機械鉆速16.9 m/h，如表4所示。8口井全部采用免通井下套管，順利到底，單井節(jié)約完井周期3 d左右；另H100-28井實現(xiàn)一趟鉆完成扭方位+增斜段+水平段施工作業(yè)，以單趟鉆井進尺2 331 m創(chuàng)造了國產(chǎn)旋導的最長紀錄。CG STEER旋轉導向工具在H100平臺降摩減阻、水平段延伸、提速提效等方面起到了較好的效果[11]。

表4 CG STEER旋轉導向工具在H100平臺應用情況

(1)H100-17井偏移距834.8 m，在完成大斜度井段增斜作業(yè)并進入水平段74 m后，主動轉為常規(guī)螺桿鉆具進行水平段鉆進。進入水平段1 328 m后，摩阻、扭矩均大幅度增加，上提摩阻達38 t左右，下放摩阻達42 t左右，扭矩在33 kN·m左右，繼續(xù)鉆進困難，于井深3 752 m再次轉為CG STEER旋轉導向工具，一趟鉆完成剩余水平段的施工。旋轉導向工具在該平臺降摩減阻和水平段延伸上起到了較好的作用。

(2)H100-28井實現(xiàn)一趟鉆完成扭方位+增斜段+水平段施工作業(yè)，以單趟鉆進尺2 331 m創(chuàng)造了國產(chǎn)旋導的最長紀錄。相比鄰井H100-8井使用常規(guī)螺桿鉆具組合，縮短鉆井周期30.5%，單井節(jié)約鉆井周期3.5 d。旋轉導向工具在實施平臺邊緣大偏移距井時，避免了斜井段大段滑動鉆進帶來的機械鉆速低的問題，大幅度提高了鉆井時效，且旋轉導向在鉆進過程中，造斜組合與穩(wěn)斜組合于一體，節(jié)約一趟起下鉆周期。

(3)8口使用旋轉導向工具的井全部采用免通井下套管作業(yè)，套管順利下入到底，節(jié)約完井周期3 d左右。旋轉導向作業(yè)保證了井眼軌跡平滑和一定的擴眼率，井下摩阻、扭矩得到有效控制，降低了后期電測、下套管等作業(yè)風險和難度，有利于縮短完井周期。

(4)由于CG STEER旋轉導向工具是近鉆頭獲取井斜、方位和伽馬等數(shù)據(jù)，在儲層突變時，短時間內就能反應出來。旋轉導向工具伽馬測距2.4 m，常規(guī)MWD測距約為13 m，在地層突變時反應時間提前11 m。旋轉導向工具在水平段可靠造斜率可高達11.2°/30 m，常規(guī)螺桿(1°單彎螺桿)的造斜率為(6°～8°)/30 m，相比而言，旋轉導向在造斜率和施工效率都有巨大的優(yōu)勢，并且工具為電腦指令操作便捷可靠，可以在短時間內實現(xiàn)軌跡調整，有效保障了儲層鉆遇率。在H100平臺，儲層夾層多、傾角大且儲層有效厚度小，CG STEER旋轉導向工具在該平臺使用發(fā)揮了優(yōu)勢，鉆遇率與鄰井對比從76%提高至85%。

5 認識及建議

(1)CG STEER旋轉導向工具在長慶頁巖油水平井的成功應用，標識著國產(chǎn)旋轉導向工具技術已逐步成熟，具有廣闊的商業(yè)化應用前景，可突破旋轉導向工具市場長期被國外公司壟斷的局面。

(2)該工具近鉆頭伽馬測距短，及時準確判斷井底的垂深和巖性，為現(xiàn)場地質導向判斷和追蹤儲層提供可靠依據(jù)，在提高儲層鉆遇率方面優(yōu)勢明顯。

(3)相比國外成熟的旋導工具，該工具在功能上還存在若干改進的空間，如井下閉環(huán)、方位成像伽馬、電阻率測量等方面。儀器的穩(wěn)定性和材料強度還需要進一步升級優(yōu)化，尋求在單趟鉆進尺上有更進一步的突破。