王光宇, 張文寧

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院, 黑龍江大慶 163413）

水平井一直是勘探油氣資源的重要技術(shù)手段之一。近年來, 我國水平井鉆井技術(shù)發(fā)展迅速, 為難采儲層的開發(fā)提供了技術(shù)條件。大慶油田的難采儲層含有的油氣儲量占新增探明儲量的主要部分, 水平井在高效開發(fā)低品位儲層方面顯得尤為重要。但在一些復(fù)雜地層施工時, 鉆井液漏失、井壁塌陷、氣侵和井涌等成為鉆井過程中不得不面對的問題。復(fù)雜的地質(zhì)情況導(dǎo)致機械鉆速大幅下降、鉆井作業(yè)成本迅速增加。本文對水平井的優(yōu)快鉆井技術(shù)難點進行了分析, 從鉆井設(shè)計優(yōu)化、工程技術(shù)措施配套和鉆井液體系優(yōu)化三個方面給出了相關(guān)建議, 以期為水平井的優(yōu)質(zhì)高效施工提供技術(shù)支持。

1 水平井優(yōu)快鉆井難點分析

與直井相比, 水平井不可控因素較多, 隨著水平段的增長, 相應(yīng)的潤滑問題、井眼凈化問題和井壁穩(wěn)定問題越突出[1-2]。

1.1 摩阻和扭矩

在水平井施工過程中常常會因為裸眼井段存在巖屑床、井壁穩(wěn)定性差、泥餅質(zhì)量不好和井眼不規(guī)則等原因造成摩阻和扭矩大, 嚴(yán)重的會造成卡鉆和埋鉆具事故[3-4]。

1.2 巖屑清潔

隨著水平段的逐步加深, 造斜段和水平段的鉆井液流動形態(tài)及環(huán)空返速均會產(chǎn)生變化, 井筒中巖屑清潔的效率是水平井能否順利完鉆的重要前提。已有的研究表明, 油基鉆井液和水基鉆井液在巖屑清潔方面的效果基本相同, 鉆井液的流變性是巖屑清潔能力的主要影響因素, 與鉆井液類別和組成關(guān)系不大。此外, 提高鉆井液的粘度和密度也有利于將巖屑攜帶出井筒。

1.3 井壁穩(wěn)定

與常規(guī)直井相比, 水平井的裸眼井段所承受的應(yīng)力以及巖石強度均有較大區(qū)別, 如水平段砂巖較多, 則相應(yīng)的井壁穩(wěn)定效果較好, 如水平段存在泥頁巖井段, 在地應(yīng)力和鉆井液浸泡雙重作用下, 就會發(fā)生井壁失穩(wěn)問題。水平井段的井壁失穩(wěn)比直井更為嚴(yán)重, 處理起來也更為復(fù)雜, 因此要從多方位多角度來保障水平井的井壁穩(wěn)定。

2 水平井優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉆井設(shè)計方面

井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計可以大幅度降低鉆井過程中的摩擦阻力和扭矩, 為了降低鉆具在井下的摩阻和扭矩, 目前已有懸鏈線、擺線弧、等曲率曲線等多種井下曲線模型, 不同的井眼軌跡模型均有各自的優(yōu)缺點, 通過對靶點進行分析并結(jié)合施工地層的地質(zhì)特點, 可以找到一條使摩擦力和扭矩最小的曲線, 從而確定最佳的剖面設(shè)計[5]。

2.2 工程配套技術(shù)

為滿足水平井優(yōu)快鉆井開發(fā)需求, 需要結(jié)合已有的地質(zhì)資料和周邊已完鉆井的施工情況, 確定合適的鉆井參數(shù)、鉆具組合及配套鉆頭, 并通過現(xiàn)場試驗加以修正和改進。主要技術(shù)措施如下：

（1）不同尺寸井眼的排量控制。不同井眼鉆進時機械鉆速不同, 鉆井液流態(tài)也不同。為了更好的保障巖屑攜帶311mm尺寸井眼的鉆井液排量應(yīng)該控制在44L/s以上, 215mm尺寸井眼的排量要達到28L/s以上。在中淺部地層鉆水平井時, 要重點考慮該類地層的地層巖性, 如果屬于易坍塌地層則應(yīng)在推薦排量基礎(chǔ)上適當(dāng)增加排量, 從而提高鉆井液的環(huán)空返速, 保證井眼清潔；如地層成巖性較好, 則可以適當(dāng)?shù)亟档豌@井液排量。

（2）水平段劃眼和短起下。已有的研究和現(xiàn)場實驗均表明, 定期劃眼措施可以幫助清潔裸眼井壁, 減少巖屑床的形成, 同時有助于降低鉆井液含砂量, 定期的短起下措施, 有助于修整井壁和觀察后效, 能降低井下復(fù)雜事故的發(fā)生率。為了提高水平井的鉆進效率, 建議使用頂驅(qū)施工, 每鉆進一個立柱劃眼1～2次, 每鉆進200m左右進行一次短起下劃眼作業(yè)。但在鉆遇青山口等硬脆性泥頁巖地層時, 因該類地層的井壁會由于鉆具反復(fù)刮擦造成剝落掉塊、鉆頭泥包等復(fù)雜事故, 應(yīng)該減少劃眼和短起下的頻率, 快速鉆穿該類層位。

（3）當(dāng)井下摩阻和扭矩較大、托壓情況嚴(yán)重時, 應(yīng)該調(diào)整鉆井液技術(shù)方案, 適當(dāng)增加潤滑劑的用量, 從而減小井下鉆具和井壁之間的摩擦阻力, 保證鉆進施工的順利進行。

（4）完鉆測井和后續(xù)的下套管作業(yè)過程中, 也應(yīng)補充潤滑劑, 提高鉆井液潤滑性, 確保其他鉆井施工工序的順利完成。

2.3 鉆井液體系方面

（1）鉆井液體系選擇。近年來受環(huán)保壓力和成本壓力的影響, 油基鉆井液的使用受到了一定程度的限制。但是長水平段水平井、魚骨井、多分支井和深層水平井等特殊工藝水平井施工過程中, 油基鉆井液仍然是最佳選擇。國內(nèi)外比較成熟的水基水平井體系有：高性能鉆井液、氯化鉀/聚合物鉆井液、硅酸鹽防塌鉆井液。大慶油田目前使用的高性能鉆井液具有良好的潤滑性, 現(xiàn)場施工較為順利。

（2）潤滑性能方面。與直井鉆進時鉆具所呈現(xiàn)的狀態(tài)不同, 水平井鉆進過程中, 鉆柱處于平躺狀態(tài), 和井壁之間的接觸面積較大, 相應(yīng)的會產(chǎn)生較大的摩擦, 因此鉆井液的潤滑性顯得至關(guān)重要。油基鉆井液的含油量通常在75%～85%之間, 并以油為外相, 所以油基鉆井液通常不存在潤滑性不足的問題。水基鉆井液以水為外相, 通過在其中添加潤滑劑來降低鉆具和井壁之間的摩阻系數(shù)和極壓系數(shù)。石墨、塑料微珠等固體潤滑劑可以起到“滾珠”的作用, 改變鉆具和井壁之間的接觸狀態(tài)。液體潤滑劑可以在鉆具和井壁表面分別形成油膜, 從而對其進行潤滑保護, 也可以降低摩阻。所以水基鉆井液的潤滑性主要依靠優(yōu)良的潤滑劑來實現(xiàn)。

（3）流變性控制方面。水平井鉆井過程中, 井眼內(nèi)部存在著移動層、流動層和沉積層等多種鉆井液流動形態(tài), 循環(huán)介質(zhì)的流變性較為復(fù)雜, 不同井段鉆井液非均質(zhì)性強。因此需要對井眼凈化能力進行單獨研究。當(dāng)井斜角大于30°時, 鉆井液中的鉆屑就會受重力影響沉降在井壁下部, 因此要求鉆井液必須具有良好的懸浮穩(wěn)定性, 否則鉆屑在短時間內(nèi)發(fā)生沉積并形成巖屑床后, 就難以再被鉆井液攜帶出井筒。隨著井斜角的繼續(xù)增加, 鉆具組合受重力作用會緊緊貼靠在井壁下部, 使下部的環(huán)空空間變小, 更不利于巖屑的攜帶。鉆井過程中產(chǎn)生的大量巖屑需要通過鉆井液攜帶出井筒, 因此, 鉆井液的流變性是巖屑攜帶的重要技術(shù)指標(biāo)之一。紊流狀態(tài)的鉆井液攜巖效果最好, 但受井深、排量、水平段長度等的影響, 在實際工況下, 很難在水平段實現(xiàn)鉆井液的紊流流型。水平段鉆井液呈現(xiàn)尖峰型層流狀態(tài)時也有利于巖屑攜帶, 因此需要控制合適的動塑比, 較高的動塑比有利于形成尖峰型層流, 但動塑比過高會對泵壓產(chǎn)生較大影響。動塑比的控制主要是通過增加或減少相應(yīng)的流型調(diào)節(jié)劑來實現(xiàn)。除了鉆井液自身使用的處理劑外, 鉆井液中的固相含量也是影響流變性的主要原因, 一般而言, 可以通過固控設(shè)備的使用來盡量減少鉆井液中的有害固相。

3 結(jié)論和認(rèn)識

（1）與直井相比, 水平井不可控因素較多, 隨著水平段的增長, 相應(yīng)的潤滑問題、井眼凈化問題和井壁穩(wěn)定問題越突出, 發(fā)生井下事故的概率更高, 處理復(fù)雜所花費的成本也更大。

（2）水平井鉆井過程中主要的工程控制手段有：根據(jù)不同尺寸的井眼進行鉆井液排量控制、嚴(yán)格執(zhí)行劃眼和短起下技術(shù)措施、根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)調(diào)整潤滑劑加量。

（3）良好的鉆井液性能是實現(xiàn)水平井優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一, 需要重點考慮鉆井液的潤滑性和流變性。