田啟忠 戴榮東 王繼強(qiáng) 李成龍 黃豪彩

1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院；2.中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院；3.中石化勝利油田分公司安全環(huán)保質(zhì)量管理部

0 引言

勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷屬陸相斷陷盆地，發(fā)育多套優(yōu)質(zhì)烴源巖，厚度大、分布范圍廣［1］，達(dá)7 300 km2，儲(chǔ)量規(guī)模大，首批上報(bào)預(yù)測(cè)石油地質(zhì)儲(chǔ)量4.58×108t，成為我國(guó)東部增儲(chǔ)建產(chǎn)新的接替領(lǐng)域，但頁(yè)巖沉積相變快，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，熱演化程度低，頁(yè)巖中原油膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，流動(dòng)性差，開采難度比較大。隨著地質(zhì)理論認(rèn)識(shí)的不斷深化和技術(shù)創(chuàng)新，頁(yè)巖油勘探開發(fā)實(shí)現(xiàn)了重大突破，濟(jì)陽(yáng)坳陷油氣資源總量因頁(yè)巖油勘探開發(fā)戰(zhàn)略突破增長(zhǎng)40%以上，已具備全面勘探開發(fā)條件，目前已啟動(dòng)國(guó)家級(jí)陸相頁(yè)巖油示范區(qū)建設(shè)，預(yù)計(jì)到“十四五”末，新增頁(yè)巖油探明地質(zhì)儲(chǔ)量1×108t，新建產(chǎn)能100×104t，將成為原油穩(wěn)產(chǎn)的戰(zhàn)略性接替能源，攻關(guān)突破高效鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油效益開發(fā)對(duì)油田長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義［2］。

牛莊洼陷中心處于深湖-半深湖沉積環(huán)境，南部斷層發(fā)育，地層傾角大，北部寬緩，斷層少，有利于油頁(yè)巖沉積。牛斜XX 井區(qū)位于牛莊洼陷東北部，主要目的層為沙四上純上亞段，埋藏深度3 400～4 000 m，以富有機(jī)質(zhì)紋層狀隱晶泥質(zhì)灰頁(yè)巖、富有機(jī)質(zhì)紋層狀隱晶灰質(zhì)泥頁(yè)巖巖相為主［3］，2019 年以來(lái)，先后有牛斜XX 井、官斜XX 井等在沙四上頁(yè)巖油段見到良好油氣顯示，其中基質(zhì)型頁(yè)巖油直斜井多段壓裂試油產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)突破，截至2022 年12 月，牛斜XX 井累計(jì)產(chǎn)油3 672 t，累計(jì)產(chǎn)氣18.7×104m3，峰值日產(chǎn)油69.6 t/d，該井區(qū)地層平緩，斷層少，油頁(yè)巖分布廣泛，開發(fā)潛力大。

國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖油普遍采用水平井井工廠井網(wǎng)模式開發(fā)，綜合考慮水平段產(chǎn)能、經(jīng)濟(jì)極限累計(jì)產(chǎn)油、鉆完井施工能力及施工風(fēng)險(xiǎn)等因素，本區(qū)水平段長(zhǎng)度確定為1 500～2 000 m。該井區(qū)前期完鉆10 口井，平均鉆井周期97.3 d，平均機(jī)械鉆速8.43 m/h。有6 口井出現(xiàn)井漏，3 口井鉆井循環(huán)過(guò)程發(fā)生油氣侵。前期地質(zhì)研究和鉆井實(shí)踐表明，鉆井工程主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：(1)上部砂巖地層承壓能力低，目的層地層孔隙壓力系數(shù)高，且裂縫發(fā)育，一旦鉆遇斷層和裂縫，安全作業(yè)窗口窄，易發(fā)生井涌、井漏并存的復(fù)雜情況，給正常壓井、鉆井帶來(lái)很大困難；(2)油頁(yè)巖黏土含量高，易水化膨脹，裂縫發(fā)育易坍塌，加之水平段長(zhǎng)，油氣泄流面積大，易油氣侵，加劇了井壁不穩(wěn)定性，摩阻扭矩較大，鉆井提速困難。

為探索形成濟(jì)陽(yáng)頁(yè)巖油優(yōu)快鉆井技術(shù)，開展了頁(yè)巖油試驗(yàn)井組建設(shè)。針對(duì)鉆井地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、井壁穩(wěn)定性差和鉆頭選型難度大等技術(shù)難題，攻關(guān)形成了以合成基鉆井液為核心的井筒保護(hù)技術(shù)，并配套了組合鉆進(jìn)提速工具。針對(duì)埋藏深、可鉆性差、井眼軌跡控制效率低等問(wèn)題，研制了高效PDC 鉆頭、水力振蕩器、變徑穩(wěn)定器、扭力沖擊器等輔助提速工具，引進(jìn)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，配套形成“千米水平段一趟鉆”技術(shù)；通過(guò)井組整體布局優(yōu)化和施工模式優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)資源共享和材料重復(fù)利用；鉆遇裂縫嘗試使用控壓鉆井技術(shù)，采用較低密度鉆井液鉆進(jìn)，通過(guò)靈活控制井口壓力，確保井底壓力處于密度窗口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)和油層保護(hù)。該系列頁(yè)巖油提速提效鉆井技術(shù)在勝利濟(jì)陽(yáng)頁(yè)巖油國(guó)家級(jí)示范區(qū)“牛頁(yè)一區(qū)試驗(yàn)井組”進(jìn)行了應(yīng)用并取得了顯著效果。

1 井組整體設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 井場(chǎng)布局優(yōu)化

基于“一隊(duì)多機(jī)”大平臺(tái)設(shè)計(jì)，井場(chǎng)布局體現(xiàn)集約和共享，見圖1。鉆井液泵和循環(huán)系統(tǒng)位置固定，整拖時(shí)不移動(dòng)，節(jié)約鉆機(jī)整拖時(shí)間；提前預(yù)埋鉆井液管線，實(shí)現(xiàn)全井場(chǎng)倒?jié){；加重儲(chǔ)備共享，材料房共用，物料集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理。

圖1 鉆機(jī)擺放與井口間距示意圖Fig.1 Rig location and distance to wellhead

1.2 井口與靶點(diǎn)的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)

試驗(yàn)井組采用平行井網(wǎng)、多層立體開發(fā)模式，共設(shè)計(jì)20 口井，見圖2。基于三維立體防碰理念，前排鉆機(jī)打淺層，后排鉆機(jī)打深層，為軌跡垂深上空間錯(cuò)開奠定基礎(chǔ)；左排鉆機(jī)打左側(cè)，右排鉆機(jī)打右側(cè)，為軌跡方位上空間錯(cuò)開奠定基礎(chǔ)。

圖2 叢式井組縱向布井圖Fig.2 Vertical deployment of cluster well

基于現(xiàn)有井網(wǎng)設(shè)計(jì)和鉆井技術(shù)，為保證最終井網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)油藏地質(zhì)確定了三開水平段采用“先中間后兩邊，先下層后上層”的施工順序，見圖3。

圖3 槽口匹配和鉆井順序示意圖Fig.3 Slot matching and drilling sequence

1.3 施工模式優(yōu)化設(shè)計(jì)

井組采用工廠化施工模式，考慮建井周期，設(shè)計(jì)4 部鉆機(jī)同時(shí)施工，每部鉆機(jī)各實(shí)施5 口井，首先采用4 部40 型鉆機(jī)統(tǒng)一實(shí)施一開作業(yè)，一開作業(yè)完成后采用4 部70 型鉆機(jī)實(shí)施二開、三開作業(yè)，先采用聚合物鉆井液依次完成5 口井二開作業(yè)，二開完鉆后，掃塞結(jié)束時(shí)在套管內(nèi)替換成合成基鉆井液進(jìn)行三開作業(yè)，回拖鉆機(jī)依次完成5 口井三開作業(yè)。該施工模式的優(yōu)勢(shì)是不同開次匹配相應(yīng)能力的鉆機(jī)，節(jié)約鉆機(jī)日費(fèi)；同開次統(tǒng)一施工使用相同型號(hào)鉆具，節(jié)省倒鉆具時(shí)間，有利于鉆井液的重復(fù)利用，同時(shí)有利于技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)提升，縮短鉆井周期。

2 井眼軌道優(yōu)化及控制技術(shù)

2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件模擬計(jì)算，造斜率一定(3.6 (°)/30 m)的情況下，隨造斜點(diǎn)變深，穩(wěn)斜段井斜角度增大，鉆具扭矩減小，同時(shí)定向造斜段長(zhǎng)度減小，下鉆過(guò)程中鉤載增加，表示井眼摩阻減小，因此，設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)下移，減少定向造斜段長(zhǎng)度以降低摩阻和扭矩，見圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)工況下不同穩(wěn)斜角扭矩曲線Fig.4 Torque curves with different stable angles under the rotating conditions

造斜點(diǎn)一定情況下，隨造斜率增大，鉆井總進(jìn)尺減小，鉆具扭矩增大，同時(shí)下鉆過(guò)程中鉤載減小，表示井眼摩阻增大，因此設(shè)計(jì)減小造斜率以降低摩阻和扭矩，見圖5。

圖5 旋轉(zhuǎn)工況下不同造斜率扭矩曲線Fig.5 Torque curves with different slope rates under the rotating conditions

根據(jù)牛頁(yè)井區(qū)鉆井地質(zhì)情況，優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，技術(shù)套管封過(guò)沙三中承壓能力低的砂巖層，并且二開套管鞋處位于穩(wěn)斜井段，因此優(yōu)化造斜點(diǎn)為2 400～2 500 m、造斜率3.6 (°)/30 m。

2.2 井眼軌跡控制技術(shù)

傳統(tǒng)的導(dǎo)向式滑動(dòng)鉆井工具應(yīng)用于大位移井存在著很多局限性，主要表現(xiàn)有：滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆柱不能旋轉(zhuǎn)，鉆具摩阻增大，鉆頭鉆壓施加困難，極大限制了機(jī)械鉆速和鉆井深度［4-6］；滑動(dòng)鉆井時(shí)巖屑攜帶困難，導(dǎo)致井眼凈化不良，容易引起井下故障；馬達(dá)鉆進(jìn)時(shí)工具面控制困難，測(cè)斜測(cè)方位時(shí)間較長(zhǎng)；旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不能調(diào)整井眼軌跡。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具根據(jù)導(dǎo)向方式可以劃分為推靠式和指向式2 種［7］。推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具是在鉆頭附近直接給鉆頭提供側(cè)向力，通過(guò)該力推靠鉆頭來(lái)改變鉆頭井斜和方位。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具是預(yù)先定向給鉆頭一個(gè)角位移，為鉆頭提供一個(gè)與井眼軸線不一致的傾角，并通過(guò)該傾角使鉆頭指向井眼軌跡控制方向。指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具相比推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具優(yōu)勢(shì)更加明顯，主要體現(xiàn)：整個(gè)導(dǎo)向工具連同上部鉆柱都可以旋轉(zhuǎn)，能克服摩阻有效傳遞鉆壓，提高破巖效率；避免井底巖屑堆積形成巖屑床，有利于井眼清潔；在極軟地層鉆進(jìn)時(shí)造斜能力也有了較大提高，造斜率可達(dá)10～15 (°)/30 m［8］。

針對(duì)頁(yè)巖油水平井滑動(dòng)鉆進(jìn)軌跡調(diào)整鉆速慢、時(shí)效低等問(wèn)題，試驗(yàn)井區(qū)在定向段采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，提高軌跡調(diào)整效率，同時(shí)為追層打下基礎(chǔ)。

3 鉆具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鉆具優(yōu)選

一開一趟鉆采用“PDC 鉆頭+塔式鉆具”，施工過(guò)程采用大排量(55 L/s)、高泵壓(＞15 MPa)，以水力破巖為主，利用塔式結(jié)構(gòu)防斜打直。

二開直井段一趟鉆采用“PDC 鉆頭+高效螺桿”，為提高機(jī)械鉆速，東營(yíng)組中部以上地層鉆井液性能調(diào)整為低黏、低切、低固相、高失水，充分釋放機(jī)械鉆速［9］；下部地層采用高清潔鹽水體系，低黏、低切，提高PDC 鉆頭水力破巖效率、提高螺桿水馬力。螺桿鉆具選用大扭矩等壁厚螺桿，進(jìn)一步提高軟～中地層破巖效率，PDC 鉆頭優(yōu)選抗沖擊屋脊復(fù)合片結(jié)構(gòu)，能夠有效抵抗礫石沖擊［10］，配合復(fù)合穩(wěn)斜鉆具結(jié)構(gòu)，小鉆壓低轉(zhuǎn)速穿越含礫地層［11］。

二開定向段選用“混合型鉆頭+大扭矩螺桿”，鉆頭采用副刀翼前置設(shè)計(jì)，提高鉆頭排屑能力，設(shè)計(jì)正反螺旋刀翼結(jié)構(gòu)，提高定向響應(yīng)，能夠解決定向難、造斜率低的問(wèn)題，見圖6。

圖6 ?311 mm 混合型鉆頭Fig.6 ?311 mm hybrid bit

三開采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，隨鉆測(cè)量自然伽馬跟蹤油層，確定目的層頂界深度，跟蹤調(diào)整井眼軌跡；若井底溫度過(guò)高，無(wú)法使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，水平段中后段采用“螺桿鉆具+水力振蕩器”的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向替代方案，同時(shí)配套使用潤(rùn)滑性好的合成基鉆井液體系，有效降低泥頁(yè)巖坍塌風(fēng)險(xiǎn)。為克服大井斜井段對(duì)鉆頭的側(cè)向磨損，高效實(shí)現(xiàn)硬地層定向和找油，選用背齒加強(qiáng)型PDC 鉆頭，見圖7。

圖7 ?215.9mm 背齒加強(qiáng)型PDC 鉆頭Fig.7 ?215.9 mm back-cutter reinforced PDC bit

4 提速配套技術(shù)

4.1 雙向扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

深層定向井、大位移井、長(zhǎng)水平段水平井滑動(dòng)定向鉆進(jìn)托壓?jiǎn)栴}突出，鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、扭矩設(shè)定，應(yīng)用該系統(tǒng)能夠縮短靜摩擦區(qū)、降低鉆具摩阻，使鉆壓有效傳遞至鉆頭，提高定向鉆進(jìn)速度［12］，見圖8、圖9。

圖8 鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)Fig.8 String bidirectional torsion control system

圖9 鉆柱雙向扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)工作示意圖Fig.9 Working process of the string bidirectional torsion control system

4.2 水力振蕩器

水平段中后段采用“螺桿鉆具+水力振蕩器+近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向”替代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，利用水力振蕩器上、下閥盤過(guò)流面積的變化產(chǎn)生壓力脈沖，形成軸向振動(dòng)，把井壁與鉆具的靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，可以將鉆壓有效傳遞至鉆頭，并提高定向工具面控制精度，解決深層下部井段托壓?jiǎn)栴}，同時(shí)還能提高鉆井液攜巖能力，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，最終提高整體機(jī)械鉆速［13］。

4.3 鉆井參數(shù)強(qiáng)化技術(shù)

采用70 型網(wǎng)電鉆機(jī)配套頂驅(qū)，三開配備52 MPa 以上的鉆井泵、地面管匯、水龍帶，同時(shí)采用?139.7 mm 大通徑鉆桿，為鉆井提速提供水力基礎(chǔ)，在裝備配套升級(jí)的前提下，強(qiáng)化“激進(jìn)”鉆進(jìn)參數(shù)，設(shè)計(jì)排量不小于30 L/s，泵壓32～35 MPa，提高水力破巖能力和巖屑上返效率［14］，有效提高機(jī)械鉆速。

5 精細(xì)控壓鉆井技術(shù)

裂縫發(fā)育儲(chǔ)層易鉆遇涌漏同層，傳統(tǒng)施工“見漏就堵、見涌就壓”，導(dǎo)致施工周期長(zhǎng)。應(yīng)用控壓鉆井技術(shù)，采用較低密度鉆井液鉆進(jìn)，通過(guò)靈活控制井口壓力，確保井底壓力處于密度窗口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)和油層保護(hù)，見圖10。

圖10 控壓鉆井流程Fig.10 MPD process

(1)不控壓鉆進(jìn)流程：鉆井泵→立管→鉆具內(nèi)→環(huán)空→旋轉(zhuǎn)控制頭→旁通閥→高架槽→振動(dòng)篩→循環(huán)池→鉆井泵；(2)控壓鉆進(jìn)流程：鉆井泵→立管→鉆具內(nèi)→環(huán)空→旋轉(zhuǎn)控制頭→控壓專用節(jié)流管匯→高架槽→振動(dòng)篩→循環(huán)池→鉆井泵；(3)溢流排氣循環(huán)流程：鉆井泵→立管→鉆具內(nèi)→環(huán)空→旋轉(zhuǎn)控制頭→控壓專用節(jié)流管匯→液氣分離器→高架槽→振動(dòng)篩→循環(huán)池→鉆井泵。

6 應(yīng)用效果分析

試驗(yàn)井組目前已完鉆12 口井，其中牛頁(yè)XX 井鉆井周期53 d，二開初期鉆井液保持低黏切低固相性能，配合高排量，日進(jìn)尺突破千米，平均機(jī)械鉆速22.3 m/h，比前期頁(yè)巖油試驗(yàn)井提速47.3%；三開采用“NOV 鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+導(dǎo)向馬達(dá)+水力振蕩器”鉆具組合鉆進(jìn)，定向井段使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具，配合高泵壓排量，機(jī)械鉆速達(dá)到13.04 m/h，水平段前期繼續(xù)采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向定向鉆進(jìn)，水平段中后期采用“抗高溫動(dòng)力鉆具+雙水力振蕩器”鉆具組合定向復(fù)合鉆進(jìn)，三開平均機(jī)械鉆速10.9 m/h，同時(shí)采用近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向，可以迅速感知地層變化，及時(shí)調(diào)整軌跡，滿足油氣層穿透率，實(shí)踐證明該鉆具組合能夠大幅度降低鉆井成本。

7 結(jié)論與建議

(1)叢式井組采用批鉆作業(yè)模式，小鉆機(jī)打表層，大鉆機(jī)打二開、三開，能夠充分利用現(xiàn)有鉆機(jī)配套資源，同開次的鉆井液可重復(fù)利用，有利于技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)提升，提高鉆井速度，但實(shí)踐證明，大、小鉆機(jī)的搬遷必須銜接緊密，否則會(huì)增加鉆井成本。

(2)鉆機(jī)裝備采用“網(wǎng)電鉆機(jī)+頂驅(qū)”，鉆井效率高，節(jié)能環(huán)保，52 MPa 鉆井泵能提高鉆頭水射流沖擊力，水力破巖能力強(qiáng)，建議普通開發(fā)井也從鉆井設(shè)計(jì)源頭強(qiáng)化水力參數(shù)設(shè)計(jì)，倒逼鉆井設(shè)備升級(jí)，進(jìn)一步促進(jìn)鉆井提速提效。

(3)目前的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具耐高溫性能還不能滿足要求，深井、高溫井還需要配套使用地面降溫系統(tǒng)，高溫、超高溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)仍是下步的重點(diǎn)攻關(guān)方向。