新場(chǎng)氣田長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)

胥 豪 唐洪林 張曉明

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017）

新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井組是部署在川西坳陷新場(chǎng)構(gòu)造北翼的一個(gè)長(zhǎng)水平段開(kāi)發(fā)水平井組。目的層上沙溪廟組，埋深2 100～2 300 m，儲(chǔ)層巖石以中—細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖及巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，部分井段夾有少量薄層棕紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖。儲(chǔ)層孔隙度平均為9%，為中低孔隙度儲(chǔ)層，儲(chǔ)層滲透率平均為0.13 mD，屬典型的致密氣藏，采用常規(guī)方式開(kāi)發(fā)效果不佳。隨著長(zhǎng)水平段水平井和大型加砂壓裂技術(shù)的應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè)效益得到顯著提升。

1 井身結(jié)構(gòu)和井眼軌道設(shè)計(jì)

新場(chǎng)氣田以往水平井多采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二開(kāi)采用?311.2 mm鉆頭鉆進(jìn)，?244.5 mm技術(shù)套管下至A靶點(diǎn)；三開(kāi)采用?215.9 mm鉆頭鉆至完鉆井深。采用此種設(shè)計(jì)方式有利于減少裸眼段長(zhǎng)度，從而降低摩阻和扭矩，達(dá)到降低鉆井施工難度的目的。但是由于二開(kāi)鉆頭尺寸較大，機(jī)械鉆速普遍較低，再加上中完作業(yè)，施工周期普遍較長(zhǎng)。

二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)水平井在相同的完鉆井眼尺寸條件下，上部井眼尺寸縮小，可大大提高機(jī)械鉆速，同時(shí)還減少了中完作業(yè)時(shí)間，并且節(jié)省了一定的套管和固井費(fèi)用，具有明顯優(yōu)勢(shì)。由于沙溪廟組以上地層壓力梯度自上而下逐漸增加，屬于正常壓力體系，基本不存在工程必封點(diǎn)［1］，因此井組3口井均采用了二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 新沙21井組井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了增大氣層裸露面積，配合大型加砂壓裂技術(shù)提高單井產(chǎn)量，新沙21井組3口水平井均設(shè)計(jì)為長(zhǎng)水平段水平井，采用“增—穩(wěn)—增”剖面類(lèi)型，軌道設(shè)計(jì)時(shí)加入一個(gè)20～30 m左右的穩(wěn)斜段，一方面有利于避免造斜率異常，給井眼軌跡控制提供便利，另一方面也有利于目的層垂深出現(xiàn)較大誤差時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行軌跡調(diào)整。3口井的井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，水平投影見(jiàn)圖1。

表2 新沙21井組井眼軌道設(shè)計(jì)

圖1 新沙21井組3口水平井水平投影

2 施工難點(diǎn)

（1）侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組地層以棕褐色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，夾雜部分長(zhǎng)石、石英、鈣質(zhì)，地層抗壓強(qiáng)度大、可鉆性差，鉆頭進(jìn)尺低，起下鉆頻繁［2］，在高密度、高摩阻、高扭矩情況下易導(dǎo)致井下復(fù)雜或事故的發(fā)生。

（2）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，二開(kāi)裸眼段摩阻扭矩極大，使得井眼軌跡控制困難，水平段后期容易出現(xiàn)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)效低，甚至于無(wú)法再進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)［3］。

（3）鉆井液性能要求高。井組所鉆地層壓力梯度為1.40～1.75 MPa/100 m，由于水平段長(zhǎng)，泄流面積大，因此給予0.15 g/cm3安全密度附加值，造斜段及水平段鉆井液密度多在1.60～1.90 g/cm3，部分鄰井鉆遇發(fā)育較好的地層，鉆井液密度甚至高達(dá)2.10 g/cm3。高密度下鉆井液潤(rùn)滑防卡、降摩減扭、防漏堵漏、穩(wěn)定井壁的難度大，另外還容易導(dǎo)致信號(hào)傳遞困難，降低鉆井效率。

（4）井身質(zhì)量要求高。新沙21井組共部署3口水平井，井間距4.00 m，因此直井段防斜打直非常重要；另外本井組水平段靶框要求上下2.00 m，左右15.00 m，長(zhǎng)水平段后期軌跡控制困難。

（5）井眼清潔困難。隨著水平段的延伸，攜巖越來(lái)越困難，容易在井眼低邊形成巖屑床；井眼環(huán)空小，若砂體疏松，鉆時(shí)較快，巖屑不能及時(shí)帶離井底時(shí)還容易造成卡鉆事故。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 直井段防碰技術(shù)

井眼軌跡防碰是叢式井組施工的重中之重，直井打直是叢式井防碰的最佳方式。采用?215.9 mm鉆頭+?203 mm鉆鋌+?214 mm扶正器+?177.8 mm鉆鋌+?165.1 mm鉆鋌的塔式加鐘擺鉆具組合，以40～80 kN的鉆壓和80～110 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)，重點(diǎn)井段加密測(cè)斜，并及時(shí)預(yù)測(cè)井眼間距。井組3口井直井段井斜大多小于1.70°，而區(qū)塊鄰井直井段井斜多在3～5°，防斜效果良好。造斜點(diǎn)相互錯(cuò)開(kāi)是叢式井防碰的主要措施之一［4］，新沙21-27H、28H、29H井實(shí)際造斜點(diǎn)分別為1 844.00 m、1 880.00 m、1 900.00 m，定向初始盡快使各井迅速分離，最終取得了防碰的成功。

3.2 斜井段及水平段井眼軌跡控制

長(zhǎng)水平段水平井與一般的水平井不同，減少摩阻、扭矩是最關(guān)鍵的問(wèn)題。實(shí)鉆過(guò)程中應(yīng)盡量控制好造斜率，避免因造斜率過(guò)高使得摩阻扭矩增大，增加后期施工難度［5］。在水平段應(yīng)通過(guò)鉆具組合和鉆井參數(shù)的調(diào)整達(dá)到穩(wěn)斜效果，避免過(guò)多調(diào)整井眼軌跡，從而提高鉆井效率。根據(jù)井眼特點(diǎn)和軌跡控制需要，新沙21井組先后采用了單彎動(dòng)力鉆具+MWD和小角度單彎動(dòng)力鉆具+欠尺寸扶正器的單彎雙穩(wěn)鉆具結(jié)構(gòu)，前者主要用于增斜段，后者主要用于水平段。

（1）增斜段。增斜段采用?215.9 mm鉆頭+?172 mm 1.5°單彎鉆具+MWD的鉆具組合，采用復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)交替進(jìn)行，實(shí)鉆軌跡滿(mǎn)足設(shè)計(jì)，且軌跡圓滑。新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井增斜段最高造斜率分別為27.17°/100 m、26.83°/100 m、27.37°/100 m，取得了良好的控制效果。

（2）水平段。水平段采用?215.9 mm鉆頭+?172 mm 1.25°單彎鉆具+?212 mm欠尺寸扶正器+MWD的單彎雙穩(wěn)鉆具組合，由于?172 mm動(dòng)力鉆具自帶外徑212 mm扶正塊，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)其效果類(lèi)似于強(qiáng)增斜鉆具。為了降低其增斜力，在動(dòng)力鉆具后接一個(gè)欠尺寸扶正器，形成單彎雙穩(wěn)鉆具組合，結(jié)合區(qū)塊鄰井使用經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選扶正塊20～30 cm的?212 mm扶正器，避免扶正塊過(guò)長(zhǎng)增大摩阻和扭矩。通過(guò)調(diào)整鉆井參數(shù)進(jìn)行井眼軌跡控制，根據(jù)鉆具組合控制效果和PDC鉆頭特性，采用合理鉆壓配合高轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速（110～120 r/min）進(jìn)行鉆進(jìn)，一方面有利于提高機(jī)械鉆速，另一方面也可提高攜巖效果?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)60 kN鉆壓井斜基本穩(wěn)定，鉆壓40 kN井斜微降，鉆壓80 kN井斜微增，水平段井斜基本趨于穩(wěn)定（見(jiàn)圖2），配合間斷滑動(dòng)鉆進(jìn)控制井斜，新沙21-27H、28H、29H井水平段滑動(dòng)進(jìn)尺占整個(gè)水平段長(zhǎng)度的比值分別為5.2%、3.9%、5.7%，取得了非常好的效果。

圖2 新沙21井組3口水平井水平段井斜變化率

3.3 水力振蕩器的應(yīng)用

水力振蕩器可通過(guò)水力的作用產(chǎn)生沿鉆具組合或者鉆桿軸線(xiàn)方向上的振動(dòng)，利用振動(dòng)將靜態(tài)摩阻轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)摩阻，從而大大減小鉆進(jìn)過(guò)程中的摩阻。水力振蕩器的優(yōu)勢(shì)在于降低鉆進(jìn)時(shí)的摩阻和扭矩，使得鉆壓更容易傳遞，工具面更加容易控制，從而提高鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械效率；另一方面水力振蕩器產(chǎn)生軸向高頻振動(dòng)，對(duì)鉆頭形成類(lèi)似于沖擊鉆井的效果，也有利于提高機(jī)械鉆速。在新沙21-28H井對(duì)Andergauge公司生產(chǎn)的水力振蕩器進(jìn)行了應(yīng)用。

新沙21-28H井定向段共采用2趟鉆完成，鉆頭性能一致，地層巖性相近。第1趟鉆未使用水力振蕩器，第2趟鉆使用，根據(jù)對(duì)比效果，采用水力振蕩器時(shí)定向鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高45.16%，復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高30.00%，取得了非常顯著的效果。但是由于該工具存在約3 MPa的壓差，現(xiàn)場(chǎng)受設(shè)備能力限制，施工排量較低，為了滿(mǎn)足攜巖需要，確保井下安全，未繼續(xù)使用。

3.4 摩阻扭矩跟蹤分析控制

長(zhǎng)水平段水平井摩阻扭矩是最突出的問(wèn)題，隨著位移增加，摩阻和扭矩相應(yīng)增加，如何對(duì)實(shí)鉆摩阻扭矩水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，以采取相應(yīng)的技術(shù)措施，從而達(dá)到安全快速鉆進(jìn)的目的是施工的重點(diǎn)［6-8］。由于新沙21-27H是3口井水平段最長(zhǎng)、位移最大的一口，因此重點(diǎn)對(duì)新沙21-27H井進(jìn)行了摩阻扭矩計(jì)算和分析。利用Wellplan軟件對(duì)上提下放摩阻以及扭矩值進(jìn)行跟蹤，并通過(guò)數(shù)據(jù)反算摩阻因數(shù)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，摩阻扭矩曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 新沙21-27H井斜井段摩阻扭矩曲線(xiàn)

從圖3可看出，井深2 500 m以后摩阻呈現(xiàn)較快增加趨勢(shì)，實(shí)鉆扭矩與理論計(jì)算扭矩出現(xiàn)較大背離，根據(jù)計(jì)算摩阻因數(shù)達(dá)到0.4～0.5，定向鉆進(jìn)比較困難。因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整鉆井液性能，增加潤(rùn)滑劑含量，確保摩阻扭矩不再繼續(xù)增加；鉆進(jìn)到3 090 m后進(jìn)行短起下鉆作業(yè)，暢通井眼，并加大鉆井液排量，確保攜巖，摩阻和扭矩水平得到改善。

3.5 鉆頭優(yōu)選

PDC鉆頭具有在井下工作時(shí)間長(zhǎng)、進(jìn)尺高、起下鉆次數(shù)少、可以大幅降低鉆井綜合成本等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)該區(qū)塊地層特點(diǎn)，結(jié)合PDC鉆頭適用性分析，優(yōu)選短保徑5刀翼PDC鉆頭，定向鉆進(jìn)時(shí)工具面穩(wěn)定、造斜能力強(qiáng)，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)切削能力強(qiáng)、扭矩小、鉆速快。新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井二開(kāi)斜井段均采用保瑞特ABS1605F鉆頭，平均鉆速分別為 4.09 m/h、4.12 m/h、3.21 m/h，表明該類(lèi)型鉆頭能夠適應(yīng)川西地區(qū)長(zhǎng)水平段水平井鉆進(jìn)，有利于提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。

3.6 鉆井液體系

新沙21井組3口水平井鉆井液體系基本一致，二開(kāi)均采用正電膠聚磺鉆井液體系，直井段遂寧組地層確保鉆井液具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑性和抑制防塌能力，進(jìn)入斜井段后逐步加入足量潤(rùn)滑劑增強(qiáng)鉆井液的潤(rùn)滑防卡性能?；九浞綖椋荷喜炕鶟{+2%～4%磺化酚醛樹(shù)脂+2%～4%無(wú)鉻磺化褐煤+1%～2%磺化丹寧+3%～4%瀝青類(lèi)防塌劑+3%～5%液體潤(rùn)滑劑+1%～2%極壓潤(rùn)滑劑+0.1%～0.2%乳化劑；進(jìn)入水平段后鉆井液配方為：上部基漿+4%～6%液體潤(rùn)滑劑+1%～2%聚合醇+1%～2%極壓潤(rùn)滑劑+0.1%～0.2%乳化劑，確保鉆井液具備很強(qiáng)的抑制性、封堵性，并加強(qiáng)維護(hù)，確保鉆井液性能穩(wěn)定。水平段鉆井液性能：密度1.89～1.95 g/cm3，漏斗黏度49～52 s，失水 3 mL，濾餅厚度 0.5 mm，pH 值 9，含沙量0.2%，塑性黏度32 mPa·s，動(dòng)切力14.5 Pa，初切5 Pa，終切12 Pa，固相含量34%，膨潤(rùn)土含量28.6 g/L，油含5.6%。在摩阻扭矩較大井段和定向鉆進(jìn)困難井段加入CC40、RH220、RH102等潤(rùn)滑材料，進(jìn)一步提高鉆井液潤(rùn)滑性能；在鉆井液循環(huán)系統(tǒng)方面采用四級(jí)凈化系統(tǒng)，并通過(guò)工程措施，采取短起下鉆、大幅度活動(dòng)鉆具、大排量循環(huán)等措施，確保攜巖，避免巖屑床的形成和堆積。

4 實(shí)鉆效果

通過(guò)采用以上措施，新沙21井組3口井均大幅度縮短了鉆井周期，完鉆指標(biāo)見(jiàn)表3。新沙21-27H井水平段氣層鉆遇率99.23%，新沙21-28H、29H井氣層鉆遇率100%，取得了良好的效果。

表3 新沙21井組三口水平井完鉆指標(biāo)

5 結(jié)論與建議

（1）選用合適的鉆具結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)你@井參數(shù)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)配合滑動(dòng)鉆進(jìn)的鉆井方式，能有效控制井眼軌跡，提高鉆井速度。

（2）通過(guò)摩阻、扭矩預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)實(shí)鉆摩阻因數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)調(diào)整鉆井液性能、配合短起下鉆工程措施，可以有效降低長(zhǎng)水平段水平井摩阻扭矩水平。

（3）利用諸如水力振蕩器一類(lèi)的新技術(shù)、新工具，有利于進(jìn)一步提升鉆井速度，縮短鉆井周期。

（4）根據(jù)區(qū)塊地質(zhì)條件，結(jié)合PDC鉆頭適用性分析，優(yōu)選具有切削能力強(qiáng)、扭矩小、鉆速快的PDC鉆頭，對(duì)于提高長(zhǎng)水平段水平井鉆井效率具有積極的作用。

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