叢式平臺鉆井技術(shù)在陜北油田開發(fā)中的應(yīng)用

朱萬存，葉蘭肅，羅 偉

(1.河南省地礦局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 商丘476000;2.河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 三河065201)

0 引言

叢式平臺鉆井是在一個油氣井場平臺上同時鉆出若干口甚至上百口井，各井的井距一般在4～6 m，而各井井底則伸向不同方位、不同深度，利用該種鉆采系統(tǒng)進行油氣礦藏開發(fā)。叢式平臺鉆井技術(shù)是針對區(qū)域地層巖性特征、地表地貌條件、目的層位賦存深度等具體情況，通過造斜段的選擇確定、適宜的井底靶點工程網(wǎng)度、合理的井眼軌跡控制、適用的鉆井工藝和優(yōu)化的鉆井液體系等成套鉆井技術(shù)，在有限的地表空間完成地下多口井的施工任務(wù)。

1 叢式平臺鉆井技術(shù)的優(yōu)越性

當今時代追求社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的情況下，需要技術(shù)與資源環(huán)境協(xié)調(diào)配合，以最小的工業(yè)成本支出獲取顯著社會效益，采用先進的工藝技術(shù)已成為社會必然趨勢。叢式平臺鉆井技術(shù)是目前大中型石油天然氣沉積型礦種，以及煤層氣、頁巖氣等新興能源勘探開發(fā)的一種先進的生產(chǎn)技術(shù)方式，并具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟和規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢:能夠加快油氣田勘探開發(fā)速度，節(jié)約鉆前費用、鉆井成本;提高原油產(chǎn)量和開發(fā)效益;節(jié)約土地占用面積，保護耕地和節(jié)約資源;完井后便于油井集中管理，減少集輸流程，節(jié)省人、財、物的投資等等。

2 叢式平臺鉆井技術(shù)的適用條件

2.1 油層含油特征基本具備

在全球石油資源緊張的情況下，為充分挖潛利用地下資源，服務(wù)于經(jīng)濟社會的高速發(fā)展的背景下，深度適宜的斑狀含油地層特征即具有工業(yè)開采價值，采用單個直井施工顯得成本偏高。

2.2 地表地貌特征復(fù)雜

區(qū)域地表地貌自然條件復(fù)雜，特別是在溝壑縱橫、山巒交錯地區(qū)，避開復(fù)雜地表地形條件的限制，節(jié)約場地平整費用，盡可能地減少植被破壞。

2.3 定向施工配套技術(shù)成熟

叢式井施工關(guān)鍵在于井眼軌跡防碰定向施工技術(shù)成熟，并合理組配鉆井工藝技術(shù)，能夠大力促進優(yōu)質(zhì)、高效、安全、快速鉆井獲得成功。

3 叢式鉆井施工的必要性和可行性

除了區(qū)域油層含油特征以及地表地貌復(fù)雜條件的限制，需要采取叢式平臺鉆井施工方案之外，還有如下應(yīng)用該項技術(shù)的必要性。

3.1 叢式平臺鉆井技術(shù)施工必要性

(1)在已探明儲量欠富、低滲透、特低滲油藏區(qū)域，在一個井場上布置多井眼施工，按照計劃井眼網(wǎng)間密度(井底靶點水平位移)，基本平行油層方向分布，能夠增大油氣開發(fā)有效滲流面積，減少油流阻力，聚集具有工業(yè)利用價值油氣藏流，有效提高油氣開發(fā)潛能。

(2)叢式平臺鉆井可減少單井施工中重復(fù)性開山鋪路、平整場地等艱巨復(fù)雜的鉆前工程。在當前全國耕地不足的情況下，節(jié)約工業(yè)占地面積，節(jié)省耕地占用費、青苗賠償費等鉆前成本開支;在施工期能夠較好地保護現(xiàn)有的資源環(huán)境，并降低平均鉆井成本費用。同時，完井后還節(jié)省油氣開發(fā)必要的水電、房屋建筑等基本建設(shè)投入。

(3)叢式井出油投產(chǎn)后，便于油井現(xiàn)場作業(yè)管理。和單井相比，能夠相對減少人員數(shù)量，充分發(fā)揮人的潛能和積極性、創(chuàng)造性，同時節(jié)約人力成本費用。

3.2 叢式平臺鉆井施工技術(shù)可行性

叢式平臺鉆井是在油氣勘查的基礎(chǔ)上所進行的開發(fā)性生產(chǎn)鉆井，其前提是已經(jīng)掌握詳細的地層地質(zhì)、油氣圈閉資料，在已揭示地層含油規(guī)律的基礎(chǔ)上開展的風險性較小的鉆井作業(yè)。已掌握地層造斜規(guī)律，定向技術(shù)已經(jīng)成熟地運用在鉆井生產(chǎn)之中，造斜費用低廉。同時有與之配套的鉆井液工藝技術(shù)，叢式油井進入水平段施工時，鉆具不粘不卡，呈低摩阻、低密度、高粘度等特點，具有良好流變性且能有效攜砂，采用無固相鉆井液快速鉆井，能夠最大限度地保護油層，擴大單井產(chǎn)能，增加開發(fā)效益。

4 陜北油田自然特點及地層條件

陜北油田地處鄂爾多斯盆地一平緩的西傾單斜斜坡構(gòu)造地帶，區(qū)域溝谷縱橫，山巒起伏交錯，地表地勢相對高差50～250 m，為典型的黃土高原地貌。區(qū)內(nèi)油氣流蘊藏在侏羅系的延7、延8和三疊系的長2、長3、長6等砂巖體內(nèi)，含油級別屬斑狀—不均勻—均勻等級，油氣藏深度分別在820～930和1360～1680 m之間。自上而下所遇到地層特征見表1。

表1 陜北油田區(qū)域地層特征

該區(qū)地層含油特征:油層地層壓力系數(shù)較低，約在0.9～1.0之間。區(qū)域油氣礦藏資源廣泛、深度適宜，地層相對穩(wěn)定。可采用無污染、低密度無固相鉆井液體系充分保護油層以及國內(nèi)外成熟的叢式井定向井施工技術(shù)，具備采取叢式平臺鉆井的客觀條件。

5 叢式平臺鉆井施工技術(shù)在陜北油田的應(yīng)用

5.1 井身結(jié)構(gòu)及井身剖面

5.1.1 井身結(jié)構(gòu)

5.1.2 井身剖面

該區(qū)叢式定向井采用的井身剖面類型為:“直－增－穩(wěn)”三段制剖面，必要時采用“直－增－穩(wěn)－降低”四段制剖面。

5.2 井眼軌跡控制技術(shù)

為防止叢式井臨井之間井眼軌跡相碰，并在目標開采層位范圍精確中靶，叢式井各定向井的直井段和造斜段鉆井過程中，必需監(jiān)測井眼軌跡具體數(shù)據(jù)，預(yù)測軌跡發(fā)展趨勢，實時做防碰掃描計算，嚴防井眼之間相碰。

5.2.1 直井段

在白堊系直井段采用塔式剛性鉆具組合防斜打直，加強井斜控制，確保井壁穩(wěn)定。造斜前200～300 m井段，堅持每鉆進50～100 m監(jiān)測井斜及方位。并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整鉆具組合和鉆進參數(shù)。

5.2.2 穩(wěn)斜段

造斜段完成，軌跡達到設(shè)計要求，進入穩(wěn)斜段，采用常規(guī)鉆具帶穩(wěn)定器鉆進。由于穩(wěn)斜段長，為準確中靶，施工過程中每鉆進40～50 m需監(jiān)測井斜、方位一次，出現(xiàn)偏差，通過調(diào)整鉆井參數(shù)、穩(wěn)定器位置或鉆具組合達到控制井眼軌跡目的，必要時加密(30 m左右)井身軌跡的監(jiān)測。若在穩(wěn)斜段鉆進中方位漂移過大且無法滿足軌跡控制要求，及時提鉆換鉆具組合，下入螺桿鉆具和MWD儀器調(diào)整軌跡，在軌跡接近設(shè)計方位線時，利用復(fù)合鉆進時方位的飄移規(guī)律進行微調(diào)，確保井眼軌跡圓滑，有利于井壁穩(wěn)定和安全鉆井。為了預(yù)防叢式定向井施工時鉆具經(jīng)常與井壁接觸產(chǎn)生吸附性卡鉆事故，穩(wěn)斜鉆具組合必要時加上隨鉆震擊器。陜北油田叢式定向井穩(wěn)斜段3種常用鉆具組合如下:(1)增斜鉆具組合，215.9 mm鉆頭+430×4A0+213 mm穩(wěn)定器+單流閥+159 mm無磁鉆鋌+螺桿鉆具+127 mm加重鉆桿 +127 mm鉆桿;(2)穩(wěn)斜鉆具組合，215.9 mm鉆頭+430×4A0+單流閥+213 mm穩(wěn)定器+159 mm無磁鉆鋌+127 mm加重鉆桿+隨鉆震擊器+127 mm鉆桿;(3)降斜鉆具組合，215.9 mm鉆頭+430×4A0+單流閥+159 mm短鉆鋌(1 m)+213 mm穩(wěn)定器+159 mm無磁鉆鋌+127 mm加重鉆桿+隨鉆震擊器+127 mm鉆桿。

6 施工難點及技術(shù)對策

6.1 施工難點

(1)陜北油田造斜井段以下地層巖性不均，有大段硬脆性泥巖、灰?guī)r，易水化膨脹、裂解垮塌;穩(wěn)斜層段砂、泥巖互層頻繁，易造漿、泥包鉆頭;含油地層滲透性好，存在微裂縫，發(fā)生輕漏失。總之井眼安全穩(wěn)定程度相對較差。

(2)直井段防斜與打快的矛盾，長穩(wěn)斜段的軌跡控制精度要求高，軌跡控制難度大。由于受地面等條件限制，井場小，叢式井組井距小，防碰繞障難度大。

6.2 技術(shù)措施和對策

6.2.1 鉆頭優(yōu)選

利用巖石可鉆性、硬度和抗壓強度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)優(yōu)選鉆頭，統(tǒng)計分析陜北油田的鉆頭使用情況，探索選擇適合該區(qū)塊的高效鉆頭。

該區(qū)定向井造斜施工多在白堊系洛河組砂巖地層穩(wěn)定井段，選用J11或SH22R型鑲齒密封滑動三牙輪鉆頭，該類型鉆頭牙齒呈勺形，保徑效果好，軸承壽命長，適宜造斜及以上井段組織快速鉆井，使用該種鉆頭平均機械鉆速在30m/h左右。穩(wěn)斜段集中在侏羅系、三疊系的安定、直羅、延安、延長4個組段，泥巖、砂巖頻繁互層，局部含鈣質(zhì)灰?guī)r、水敏性強的頁巖和硬質(zhì)泥巖層段。在該井段使用J22或XHP2系列三牙輪鉆頭，其自潔性能好，機械鉆速高達15 m/h左右。2007～2009年，我們在該區(qū)施工深度1600～1800 m之間的叢式定向井，二開以下井段采用2個該類型鉆頭就能夠完成單井施工任務(wù)。

6.2.2 優(yōu)化工藝

6.2.2.1 合理鉆壓是提高鉆井速度的重要手段

依據(jù)鉆具、鉆頭、地層可鉆性和井眼狀況等情況選擇合適的鉆壓。上部直井段采用180～220 kN壓力均勻送鉆;造斜段采用40～60 kN小鉆壓鉆進，且從造斜段整體上考慮控制每一單根鉆進參數(shù)，并滿足井眼軌跡控制要求。下部穩(wěn)斜井段恢復(fù)正常壓力參數(shù)，并隨鉆監(jiān)測井斜變化曲率。

6.2.2.2 鉆井液方面

(1)大排量為造斜段螺桿鉆具提供足夠的動力;

(2)提高粘度和切力，充分的攜帶巖屑;

(3)合理的鉆井液密度，平衡地層壓力，同時降低失水，增加井壁穩(wěn)定性;

(4)加入足夠的防塌劑、潤滑劑預(yù)防阻卡。

施工中采用 K－PAM—CMC—Ca－HPAN—K－HPAN—HPAN復(fù)合型無固相鉆井液體系，該型鉆井液能有效控制固相含量和API失水，抑制復(fù)雜地層，適合該區(qū)叢式井安全鉆井工作要求。其中的聚丙烯酸鉀(K－PAM)和水解聚丙烯腈鉀鹽粉末(K－HPAN)充分水解后，向地層提供鉀離子，利用鉀離子晶格嵌位作用，抑制泥巖的水化膨脹、剝落掉塊趨勢;高分子聚合物—水解型聚丙烯酰胺，包被、紊凝作用強，能有效地控制鈷屑分散、抑制固含升高;Ca－HPAN及分解后的鉀離子在局部鈣灰質(zhì)泥巖井段向地層提供K+、Ca2+離子，保持井眼－地層間礦化度平衡;體系中CMC的 COOH－、OH－等親水基團，束縛泥漿中的自由水，與 Ca－HPAN、KHPAN、HPAN結(jié)合后，形成中低分子鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具提粘、降失水作用;加入磺化瀝青、無螢光潤滑劑(WIF)，提高泥漿防塌潤滑效果。具體配方如表2所示。

表2 K－PAM—CMC—Ca－HPAN—K－HPAN—HPAN無固相泥漿體系各井段配方及性能

7 叢式平臺鉆井技術(shù)應(yīng)用效果

7.1 提高技術(shù)含量，增加經(jīng)濟效益

叢式平臺鉆井與定向技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)質(zhì)鉆井液工藝的成功運用，高技術(shù)含量、高附加值的鉆井施工特點顯現(xiàn)出綜合技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。我們在陜北油田應(yīng)用叢式平臺鉆井施工技術(shù)以來，不但縮短了施工周期，降低鉆井成本，同時帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

7.2 提高技術(shù)競爭力，贏得地質(zhì)市場

采用叢式平臺鉆井能夠在有限的時間內(nèi)快打、多打優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)井，同時，為建井單位批量投產(chǎn)、早日生產(chǎn)、提高產(chǎn)出油率創(chuàng)造條件，獲得了良好的口碑，贏得了較高的市場占有率。

7.3 節(jié)約搬遷費用，提高設(shè)備利用水平

一個井場布置多個井眼，避免鉆井設(shè)備頻繁搬遷，既減輕勞動強度，又降低平均搬遷成本費用，提高設(shè)備利用率，縮短鉆月時間，提高臺月利用率，間接地增加了效益，同時還節(jié)約了其他鉆井成本費用。同一個井場上舊泥漿經(jīng)過絮凝沉淀處理后可重新利用，泥漿材料費用亦得到了相應(yīng)比例的減少。

8 叢式平臺鉆井技術(shù)社會經(jīng)濟效益分析

8.1 技術(shù)經(jīng)濟效益分析

叢式平臺鉆井技術(shù)應(yīng)用于陜北油田鉆探生產(chǎn)施工以來，帶來了巨額收入和明顯的社會經(jīng)濟效益。

2009年陜北油田叢式鉆井平臺與單井施工代表性技術(shù)經(jīng)濟資料統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

表3 2009年陜北油田叢式鉆井平臺與單井施工代表性技術(shù)經(jīng)濟資料統(tǒng)計數(shù)據(jù)

ZJ20B(或F－3200)型配套鉆井設(shè)備從事叢式平臺井施工，一年可完成4個平臺共18眼1620 m深的油井。同類設(shè)備從事單井施工，最多可完成8眼1560 m深的油井。叢式井單位鉆井價格280元/m，單位平均材料鉆井成本81.18元/m;單井施工單位價格330元/m，單位平均材料鉆井成本107.69元/m。另外從事叢式井施工造斜費用3萬元/井，可節(jié)約泥漿費用0.2萬元/井;搬遷費6.5萬元/井，叢式井井眼移位費0.5萬元/井，平均2.0萬元/井;鉆前開通道路、平整井場、土地有償轉(zhuǎn)讓使用權(quán)、青苗賠償?shù)荣M用合計達15萬余元，該項費用屬于建設(shè)單位支付。

叢式鉆井與單井施工2個代表年統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4。

表4 2009年叢式鉆井與2006年單井施工對比

從表4中對比分析得出:

(1)叢式井施工節(jié)約了搬遷時間，提高了臺月利用率，年鉆月時間長，設(shè)備利用率高，為開展工廠式鉆井施工提供了條件，同時減少搬遷次數(shù)，節(jié)省搬遷費用，能夠充分集約利用工業(yè)生產(chǎn)時間，最大程度地創(chuàng)造規(guī)模鉆井效益。

(2)典型代表年叢式平臺鉆井與單井相比，相同鉆井設(shè)備一年可比單井施工多10眼井，數(shù)量相當于單井施工的2.25倍。鉆探工作量叢式井是單井施工的2.17倍，增加15623.6延米，增幅117%。純鉆時間得到充分利用，采用無固相鉆井液技術(shù)，鉆探效率亦得到大幅度提升，提高43.91%。

(3)雖然叢式井價格低于單井，由于叢式井鉆井成本偏低，其單位邊際收益略小于單井施工邊際收益［(280－81.18)＜(330－107.69)］，從收入(811.33＞440.63)和毛收益(565.18＞296.42)兩方面分析，叢式井明顯高于單井施工，前者分別是后者的1.84倍和1.91倍，增幅分別為84.13%和90.67%。

(4)叢式井平均移位費用2.0萬元/井，是單井施工搬遷費(6.0萬元/井)的33.33%，加上叢式井施工的造斜費用3萬元/井，仍然低于單井搬遷費(5.0＜6.0)。另外，每眼井還可節(jié)約泥漿費用0.3～0.9萬元，平均節(jié)約0.6萬元/井。

8.2 資源環(huán)境與社會效益分析

(1)減少耕地占用面積，節(jié)約土地資源，保護農(nóng)業(yè)環(huán)境，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

(2)舊泥漿的處理和重新利用避免對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的污染。

(3)得到當?shù)卣用竦闹С郑玫卮龠M當?shù)亟?jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展。

(4)加強鉆井現(xiàn)場管理，形成規(guī)模鉆井條件，促進鉆井作業(yè)工廠化。

9 結(jié)語

由于陜北油田油氣資源豐富，地表地貌復(fù)雜，在叢式平臺鉆井技術(shù)成熟、可行的條件下，有必要應(yīng)用該項技術(shù)。采用叢式平臺井施工在產(chǎn)生良好的社會效益同時，還要創(chuàng)造出比單井施工高得多的經(jīng)濟效益，通過多方面的數(shù)據(jù)綜合對比說明，叢式平臺鉆井適用于該區(qū)施工，是一項值得推廣的、能產(chǎn)生規(guī)模效益的鉆井技術(shù)。

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