加拿大Daylight油田致密砂巖油藏優(yōu)快鉆井技術

侯立中, 談 心, 曲洪娜

(中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029)

目前，北美地區(qū)致密油藏的開發(fā)已經(jīng)形成商業(yè)規(guī)模，其配套的優(yōu)快鉆井技術也日益成熟，且仍在不斷完善[1]。國內(nèi)在致密砂巖油氣開發(fā)方面有一定的技術積累，而頁巖油氣開發(fā)剛剛起步，部分地區(qū)的頁巖油氣井壓裂后，未能達到期望的“臨界產(chǎn)量”[2-4]。國內(nèi)頁巖油氣藏的開發(fā)仍處于高投入階段，成本是主要的制約因素[5]。鉆井專家已在提速增效等方面做了大量的研究工作[6-7]，并逐步應用到開發(fā)中，取得了較好的效果，但對國外的類似技術詳細而全面的案例分析和對比還很少，且不系統(tǒng)。

Daylight油田位于加拿大阿爾伯達西北和英屬哥倫比亞東北部，面積4 684 km2，目前日產(chǎn)油量約6 000 t。2012年共完鉆127口井，總進尺43.57×104m，平均機械鉆速21.8 m/h。2013年5月份完鉆的Pembina區(qū) 12-2 井，目的層為Cardium組致密砂巖油層，設計井深4 542 m，水平段長2 973 m，垂深1 334 m，40級壓裂，鉆井周期僅20 d。筆者結合國內(nèi)優(yōu)快鉆井技術特點，對Daylight油田的鉆井技術進行了研究，以期應用于國內(nèi)的致密油油藏開發(fā)中，達到降本增效的目的。

1 地層巖性

Daylight油田主要包括3個油區(qū)，分別是北部的Elmworth油區(qū)，主要資源類型為干氣；中部West Central油區(qū)，資源類型為濕氣；南部Pembina油區(qū)，主要資源類型為輕質(zhì)油和濕氣。Daylight油田在鉆井過程中，自上而下鉆遇白堊系、侏羅系、三疊系和泥盆系地層，由陸相—淺海相逐步過渡至海相沉積。地層巖性以砂巖、礫巖及灰?guī)r為主(見表1)。

表1 Daylight油田主要目的層及巖性Table 1 Primary target zones and lithology in Daylight Oilfields

Elmworth油區(qū)儲層屬于常溫低壓、特低孔低滲致密砂巖氣藏，主要目的層為Cadomin、Nikanassin以及Montney組地層。Cadomin組地層為礫巖氣層，埋深約2 650 m，厚度10～15 m，孔隙度3%～7%，滲透率0.5～4.0 mD；Nikanassin組地層為致密砂巖氣層，埋深約3 000 m，厚度70～140 m，孔隙度2%～6%，滲透率0.3～0.7 mD。

West Central油區(qū)屬于常溫低壓、低孔低滲致密砂巖富含液氣藏，主要目的層為Cardium組地層，埋深約2 500 m，厚度6～15 m，孔隙度10%～20%，滲透率0.1～10.0 mD。

Pembina油區(qū)屬中低孔、低—特低滲巖性油氣藏，主要目的層為Cardium和Belly River組地層。Cardium組地層為致密砂礫巖油層，厚度為13～20 m，埋深約1 200 m,孔隙度3%～13%，滲透率0.02～3.00 mD。地區(qū)中部物性較好，孔滲較高，屬正常油藏；地區(qū)兩側物性較差，屬致密砂巖油藏[8]，油層分布較穩(wěn)定，分布范圍較廣。Belly River組油層為致密砂巖油層，厚度4～5 m，埋深約1 000 m，為低孔低滲儲層，分布穩(wěn)定。

2 優(yōu)快鉆井技術

經(jīng)過多年探索，Daylight油田已經(jīng)形成了較為成熟的配套鉆井技術，由早期的直井開發(fā)到如今的長水平段水平井開發(fā)、由水基鉆井液到油基鉆井液鉆井，優(yōu)快鉆井技術日趨成熟。同時，借助于北美地區(qū)發(fā)達的技術服務市場和信息技術，形成了適合該油田致密砂巖油藏開發(fā)的系列技術。

2.1 井身結構設計

Daylight油田地層壓力系統(tǒng)為常壓體系，地層穩(wěn)定。井身結構設計主要依據(jù)以下原則：1)根據(jù)保護地下水的要求，采用油基鉆井液或者欠飽和/飽和鹽水鉆井液施工時，施工前需要對地表水進行保護，并根據(jù)當?shù)氐乇硭疃日{(diào)整表層套管下深，避免污染地下水；2)利用鄰井地層壓力調(diào)研數(shù)據(jù)，根據(jù)溢流允許量，計算表層套管最淺下深(Daylight油田的溢流允許量設計為2 m3)；3)利用阿爾伯達能源資源保護局網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)平臺，收集擬鉆井周圍10 km以內(nèi)所有井的資料，獲取相關地層壓力、地表水狀況、H2S、鉆井復雜情況以及地層應力等數(shù)據(jù)資料，為鉆井設計提供技術數(shù)據(jù)[9-10]；4)工區(qū)內(nèi)鉆井井下故障以漏失為主，無井涌、井塌等其他井下故障，且漏失量較少，不需進行專門的堵漏作業(yè)，僅添加隨鉆堵漏材料進行封堵。

Elmworth油區(qū)和中部West Central等以Cadomin、Montney組地層為目的層的水平井，以三開井身結構為主：一開為直井段，φ311.1 mm井眼下入φ244.5 mm套管；二開φ222.2 mm井眼鉆至井深1 630 m左右后造斜，鉆至井深2 200 m左右下入φ177.8 mm套管至A點，套管封隔高壓層Montney/Duvernay組；三開采用φ155.6 mm鉆頭鉆進水平段，鉆至井深3 500 m左右?guī)Х飧羝飨氯毽?14.3 mm襯管，該襯管也是壓裂管串，先懸掛后回接，不固井。

南部Pembina地區(qū)，屬中低孔、低—特低滲巖性油氣藏，主要是以Cardium、Belly River組地層為目的層的水平井，以二開井身結構為主：一開采用φ279.4 mm鉆頭鉆至井深約320 m，下入φ219.1 mm套管；二開采用復合井眼，鉆至設計井深約2 850 m，φ171.4 mm鉆頭鉆至A點，φ158.8 mm鉆頭鉆至完鉆井深，水平段長1 300～1 500 m，下入帶封隔器的φ114.3 mm套管，采用分級固井，分級箍位于A點附近，封隔器位于水平段。該井身結構減小了井眼尺寸，減小了破巖面積，節(jié)省了φ177.8 mm套管費用。

2.2 鉆頭優(yōu)化設計

主要依據(jù)地層的巖石可鉆性進行鉆頭設計，從地層巖性、巖石強度著手，參考鄰區(qū)、鄰井鉆頭使用情況綜合優(yōu)選。Daylight油田油藏埋藏淺，地層主要為中生界地層，巖性以砂泥巖為主，巖石強度相對較低，沉積巖地層強度多在100 MPa以下，變質(zhì)巖多在200 MPa以下。已經(jīng)取得的資料表明：埋深2 380～2 410 m地層的抗壓強度為172～241 MPa，埋深2 410～2 500 m地層的抗壓強度為70～140 MPa，埋深3 450～3 500 m地層的抗壓強度為140～280 MPa，適合使用PDC鉆頭鉆進，較少使用牙輪鉆頭[11]。實際設計時，通過阿爾伯達能源資源局網(wǎng)站得到不同區(qū)塊、不同廠家鉆頭使用情況及原始測井資料，進行分析研究。北美地區(qū)具備成熟的服務市場，Halliburton、NOV等鉆頭服務與制造廠商利用測井資料優(yōu)選鉆頭，并時刻跟蹤鉆頭的使用情況，研制了專用的PDC鉆頭，并不斷進行優(yōu)化。Daylight油田部分鉆頭優(yōu)選結果見表2。

表2 鉆頭優(yōu)選結果Table 2 Results of bit optimization

為了快速鉆穿軟硬交錯的井段，還專門研制了Kymera PDC-牙輪復合鉆頭(見圖2)。與傳統(tǒng)PDC鉆頭相比，復合鉆頭能夠充分發(fā)揮PDC鉆頭切削和牙輪鉆頭的碾壓作用，降低鉆削扭矩，在鉆進軟硬交錯或夾層較多的地層時，具有較小的扭轉振動和較好的定向控制性能；與傳統(tǒng)的牙輪鉆頭相比，軸向轉動較少，提高了機械鉆速，延長了鉆頭的使用壽命。

圖1 Kymera復合鉆頭Fig.1 Kymera composite drill bit

2.3 鉆井液技術

Daylight油田泥巖水敏性強，開發(fā)初期使用水基鉆井液時井壁失穩(wěn)嚴重。20世紀80年代使用油基鉆井液后，井壁失穩(wěn)問題得到解決[12-13]。根據(jù)保護地表水的要求，一開使用水基鉆井液；二開直井段和定向段使用逆乳化油基鉆井液(即油包水體系)，油水比為90∶10，三開水平段使用油水比為95∶5的油基鉆井液，以減小水平段作業(yè)時的摩阻，有利于水平段的延伸。基油選擇礦物油，極少數(shù)公司使用原油，非化石油(如植物油提取)也有所應用。二開和三開對鉆井液性能的要求見表3，實際鉆井液的性能均優(yōu)于該要求，其中破乳電壓性能更優(yōu)。

表3二開及三開鉆井液性能

Table3Drillingfluidpropertiesofsecondandthirddrillingsections

性能二開三開密度/(kg·L-1)1.00～1.051.00～1.05漏斗黏度/s45～6545～65油水比90∶1095∶5塑性黏度/(mPa·s)<30<30動切力/Pa2.01.0～2.0靜切力/Pa2.0～5.03.0～5.0破乳電壓/V>800>800高溫高壓濾失量/mL<10<10生石灰加量/(kg·m-3)10～1510～15CaCl2加量,%>23>23水相鹽度/(mg·L-1)>277 900>277 900

施工中對鉆井液的主要維護處理措施有：1)使用油基鉆井液鉆水泥塞；2)使用乳化劑Invermul、Ez-Mul，保持油基鉆井液的破膠電壓高于800 V，現(xiàn)場實際控制在1 100～1 200 V；3)隨鉆補充CaCl2、BaroFibre(纖維)、Durateon、BarBlok和DrilTreat，提高鉆井液的流變性和高溫穩(wěn)定性，并有效防止其漏失；4)預配漿由Invermul、Lime、Durateon、BarBlok和DrilTreat組成；5)保持固控設備運行良好，二開振動篩使用200目篩布，離心機轉速2 900～3 200 r/min,三開振動篩使用325目以上篩布，離心機轉速2 900～3 200 r/min；6)三開井段補充加入BaroLube提高潤滑性能，加入Torque-Less降低水平段摩阻；7) 保持低固相含量低于8%，降摩減阻劑加量不少于 3 L/m3。

2.4 井眼軌跡控制技術

非常規(guī)油氣的開發(fā)大多采用“井工廠”的模式，井眼防碰是一個關鍵的問題，必須進行一體化、系統(tǒng)化的設計[14]。在軌道設計時，要求直井段提前防碰，造斜段采用中半徑剖面，水平段縮短滑動進尺并避免大段滑動，以達到安全、快速鉆進的目的[15]。在造斜段，采用中半徑剖面，造斜點至完鉆井深垂深差和靶前位移基本保持在300～400 m。長水平段井造斜率(5°～6°)/30m ，水平段較短的井保持在(7°～8°)/30m。這樣，減小管串下入難度，減小水平段作業(yè)時的摩阻，防止狗腿度過大引起鉆桿、油管摩損套管。同時，較低的造斜率雖然延長了定向段進尺，但是可以使用較大彎角的螺桿，以縮短滑動進尺，增加復合鉆進進尺。

為了解決水平井鉆進中的托壓問題，Daylight油田采用了“振蕩鉆井”技術，主要是借助于頂驅(qū)的Rocking Drilling功能模塊，它位于定向鉆井模塊內(nèi)，在地面對鉆具組合施加周向往復的振動，經(jīng)驗值設置15 r/min，鉆具每正轉4～5圈后，自動反轉4～5圈，來回往復。另外一種工具是AGITATOR，需接在鉆頭以上500～600 m左右位置，通過對鉆具組合施加輕柔的震蕩，來提高鉆壓傳遞效果，降低摩阻。但工具壓降比較大，通常在6 MPa左右，限制了工具的應用范圍。實際應用中，根據(jù)井下摩阻情況，單獨使用AGITATOR或Rocking Drilling，或者兩者同時使用。即便如此，水平段定向鉆進仍然要非常謹慎，每次定向鉆進進尺不超過2 m。定向作業(yè)施工時間很長，需要反復上提下放鉆具來解決托壓問題。

鉆至設計井深后，循環(huán)起鉆，換欠尺寸劃眼器進行全井段劃眼，要求劃眼器外徑150～152 mm，主要目的是破壞水長平段中形成的巖屑床和狗腿，使井眼軌跡更平滑，以利于套管和封隔器的下入。鉆具組合為：φ158.8 mm鉆頭+雙母接頭+單根鉆桿+φ150.0 mm劃眼器+鉆桿+加重鉆桿(井斜角小于60°)。以無鉆壓(<10 kN)劃眼，轉速80 r/min，劃眼至井底循環(huán)后短起至套管鞋，通井一次，循環(huán)后起鉆。使用劃眼器劃眼后，下放摩阻由350～400 kN下降至140～150 kN。井深4 400 m處的上提摩阻130～140 kN，下放摩阻150～160 kN，表明劃眼后有效清除了巖屑床和狗腿，清潔修整了井眼。起鉆前，注入封閉漿至裸眼段，準備下套管。

此外，利用黑匣子(Black Box)測量記錄井下黏滑等現(xiàn)象，來優(yōu)化施工參數(shù)。鉆井過程中，井底瞬時轉速可能達到地面轉速的3～15倍，鉆具組合中，利用Black Box短節(jié)測量軸向振動、扭轉振動和鉆柱轉速，測量數(shù)據(jù)在井下存儲，起鉆后在地面讀取，分析鉆柱運動特性，優(yōu)化設計井下鉆具組合。

3 應用效果

經(jīng)過工藝優(yōu)化和管理完善，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本。Warburg地區(qū)的平均井深為3 000 m，2010和2011年的平均鉆井周期為18 d，而2012年則為8 d，鉆井周期大幅度縮短(見表4)。Warburg地區(qū)2012年鉆井成本為585美元/m，比2011年的765美元/m降低了24%；Brazeau地區(qū)的井更深一些，鉆井成本降低了32%。

表4 2012年主要完鉆井情況Table 4 Wells drilled and completed in 2012

4 結論與認識

1) 周密的工程設計，先進的鉆井設備、工具，參數(shù)優(yōu)選，以及現(xiàn)場作業(yè)不同專業(yè)間的協(xié)調(diào)合作，為Daylight油田快速鉆井提供了保障。

2) 通過探索形成了配套的鉆井技術，包括井身結構設計、鉆井液、鉆頭優(yōu)化和井眼軌跡控制等技術，為國內(nèi)非常規(guī)油田開發(fā)提供了一定的技術思路。

3) 對Daylight油田部分區(qū)塊的較深井進行開發(fā)時，需要繼續(xù)優(yōu)化工藝技術、提升管理水平，進一步降低鉆井成本、提高油田的經(jīng)濟效益。

參考文獻
References

[1] 梁濤，常毓文，郭曉飛，等.巴肯致密油藏單井產(chǎn)能參數(shù)影響程度排序[J].石油勘探與開發(fā)，2013，40(3)：357-362.

Liang Tao,Chang Yuwen,Guo Xiaofei，et al.Influence factors of single well’s productivity in the Bakken tight reservoir[J].Petroleum Exploration and Development，2013，40(3)：357-362.

[2] 賈承造，鄒才能，李建忠，等.中國致密油評價標準、主要類型、基本特征及資源前景[J].石油學報，2012，33(3)：343-350.

Jia Chengzao,Zou Caineng，Li Jianzhong,et al.Assessment criteria,main types,basic features and resource prospects of the tight oil in China[J].Acta Petrolei Sinica，2012，33(3)：343-350.

[3] 鄒才能，朱如凱，吳松濤，等.常規(guī)與非常規(guī)油氣聚集類型、特征、機理及展望：以中國致密油和致密氣為例[J].石油學報，2012，33(2)：173-187.

Zou Caineng,Zhu Rukai,Wu Songtao,et al.Types，characteristics，genesis and prospects of conventional and unconventional hydrocarbon accumulations:taking tight oil and tight gas in China as an instance[J].Acta Petrolei Sinica，2012，33(2)：173-187.

[4] 王永輝，盧擁軍，李永平，等.非常規(guī)儲層壓裂改造技術進展及應用[J].石油學報，2012，33(1)：150-157.

Wang Yonghui,Lu Yongjun，Li Yongping，et al.Progress and application of hydraulic fracturing technology in unconventional reservoir[J].Acta Petrolei Sinica，2012，33(1):150-157.

[5] 葛洪魁，王小瓊，張義.大幅度降低頁巖氣開發(fā)成本的技術途徑[J].石油鉆探技術，2013，41(6)：1-5.

Ge Hongkui，Wang Xiaoqiong，Zhang Yi.A technical approach to reduce shale gas development cost[J].Petroleum Drilling Techniques，2013,41(6):1-5.

[6] 韓來聚，周延軍，唐志軍.勝利油田非常規(guī)油氣優(yōu)快鉆井技術[J].石油鉆采工藝，2012，34(3)：11-15.

Han Laiju,Zhou Yanjun,Tang Zhijun.High quality and fast drilling techniques for unconventional oil and gas reservoirs in Shengli Field[J].Oil Drilling & Production Technology，2012，34(3)：11-15.

[7] 許孝順.墨西哥EPC區(qū)塊優(yōu)快鉆井技術[J].石油鉆探技術，2011，39(5)：53-57.

Xu Xiaoshun.Slimhole horizontal drilling technology for EPC Block in Mexico[J].Petroleum Drilling Techniques，2011，39(5)：53-57.

[8] 諶卓恒，Kirk G Osadetz.西加拿大沉積盆地Cardium組致密油資源評價[J].石油勘探與開發(fā)，2013，40(3)：320-327.

Chen Zhuoheng,Kirk G Osadetz.An assessment of tight oil resource potential in the Upper Cretaceous Cardium Formation,Western Canada Sedimentary Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2013,40(3):320-327.

[9] Sangeeth George Mathew，Ghasem G Nasr.Optimized drilling by improved well control using MPD in narrow pressure window[R].SPE 157075,2012.

[10] Economides Michael J，Martin Tony.Modern fracturing-enhancing natural gas production[M].Houston:ET Publishing，2007.

[11] Hanna Chase,Douglas Charles H S,Asr Hany，et al.Application specific steel body PDC bit technology reduces drilling costs in unconventional North America shale plays[R].SPE 144456，2011.

[12] Zou Xiaoping,Huang Yingshi.Successful approach to push ERD limit,optimize production,and optimize reserve recovery of an extended reach oil field[R].SPE 166654,2013.

[13] Juma Al Shamsi,Adnan Mohammed Al Menhali.Successful application of extended reach drilling(ERD)technology in Super Giant Onshore Middle East Field,case study[R].SPE 161281，2012.

[14] 魏海峰，凡哲元，袁向春.致密油藏開發(fā)技術研究進展[J].油氣地質(zhì)與采收率，2013，20(2)：62-65.

Wei Haifeng，F(xiàn)an Zheyuan，Yuan Xiangchun.Research progress of development technology in tight oil reservoir[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2013,20(2):62-65.

[15] 趙政璋，杜金虎.致密油氣[M].北京：石油工業(yè)出版社，2012：150-188.

Zhao Zhengzhang，Du Jinhu.Tight oil and gas[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2012:150-188.