超低滲淺層油藏水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)與突破

郝世彥 李偉峰 郭春芬

（ 延長(zhǎng)油田股份有限公司 ）

超低滲淺層油藏水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)與突破

郝世彥 李偉峰 郭春芬

（ 延長(zhǎng)油田股份有限公司 ）

針對(duì)延長(zhǎng)東部油區(qū)低滲—超低滲儲(chǔ)層埋深淺，地層壓力低，常規(guī)井開(kāi)發(fā)井多、低產(chǎn)、低效問(wèn)題日益突出的難題，以及水平井開(kāi)發(fā)受低溫、低壓、埋深因素干擾，建井難度高的問(wèn)題，開(kāi)展了淺層—超淺層大位移水平井鉆完井配套技術(shù)研究與應(yīng)用。創(chuàng)新水平井鉆井壓裂一體化理念，針對(duì)壓裂后易形成水平縫的低壓淺層油藏，采用“弓形”水平井設(shè)計(jì)方法，配合淺層縫網(wǎng)壓裂技術(shù)，比常規(guī)水平井的水平段提高至少30%的動(dòng)用水平，實(shí)現(xiàn)了低垂向應(yīng)力儲(chǔ)層的高效動(dòng)用；采取井眼軌道與井身剖面協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用低成本鉆井加壓技術(shù)，配合下套管優(yōu)化技術(shù)，提高鉆柱軸向壓力及傳輸效率，實(shí)現(xiàn)了多口高難度水平井的成功建井。為提高延長(zhǎng)東部淺層超低滲油藏開(kāi)發(fā)效果，提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

超淺層大位移水平井;淺層油藏;低滲透油藏;鄂爾多斯盆地

鄂爾多斯盆地是中國(guó)第二大含油氣盆地，是國(guó)家重要的油氣戰(zhàn)略基地，也是業(yè)界公認(rèn)的資源貧瘠、難以經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)采的低品位油田[1-2]。延長(zhǎng)油田開(kāi)發(fā)區(qū)域位于鄂爾多斯盆地中部，2007年原油產(chǎn)量突破千萬(wàn)噸后，已連續(xù)10年實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)噸以上開(kāi)發(fā)，取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為國(guó)內(nèi)低滲透油田開(kāi)發(fā)和革命老區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)[3]。延長(zhǎng)東部油區(qū)位于盆地伊陜斜坡東南部，具典型的低滲—超低滲巖性油藏特征，主力層較為單一，三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)6油層組為主要的油氣儲(chǔ)層[4-6]。

長(zhǎng)6儲(chǔ)層物性較差，平均孔隙度僅為9.25%，滲透率為0.53mD。油藏埋藏淺，埋深一般介于50～650m，個(gè)別區(qū)域地面可見(jiàn)主力油層的油氣露頭。由于儲(chǔ)層埋深過(guò)淺，且無(wú)有效的邊底水能量補(bǔ)充，導(dǎo)致地層壓力極低。當(dāng)前延長(zhǎng)東部油區(qū)共有油井5萬(wàn)余口，普遍采取直井、定向井方式開(kāi)發(fā)，單井日產(chǎn)原油僅0.14t，常規(guī)井開(kāi)發(fā)多井、低產(chǎn)、低效的問(wèn)題非常突出。

延長(zhǎng)東部油區(qū)探明儲(chǔ)量接近全油田探明儲(chǔ)量的40%，因此，在此類(lèi)油藏充分發(fā)揮水平井的資源動(dòng)用優(yōu)勢(shì)和資源控制優(yōu)勢(shì)，克服常規(guī)井開(kāi)發(fā)的困境，實(shí)現(xiàn)水平井鉆完井技術(shù)的突破和高效開(kāi)發(fā)，是油田穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的重要保障。

1 低滲油藏水平井建井的技術(shù)難點(diǎn)

在延長(zhǎng)東部油區(qū)實(shí)現(xiàn)水平井開(kāi)發(fā)，面臨的鉆完井技術(shù)難點(diǎn)有：

（1）油藏為典型低滲、超低滲巖性油藏，油層不經(jīng)過(guò)壓裂改造一般無(wú)產(chǎn)能。由于油層埋深過(guò)淺，導(dǎo)致上覆巖層垂向壓力不足。垂向應(yīng)力接近或小于水平最小主應(yīng)力，壓裂后極易形成水平縫[7-8]。采取常規(guī)平直形水平段，壓裂縫間干擾大，無(wú)法在立體空間上充分動(dòng)用油層。

（2）地面限制因素多，村莊、道路、林地、煤油礦權(quán)重疊等因素導(dǎo)致大量資源無(wú)法高效動(dòng)用，因此要求水平井必須實(shí)現(xiàn)最大的位移。水平位移小于850m的水平井，對(duì)井網(wǎng)的改善效果和資源動(dòng)用水平不足，因此對(duì)水平井位垂比要求較高，鉆井施工要求必須有較高的軸向壓力傳輸效率。

（3）鉆井過(guò)程中，鉆頭破巖的動(dòng)力來(lái)源主要為上部鉆具的自重[9]，但是對(duì)于淺層水平井，由于可利用的上部井段過(guò)短，因此鉆頭施壓非常困難[10-11]，鉆井效率低。

2 創(chuàng)新水平井鉆井壓裂一體化設(shè)計(jì)理念

延長(zhǎng)東部油區(qū)淺層油藏垂向壓力小，室內(nèi)模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果證實(shí)，壓裂裂縫多為水平縫[12-19]。如采取常規(guī)平直形水平段設(shè)計(jì)，受相鄰裂縫干擾，600m左右的水平段，可壓裂的段數(shù)一般只有4～5段，且單段壓裂規(guī)模受限。針對(duì)淺層油藏低垂向應(yīng)力特征，提出了水平井鉆井壓裂一體化設(shè)計(jì)理念，利用“弓形”水平井軌道設(shè)計(jì)方法（圖1），并配合淺層縫網(wǎng)壓裂技術(shù)，提高油藏動(dòng)用水平。

圖1 弓形水平井設(shè)計(jì)示意圖

水平井軌道設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用三靶點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，水平段高差為8～12m，在鉆井階段為儲(chǔ)層壓裂改造創(chuàng)造良好的井眼基礎(chǔ)。弓形水平井可以比常規(guī)平直形水平井提高30%以上的油藏動(dòng)用水平。

2015年建成投產(chǎn)的延長(zhǎng)油田第一口淺層大位移水平井——七平1井，就采用了這種設(shè)計(jì)理念。該井采用縫網(wǎng)壓裂投產(chǎn)后，初產(chǎn)高達(dá)44t/d。該井投產(chǎn)初期，平均日產(chǎn)油高達(dá)14.68t；而同區(qū)、同層常規(guī)井平均日產(chǎn)量不足1.2t，單井產(chǎn)量增幅高達(dá)10倍以上。

3 井身結(jié)構(gòu)和軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 簡(jiǎn)化的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一口水平井鉆井工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，事關(guān)鉆井施工的安全與否，是鉆井工作經(jīng)濟(jì)效益的重要基礎(chǔ)。合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求必須在避免漏、噴、塌、卡等工程事故發(fā)生的同時(shí)，最大程度減少鉆井工程費(fèi)用。解決好淺層水平井的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠大幅度提高鉆井效率，節(jié)省鉆井成本，并縮短施工周期[20]。

延長(zhǎng)東部油區(qū)地層較為簡(jiǎn)單，自上而下依次發(fā)育第四系黃土層、三疊系長(zhǎng)2+3段、長(zhǎng)4+5段和長(zhǎng)6段。黃土層與下伏地層一般為不整合接觸，下部地層為泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖的互層，巖性相對(duì)穩(wěn)定。因此二開(kāi)結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足地層防塌、防漏的需要，同時(shí)更加符合當(dāng)前油價(jià)低迷的外部環(huán)境。對(duì)此，延長(zhǎng)油田淺層油藏水平井普遍采用的井身結(jié)構(gòu)為：

嬰幼兒原發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)所致高鈣血癥的循證治療研究 …………………………………………… 王 琳等（23）：3255

一開(kāi)采用φ311mm鉆頭鉆至井深30～100m不等，鉆穿第四系黃土層10m后，下入φ244.5mm的表層套管。

二開(kāi)采用φ222.3mm和φ215.9mm鉆頭直至完鉆，完鉆井深一般介于900～1700m。直井段、斜井段采用φ222.3mm的PDC或牙輪鉆頭，水平段采用φ215.9mm的PDC鉆頭直至完鉆。采用不同外徑的鉆頭，確保上部井眼略大于水平段，最大程度降低上部地層摩阻。

3.2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

淺層水平井鉆井的主要難題為施加鉆壓困難、套管下入風(fēng)險(xiǎn)高，另外，簡(jiǎn)化的井身結(jié)構(gòu)加大了裸眼段與鉆具的摩阻。因此，井身剖面設(shè)計(jì)必須以摩阻最小、保障鉆井效率和滿(mǎn)足完井需求為導(dǎo)向。設(shè)計(jì)階段盡可能壓低造斜點(diǎn)，保證直井段“倒裝鉆具”的加重效果[21]。

（1）對(duì)于垂深和靶前距充裕的水平井（垂深大于500m，靶前距大于400m），采取非常規(guī)雙增剖面設(shè)計(jì)（即第一增斜率大于第二增斜率），壓低造斜點(diǎn)，增大穩(wěn)斜角和穩(wěn)斜段長(zhǎng)度，提高斜井段的位移延伸能力。

位于地面受限區(qū)域的子平3井，垂深為770m，設(shè)計(jì)靶前距達(dá)到460m。采用常規(guī)雙增剖面設(shè)計(jì)，需在300m左右開(kāi)始造斜，常規(guī)抽油泵下深過(guò)淺，沉沒(méi)深度無(wú)法保證，且鉆井效率較低。因此，采用非常規(guī)剖面設(shè)計(jì)，增大穩(wěn)斜角和穩(wěn)斜段長(zhǎng)度，實(shí)際完鉆井深為2035m，水平段達(dá)到985m，是目前延長(zhǎng)油田淺層水平井中水平段最長(zhǎng)的一口井。

（2）對(duì)于靶前距大于350m，但垂深不足的井，采取單圓弧加大井斜穩(wěn)斜探頂設(shè)計(jì)，在降低摩阻的同時(shí)，確保油層不確定時(shí)的軌跡調(diào)整余地，提升油層鉆遇效果。

2014年完鉆的姚平1井（圖2），總位移達(dá)到1025m，垂深僅為527.1m，位垂比為1.94，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)鉆機(jī)的成功建井，創(chuàng)延長(zhǎng)油田常規(guī)鉆機(jī)的最大位垂比紀(jì)錄。

圖2 姚平1井井眼軌跡

圖3 七平8井軌道設(shè)計(jì)示意圖

表1 七平8井軌道設(shè)計(jì)

4 鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)

延長(zhǎng)東部油區(qū)水平井埋深相對(duì)較淺，地層簡(jiǎn)單，上部鉆井液性能要求較低，優(yōu)化設(shè)計(jì)主要在于保證鉆井液性能的同時(shí)，盡可能地節(jié)約成本（表2）。

（1）直井段：地層較為簡(jiǎn)單，以滿(mǎn)足快速鉆進(jìn)為主，性能不做特別優(yōu)化。直井段鉆井液采用鈉膨潤(rùn)土體系，鉆井液配方為：3%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.2%KPAM+1.0%NH4-HPAN。

（2）斜井段：提高鉆井液的流變性能及其攜帶巖屑的能力，保持井壁穩(wěn)定。鉆井液配方為：4%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.4%K-PAM+1%COP-HFL聚合物降濾失劑+1%水基潤(rùn)滑劑+1%無(wú)熒光防塌劑。

（3）水平段：提高鉆井液的潤(rùn)滑性能，防止托壓，加強(qiáng)油氣層保護(hù)，保證水平井的產(chǎn)量。水平段鉆井液配方為：4%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.3%KPAM+0.4%抗溫聚合物降濾失劑+1.5%水基潤(rùn)滑劑+1%無(wú)熒光防塌劑+0.5%極壓減摩劑。

優(yōu)化的K-PAM聚合物鉆井液體系，整體性能良好，減少了井下復(fù)雜的發(fā)生，提高了機(jī)械鉆速；極壓減摩劑的加入，降摩減阻效果明顯，大大降低了其他有機(jī)潤(rùn)滑劑的加入量，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液成本降低超過(guò)50%，具有良好的降支增效的效果[22-23]。

表2 延長(zhǎng)油田淺層油藏水平井鉆井液性能

5 低成本鉆井軸向加壓技術(shù)

當(dāng)前延長(zhǎng)油田多數(shù)已完鉆的淺層水平井，直井段一般不足100m，采用常規(guī)鉆具組合，在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中鉆壓趨近于零，無(wú)法鉆進(jìn)。采用常規(guī)倒裝鉆具組合，即使直井段全部采用加重鉆桿，剩余鉆壓往往不足1t，鉆至水平段趾端時(shí)，鉆頭破巖效率根本無(wú)法保證[24-25]。

因此，在常規(guī)倒裝鉆具的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新采用“加強(qiáng)型倒裝”鉆具，最上部直井段使用鉆鋌加壓，直井段末端至井斜35°的井段采用加重鉆桿加壓?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，加重效果明顯提升，鉆至井底時(shí)仍可保證5～7.5t左右的鉆壓，有效提升了機(jī)械鉆速。

2016年完鉆的七平8井，油層垂深僅為380m，水平總位移達(dá)到1015.2m，位垂比高達(dá)2.67。井身結(jié)構(gòu)采用二開(kāi)結(jié)構(gòu)，并選用低成本的車(chē)載式鉆機(jī)。應(yīng)用上述技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該井的成功建井，創(chuàng)造了延長(zhǎng)油田最大位垂比紀(jì)錄，也是當(dāng)前鄂爾多斯盆地同期二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)模式下的最高位垂比紀(jì)錄。

截至目前，通過(guò)淺層、超淺層大位移水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)和創(chuàng)新應(yīng)用，在鄂爾多斯盆地東部超低滲淺層油藏，累計(jì)實(shí)施淺層水平井72口井，控制儲(chǔ)量554×104t，多數(shù)井位于道路、村莊、林地等常規(guī)井無(wú)法有效動(dòng)用的資源限制區(qū)。目前投產(chǎn)30余口，平均單井產(chǎn)量達(dá)到6.78t/d，是同期、同區(qū)常規(guī)井產(chǎn)量的13.6倍。淺層水平井技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)東部油區(qū)低滲—超低滲淺層油藏的產(chǎn)量突破，更為今后進(jìn)一步解放地面限制區(qū)油氣資源提供了堅(jiān)實(shí)有效的技術(shù)支撐。

6 結(jié)論

（1）針對(duì)淺層油藏低垂向應(yīng)力特征，提出了水平井鉆井壓裂一體化設(shè)計(jì)理念，利用“弓形”水平井軌道設(shè)計(jì)方法，并配合淺層縫網(wǎng)壓裂技術(shù)，比常規(guī)水平井的水平段提高了30%以上的油藏動(dòng)用水平。

（2）淺層水平井軌跡設(shè)計(jì)必須以油層鉆遇率和完井需求為導(dǎo)向，針對(duì)不同的靶前距和位移特征，實(shí)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)，為鉆進(jìn)、電測(cè)和下套管作業(yè)提供良好的井眼基礎(chǔ)。

（3）提高鉆具軸向壓力傳輸效率是提高鉆頭破巖效率的關(guān)鍵，采用常規(guī)鉆具組合，水平井趾端鉆進(jìn)過(guò)程中鉆壓趨近于零，無(wú)法鉆進(jìn)。采用“加強(qiáng)型倒裝”鉆具，最上部直井段使用鉆鋌加壓，直井段末端至井斜35°的井段采用加重鉆桿加壓,具有良好的加重效果，可有效提升機(jī)械鉆速。

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Technical difficulties and breakthroughs in drilling horizontal wells in shallow and ultra-low permeability reservoirs

Hao Shiyan, Li Weifeng, Guo Chunfen
( Yanchang Oilfield Limited Company )

Eastern Yanchang oilfields, production using conventional wells(which have already been more)caused problems of low productivity and low efficiency in shallow,low-pressure,low-permeability and ultra-low permeability reservoirs. However, it is difficult to drill horizontal wells in such reservoirs (at low temperature, low pressure and shallow depth). To solve these problems, supporting techniques for drilling and completion of extended-reach horizontal wells were studied and applied in shallow and ultra-shallow layers. The innovative combination of“arcual” horizontal well with shallow fracture network in shallow and low-pressure reservoirs where horizontal fractures are easily induced by fracturing stimulation increased more producing reserves by at least 30% than conventional drilling method in a horizontal section, obtaining effective production of reservoirs with low vertical stress. The collaborative optimization design of well trajectory and well profile, lowcost pressuring, casing optimization, increase of the axial pressure and transmission efficiency of drilling string were applied and created successful construction of many horizontal wells in very complicated conditions. This study provides solid technical support for improving the development of shallow and ultra-low permeability reservoirs in eastern Yanchang oilfields with more economic and social benefits.

extended-reachhorizontal well in super-shallow layers, shallow reservoir, low-permeability reservoir, Ordos Basin

TE243.2

A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.05.002

國(guó)家（863）計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“陸相頁(yè)巖氣水平井鉆完井工藝技術(shù)攻關(guān)”（2013AA064501）；陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目“延長(zhǎng)西部水平井鉆采工藝技術(shù)研究與應(yīng)用”（ycsy2012ky-A-06）。

郝世彥（1964-），男，陜西延川人，博士，畢業(yè)于西南石油大學(xué)，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任延長(zhǎng)油田股份有限公司副總經(jīng)理、總工程師，長(zhǎng)期從事油田勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)及管理工作。地址：陜西省延安市寶塔區(qū)棗園中路延長(zhǎng)油田股份有限公司， 郵政編碼：716000。E-mail:463632928@qq.com

2017-06-13；修改日期：2017-08-16