莫116井區(qū)水平井鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化與應(yīng)用

楊 琳，張 斌，肖 林

(1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300； 2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程技術(shù)試驗(yàn)基地，四川 廣漢 618300)

莫116井區(qū)三工河組油藏被發(fā)現(xiàn)后陸續(xù)開展了多口探井和評(píng)價(jià)井，并在三工河組獲得了工業(yè)油氣流，自2011年起該區(qū)成為油田最大的稀油產(chǎn)能目標(biāo)建設(shè)區(qū)塊。該區(qū)自上而下為白堊系艾里克湖組、吐谷魯群，侏羅系西山窯組、三工河組，鉆井地質(zhì)情況較為復(fù)雜，在前期的鉆探作業(yè)過程中體現(xiàn)出了鉆井周期長(zhǎng)、井下復(fù)雜情況多等情況，其中M62、M69等井因縮徑造成劃眼通井20余天恢復(fù)正常鉆進(jìn)，M69等井因煤層垮塌卡鉆造成井眼報(bào)廢側(cè)鉆，前期水平井平均定向鉆井周期達(dá)71 d，嚴(yán)重制約油田的高效開發(fā)。

1 地質(zhì)特點(diǎn)與鉆井難點(diǎn)[1-2]

(1)表層為風(fēng)成散沙和礫巖，巖層穩(wěn)定性差，裂縫發(fā)育，容易漏失和發(fā)生竄槽,M13、M15井表層漏失嚴(yán)重，西山窯組下部有一定厚度的煤層，易井塌卡鉆,M11和M34井等都在西山窯組發(fā)生過卡鉆事故，最終導(dǎo)致回填側(cè)鉆。

(2)二開井段長(zhǎng)，一般在3000～4000 m。定向段位于白堊系葉谷魯組群為紅色膏質(zhì)泥巖，膏泥巖吸水膨脹造成井眼縮徑，井眼極不規(guī)則，易引發(fā)滑動(dòng)鉆進(jìn)中托壓、粘卡等問題，嚴(yán)重影響定向效果及機(jī)械鉆速，并且有卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。116區(qū)塊水平井二開311.2 mm井眼平均機(jī)械鉆速僅為0.91 m/h，定向段平均鉆井周期為33 d。

(3)目的層位三工河組，該地層主要巖性為長(zhǎng)石巖屑砂巖，砂巖中平均石英含量為25%，平均長(zhǎng)石含量為21%，平均巖屑含量為46%，鉆井過程中鉆井液含砂量高，易形成虛厚泥餅，井下摩阻大。局部井段存在異常高壓含水、氣層，且高壓水層的壓力系數(shù)和深度不好確定，易發(fā)生溢流、卡鉆事故。

2 水平井井身結(jié)構(gòu)與軌跡優(yōu)化

針對(duì)莫116井區(qū)水平鉆井地質(zhì)特點(diǎn)和難點(diǎn)，需要對(duì)水平井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。以安全、優(yōu)快鉆井為優(yōu)化根本出發(fā)點(diǎn)，采用三開制井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化套管下入位置[3-6]：(1)一開必須封隔淺表易漏層；(2)二開需封隔三工河主力產(chǎn)層以上不穩(wěn)定地層及西山窯組煤層；(3)完井方式采用篩管完井，降低對(duì)儲(chǔ)層的污染。即一開采用?441.5 mm鉆頭鉆至井深500 m左右，下入?339.7 mm套管封隔淺表易漏層，二開采用?311.2 mm鉆頭鉆至4200～4500 m，下入?339.7 mm封隔三工河組主力產(chǎn)層以上不穩(wěn)定地層及西山窯組煤層，三開完成一定長(zhǎng)度水平段后完鉆，采取篩管完井方式。

表1 莫116井區(qū)水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)實(shí)際鉆井地質(zhì)特點(diǎn)，以規(guī)避井下可能發(fā)生的鉆井事故風(fēng)險(xiǎn)為原則，對(duì)井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方向主要為以下幾點(diǎn)[7-8]：(1)煤層滑動(dòng)鉆進(jìn)具有風(fēng)險(xiǎn)，在煤層段以復(fù)合鉆進(jìn)為主，軌跡設(shè)計(jì)中應(yīng)為該井段留有余地；(2)頭屯河組定向效果差，應(yīng)降低初始造斜段造斜率，提高復(fù)合鉆進(jìn)比例，以增強(qiáng)該井段井眼軌跡質(zhì)量、提高機(jī)械鉆速；(3)二開完到三開開鉆應(yīng)留10 m 左右空間，為鉆塞提供空間，避免三開出現(xiàn)局部“大狗腿”；(4)全井造斜率應(yīng)保持6°/30 m的范圍，降低井下摩阻和扭矩，提高機(jī)械鉆速。采取“直—增—穩(wěn)—增—平”五段制剖面，根據(jù)已鉆井資料并結(jié)合造斜工具造斜能力、地層可鉆性選擇造斜點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)見表2所示，軌跡設(shè)計(jì)剖面圖如圖1所示。

表2 莫116井區(qū)井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 莫116井區(qū)井眼軌跡剖面優(yōu)化圖

3 鉆具組合優(yōu)化與力學(xué)分析

在定向鉆具組合設(shè)計(jì)過程中，鉆柱在井眼內(nèi)的屈曲狀態(tài)是影響鉆進(jìn)的重要因素。鉆柱屈曲狀態(tài)分為穩(wěn)定狀態(tài)、正弦屈曲狀態(tài)以及螺旋屈曲狀態(tài)[9-10]。鉆柱屈曲狀態(tài)由井眼軌跡、鉆具組合、鉆壓、鉆進(jìn)液的密度與流變性、轉(zhuǎn)盤的扭矩、鉆柱與井壁的摩阻等多方面因素確定，通過屈曲載荷模型計(jì)算出正弦屈曲、螺旋屈曲的臨界載荷和有效軸向力，即可判斷出鉆柱在鉆進(jìn)中的狀態(tài)，以指導(dǎo)鉆具組合設(shè)計(jì)和優(yōu)化[11-12]。

在二開定向鉆具組合設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)前期施工情況主要從3個(gè)方面開展組合設(shè)計(jì)和優(yōu)化：(1)?311.2 mm井眼造斜段存在大段泥巖，工具造斜能力偏弱，定向鉆井時(shí)主要采用1.75°、1.5°兩種彎度的螺桿鉆具；(2)泥巖段摩阻較大的情況，使用加重鉆桿代替鉆鋌；(3)根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果合理倒裝加重鉆。結(jié)合如圖2所示的力學(xué)分析結(jié)果，二開定向段鉆具組合設(shè)計(jì)為：?311.2 mm鉆頭+?210 mm彎螺桿+?220 mm回壓閥+?203.2 mm無磁鉆鋌1根+?203.2 mm無磁MWD短節(jié)+631×410接頭+?127 mm加重鉆桿51根+411×520接頭+?139.7 mm鉆桿258根+521×410接頭+?127 mm鉆桿。

圖2二開鉆具組合各種工況下鉆柱受力分析圖

三開水平段采用LWD地質(zhì)導(dǎo)向組合為儲(chǔ)層跟蹤提出的軌跡調(diào)整方案，提高油層鉆遇率。根據(jù)三開實(shí)際鉆井地質(zhì)特點(diǎn)，按照以下幾個(gè)原則設(shè)計(jì)三開水平段鉆具組合[13-14]：(1)選擇穩(wěn)斜效果好的PDC鉆頭+1.5°彎螺桿的組合；(2)采用不帶穩(wěn)定器的彎螺桿鉆具；(3)使用加重鉆桿代替鉆鋌；(4)根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果合理倒裝加重鉆。結(jié)合力學(xué)分析結(jié)果(見圖3)，三開鉆具組合設(shè)計(jì)為：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm×1.5°單彎螺桿+?165 mm回壓凡爾+?165 mm無磁鉆鋌1根+?165 mm LWD懸掛短節(jié)+?127 mm鉆桿75根+?127 mm加重鉆桿49根+?127 mm鉆桿。

圖3三開鉆具組合各種工況下鉆柱受力分析圖

分別對(duì)二開、三開鉆具組合進(jìn)行如圖2、圖3所示的鉆柱力學(xué)理論分析，在下鉆、滑動(dòng)鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)等各種工況下，鉆具均不會(huì)發(fā)生屈曲，在起鉆等各種工況下鉆具受到的拉力均在安全范圍內(nèi)，滿足快速鉆進(jìn)和安全鉆井要求。通過對(duì)各種工況下鉆柱受力情況的試算和分析，結(jié)合地層可鉆性和井眼清潔情況，可以得到定向造斜段和水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)情況下的最佳鉆進(jìn)參數(shù)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中，結(jié)合實(shí)際鉆井情況和井眼軌跡數(shù)據(jù)按照上述方法對(duì)鉆具組合進(jìn)行微調(diào)，并按照如表3所示的鉆壓控制方案，能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡的有效控制和預(yù)防因鉆具屈曲導(dǎo)致的附加摩阻和井下復(fù)雜。

表3 定向作業(yè)井段鉆壓優(yōu)選數(shù)據(jù)

4 鉆井液優(yōu)化

該井區(qū)二開定向段和水平段前期主要采用鉀鈣基聚磺鉆井液體系，雖然該體系具備良好的防塌性能和流變性，但在膏泥巖段仍然出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象嚴(yán)和井壁不穩(wěn)定的情況。將鉆井液體系調(diào)整為鉀鈣基有機(jī)鹽鉆井液體系，利用聚合物包被劑、有機(jī)鹽和KCl加強(qiáng)包被、抑制泥頁(yè)巖水化膨脹、分散，以聚合物降濾失劑、復(fù)配胺鹽、CMC降低濾失量，以磺化酚醛樹脂、SPNH、瀝青類防塌封堵劑改善濾餅質(zhì)量、強(qiáng)化封堵、增加鉆井液的潤(rùn)滑性[15-16]。泥巖段地層鉆井適量加入快鉆劑、潤(rùn)滑劑，防止泥包鉆頭，配合工程措施快速鉆進(jìn)。

鉆井液配方：4%膨潤(rùn)土+0.2%Na2CO3+0.3%KOH+0.6%～0.8%SP-8+7%KCl+0.6%～0.7%GJD-4+0.5%～0.6%NPAN+3%～5%陽(yáng)離子乳化瀝青+2%～3%SMP+2%～3%SPNH+0.2%～0.4%CMC+0.2%～0.5%CaO+2%～3%磺化瀝青粉+8%～15%OS100+0.3%～0.5%KSZJ-1+1%～2%QCX-1+2%～3%潤(rùn)滑劑+重晶石。

鉆井液性能：密度1.19～1.40 g/cm3，漏斗粘度45～85 s，API失水量≤5 mL，泥餅厚度≤0.5 mm，pH值8～11，含砂量≤0.5%，高溫高壓失水量≤12 mL，靜切力(初切)2～8 Pa，靜切力(終切)3～9 Pa，動(dòng)切力5～15 Pa，塑性粘度14～36 mPa·s。

進(jìn)入油層前加入足夠的降失水劑和抑制劑，防止井壁坍塌，保證井眼規(guī)則和井壁穩(wěn)定。加入屏蔽暫堵材料，防止鉆井液對(duì)產(chǎn)層造成傷害。加入足量的潤(rùn)滑劑，減小井下摩阻，防止水平段鉆井過程中可能出現(xiàn)的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

116區(qū)塊水平井前期二開?311.2 mm井眼平均機(jī)械鉆速為0.91 m/h，平均定向鉆井周期33 d。前期三開?215.9 mm水平段平均機(jī)械鉆速3.15 m/h，平均鉆井周期為38 d。

水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用于M68、M69等4口井，取得了安全優(yōu)快鉆井的成果，平均定向鉆井周期縮短26.9 d。其中二開定向段長(zhǎng)實(shí)際控制在440～523 m，造斜率控制在4.8～5.37°/30 m，實(shí)現(xiàn)軌跡有效控制和安全穿越高風(fēng)險(xiǎn)井段，平均機(jī)械鉆速提升27%，鉆井周期縮短32%(見圖4)。三開通過優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了水平井的平穩(wěn)著陸和水平段的快速鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速達(dá)到4.11 m/h，相比優(yōu)化前水平提高30%，鉆井周期縮短43%(見圖5)。其中M614井實(shí)現(xiàn)了“一趟鉆”完成了水平段鉆進(jìn)，三開平均機(jī)械鉆速達(dá)到4.52 m/h，創(chuàng)造了該井區(qū)最快水平井記錄。

圖4 二開定向段鉆井周期及機(jī)械鉆速對(duì)比

圖5 三開定向段鉆井周期及機(jī)械鉆速對(duì)比

6 結(jié)論與建議

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況表明，優(yōu)化后的井身結(jié)構(gòu)剖面和井眼軌跡設(shè)計(jì)方法能夠滿足井區(qū)的安全、快速鉆井需求。

(2)定向作業(yè)井段采用的鉆具組合設(shè)計(jì)合理，優(yōu)選的滑動(dòng)和復(fù)合鉆進(jìn)鉆壓能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)定向施工作業(yè)。定向作業(yè)井段采用的鉀鈣基有機(jī)鹽鉆井液體系能夠有效保障井下安全，滿足快速鉆進(jìn)的要求。

(3)建議根據(jù)油田整體開發(fā)情況優(yōu)化井位布局，近一步降低?311.2 mm井眼定向段造斜率，提高井眼質(zhì)量和機(jī)械鉆速，降低井眼整體摩阻和扭矩，提高鉆井的安全性。

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