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2 0 1 5 年 第9 卷 第4 期 天 然 气 技 术 与 经 济 Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y a n d Ec o n o my Vo 1 ． 9， No ． 4 Aug ． 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9／ j ．i s s n ． 2 0 9 5 1 1 3 2 ．2 0 1 5 ． 0 4 ．0 1 4 元坝陆相水平井钻井关键技术 刘伟李文生 中国石化西南油气分公司钻井工程处，四川成都6 1 0 0 4 1 摘要元坝陆相天然气资源丰富，是中国石化的重点勘探开发区域 ，主要 目的层 自流井组、须家河组具有高 温、高压、岩石致密等特性。水平井钻井的有事是增加钻遏天然裂缝的几率，但水平井钻井时却面临斜井段造斜效率 低 ，钻速慢 ，最后导致出现斜井段和全井钻井周期长等难题。通过井身结构优化、沙溪庙组以浅优快钻并技术配套、 高研磨 性地层钻 头优 选、斜 井段轨迹控 制技 术和优质钻 井液 的应 用 ，指导 完成 了8口井的钻 井工程设 计和施 工 ，提 速 提效显著，8口井平均钻井周期为2 1 2 ． 6 8 d ，平均机械钻速为2 ． 0 8 m／h ，较前期完钻的L Y 3 0 1 井提速3 9 ． 7 ％。 关键词 元坝气田 高温高压高效钻井井身结构水平井 文献标识码 B 文章编号2 0 9 5 ～ 1 1 3 2 2 0 1 5 0 4 0 0 4 9 0 4 0 引言 元坝陆相天然气资源丰富，L Y 5 井、L Y 7 井均钻 获 日 产数十万方天然气流，是中国石化的重点勘探开 发区域 ，已实施陆相专层井 3 9口，海相过路井 5 5口。 主要 目的层 自流井组和须家河组埋深44 0 0 4 8 0 0m， 地层压 力梯度 1 ． 8～2 ． 1 MP a ／1 0 0 m，一旦钻遇高压 裂缝性气层，钻井液密度将超过2 ．2 0 g ／ e m ，最高 达 2 ． 5 2 g ／ c m ，是典型的高温、高压、致密 、裂缝 性气藏。钻井实践证明 ，陆相储层主要受裂缝控 制 ，非均质性强 ，只有钻遇天然裂缝才能获得高 产。为了最大 限度地增大泄流面积 ，提高钻遇裂缝 几率 ⋯，在区域 断层 附近尝试 了水平井钻井 。通过 钻探实践和科技攻关 ，目前已形成适合该地区复杂 地层的水平井高效钻井技术。 1 元坝陆相水平井钻井面临的难题 元坝陆相储层砂泥岩交错 、多为硅质胶结 、岩 性 致 密 、非 均 质 性 强 ，岩石 抗 压 强 度 在 6 8 _ 8 9 ～ 1 4 8 ．0 5 M P a ，岩石内摩擦角为2 6 ． 6 5 。 一 4 8 ．4 4 。 ，可钻 性级值普遍在 5 8 级甚至更高 ，属高硬度 、高研磨 性地层 。 自流井组为砾石性储 层 ，钻 头选型 和轨迹 控制难度大。直井平均钻井周期为2 1 0 d 左右，第一 口水平井 L Y 3 0 1 H井钻井周期为3 2 7 d ，平均机械钻 速仅为 1 ．2 9 m／ h 。影响水平井钻井效率的因素主要 有 ① 纵向上多压力系统 ，普遍钻遇超高压气层。 元坝地区地层压力系统复杂 ] ，总体上纵向压力分 布规律为 常压 一 高压 一 常压 一 高压 一 常压， 陆相专层井将钻遇常压和高压地层 ，自流井 一 须家 河组普遍钻遇超高压气藏 ，最高钻井液密度达 2 ． 5 2 g ／ c n l 。根据实钻统计，西区压力当量密度较东区高 0 ． 1 ～ 0 ．3 g ／ e m ，复杂的压力系统给井身结构优化增 加了难度。② 岩石致密，关键层段提速手段有限。 自流井 组 、须 家河 组 地 层压 缩 抗 压强 度 接 近 1 5 0 MP a ，属极硬地层 ，岩石可钻性极值 7 级 以上 ；研磨 性 56 级 ，属高研磨性地层 。根据岩石可 钻性与 钻头选型关系 ，该地层不适合 P DC钻头钻进 ，只能 依靠高效牙轮钻头或价格较高的孕镶金刚石钻头。 前期陆相直井在该层段单 只钻头进尺仅为 1 5 ． 6 m，平 均钻速 O ． 5 2 m／ h 。新 工艺 、新工具 、新技术推广应 用受成本和风险制约，使用时需权衡经济性。③ 地 质特殊性导致轨迹控制难度大 。水平井主要部署在 裂缝 、断层较发育 区域 ，钻遇断层后 ，轨迹 调整频 繁 ，需要根据岩性变化及时增降斜钻进。受川东北 复杂 的地理环境制 约 ，靶前位移 、水平段长度均需 要根据井场来确定 ，高曲率 、长水平段钻进在所难 免。高研磨性地层单只钻头进尺少 ，存在测量盲 区 ，在靶区要求较严格 的须家河组储层钻进 ，难 以 修订回稿 日期 2 0 1 5 一U 7 一O 1 作者简介刘伟 1 9 8 1 一 ，高级工程师，从事钻井设计与科研管理工作 。E - ma i l l i u w1 9 9 9 1 6 3 ． c o i n 。 天然气技术与经济 ／ 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第9 卷 刘伟，等元坝陆相水平井钻井关键技术 第4 期 保障砂体钻遇率。④ 复杂情况难以避免，衍伸诸多 工程难题 。根 据工 区钻探情况 ，在陆相地层泥岩井 段容易垮塌 、缩径 ；上沙溪庙组 、 自流井组 、须家 河组有漏失 ；沙溪庙组、须家河组、自流井组存在 高压气层 ，钻井液密度高 ；自流井 一 须家河组含砾 石 、夹煤层 ，井壁稳定性差 ；斜井段易发生卡钻 。 众 多 的工程 复 杂 问题 导致 水 平井 井身结 构设 计受 限，若以安全为主导进行设计 ，势必造成钻井开次 和钻井成本急剧增加。L Y 3 0 1 H井两次回填重钻，数 次调整靶点 ，给轨迹控 制 、钻井液 井壁稳定性 能 、 润滑性能等带来极大挑战，需要在今后的设计和施 工中引以为戒。 2 水平井钻井关键技术 针对钻 井难题 ，通过攻关研究 ，形 成不同储 层 和完井方式条件下的井身结构优化方案，优化完善 了高研磨性地层定向钻进方式与轨迹控制工艺，成功 实施 L Y 6 0 1 H等井 ，大幅度提高了水平井钻井效率。 2 ． 1 井身结构优化技术 总体优化思路是 ，在保障井下安全的前提下 ， 设计为四开制井身结构 ，逐步探索三开制井身结构 的可行性，降低钻井周期 、减少钻井成本。首先在 L Y 3 0 1 H井实钻基础上 ，合理调整井身结构 ，力争减 少钻井开次和套管下深 ；采 用井壁稳定性分析软件 判定地层稳定性，在确保井壁坍塌在可控范围内的 基础上减少钻井开次和套管用量 ；根据 目前钻井技 术和套管下入水平科学设计 ，确保工程质量和提速 降本 。 根据地层三压力剖面 ，结合邻井实钻复杂情 况，利用井身结构设计软件 ，计算合理的必封点位 置 ，封隔不 同压力层系。与已钻水平井相 比 ，第一 次开钻下深由3 0 0 m增加至 7 0 0 m，封隔浅部地层 水 ；第 二次开钻 至上沙溪庙组底 部 ，封 隔垮塌层 ， 降低后续施工风险；根据储层特性 ，须家河水平井 第三次开钻封 A靶点 ，珍珠 冲水平井第三次开钻至 井斜 6 O 。 左右 的稳斜段 ；第 四次开钻专打产层 ，裸眼 完井采用 1 5 2 ． 4 mm钻头完钻 ，缩小井眼尺寸 ，减 少大尺寸井段 ，提高钻井效率 。当地质预测较准确 时 ，井控风险也将降低，井身结构具备优化为三开 制的可行性 ，这也是下一轮井优化的 目标 表 1 。 2 ．2 快速钻进配套技术 前期 在直井 段推广应 用泡沫钻 井 、干法 固井 、 表 1 井身结构优化结果表 井身结构 珍珠冲衬管完井 须家河裸 眼完井 钻头程序 套管程序 钻头程序 套管程序 序号 井眼尺寸 ／ m m 完钻深度 ／ m 导管 9 1 4 ．4 3 2 1 6 6 0．4 7 0 2 2 4 4 4． 5 3 0 0 2 3 3 1 1 ． 2 4 3 0 2 下人井段 ／m 0～3 0 07 0 0 03 0 0 0 O一4 3 0 0 气体 钻井 、扭力 冲击器 、孕镶 涡轮 等成熟工艺 ， 提速提效显著 [ 5 - 7 ] ，为水平井安全快速施工创造 了条 件 。为 了进一步优化配置 、降本增效 ，对 等壁厚螺 杆 、水力加压 器 、混合钻 头等提速工具 进行评价 ， 并根据各 自特性推荐 了应用井段 ，为高压致密地层 钻进增添了提速利器 表 2 。 2 ． 3 轨迹控制技术 陆相水平 井具有井底压 力高 、水 平段 长 、施工 5O／N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o my 井眼尺寸 ／mm 6 6 0．4 4 4 4． 5 3 l 6 ． 5 2 41 ． 3 完钻深度 ／m 尺寸 ／ mm 下入井段 ／m 3 2 5 0 8 03 0 7 02 3 3 9 ． 7 07 0 0 3 0 0 2 2 7 3． 1 03 0 0 0 4 7 0 2 1 7 7．8 0 4 7 0 0 周期长的特点。为了增强造斜能力、利于油层套管 顺利下人 ，按 “ 直 一 增 一 稳 一 增 一 平”模式设 计 ，造斜率 1 5 。 ～2 0 。 ／1 0 0 m，稳斜段 5 O 。 ～6 O 。 。要 求 MWD测量仪器抗压强度大于 1 0 0 MP a 、抗温大于 1 2 0 C，从测量精度 、电池寿命 、承压能力等方面考 虑，国产仪器基本都能满足 ，测量仪器选择时，以 设备 能力 、施工业绩 、仪器故 障率等为考 核指标 ， 提高单趟钻进尺和定向效率。 根据 推荐 的井 身结构 、轨道设计 和 国内德州 、 Ⅲ 0 O 7 5 ， ／ 2 0 3 4 r 7 5 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 2 期 天然气技术与经济 钻井工程 表2 快速钻进配套技术表 中成、立林、东远等厂商调研情况 ，结合施工过程 中泵压 、排量 、钻井液密度 、固相含量等 ，通过螺 杆造斜能力分析计算 ，推荐陆相水平井造斜段选用 小直径、大弯角螺杆 ；稳斜段选用中等直径、小弯 角螺杆 ，螺杆选型结果见表 3 。 表3 螺杆选型结果表 针对岩石硬度高、研磨性强的井段 ，优选长寿 命高效钻头 ，提高钻头保径长度。当单 只钻头进尺 低于M WD测量盲区时，加强待钻井眼预测或使用近 钻头 MWD测量 ，防止脱靶 。 根据盈亏平衡原理 ，以造斜段长 5 0 0 13 3 、水平段 长 8 0 0 m为例 ，造斜段首选国产孕镶 螺杆 ，水平段 首选进 口高效P D C螺杆。若进尺少，则尝试进 口 孕镶 导向涡轮。根据着陆点的判断，提前做好预 判 ，留足调整空间 ，尽量减小全角变化率。 2 ． 4 致密地层钻头选型技术 自流井以浅通过气体钻井、P D C 螺杆复合钻井 钻速较高 ，进一 步提速 的空 间不大 。提速提效的主 要井段是 自流井组和须家河组，尤其是珍珠冲段砾 石层 。鉴 于起下钻 时间较长 ，钻头选型不仅要考虑 钻速，而且要兼顾进尺。为综合考虑比能和进尺关 系 ，以钻 头 每米进 尺 消耗 的 比能作 为钻头 优选 方 法 ，钻头比能越低，说明钻头的破岩效率越高 ，钻 头使用效果越好。 每米消耗 比能 比能 ／进尺 S E／L ， F 一 4W．48 0 NT ～ ,n - D一2 一 式 中，S E为 比能 ，MJ ／m’ ； 为钻压 ，k N；D为钻头 直径 ，m m；N为转速 ，r p m；T b 为钻头扭矩 ，k N m； R为钻速 ，m／ h ；L 为进尺 ，m。 根 据 区 域 统 计 和 计 算 结 果 ， D S 5 5 D X、 H J T 5 3 7 G K等钻 头应用效 果较好 ，从钻头设 计特 点 看，该复杂地层推荐使用宽齿钻头，提高牙齿抗冲 击能力；采用超硬材料和强化外排齿及背锥设计 ， 增 强钻头保径 能力 ，以提高在硬地层 的使用寿命 ； 在较均质 的地层可 以尝试进 口P D C钻头 。针对珍珠 冲砾石层 ，根据砾岩特点 和文献 、实钻分析 ，牙轮 钻头因轴承磨损后掉牙轮风险大 、P D C钻头保径短 不利于稳斜 ，推荐结构 简单 、耐磨性和耐 冲击性都 强的长保径钻头 睛 。 2 ． 5 钻井液技术 陆相水平井除了考虑斜井段降摩减扭外，还应 确 保 裸 眼 段 长 时 间 的井 壁 稳 定 性 。通 过 对 K C L、 K C O O H、F A 3 6 7等抑制剂 ，WD N 一 5 、机 油等 7 种润 滑剂 ，塑料小球、石墨、玻璃微珠等固体润滑剂进 行室内评价 ，综合考虑性价比，优选K C L 作为主要 的无机盐抑制性、R H 2 2 0 和机油作为润滑剂，复配 使用 固体润滑剂 。钻井 液体系按不 同井段侧重点不 同进行 了优化 ，第二次开钻井段 以提速 和安全钻进 为主 ，空气钻后采用防漏防塌旋转 喷淋气液转换工 艺 ，确保井壁稳定和套管顺利下人 ；第三次开钻下 部井段以防塌和润滑防卡为主，沙溪庙 一 千佛崖组 采用强抑制氯化钾聚合物防塌钻井液体系 ，自流 井 一 须家河组采用非渗透 可变形粒子嵌入涂敷的 强封堵氯化钾聚磺 防塌钻井液 ，同时根据地质预测 的地层坍塌压力 、地层孔隙压力，采用合理的钻井 液 密度 以平衡应力性坍塌 。为 防止高密度条件下发 天然气技术与经济 ／ 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第9 卷 刘伟，等 元坝陆相水平井钻井关键技术 第4 期 生井漏 ，进入主要 目的层前在钻井液 中添加堵漏剂 ， 采用随钻堵漏方式钻进 ，一是提高承压能力 ，二是 提高钻进效率。借鉴B Y 1 2 1 等井施工经验 ，在使 用涡轮钻具的井段，加强固控设备使用，增加钻井液 抑制性 、润滑剂加量 ，及时补充钻井液处理剂胶液。 3 现场应用分析 研究成果 指导完成元坝 陆相 8口井 钻井工程设 计 ，通过应用的直井段优快 钻井技术 、斜井段轨迹 控制技术 、钻头选型方案等 ，提速效果显著 ，创多 项工 区新纪录 。实钻轨迹 与设计轨道 吻合 ，靶点误 差在地质设计允许范围内。L Y 6 0 1 等 3口水平井斜井 段 1 5 5 8 m，平均机械钻速 0 ． 9 5 m／ h ，较前期完钻的 L Y 3 0 1 井提速 3 9 ． 7％。8口井平均完钻井深 4 9 0 9 m， 平均钻井周期2 1 2 d ，平均机械钻速 2 ． 0 8 m／h ，平均 复杂时效2 ． 9 3 ％，全部指标均优于前期 表4 、表5 。 表4 斜井段平均机械钻速对比表 表5 元坝陆相并钻井效率统计表 4 结论及建 议 1 目前条件下 ，元坝陆相水平井采用 四开制井 身结构能够有效分隔斜井段复杂层位 ，确保水平段 安全钻进 。在压力 、裂缝 预测较 准确 时 ，在技术上 具备试验三开制井身结构的条件。 2 集成的各层段钻井技术通过现场应用验证 ，能 够满足元坝陆相水平井钻井需要 ，建议进一步推广 。 3 珍珠冲砾岩含量高，目前仍缺乏有效的提速 手段，建议井位部署时，以直井、定向井为主 ，尽 量减少在砾岩地层 的进尺。 参考文献 [ 1 ]王超 ，刘伟 ，胡大梁 ，等．旋转导向在元坝超深水平井 的应用[ J ] ． 天然气技术与经济，2 0 1 2 ，6 4 2 8 ～ 3 0 ． [ 2 ]刘伟 ，蒋祖军，李丽，等．元坝超深水平井井身结构设 计与应用[ J ] ．石油规划设计，2 0 1 2 ，2 3 2 2 9 3 2 ． [ 3 ]胡大梁 ，严焱诚，刘匡晓，等． 超深水平井元坝 1 0 3 H井 52／N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o m y 钻井技术[ J ] ． 石油钻采工艺 ，2 0 1 2 ，3 4 6 1 4 1 7 ． [ 4 ]刘伟 ，李丽．川东北地区超深井优快钻井技术 [ J ] ． 天然 气技术与经济，2 0 1 1 ，5 2 3 8 4 0 ． [ 5 ]周祥林，张金成，张东清． T o r k B u s t e r扭力冲击器在元坝 地区的试验应用[ J ] ． 钻采工艺 ，2 0 1 2 ，3 5 2 1 5 1 7 ． [ 6 ]解兰宏 ，张金成 ，张东清 ，等．涡轮钻井技术在元坝等 重点区块的应用 [ J ] ．石油钻探技术 ，2 0 1 l ，3 9 6 1 5 一 l 8． [ 7 ]肖新磊．空气钻井技术在元坝地区的应用 [ J ] _石油钻探 技术 ，2 0 1 0 ，3 8 4 3 5 3 7 ． [ 8 ]宋继伟．冀东油田复杂地层安全高效钻井技术研究[ J ] ． 钻采工艺 ，2 0 0 9 ，3 2 3 1 4 1 6 ． [ 9 ]张豫川．元坝2 7 2 H井使用孕镶金刚石钻头的配套钻井液 技术[ J ] ． 西部探矿工程，2 0 1 2 5 6 8 6 9 ， 7 2 ． 编辑 李臻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m