蘇77-21-40H2水平井超長水平段鉆井技術

陳 濤冉照輝羅 亮柯 學孫亞平南 鑫

（1.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000； 2.中國石油西部鉆探蘇里格氣田項目經理部，內蒙古烏審旗 017300；3.中國石油新疆油田分公司開發公司，新疆克拉瑪依 834000； 4.中國石油西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

蘇77-21-40H2水平井超長水平段鉆井技術

陳 濤1冉照輝2羅 亮3柯 學1孫亞平1南 鑫4

（1.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000； 2.中國石油西部鉆探蘇里格氣田項目經理部，內蒙古烏審旗 017300；3.中國石油新疆油田分公司開發公司，新疆克拉瑪依 834000； 4.中國石油西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

引用格式：陳濤，冉照輝，羅亮，等. 蘇77-21-40H2水平井超長水平段鉆井技術［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：1-4.

隨著水平井作為蘇里格氣田經濟規模開發主體技術之一，進一步增加水平段施工長度用以更大限度提高單井產量的需求越來越迫切。針對蘇里格氣田蘇77區塊蘇77-21-40H2井超長水平段突出的鉆井難點：鉆壓傳遞困難、井眼清潔困難、井壁穩定難度大、完井大尺寸壓裂工具下入困難等，通過采用優化井眼剖面、引入新型減摩降阻工具、優化鉆具組合、MEG聚磺鉆井液體系、加裝頂驅設備、保障壓裂工具下入及嚴格工程配套措施等多項技術對策，大幅度提高了該井水平段的延伸長度和機械鉆速。該井順利完鉆時實際水平段長度2 303 m，為蘇里格氣田水平井的進一步開發提供了經驗。

水平井； 超長水平段； 摩阻扭矩； 水力振蕩器

蘇里格氣田是國內產氣量最大的整裝氣田，屬于低孔、低滲、致密儲層型巖性氣藏，有效開發難度大，前期水平井技術的應用表明該手段可有效提高氣藏暴露面積及單井產量。中石油在蘇里格氣田蘇77區塊開展了超長水平段的鉆井試驗，并由此部署了設計水平段長度為2 000 m的蘇77-21-40H2水平井（實際鉆成2 303m水平段），該井目的層為二疊系石盒子組盒8段，地層自上而下依次鉆遇第四系，白堊系洛河組，侏羅系（安定組、直羅組、延安組），三疊系（延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組），二疊系（石千峰組、石盒子組）。

該水平井為三開次井身結構，一開用?346 mm鉆頭鉆至井深504.81 m，下入?273.1 mm表層套管；二開為復合井眼（?241.3 mm鉆頭×2 700 m+?215.9 mm鉆頭×3 325 m），并下入?177.8 mm技術套管固井后中完；三開水平段用?152.4 mm鉆頭鉆至井深5 628 m完鉆后，下入大尺寸裸眼分段壓裂工具完井。該井完鉆時水平段長度達2 303 m。

1　鉆井技術難點分析［1-2］

（1）水平段鉆壓傳遞困難。由于水平段超長，井內管柱與井壁的摩阻和扭矩大幅度增加，易使得鉆柱發生屈曲變形，鉆柱自鎖導致無法有效傳遞鉆壓，導致水平段延伸鉆進困難。

（2）井眼清潔困難。由于水平段極長，巖屑在井內滯留時間長、運移速度慢，巖屑易沉積在井眼低邊，形成巖屑床；為滿足長水平段小井眼水平井的井眼清潔要求，排量與泵壓的選擇成為突出的矛盾。同時，井眼巖屑床的存在也會增大鉆具與井壁的摩阻。

（3）保障井壁穩定難度增加。整個水平段均在二疊系石盒子組中穿行，由于石盒子組地層水敏性強、裂縫發育，存在泥巖夾層，易發生水化分散、井壁垮塌而造成井下阻卡。超長水平段鉆井周期長，增加了地層浸泡時間，增加了井壁穩定的難度。

（4）完井大尺寸壓裂工具下入困難。?152.4 mm井眼的長水平段完井下入裸眼分段壓裂工具，含20個?147.5 mm裸眼封隔器、15個?140 mm滑套，并由?114.3 mm油管連接組成。該工具管串外徑與水平段井眼大小接近，工具下入難度較大，對井眼軌跡要求較高。

2　技術對策

2.1剖面優化

2.1.1靶前距和造斜率的選擇 靶前距和造斜率的選擇是軌跡設計的關鍵。若靶前位移過大，則完鉆位移也大，會使造斜段井眼長度增加，導致后期摩阻和扭矩增大；若靶前位移過小，則造斜率較高，鉆具與井壁的接觸力增大，容易發生屈曲和自鎖，導致摩阻和扭矩增加［3-5］。

為減小摩阻及扭矩、保障滑動鉆進順利，需對靶前距和造斜率這2個關鍵指標進行優化。對于蘇77-21-40H2水平井超長水平段，設定套管內摩阻因數為0.2、裸眼段摩阻因數為0.3，分別計算靶前距為300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、600 m、700 m時滑動鉆進對應的滑動摩阻，據此優化井眼軌道可知，僅從鉆井方面考慮，當靶前位移為500 m時，其對應的滑動摩阻值最小。但是，基于地質方對本區布井井距、地下井網排布等特殊要求，并考慮到靶前位移由350 m增至500 m時對應的滑動摩阻值實際降低并不大。綜上所述，最終將靶前位移定為350 m，此時其對應的滑動摩阻較小及造斜率較低（3～5.8）（°）/30 m，可滿足超長水平段減摩降阻及準確入靶窗等要求。

2.1.2井眼軌道類型優選 由于蘇里格區塊水平井盒8儲層非均質性強，垂深深度精確預測困難，常因出現地層變化而導致軌跡不得不突然降斜或增斜，增加了入靶的難度。因此，考慮到地質目標的不確定性及定向儀器誤差，該井井眼軌道優化為 “直一增一穩一增一微增一水平”剖面，見表1。

表1　蘇77-21-40H2井水平井井眼軌道設計

本設計剖面在兩增斜段之間增加一段短穩斜調整段，有利于調整由于儀器誤差等造成的軌跡偏離。同時，設計在石盒子組盒4～盒7重點易坍塌井段控制該穩斜段以約20°的井斜角穿過，以利于井壁穩定及控制鉆井方位；該井剖面采用84°井斜微增剖面探氣層頂部，若氣層提前或推后，可用較短的垂深和位移變化將井斜角及時調整到約90°；同時，如果氣層頂部和地質預測一致，則按設計軌跡鉆進即可。

2.2水平段延伸工具及工藝

2.2.1水平段延伸能力分析 蘇77-21-40H2井設計采用倒裝鉆具組合并選用S135優質鉆桿，鉆具組合為：?152.4 mmPDC鉆頭+?127 mm螺桿（1°）+?（145～148） mm扶正器+鉆具止回閥+MWD定向短節+?120 mm無磁承壓+?101.6 mm加重鉆桿（2～7根）+ ?101.6 mm斜坡鉆桿（16～19柱）+水力振蕩器組合 + ?101.6 mm斜坡鉆桿（66～83柱）+?101.6加重鉆桿（39～42根）+?101.6mm鉆桿。

理論計算結果表明：水平段2 000 m長時，滑動鉆進有300～400 m的屈曲變形段，下鉆有100～150 m的屈曲變形段，表明水平段滑動鉆進時發生屈曲變形的井段偏長。

因此，為實現超長水平段的順利延伸，后續鉆井應重點做好鉆壓的有效傳遞、提高工具面控制精度、保證鉆井液潤滑性、保障井眼清潔及多采用復合鉆進等手段［6-8］。

2.2.2減摩降阻工具 為實現蘇77-21-40H2井超長水平段的順利延伸，特引入?120 mm水力振蕩器用以大幅度減摩降阻，該工具主要由動力部分、閥門與軸承系統、配套部分組成。通過自身產生的軸向振動（當工具的震蕩閥不斷運動時，改變過流面積，產生壓力脈沖，再通過鉆井液作用在震擊工具的密封面上）來提高鉆進過程中鉆壓傳遞的有效性和減少 BHA 與井眼之間的摩阻。水力振蕩器的結構原理和工作原理如圖1所示。

圖1　水力振蕩器結構原理和工作原理

水力振蕩器主要技術參數為：工具尺寸120 mm，總長6.5 m，重量310 kg，流量范圍9.5～17 L/s，溫度＜160 ℃，工作頻率16～17 Hz，工作產生壓差4～5 MPa，可承受最大拉力1 156 kN。

2.3水力學參數優化

蘇77-21-40H2井隨著水平段的延伸，循環壓力損耗不斷增加，極易出現井漏復雜情況。考慮鉆機設備承壓能力的因素，本井泵壓應控制在28 MPa以內。據此，結合井眼尺寸、鉆井液性能、環空返速、噴嘴大小等條件計算泵壓、壓耗與排量關系，可知，水平段鉆進時泵排量控制在11.5～13.5 L/s比較合適，其對應的泵壓為23.5～27.5 MPa和環空返速為1.10～1.28 m/s。

2.4優化鉆井液體系

鄰井巖石理化實驗結果表明：水平段石盒子組以黏土礦物為主，總含量大于50%；黏土礦物中主要成分為伊/蒙混層，且含量均大于50%；石盒子組為中等膨脹強分散地層；石盒子巖心易于水化分散且巖心有微裂縫。

依據巖石理化實驗結果，本超長水平段鉆井液技術應重點考慮如何抑制泥頁巖水化膨脹分散及防止破碎垮塌。

因此，蘇77-21-40H2井三開超長水平段采用聚磺MEG混油鉆井液體系。主處理劑MEG是一種帶有獨特環狀結構的四羥基多元醇，具有優良的高溫穩定性和抑制防塌能力，能在巖屑表面形成油狀半透膜，具有良好抑制潤滑性和油層保護效果。同時，本體系針對超長水平段摩阻大的特點混入原油、進一步降低了井眼摩阻。

體系配方：（2～4）%澎潤土+0.2%Na2CO3+（0.1～0.3）% NaOH+（0.3～0.5）%NH4HPAN+（0.3～0.5）%CMC-HV+（0.3～0.5）%KPAM+0.5%FA367+（0.3～0.5）%PAC+（1.5～2）%SMP-2+（2～4）% FT-1+（1～2）%SPNH+（0.1～0.2）%XC+（5～7）%MEG+2%XFQ-6+（1～2）%RH-2+（8～10）%原油+（0.3～0.5）%SP-80。

2.5事故預防技術對策

鉆長水平段井需要提高旋轉鉆井井段的百分比，在長水平段井中起下鉆時常常需要倒劃眼才能上提，由于鉆長水平段井要盡一切可能減少鉆柱在井下靜止時間以減少卡鉆的危險等原因，因此蘇77-21-40H2井超長水平段鉆井采用頂驅系統進行鉆進，以加強處理阻卡的能力。

2.6大尺寸壓裂工具順利下入技術

為保證壓裂工具的順利下入，首先利用原鉆井液加入1%液體潤滑劑、0.5 t塑料小球配置30 m3鉆井液，并將其完全泵入水平裸眼段后再起鉆，以提高超長水平段壓裂工具下入時的良好潤滑性。其次，采用外徑150 mm單扶正器、雙扶正器、三扶正器依次通井，如遇通井不順暢，可增加一趟長提至套管內；扶正器提出后測量外徑，如提出后外徑小于148mm（磨損嚴重），則更換新扶正器重新通井。同時，在下入壓裂工具管串過程中控制好下入速度，在套管內保持每隔約30 s下入1根，在裸眼段保持約50 s下入1根，且裸眼段管柱靜止時間不得超過3 min。

3　現場施工

蘇77-21-40H2水平井鉆井施工較為順利，全井鉆井周期為104.67 d，平均機械鉆速為6.2 m/h。水平段鉆井周期為44.06d和平均機械鉆速為5.25m/h。該井完鉆井深5 628 m，水平段長度2 303 m。

3.1井眼軌跡控制

蘇77-21-40H2井造斜段石盒子組盒8下1段較薄，實鉆采用84°井斜微增和復合鉆進方式探氣層頂部，確保了后期水平段鉆進軌跡控制的主動；水平段軌跡應用水力振蕩器工具產生軸向振動延伸鉆進，送鉆加壓順利，實現了超長水平段的延伸鉆進。

該井入靶A點井深3 325 m，垂深3 100.24 m，井斜87.09°，方位218.20°，視平移374 m；完鉆點井深5 628 m，垂深3 124.15 m，井斜90.18°，方位217.56°，視平移2 677 m。

3.2鉆具組合

蘇77-21-40H2井實鉆通過采用技術對策中設定的倒裝鉆具組合，微增斜和穩斜效果顯著，同時利于軌跡控制，提高了旋轉鉆進的比例，進一步提高了機械鉆速。

3.3水力振蕩器使用前后鉆速對比

蘇77-21-40H2井在0～1 430 m水平段未使用水力振蕩器時，平均機械鉆速為5.7 m/h，且在水平段長度延伸至1 200 m后拖壓現象嚴重，定向工具面調整困難，機械鉆速迅速降低，無法繼續有效實施水平段延伸鉆井。因此，在 1 430～2 303 m水平段接入水力振蕩器工具配合鉆井，共計使用3趟鉆，進尺為873 m，平均機械鉆速提高到8.57 m/h，提速26.4%，并有效完成了水平段的后期延伸。但由于受鉆機設備的限制，泵壓需保持在28 MPa以下和排量需控制在12～13 L/s，泵排量不足影響了水力振蕩器性能的充分發揮（水力振蕩器最佳工作排量為15.8 L/s），這直接導致了滑動鉆進時機械鉆速提高不明顯。

3.4鉆井液

蘇77-21-40H2井聚磺MEG混油鉆井液體系具有良好的抑制、防塌、潤滑、攜砂、油層保護能力，水平段鉆進過程中無坍塌掉塊及阻卡現象；水平段返砂基本正常，起下鉆開泵順利；水平段摩阻因數控制在0.05以內，濾餅質量良好，無黏卡現象；水平段下入水力振蕩器工具后施工正常，基本無托壓現象。

實鉆鉆井液性能：密度1.10～1.20 g/cm3，漏斗黏度50～60 s，API失水3～4 mL，濾餅厚度0.3～0.4 mm，pH值11～12，含砂0.4%，HTHP失水9 mL，摩阻因數＜0.05，靜切力2～3 Pa /7～15 Pa，塑性黏度18～23 mPa·s，動切力8～12 Pa。

3.5壓裂工具

蘇77-21-40H2井分段壓裂工具實際管串結構為：?147.5 mm封隔器20個+?140 mm滑套15個（含液壓滑套1個）+?150 mm懸掛器+?114.3 mm油管（壁厚6.45 mm×鋼級N80）。該井分段壓裂工具順利下至井底，并成功實施投球丟手。

4　結論與建議

（1）針對蘇77-21-40H2井超長水平段延伸鉆進的突出鉆井技術難點，通過采用優化井眼剖面、引入新型減摩降阻工具、優化鉆具組合、優選鉆井液體系、加裝頂驅設備、下入壓裂工具保障技術及嚴格工程配套措施等多項技術對策，保障了該井完鉆時水平段長度順利延伸至2 303 m。

（2）蘇77-21-40H2井在1 430～2 303 m水平段使用?120 mm水力振蕩器工具后，減摩降阻效果明顯，工具面穩定，定向效果好及提速明顯；同時，通過減少擺工具面時間和起下鉆頻率有效降低了鉆井施工風險。

（3）應提升鉆機設備的機泵能力，以滿足水力振蕩器工具對工作壓降和排量的高要求，從而保障該工具工作性能的充分發揮，實現有效減摩降阻、明顯鉆速及水平段順利延伸的效果。

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（修改稿收到日期 2015-10-21）

〔編輯 薛改珍〕

Drilling technology for ultra-long horizontal section of horizontal well Su 77-21-40H2

CHEN Tao1，RAN Zhaohui2，LUO Liang3，KE Xue1，SUN Yaping1，NAN Xin4
（1. Drilling Engineering and Technology Research Institute，Xibu Drilling Engineering Company Limited，CNPC，Karamay 834000，China；2. Sulige Gasfield Project Management Team，Xibu Drilling Engineering Company Limited， CNPC，Uxin Banner 017300，China；3. Deνelopment Company of Xinjiang Oilfield Company，CNPC，Kalamay 834000，China；4. Xibu Drilling Engineering Company Limited， CNPC，Urumqi 830011，China）

With the horizontal well technology adopted as one of main technologies used for economic-scale development of Sulige Gasfield，the trend to maximizing the production output per well by further increasing the operation length of horizontal section has become more and more imminent. Aiming at the drilling difficulties in ultra-long horizontal section of Well Su 77-21-40H2 in Sulige Gasfield（namely difficult transmission of drilling pressure，difficult cleaning of wellbore，poor wellbore stability and difficult lowering of large-size fracturing tool in completion operation），by taking several technical countermeasures such as optimizing the wellbore profile，introducing the new-type friction resistance reducing tools，optimizing the drilling tool combination and MEG polysulfonate drilling fluid system，installing the top drive equipment，ensuring the smooth lowering of fracturing tool and strictly implementing the supporting measures，the extension length and mechanical drilling speed of the horizontal section of such well have been greatly improved. When the drilling of this well was smoothly completed，the actual length of horizontal section was 2 303 m，which has provided the experience for further development of horizontal wells in Sulige Gasfield.

horizontal well； ultra-long horizontal section； friction torque； hydraulic oscillator

TE243

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0001-04 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.001

陳濤，1975年生。1999年畢業于西安石油大學，現主要從事鉆井工程方案及設計、鉆井工藝類科研項目研究，高級工程師。電話：18699006889。E-mail：magici4@163.com。