長慶氣田水平井優快鉆井配套技術

解經宇高學生李 偉（. 中國地質大學（武漢）工程學院，湖北武漢 430074；. 渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 30080）

引用格式：解經宇，高學生，李偉. 長慶氣田水平井優快鉆井配套技術［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：30-33.

長慶氣田水平井優快鉆井配套技術

解經宇1高學生2李 偉2
（1. 中國地質大學（武漢）工程學院，湖北武漢 430074；2. 渤海鉆探工程有限公司第一鉆井工程分公司，天津 300280）

引用格式：解經宇，高學生，李偉. 長慶氣田水平井優快鉆井配套技術［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：30-33.

摘要：長慶氣田水平井鉆進具有地層條件復雜，巖石可鉆性差的特點。為探索適合長慶氣田水平井提速的配套技術，從復合鉆井工藝、鉆井液體系性能、防托壓和事故復雜預防4個方面進行了生產應用。實踐表明，高效PDC鉆頭配合螺桿復合鉆井可顯著提高機械鉆速，縮短建井周期；膨潤土、聚合物和聚磺鉆井液體系可通過控制鉆井液性能參數防止不同井段的地層漏失、坍塌，并滿足鉆具潤滑要求；采用倒裝鉆具組合和應用水力加壓器可減小鉆具摩阻，減緩托壓現象，從而提高滑動鉆進速度；此外，應做好井下復雜事故的防治方案并在施工中嚴格執行。該配套工藝可為長慶地區同類結構水平井鉆進提供參考，對提高勘探開發效益具有重要意義。

關鍵詞：水平井；復合鉆井；托壓；事故復雜

長慶油氣田主要目的層石盒子組和山西組，以砂泥巖互層為主，夾含礫粗砂巖和不等粒砂巖，巖石可鉆性差［1］。因油氣儲層總沉積厚度僅約100 m，多采用水平井提高單井產量。在水平井井身結構設計中，造斜和增斜段分別集中在石千峰組和石盒子組，而該段地層主要以硬脆性泥巖為主，施工過程中易發生井壁失穩和坍塌掉塊現象［2］，甚至可能導致下鉆遇阻劃眼及砂橋卡鉆。在洛河組、安定組、和尚溝組和劉家溝組地層鉆進時易出現地層漏失，需要對鉆井液體系及其性能進行優選，從而減少泥頁巖的浸泡時間［3-4］。井眼上部的安定組和直羅組地層傾角大，容易使井斜超標，需選擇有防斜效果的鉆頭和鉆具結構配合小鉆壓鉆進，并加強井斜監控。

鑒于長慶地區水平井施工存在的提速難題，根據現場鉆井實踐，通過應用“高效PDC鉆頭 + 螺桿馬達”復合鉆井技術、優選鉆井液體系并控制鉆井液性能，采用防托壓鉆具提高造斜效果，并提前做好預防“雙溝組”地層漏失和“雙石組”坍塌的技術措施，實現了在該地區水平井年進尺突破30 000 m。該配套工藝對于提高長慶地區水平井機械鉆速、縮短建井周期和提高勘探開發效益具有顯著意義。

1　高效PDC+螺桿復合鉆井技術

1.1 螺桿優選

長慶地區水平井井身結構以三開三段制為主，二開段井深為2 400~3 100 m，造斜率一般在5（°）/30 m左右，前期采用1.5°常規單彎螺桿，由于造斜率大，造斜井段定向時間長，通常井眼軌跡不平滑，通過鉆井現場實踐，二開段選用1.5°的短直棱扶正器單彎螺桿，其鉆具復合造斜能力強，可極大減少滑動鉆進工作量，選擇短直棱扶正器可減小鉆進過程中的滑動阻力，如在蘇20-12-7H井配合水力加壓器使用過程中，滑動鉆進工作量僅占該井段進尺的18.96%；三開井深在3 100~3 500 m，水平段長1 200~2 000 m，采用1°的雙扶正器螺桿，主要是為增強井底鉆具的穩定性，減小導向鉆進時對井斜的影響，并且在水平段尋找氣層時可以滿足定向要求及時調整井斜，從而提高鉆進速度。

1.2 鉆頭及鉆井參數優選

為縮短建井周期，全井采用高效PDC鉆頭。對蘇20-12-7H等8口已鉆井進行統計，獲得該地區不同井段的鉆井參數和鉆頭使用效果見表1。

表1　長慶地區水平井鉆井工藝參數與鉆頭使用效果分析

如表1所示，二開直井段因上部地層可鉆性好，宜選用大直徑切削齒和中等密度布齒的高效PDC鉆頭，并配合圓柱聚晶金剛石保徑和深寬水槽等結構特征，實現上部地層提速和防斜。為提高鉆頭使用壽命，在統計的8口井施工中全部選用大港中成鉆頭廠生產的?19.05 mm進口標準PDC 齒的5刀翼碳化鎢胎體鉆頭，且均用一只鉆頭即完成直井段鉆進。直井段總進尺16 043 m，單只鉆頭最高機械鉆速達39.02 m/h，所有施工井的平均鉆速達28.29 m/h，鉆頭使用后的實物照片如圖1（a）所示。

二開斜井段主要為石千峰組至石盒子組砂泥巖地層，其中泥巖具有硬脆性、易掉塊的特點，而砂巖則具有石英含量高和含礫石的特點，地層可鉆性較差。同時，考慮到鉆孔變曲率剖面的特點，在井斜小于50°時井段造斜率較高，而定向鉆進易托壓，因此高效PDC鉆頭選型時應注重鉆頭的抗沖擊性能和強定向能力。現場主要采用哈里伯頓和成都迪普生產的六螺旋刀翼-雙排布齒鉆頭提高造斜工具面的穩定性，并采用?13 mm和?16 mm復合片混合布齒增加鉆頭的抗沖擊和抗研磨性能力。二開斜井段共計進尺4 851 m，單只鉆頭最高機械鉆速為10.68 m/h，平均鉆速為6.36 m/h，較上一年鉆速提高41%。如圖1（b）為使用后的哈里伯頓FXD65DS鉆頭。

圖1　 鉆頭使用后的照片

三開水平段鉆進主要為石盒子組和山西組地層，巖性為灰白色砂巖夾灰色泥巖、砂礫巖。其中砂巖的石英含量高，硬度大，可鉆性級別6級，研磨性強，可鉆性差。選擇鉆頭型號時，主要考慮增加鉆頭的抗研磨性、強攻擊性和鉆進平穩性，減少鉆頭扭矩和托壓現象，從而方便控制井眼軌跡，增加單只鉆頭進尺和提高機械鉆速。水平井段主要采用的是哈里伯頓和中成鉆頭廠的5螺旋刀翼-雙排中密度混合布齒鉆頭。該類鉆頭具有較長拋物線型冠部結構，并采用?13 mm和?16 mm復合片混合布齒，以及倒劃眼齒和減震齒同時提高鉆頭的穩定性和抗研磨性強度。水平段總進尺5 991 m，單只鉆頭最高機械鉆速14.44 m/h，平均鉆速9.17 m/h，較上一年提高22%。圖1（c）為使用后的哈里伯頓FX55D型鉆頭。

2　鉆井液性能控制

2.1 鉆井液體系和性能控制［5-8］

一開主要為第四系黃土層和白堊系安定組地層，地層松軟，滲透性強，為預防垮塌和漏失，可采用膨潤土漿鉆進。鉆進過程中維持鉆井液密度1.05~1.0 g/cm3，黏度35~60 s，防止井口垮塌。

二開直井段地層主要為侏羅系安定組至三疊系劉家溝組地層，需要重點預防安定組和雙溝組地層漏失，應保證鉆井液具有較低的濾失量并形成較高質量的濾餅。雙溝組地層屬區域裂縫型漏失層，在靠近鄂爾多斯盆地伊盟隆起和伊陜斜坡構造東北部地區（蘇25和蘇76區塊）尤其嚴重，有時鉆井液只進不出。施工過程中采用聚合物鉆井液體系，提前加入2%~3%單封、低滲封堵劑BZ-DFT等進行預防堵漏。穿漏層時控制密度在設計低限，一般控制≤1.08 g/cm3。

二開造斜/增斜段與三開水平段主要為三疊系劉家溝組至二疊系石盒子組地層，重點是防止雙石組地層垮塌。雙石組地層泥巖水敏性強，水化作用使泥頁巖逐漸分散成碎片，且水化速度和膨脹程度不一致，會次生出多級裂隙，導致巖石剝蝕、崩塌、掉塊。施工過程中采用防塌抑制性更強的BZ-KSM（KCl聚磺）鉆井液體系，并嚴格按井斜角分段控制好密度、失水等關鍵性能。長慶地區鉆井液關鍵性能參數見表2。

表2　長慶地區鉆井液性能參數

2.2 固相含量控制

施工中推廣使用頂驅鉆機、高頻高目振動篩和剪切配藥罐等配套設備，有效降低鉆井液固相含量，滿足安全快速施工需要。二開鉆進時振動篩為160目，而水平段鉆進時振動篩目數則高達180~200目，盡快降低泥砂含量，減少設備修理時間，并對預防卡鉆起到積極作用。配套使用20 m3的剪切配藥罐，可顯著提高鉆井液處理效率，使鉆井液能在1個循環周期內達到預計效果。

采用?89 mm鉆桿鉆進時，受機泵條件限制，存在施工泵壓高、排量小（12~13 L/s）等缺點。為解決三開?152.4 mm井眼水平段攜砂效果差、托壓嚴重、螺桿輸出功率不足和機械鉆速低的問題，應用能克鉆具公司提供的?101.6 mm雙臺肩鉆具（其中鉆桿495根，加重鉆桿27根）。該鉆具本體和接頭通徑大，最大使用排量16 L/s，最高泵壓23 MPa。在相同泵壓條件下，同比使用?89 mm鉆桿排量提高33%，裸眼平均環空返速提高51%左右，從而縮短巖屑上返時間，有利于水平段攜砂并減緩巖屑床的形成條件、減小井下摩阻扭矩。此外，采用?101.6 mm鉆具還可增大螺桿鉆具輸出功率，使之配合PDC鉆頭提高機械鉆速。水平段平均機械鉆速9.17 m/h，同比?89 mm鉆桿時機械鉆速提高了126%。

3　減托壓方法和工具

水平井施工過程中，除了鉆井液潤滑性差會引起鉆進托壓現象外，由于重力的影響使鉆柱與井壁的摩阻增大也會產生托壓現象。通過倒裝鉆具組合減輕下部鉆柱重量和采用井下輔助破巖工具來減緩托壓。鉆井實踐中采用的倒裝鉆具組合分別如下。

斜井段：?215.9 mmPDC + ?165 mm 1.5o單彎螺桿+ LWD短節 +?177.8 mmNMDC × 1根 + 411/410防磨接頭 +（或SJ-165水力加壓器）+ ?127 mmDP ×（根據井深倒裝至直井段）+ ?127 mmHWDP × 8柱+ ?127 mmDP；

水平段：?152.4 mmPDC + ?127 mm 1°雙穩定器螺桿 + ?120 mm浮閥 + ?120 mmNWDC × 1根LWD +?120 mmNWDP × 1根 + ?101.6 mmHWDP × 1柱 + ?101.6 mmDP ×（根據井深倒裝至直井段）+ ?101.6 mmHWDP × 7柱 + ?101.6 mmDP。

在蘇20-12-7H井中，試驗應用了SJ-165水力加壓器。試驗井段3 000~3 417 m，平均機械鉆速6.5 m/h。配合1.5°單彎螺桿使用時，實現了滑動鉆進機械鉆速2.86 m/h，滑動進尺比例18.96%，表明水力加壓器能夠改善傳壓效果，減輕托壓現象。

4　井下事故復雜預防

4.1 起下鉆防卡

井眼清潔狀況、鉆井液性能和井眼狗腿度是造成起下鉆遇阻遇卡的關鍵因素。為減少起下鉆事故復雜，在鉆進過程中采用下述措施保證正常起下鉆：（1）確保排量滿足快速鉆井攜砂需求，使鉆井液上返速度大于1.25 m/s；（2）加強固控設備的使用，確保含砂量小于≤0.3%，總固相含量控制在10%左右；（3）加強通劃眼工作和短起下作業，破壞和清除巖屑床，并充分利用頂驅鉆機的優勢，采取倒劃眼起鉆攜砂；（4）出現托壓時及時活動鉆具4~5 m，必要時停鉆循環鉆井液或進行短起下作業；（5）漏斗黏度控制在65~75 s，動塑比控制在0.5~0.7，并及時向鉆井液中補充潤滑劑，使摩阻≤0.06；（6）嚴格控制狗腿度值。

4.2 防漏與防塌

雙溝組（和尚溝組和劉家溝組）鉆進過程中如果出現漏失現象，為提高深部雙石組（石千峰組和石盒子組）防塌地層的承壓能力，需要先進行堵漏再實施下部鉆進。現場鉆進實踐表明，在漏速小于5 m3/h時可先強行鉆穿該層位，然后再打堵漏鉆井液進行靜止堵漏，而當漏速大于5 m3/h甚至出現失返（鉆井液只進不出）時，則需要采用水泥漿堵漏以后才能正常鉆進。漏失層鉆進時應適當減小鉆井液排量，并在劉家溝組地層定向鉆進之前注入堵漏鉆井液進行憋壓堵漏。此外，在起下鉆和下套管過程中需要嚴格控制鉆具上提下放速度，避免因激動壓力而憋漏地層。

雙石組地層防塌主要通過化學防塌、物理防塌和減少地層浸泡時間來實現。化學防塌是采用具有強抑制性的BZ-KSM鉆井液體系，快速形成致密低滲透的濾餅，嚴格控制防塌層位鉆進時的鉆井液失水量。物理防塌是及時調整鉆井液密度，如在防塌層注入預先配置好的重漿，并在起鉆時及時往鉆柱內灌注鉆井液，實現井壁力學穩定。減少地層浸泡時間主要通過強化生產組織，實現各工序無縫銜接，并應用配套提速工具和工藝，提高機械鉆速來實現。此外，起下鉆具和開泵過程中，同樣需要避免因操作不當而產生過大的激動壓力和抽吸壓力。

5　結論

（1）通過優選高效PDC鉆頭和螺桿馬達，實現了長慶地區水平井提速目標，鉆頭和螺桿類型應根據井身結構和鉆遇地層的特點進行選擇。

（2）根據井眼剖面結構，分別采用了膨潤土、聚合物和KCl聚磺鉆井液體系，各鉆井液體系對雙溝組地層防漏、雙石組地層防塌，以及造斜/增斜和水平段鉆進防托壓起到較好效果。

（3）除保證鉆井液潤滑性防托壓之外，倒裝鉆具組合和應用水力加壓器也能對減少水平段托壓起到顯著效果，從而改善傳壓效果，提高滑動鉆進速度。

（4）分別對起下鉆防卡、雙溝組地層防漏和雙石組地層防塌等井下事故復雜進行了技術備案，鉆遇復雜地層時要嚴格按照技術預案執行，從而保證鉆井順利進行。

參考文獻：

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（修改稿收到日期 2015-08-18）

〔編輯 薛改珍〕

Matching technology for optimized
fast drilling of horizontal wells in Changqing Gasfield

XIE Jingyu1, GAO Xuesheng2, LI Wei2
（1. Engineering College of China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. No.1 Drilling Engineering Company, Bohai Drilling Engineering Co. Ltd., Tianjin 300280, China）

Abstract:Drilling of horizontal wells in Changqing Gasfield is characterized by complex formation conditions and poor rock drillability. To explore the matching technology for speeding up the horizontal well drilling in this area, the compound drilling technology, mud properties, prevention of backing pressure and preventing of complex conditions and accidents were applied in field drilling practices. The practices indicated that high efficiency polycrystalline diamond compact (PDC) bit and screw compound drilling can improve rate of penetration significantly and reduce well construction period. By controlling mud properties, the bentonite, polymer and sulphonated polymer drilling fluid systems can prevent the formation leakage and collapse at different intervals and can satisfy the lubrication requirement of drill string. Method of inverted drill string and application of hydraulic thruster can decrease frictional resistance of the drill string so as to mitigate backing pressure and improve ROP of slide drilling. Besides, plans to prevent complex conditions and accidents should be developed and executed strictly during drilling. This matching technology provides a reference for the horizontal well drilling with similar well structures in Changqing area, which is of great significance to improvement of exploration and development benefit.

Key words:horizontal well; compound drilling; backing pressure; complex conditions and accident

作者簡介：解經宇，1991年生。中國地質大學（武漢）在讀碩士，主要從事石油鉆井及頁巖氣壓裂等方面的研究。電話：18771062560。E-mail：954226758@qq.com。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.008

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0030 – 04

文獻標識碼：B

中圖分類號：TE243