水平井叢式井組優快鉆井技術在鹽227區塊的應用

吳明波

(中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

水平井叢式井組優快鉆井技術在鹽227區塊的應用

吳明波

(中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017)

摘要：勝利油田鹽227區塊為低孔特低滲致密砂礫巖油藏，前期采用常規直井壓裂開發產量低、經濟效益差。為了提高動用儲量，改用集中鉆井、集中壓裂、集中投產的水平叢式井組方式開發，但井組第1口井-鹽227——1HF井存在大井眼定向鉆時慢、水平段重復劃眼等問題，致使該井施工周期較長、鉆井時效差、單井投資大。為此，在后續施工中，對井眼軌道、井身結構、鉆頭選型、鉆井液等技術進行了優化，8口井平均單井鉆井周期79.7 d，較鹽227-1HF 井縮短 53.9 d，投產后日產量明顯提高。

關鍵詞：鹽227區塊；叢式井組；井身結構；軌跡控制；鉆井液技術；致密砂巖

1地質工程概況

勝利油田鹽227區塊位于濟陽坳陷東營凹陷北部陡坡構造帶鹽227砂礫巖體，主要目的層為沙四上亞段，油藏埋深3 170～3 950m，含油面積1.5km2，石油地質儲量302×104t。構造呈北東-南西向展布的單斜形態，地層西南低、東北高，傾角20°，最大主應力方向為近東西向。沉積類型為扇三角洲沉積，縱向上看，底部以礫巖為主，向上巖性變細，上部為夾灰色泥質砂巖和深灰色泥巖；平面上看，垂直物源方向砂礫巖體巖性變化快，厚度變化大，靠近物源方向(北部)粒度粗，遠離物源方向粒度細。據巖心分析資料，目的層孔隙度最大13.4%，最小1.4%，平均6.1%；滲透率最大45.6×10-3μm2，最小0.02×10-3μm2，平均1.6×10-3μm2。由于鹽227區塊屬于低孔、特低滲砂礫巖油藏[1]，前期采用常規直井開發效果不佳(先期完鉆3口井，僅1口井產量達到2t/d)，因此，改用水平井叢式井組開發方案。

叢式井組共設計9口井，每3口井為一個井組，每臺鉆機負責施工一組，呈“品”字形分布。每個井組共用1個鉆井液池，部分鉆井液循環使用，以實現集約化施工。9口井全部采用放射型布井方式[2]，井深4300～5 000m，設計井斜角66°～79°，水平井靶前距為400～500m，水平段長800～1100m。井身結構均采用三開型：一開φ440.5mm井眼×φ339.7mm套管；二開φ311.2mm井眼×φ244.5mm套管；三開φ215.9mm井眼×φ139.7mm套管。具體井組設計數據見表1。

2鉆井技術難點

(1)設計同臺各有3口井，造斜點深(深度2 800～3 000m)、直井段較長、地層傾角大，大井眼鉆進直井段防斜難度大，同臺井防碰難度大，井身質量要求高。

(2)設計水平井的斜井段和水平段長，隨著水平位移的延伸，摩阻和扭矩逐漸增大，滑動鉆進困難。同時，為了保證完井壓裂管柱的安全順利下入，要求井眼軌跡高度平滑，造斜段造斜率控制在20°/100m以內，水平段全角變化率不超過10°/100m，控制精度要求高、難度大。

(3)二開φ311.2mm上部泥巖井段易吸水膨脹，三開φ215.9mm長裸眼井段含有大段泥巖，長時間施工井壁易坍塌，造成井眼不暢通、起下鉆困難，對鉆井液性能提出了較高要求。

(4)砂礫巖地層可鉆性差，鉆頭(PDC鉆頭適應性差，牙輪鉆頭有效使用時間較短)和扶正器易發生嚴重磨損，機械鉆速低，鉆井周期長。

3優快鉆井技術

3.1井眼軌道優選

先期非常規油氣井完井改造立足于裸眼壓裂，而裸眼下入壓裂管柱要求造斜段井眼曲率<20°/100m，水平段<10°/100m。本著安全的原則，井組井眼軌道剖面設計采用單增類型，一方面可保證井眼平滑，降低施工難度，另一方面有利于管柱的順利下入，如鹽227-1HF采用“直-增-平”三段制單增剖面，設計狗腿度10.5°/100m)。此外，近年來勝利油田開發的非常規油藏埋藏較深，單井機械鉆速相對較慢。為提高水平井鉆井速度，在滿足完井管柱安全下入的前提下，軌道類型采用五段制，如鹽227-2HF井，具體設計見表2。五段制設計主要考慮因素：滿足完井壓裂工藝要求，不影響完井管柱的下入和管材的抗彎能力；軌道中有大段穩斜井段，從理論上可增加轉盤鉆進的比例，進而有利于提高機械鉆速。因此鹽227區塊后續(鹽227-1HF除外)長水平段水平井全部都采用五段制剖面類型。

表2　鹽227-2HF井井眼軌道設計方案

3.2井身結構優選

鹽227區塊長水平段水平井完鉆井深在4 500～5 000m，井身結構均采用三開次。鹽227-1HF井為區塊內施工的第1口井，一開采用φ444.5mm鉆頭，下入φ339.7mm套管至350m，封住上部疏松易垮塌地層；二開采用φ311.2mm鉆頭，下入φ244.5mm技術套管至A點；三開采用φ215.9mm鉆頭，裸眼完鉆后下入完井壓裂管柱(表3)。由于二開定向段均在φ311.2mm井眼，地層可鉆性差，PDC鉆頭不適應，牙輪鉆頭壽命短，鹽227-1HF斜井段平均機械鉆速僅1.23m/h，嚴重制約了鉆井提速、提效。為了提高鉆井速度，對后續施工井井身結構進行了優化設計，將φ244. 5mm技術套管優化為封過沙三中地層 ( 2 300m) ，這既封隔了沙三段易塌地層，又減少了裸眼段長度，減少了大井眼鉆進井段[3]，提高了鉆井速度。后期優化設計鹽227-9HF的井身結構見表4。

表3　鹽227-1HF井身結構數據

表4　鹽227-9HF 井身結構數據

3.3軌跡控制技術

3.3.1 斜井段

斜井段采用的鉆具結構：φ215.9mm牙輪鉆頭+φ172mm×1.5°螺桿+MWD+加重鉆桿+鉆桿。定向過程中，根據實鉆造斜率合理分配定向段和復合鉆進段比例，采取“少滑動、多復合”的技術措施，確保了井眼軌跡圓滑。鹽227-1HF斜井段復合鉆進增斜率最高達到15°/100m，高于設計造斜率，定向段施工過程中，可以根據實鉆造斜率的變化，采用大井段復合鉆進，以提高鉆井效率。

3.3.2 水平段

由于鹽227-1HF井在斜井段施工過程中機械鉆速太低，三開水平段采用泡沫鉆井方式，水平段最高機械鉆速達到了13.08m/h，平均機械鉆速達到了5.39m/h，是鄰井的3～4倍。但泡沫鉆井對鉆頭和扶正器的磨損異常嚴重，且投資過大，單口井投資超過7000萬元，因此，在后續施工中棄用。水平段采用用常規泥漿鉆進，采用的鉆具組合為：φ215.9mm鉆頭+φ172mm×1.25°螺桿+φ212mm扶正器+MWD+鉆桿+加重鉆桿。選擇小度數單彎螺桿，避免滑動鉆進調整井斜時出現較高的狗腿度；對螺桿本體上的扶正塊進行了優化，減少1～2mm，并搭配合適尺寸的欠尺寸扶正器，調整底部鉆具組合造斜特性，以提高復合鉆進的比例。通過調整鉆進參數，復合鉆進能基本達到穩斜或微增井斜的效果，減少了滑動鉆進的次數和井段，利用復合鉆進提高效率，實現“多復合，少滑動”。

3.4鉆井液技術

鹽227區塊自上而下鉆遇平原組、明化鎮組、館陶組、東營組、沙河街組沙二段至沙四段，缺失沙一段。沙河街組埋深較淺、易坍塌，加之裸眼段長，綜合考慮井壁穩定、攜巖、潤滑、油氣層保護和鉆井綜合成本等多項因素[4-5]，對不同井段采用了相應的鉆井液體系。

3.4.1 一開

一開上部地層膠結疏松，易發生井壁坍塌，選用抑制性聚合物防塌鉆井液體系，以抑制地層黏土造漿。鉆井液主要性能：密度1.05～1.1g/cm3；黏度35～45s。

3.4.2 二開

針對直井段上部地層膠結疏松，易發生坍塌，選用抑制性聚合物防塌鉆井液體系，以抑制地層黏土造漿。二開下部沙河街組易發生坍塌掉塊，改用防塌性能較強的聚磺鋁胺基潤滑防塌鉆井液體系，以保證鉆井液具備很強的抑制性、封堵性和潤滑性。施工中加強維護，鉆進中及時補充質量分數為0.3%～0.5%的PAM聚合物膠液，嚴格控制造漿，嚴格控制鉆井液中的劣質固相含量和低密度固相，維持鉆井液膨潤土含量30～45g/L，以確保鉆井液性能穩定、技術套管地順利下入。二開直井段鉆井液性能：密度 1.05～1.20g/cm3；黏度30～50s；API濾失量≤5.0mL；靜切力2～4/4～8Pa/Pa，pH值7.0～9.0。

3.4.3 三開

三開裸眼井段長、鉆井施工周期長，后期摩阻扭矩增大，鉆井液必須具有良好的潤滑防卡性能，選用強抑制封堵性聚合物(潤滑)防塌鉆井液體系。在造斜點前200m加入乳化劑、原油和固體潤滑劑，井斜角每增加 10°～15°混入一定比例的原油，以提高鉆井液的潤滑性，使之形成潤滑性能良好的泥餅[6]，確保三開鉆進過程中摩阻低、扭矩小和井下安全。水平段嚴格控制鉆井液中的劣質固相含量，同時配合短起下作業，破壞巖屑床，及時清除井內鉆屑。水平段鉆井液主要性能：密度1.15～1.25g/cm3；黏度50～60s；API濾失量≤2.0mL；靜切力5～8/10～16Pa/Pa；pH值8.0～8.5。

3.5鉆頭優選

該區快二開直井段地層主要以泥巖為主，選用P5363S型PDC鉆頭。該鉆頭具有切削能力強、扭矩小、鉆速快的特點，有利于實現直井段的快速鉆進，實現一趟鉆鉆完二開直井段。

三開下部地層巖性主要以砂礫巖為主，該地層以石英為主，存在菱鐵礦，地層強度為中硬，地層可鉆性級值較好，研磨性較強，地層鉆頭損壞主要以碎齒、斷齒和磨損為主[7]。鹽227-1HF井在斜井段嘗試使用PDC鉆頭，但效果不好，存在定向工具面不穩、機械鉆速慢、PDC鉆頭切屑齒磨損嚴重、經濟性差。因次，在后續井三開施工時，斜井段優先選用HJT537GHL鑲齒牙輪鉆頭，該類鉆頭具有掌背強化、金剛石保徑、研磨性強的特點，斜井段平均機械鉆速達到2.61m/h,能夠實現單趟進尺100m。

水平段采用PDC鉆頭和牙輪鉆頭混合使用，牙輪鉆頭純鉆時間短，主要用于調整井斜角和方位角，待井斜角和方位角調整達到要求之后，再使用PDC鉆頭復合鉆進，實現快速鉆進，選用的PDC鉆頭型號為PK6256MJ型，該類鉆頭具有雙排齒加強結構、球面齒保護保徑和減少沖擊傷害高抗研磨性等特點，以實現水平段的快速鉆進。

4施工效果

(1)鹽227-1HF井創中石化泡沫鉆井最深井(4 591m)，垂深最深(3 619.54m)，井下施工溫度最高(137 ℃)3項紀錄。

(2)水平段優選的PK6256MJ型PDC鉆頭在鹽227-6HF井單趟進尺達到270m，創造本區塊砂礫巖體水平井最高進尺紀錄。

(3)9口井建設產能3×104t，投產后動用儲量270×104t，平均單井日產油15t，是周圍鄰井的6～10倍。

(4)鹽227區塊采用集中鉆井、集中壓裂、集中投產的一體化開發方式，3臺鉆機同時使用1條供電線路，單井節約搬遷費、動力費等300×104元，單井費用控制在5000×104元以內。

(5)后施工的8口井采用優快鉆井技術，平均單井鉆井周期79.69d，比鹽227-1HF井縮短53.89d，鉆井周期和成本明顯降低。

5認識與建議

(1)鹽227區塊是勝利油田首次按照“井工廠”標準模式建設的開發區塊，實現了集中鉆井、集中壓裂、集中投產的一體化方式。該模式的成功應用，節約了鉆井成本，有利于提高非常規油氣藏開發效果，具有良好的推廣應用前景。

(2)PDC鉆頭在砂礫巖鉆進時，適應性較差，建議進一步改進PDC切削齒結構及抗磨性能，研制適合砂礫巖地層鉆進的PDC鉆頭，以提高鉆井速度。

(3)井身結構的優化，減少了技術套管的下深，減少了大井眼鉆進進尺，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，減少了鉆井成本。

參考文獻

[1]趙明宸，徐賦海，姜亦棟，等．東辛油田鹽227塊致密砂礫巖油藏井工廠開發技術[J].油氣地質與采收率，2014，21(1)：103-104.

[2]張金成，孫連忠， 王甲昌，等．“井工廠”技術在我國非常規油開發中的應用[J].石油鉆探技術，2014，41(1)：24-25.

[3]黃志遠，夏曄，岳書海．鹽227單元大位移水平井鉆井設計與施工[J].石油機械，2013，41(12)：24-25.

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[6]邱維清，李秀靈，陳二丁，等．聚合物膠束鉆井液在鹽227-4HF井的應用[J].鉆井液與完井液，2014，31(5)：41-42.

[7]朱海燕，鄧金根，朱曉梅，等.砂礫巖地層的巖石力學特性及鉆頭優化方法[J].科技導報，2013，31(5-6)：79-80.

編輯：劉洪樹

文章編號：1673-8217(2016)02-0112-04

收稿日期：2015-10-14

作者簡介：吳明波,工程師，1980年生，2005年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，現從事特殊工藝井的技術服務工作。

中圖分類號：TE243.2

文獻標識碼：A