長水平段水平井高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

王建龍，齊昌利，陳 鵬，于志強(qiáng)，高學(xué)生，孫曜廣，賈利納

(1.中石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450；2.中石油集團(tuán)渤海鉆探第一鉆井公司，天津 300280)

長水平段水平井鉆井技術(shù)是致密油氣開發(fā)的重要技術(shù)保障，具有最大限度地提高產(chǎn)量和采收率的技術(shù)優(yōu)勢[1-4]。因此，國內(nèi)外各油氣田廣泛地部署長水平段水平井，以提高對致密油氣田的勘探開發(fā)效益[5，6]。然而，長水平段水平井在鉆進(jìn)過程中，水平段長給鉆井帶來了諸多技術(shù)難題，比如設(shè)備與鉆具的選型、井眼軌跡控制、鉆井提速等[7-10]。

大港油田實(shí)施的G1701H井，創(chuàng)造了大港油田5 000 m以上水平井鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最高、鉆機(jī)月速最高、水平段最長“四個之最”的記錄。因此，本文將以G1701H井為例，分析長水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)，并鉆前預(yù)測和實(shí)鉆分析與優(yōu)化兩個5段提出關(guān)鍵技術(shù)對策，為后續(xù)實(shí)施長水平段水平井提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 基本概況

G1701H井是2017年大港油田實(shí)施的一口預(yù)探評價井長，屬于水平段水平井，設(shè)計井深5 524 m，造斜點(diǎn)3 100 m，水平位移2 046 m，水平段長1 513 m(見圖1)。該井為三開井身結(jié)構(gòu)，一開444.5 mm井眼，設(shè)計井深801 m；二開311.1 mm井眼，設(shè)計井深3 060 m；三開215.9 mm井眼，設(shè)計井深5 524 m。

2 鉆前預(yù)測與技術(shù)優(yōu)選

G1701H井井眼深、造斜點(diǎn)深、水平段長，另外，該井?dāng)M采用大鉆壓、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中摩阻、扭矩大，對鉆機(jī)、鉆具的要求高；為了提高井眼清潔和機(jī)械鉆速，本井?dāng)M采用大排量、小鉆頭水眼鉆井，對鉆井泵的要求高。因此，如何在鉆前利用軟件對摩阻、扭矩、水力參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，為鉆機(jī)、鉆具、鉆井泵等優(yōu)選提供可靠的依據(jù)，顯得尤為重要。

2.1 摩阻、扭矩預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)

摩阻、扭矩隨著井深的增加不斷增加，因此該井的摩阻、扭矩最大值在三開完鉆井深5 524 m處。實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)完成的定向井，裸眼段摩阻系數(shù)一般在0.25～0.30；利用螺桿鉆具完成的定向井，裸眼段摩阻系數(shù)一般在0.35～0.40。對G1701H井同區(qū)塊實(shí)施的鄰井進(jìn)行摩阻、扭矩反演，確定該區(qū)塊的合理摩阻系數(shù)為套管內(nèi)0.23/裸眼段0.28。考慮到設(shè)計鉆井液性能與實(shí)鉆性能的差距，預(yù)測四種不同鉆井液性能條件下的摩阻、扭矩值，具體(見表1)。

圖1 G1701H井設(shè)計井眼軌道垂直投影圖

表1 G1701H井摩阻、扭矩預(yù)測結(jié)果

預(yù)測結(jié)果顯示，G1701H井鉆井過程中最大扭矩25.4 kN·m，最大起鉆載荷1 660.5 kN，所以設(shè)計該井選擇DQ70BSD型頂部驅(qū)動裝置，轉(zhuǎn)速范圍0 r/min～200 r/min，連續(xù)輸出扭矩60 kN·m；采用139.7 mm(S137)+127 mm(G105)組合鉆桿，為后續(xù)施工處理井下復(fù)雜留有一定的安全余量；預(yù)測最大摩阻316.85 kN，大量的實(shí)鉆數(shù)據(jù)顯示當(dāng)摩阻達(dá)到180 kN以上，采用水力振蕩器+螺桿鉆具的方式進(jìn)行滑動鉆進(jìn)是非常困難的，所示設(shè)計該井采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行井眼軌跡的控制。

表2 G1701H井水力參數(shù)預(yù)測結(jié)果

2.2 水力參數(shù)預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)

G1701H井三開215.9 mm井眼，擬采用排量35 L/s、小鉆頭水眼(7.94 mm×7或 7.94 mm×5+8.73 mm×2)高效鉆井，最終結(jié)果是導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)壓耗高，對鉆井泵提出了更高的要求。為了降低循環(huán)系統(tǒng)壓耗，設(shè)計該井采用大水眼的非標(biāo)鉆桿，NC52扣型127 mm鉆桿。同樣，考慮到設(shè)計鉆井液性能與實(shí)鉆性能的差距，預(yù)測四種不同鉆井液性能條件下的水力參數(shù)，具體(見表2)。

預(yù)測結(jié)果顯示，G1701H井鉆進(jìn)過程中可能達(dá)到的最大系統(tǒng)循環(huán)壓耗為32.78 MPa。因此，設(shè)計該井采用F-2200HL高壓鉆井泵，輸出功率1 640 kW，最大額定工作壓力52 MPa；初步設(shè)計采用7個7.94 mm的鉆頭水眼，鉆頭壓降最大達(dá)到9.47 MPa，鉆頭噴射速度達(dá)到100.98 m/h，噴射沖擊力達(dá)到4.9 kN。

3 實(shí)鉆分析與技術(shù)優(yōu)化

3.1 井眼軌道控制技術(shù)

一開444.5 mm井眼為直井段，采用PDC鉆頭+1.25°螺桿+MWD鉆具組合進(jìn)行井眼軌跡控制，防斜打直效果一般，最大井斜0.9°，后期通過定向調(diào)整井斜。建議后續(xù)鉆井中使用PDC鉆頭+直螺桿+大鐘擺鉆具控制大井眼軌跡。

二開311.1 mm井眼為直井段，801 m～1 702 m和1 758 m～3 055 m 采用 PDC 鉆頭+1.25°～1.5°螺桿+MWD進(jìn)行井眼軌跡控制；1 742 m～1 758 m井段為館陶段，采用牙輪鉆頭+大鐘擺鉆具進(jìn)行井眼軌跡控制。該井段實(shí)鉆過程中，通過調(diào)整鉆井參數(shù)垂直鉆進(jìn)，盡量保持復(fù)合鉆進(jìn)，縮短定向進(jìn)尺。實(shí)鉆過程中全井段最大井斜2.54°，其余均在2°以內(nèi)，井眼軌跡控制良好。

三開215.9 mm井眼為造斜段、穩(wěn)定段、增斜段和水平段，是整口井井眼軌跡控制的重點(diǎn)，采用了PDC鉆頭+LWD+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行井眼軌跡控制，實(shí)鉆過程中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)造斜率3°/30 m～9°/30 m，穩(wěn)斜模式下鉆進(jìn)井斜穩(wěn)定。該井段旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)配合LWD使用，即可實(shí)現(xiàn)精確的井眼軌跡控制，避免了傳統(tǒng)螺桿鉆具滑動鉆具所帶來的一系列井下風(fēng)險，大大縮短了施工周期，達(dá)到預(yù)期目的。為了降低鉆井成本，建議后續(xù)作業(yè)中，可以在摩阻小于150 kN、入窗之前，采用PDC鉆頭+MWD+水力振蕩器控制井眼軌跡。

3.2 鉆井液控制技術(shù)

長水平段水平井能夠高效順利完鉆，最關(guān)鍵的就是鉆井液選型和后續(xù)的性能維護(hù)。G1701H井一開采用聚合物鉆井液體系，抑制地層造漿和防塌能力強(qiáng)；二開采用硅基防塌鉆井液體系，抑制泥頁巖水化和防塌能力強(qiáng)；三開采用鉀鹽聚合物鉆井液體系，抗高溫性能穩(wěn)定、易維護(hù)，潤滑性強(qiáng)。

其中，三開維護(hù)好鉀鹽聚合物鉆井液的性能是該井成功的關(guān)鍵，鉆進(jìn)期間及時監(jiān)測KCl含量，確保含鹽量在5%～7%，并及時補(bǔ)充包被劑和抑制劑，維持鉆井液的抑制性能。使用BZ-JLS-I、SMP-1等控制中壓濾失量，孔一段控制在3 mL左右，進(jìn)入孔二段中壓失水控制在2 mL以內(nèi)，用大分子和攜砂粉等控制動切力，孔一段(下部)控制動切力在8 Pa～12 Pa；孔二段控制動切力在 12 Pa～16 Pa。

3.3 “兩高、一大、一小”提速技術(shù)

為了保證井眼清潔，提高機(jī)械鉆速，實(shí)現(xiàn)儲層段安全快速鉆進(jìn)，減少鉆井液對儲層的浸泡時間，G1701H井三開5段采用“兩高、一大、一小”的鉆井提速技術(shù)，即高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量、小鉆頭水眼，鉆壓達(dá)到100 kN～140 kN，轉(zhuǎn)速 120 r/min～130 r/min，排量 32 L/s～35 L/s。實(shí)鉆結(jié)果顯示，大排量、高轉(zhuǎn)速施工，確保了井眼凈化；大鉆壓、高轉(zhuǎn)速施工，提速效果明顯；小鉆頭水眼，壓降高達(dá)8 MPa～10 MPa，鉆頭射流沖擊破巖效果明顯，極大地提高了機(jī)械鉆速。

4 結(jié)論及建議

(1)鉆前摩阻、扭矩、水力參數(shù)預(yù)測技術(shù)是長水平段水平井鉆機(jī)、鉆井泵等設(shè)備和鉆具優(yōu)選的重要依據(jù)，預(yù)測準(zhǔn)確度直接關(guān)系到優(yōu)選結(jié)果，需要綜合考慮摩阻系數(shù)、泥漿性能、鉆井參數(shù)等多方面的因素，盡量提高預(yù)測的符合率。

(2)對于長水平段水平井，建議摩阻小于150 kN之前，采用水力振蕩器+螺桿鉆具控制軌跡；摩阻大于150 kN后，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向控制軌跡。

(3)泥漿性能的穩(wěn)定性是長水平段水平井成功的關(guān)鍵，特別是鉀鹽聚合物鉆井液體系，要密切關(guān)注含鹽量和失水量變化，嚴(yán)格控制含鹽量和高溫高壓失水在設(shè)計范圍內(nèi)。

(4)“高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量、小鉆頭水眼”提速技術(shù)，提速和保證井眼清潔效果明顯，建議在設(shè)備允許的條件下，在同類型井中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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