瑪湖油田瑪18 井區“工廠化”水平井鉆井技術

秦文政， 黨 軍， 臧傳貞， 李保倫， 雷 鳴

（1. 中國石油集團西部鉆探工程有限公司準東鉆井公司，新疆克拉瑪依 834000；2. 中國石油集團油田技術服務有限公司，北京100027）

準噶爾盆地瑪湖礫巖大油區是目前世界上發現的最大礫巖油田。按照“直井控面，水平井提產”的勘探評價思路，該油田先期在瑪18 井區艾湖1 和瑪18 斷塊部署了數百口開發試驗井，單井產油量16.7 t/d，勘探取得初步效果。目前，瑪18 井區已有50 余口水平井建成投產，成為瑪湖油田百口泉組致密油氣藏率先規?；_發的井區。瑪18 井區具有油藏埋深大（垂深4 000.00 m 左右）、鉆井液密度高（目的層普遍在1.70 kg/L 以上）和環保要求高（靠近湖泊）等特點，前期開發中存在平臺井數少、技術方案與施工方案不統一等問題，造成鉆井周期較長。

美國在開發Barnett 頁巖氣時試驗應用水平井和水力壓裂技術，拉開了頁巖氣“井工廠”技術開發的帷幕[1-2]。2011 年以來，涪陵頁巖氣示范區[3-10]、長寧-威遠頁巖氣示范區[11-13]先后開展了“井工廠”作業模式的探索與實踐，初步形成了適合頁巖氣開發特點的“井工廠”作業模式。筆者在前人技術研究的基礎上，優化平臺井實施方案，根據地層巖性優選成熟鉆頭序列，形成了各開次標準提速鉆具組合，并使用環保及滿足井下要求的鉆井液體系，形成了瑪18 井區“工廠化”鉆井技術，單井鉆井周期由122 d（MaHW6004 井）縮短至平均80 d 左右，對實現致密礫巖油氣藏的高效開發具有示范效應。

1 地層巖性及鉆井難點

1.1 地層巖性特征

瑪湖油田瑪18 井區自上而下鉆遇白堊系吐谷魯群，侏羅系齊古組、頭屯河組、西山窯組、三工河和八道灣組，三疊系白堿灘組、克拉瑪依上組、克拉瑪依下組和百口泉組。白堊系以泥砂巖互層為主；西山窯組以細砂巖為主，夾雜煤層；三工河組以泥巖為主；八道灣組中上部以泥巖為主，下部以砂礫巖為主，部分夾煤層；白堿灘組中部以上含2 套砂巖，下部以泥巖為主；克拉瑪依上組以泥粉砂巖為主，夾砂礫巖；克拉瑪依下組以砂礫巖、泥質粉砂巖為主；目的層百口泉組以砂礫巖和含礫泥巖為主，孔隙度10.46%，孔隙類型以粒內溶孔（28%～79%）、剩余粒間孔（55%～85%）為主，氣測滲透率5.48 mD。主力油層厚度一般小于30.00 m，單油層厚1.00～8.10 m；隔夾層發育，一般1～5 條，隔夾層厚度1.00～5.00 m，儲層物性差，天然裂縫不發育。

1.2 鉆井技術難點

1）侏羅系八道灣組下部礫巖發育，易造成鉆頭磨損；克拉瑪依組、百口泉組地層含礫，巖石研磨性強，機械鉆速低，單只鉆頭進尺少；百口泉組泥巖夾層的塑性較強，可鉆性差。

2）吐谷魯群地層中上部有大套泥巖，可鉆性好，易水化膨脹造成井眼縮徑；白堿灘組有一套較厚的硬脆泥巖層，易造成井壁垮塌；克拉瑪依組泥巖夾層具有較強的水化分散特性，易導致井眼失穩，出現周期性縮徑、井壁垮塌。

3）八道灣組地層微裂縫發育，三疊系白堿灘組、克拉瑪依組地層承壓能力低，易發生孔隙性、裂縫性漏失。受水平井壓裂影響，下部地層壓力紊亂，易造成井口出水和井漏等。例如，MaHW6013 井鉆至井深4 228.00 m 發生井口出水、井漏、井壁垮塌和井下阻卡，多次注水泥側鉆，仍無法繼續施工，最后搬離鉆機。

4）長水平段鉆進時攜砂困難，易形成巖屑床，造成起下鉆阻卡；瑪18 井區部署的水平井為三維水平井，扭方位角度大，易造成完井電測及下套管阻卡。

2 “工廠化”水平井鉆井技術

借鑒長寧和威遠頁巖氣區塊“井工廠”作業模式，進行了瑪18 井區鉆井平臺方案、鉆井平臺布局和井身結構優化設計，充分發揮鉆機平移、鉆井液重復利用和巖屑不落地等技術資源共享，形成了瑪18 井區“工廠化”水平井鉆井技術。

2.1 鉆井平臺設計方案

瑪18 井區位于瑪納斯湖和艾力克湖中間區域，鹽湖附近梭梭草生長茂盛，環境敏感度高。為保護環境，減少施工區域占地面積，兼顧考慮鉆井工程難度和井眼軌跡控制能力，以滿足產能建設開發方案和致密油藏集輸建設要求，實現早建設早投產的目標，進行了鉆井平臺設計方案優化，井區整體由多個“工廠化”鉆井平臺和單井平臺組成。

為了降低工程施工難度，根據儲層延伸情況，絕大部分井設計采用水平段微降斜軌道，靶區方位角180°左右。為提高水平段儲層鉆遇率，實現儲量資源動用最大化，平臺叢式井以井距400.00 m、水平段長1 600.00～2 000.00 m 為主。

2.2 鉆井平臺布局

“工廠化”鉆井平臺井口東西向一字排開，井口間距10.00 m，采用單機作業方式，如圖1 所示。

2.3 井身結構設計

針對瑪18 井區地質特點[14-15]，主要采用小三開井身結構（采用 φ127.0 mm 油層套管固井）；個別井根據固井滑套試驗需求，采用大三開井身結構（采用 φ139.7 mm 油層套管固井）（見圖2）。

圖 1 瑪18 井區鉆井平臺布局Fig. 1 Platform layout of the Ma18 Well Block

2.4 鉆機快速平移和平臺資源共享

小鉆機批量鉆表層，每口井可節約時間3 d。采用滑軌平移裝置整體移動井架，縮短接甩鉆具、頂驅及搬遷外圍設備的時間。中完固井24 h 后坐卡瓦平移鉆機，縮減中完候凝、測聲幅時間。批量重復實施各開次鉆井生產過程，多井單開次只配一次鉆井液，提高生產效率。通過液缸推動實現鉆機整體移動，鉆具和井口設備隨鉆機同步移動。為了減少外圍設備搬遷，節約鉆機搬遷時間，利用加長電纜替代動力系統移動、加長出口管線替代循環罐系統移動和加長高壓地面管線替代鉆井泵移動。鉆井管材、工具集中儲存，以利于快速及時調配使用。

圖 2 瑪18 井區百口泉組油藏油井井身結構Fig.2 Casing program of Baikouquan Formation reservoir of the Ma18 Well Block

2.5 鉆井液重復利用和巖屑不落地技術

鉆井平臺多口井相同開次采用相同的鉆井液體系，鉆井液重復利用可減少鉆井費用[16]。為實現鉆井液重復利用，開次施工前準備階段加入相應處理劑，調整鉆井液參數和性能，滿足井下需要。鉆井液體系應易于維護和轉換，以便于實現不同井段的鉆井液重復利用，降低鉆井液處理費用。批量鉆井時，僅地面循環罐中的鉆井液可重復利用，為補充鉆井液的地層消耗和井筒余留量，可在集中處理站配置儲備罐，每口井中間完井時將部分鉆井液回收至儲備罐內，固控處理后重復使用。

環瑪湖區域鄰近湖泊，自然環境較為脆弱。執行鉆井液巖屑不落地統一標準，使不落地裝置處理達到環保要求，鉆井液廢液集中固化，巖屑固化后集中晾曬。廢棄鉆井液經無害化固化處理后，可用于恢復地貌和墊鋪新井場，節約交井和鉆前費用，保證水資源不受污染。

3 “工廠化”鉆井提速技術

通過優選鉆頭序列，優化防斜打快、軌跡控制等各井段標準提速方案，以及研制XZ 高效水基鉆井液，形成了瑪18 井區“工廠化”鉆井提速技術。

3.1 鉆頭序列優選

根據瑪18 井區鉆井施工經驗，一開φ381.0 mm 井眼使用牙輪鉆頭；二開φ241.3 mm 井眼選用五刀翼φ19.0 mm 單排切削齒PDC 鉆頭，大部分井可“一趟鉆”完成二開；三開φ165.1 mm 井眼直井段宜選用四刀翼φ13.0 mm 單排切削齒PDC 鉆頭(SF44VH3)；造斜段優選五刀翼φ13.0 mm 齒PDC 鉆頭（MDi513），水平段優選抗研磨耐沖擊的六刀翼φ13.0 mm 齒PDC 鉆頭（MSi613）。優選的鉆頭序列見表1。

表 1 瑪18 井區小三開水平井鉆頭序列Table 1 Drill bit sequence of the horizontal wells in the Ma18 Well Block

3.2 直井段鉆井提速對策

地質錄井資料和出井巖屑分析表明，瑪18 井區二開φ241.3 mm 井眼白堊系吐谷魯群中上部有大段泥巖，易水化膨脹造成井眼縮徑；侏羅系地層砂巖較發育，滲透性強，容易形成虛厚濾餅；八道灣組地層微裂縫發育，環空不暢時極易發生井漏。為了控制井身質量和提高鉆速，優選“MWD+單彎螺桿+PDC鉆頭”鉆進，以擴大井眼井徑，降低井漏和阻卡風險，縮短單點測斜時間，起到防斜打快作用。

三開φ165.1 mm 井眼直井段，考慮到井斜控制難度較小，采用“MWD+直螺桿+PDC 鉆頭”鉆進，可以“一趟鉆”完成鉆水泥塞和直井段地層，提高鉆井速度。前期MaD4421 井三開直井段采用常規鉆具組合，平均機械鉆速僅3.2 m/h；后續鉆井施工選用“MWD+直螺桿+PDC 鉆頭”鉆進，機械鉆速達到5.0～6.0 m/h，提速效果較好。因此，直井段推薦采用“MWD+單彎螺桿/直螺桿+PDC 鉆頭”鉆進，可實現二、三開直井段各“一趟鉆”完成。

3.3 造斜段、水平段鉆井提速對策

造斜段使用旋轉導向工具Archer，其工作原理為：保持旋轉控制閥不動，鉆井液推動內部推靠塊；內部推靠塊推動導向扶正套內壁，使鉆頭軸向發生偏移；以萬向軸軸節作為支點，通過調節環限制井眼偏移量，使工具軸線與井眼形成一定角度，達到增斜和降斜的目的。該工具與螺桿鉆具相比，具有避免井下托壓影響、保證井眼光滑等特點，可有效控制井眼軌跡，降低井下安全風險，提高鉆井速度。瑪湖油田MaHW6004 井等5 口井造斜段使用“旋轉導向工具Archer+PDC 鉆頭”鉆進，機械鉆速較螺桿鉆具提高2～4 倍（見表2）。

表 2 瑪18 井區造斜段鉆速對比Table 2 Comparison on penetration rate of the build-up section of the Ma18 Well Block

三開φ165.1 mm 井眼水平段使用“旋轉導向PD+MSi613PDC 鉆頭”鉆進，與常規“螺桿+PDC 鉆頭”相比，平均機械鉆速和進尺均提高50% 以上。為了區塊整體提速，結合現場施工時的托壓情況，造斜段和水平段800.00 m 以后井段充分使用了旋轉導向工具。為了彌補旋轉導向工具的不足，在鉆進水平段時，試驗應用了“水力振蕩器+中空螺桿+PDC 鉆頭”，取得了較好的提速效果。例如，MaHW6128 井4 190.00～4 605.00 m 水平井段采用該技術，機械鉆速達到3.50 m/h。

3.4 鉆井液技術

針對地層實際特點，通過室內試驗研究，一開φ381.0 mm 井段使用鈉膨潤土-CMC 鉆井液體系，二開φ241.3 mm 井段和三開φ165.1 mm 井段選用自主研制的環保型XZ 高性能水基鉆井液體系，其配方為2.0% 膨潤土+0.2%Na2CO3+0.4%NaOH+5.0%～7.0%KCl+10.0%NaCl+0.2%～0.5%TC-DBY+2.0%～3.0%XZ-FJL+0.3%～1.0%XZ-YZJ+2.0%XZ-CMJ+0.5%～1%XZ-GBJ+3.0%XZ-FDJ+3.0%～4.0%XZ-RHJ+1.0%～2.0%玻璃小球+0.2%～0.5%CaO +3.0% 陽離子乳化瀝青（天然瀝青）+2.0%QCX-1+1.0%WC-1 重晶石?，?8 井區典型鉆井液體系及性能見表3。

表 3 瑪18 井區典型鉆井液體系及性能Table 3 Drilling fluid system and performance of the Ma18 Well Block

鉆井液中亞微米級固相含量較高，受巖屑不落地、去磺化及部分固控設備陳舊等因素影響，鉆井液性能調控困難。應充分發揮平臺井資源共享利用優勢，更新升級固控設備，建立瑪18 井區鉆井液回收站，對鉆井液進行升級凈化。針對薄儲層水平段軌跡調整頻繁、軟硬交互地層壓力紊亂和鉆遇泥巖易發生阻卡問題，鉆進水平段時鉆井液密度控制在上限范圍，并加入2.0%瀝青類防塌劑和2.0%液體潤滑劑，提高潤滑性與濾餅質量。適時加入納米級井眼強化劑，提高地層承壓能力。

與同平臺MaHW6202 井相比，MaHW6203 井的鉆井液經過凈化處理，鉆井摩阻降低，完井電測和下油層套管順利到位，效果顯著。

4 現場應用效果

瑪18 井區嚴格按照“工廠化”水平井鉆井方案組織施工，平均單井鉆井周期明顯縮短，多口井創區塊施工紀錄。如MaHW6234、MaHW6235 平臺水平井完鉆井深分別為5 796.00 和5 751.00 m，平均單井完井周期縮短至86.0 d。其中，MaHW6203 井完鉆井深6 130.00 m，鉆井周期78.8 d，創瑪湖油田水平井最深紀錄；并創瑪18 井區1 900.00 m 水平段完鉆周期最短（61.41 d）、三開裸眼段最長（3 212.00 m）、水平段最長（1 926.00 m）和單趟進尺最大（861.00 m）等4 項紀錄。

其中，MaHW6202 井二開φ241.3 mm 井眼試驗應用“MWD+1.25°單彎螺桿+PDC 鉆頭”，一趟鉆鉆至二開中完井深，平均機械鉆速27.40 m/h，創區塊當期機械鉆速最高紀錄（見表4）。

需要注意的是，鉆進八道灣組下部礫石層前，需及時將轉速降至60 r/min 以內，鉆壓降至40～80 kN；進入白堿灘組后，再逐漸將轉速和鉆壓提高至之前數值，防止鉆頭提前損壞。

表 4 MaHW6202 井二開井段鉆速對比Table 4 Comparison on penetration rate of the second-spud section of Well MaHW6202

5 結論與建議

1）通過對瑪18 井區鉆井平臺實施方案、鉆頭序列、直井段和造斜水平段提速對策等優化研究，形成了瑪18 井區“工廠化”鉆井技術，大幅度提高了致密油氣藏開發效率。

2）與國內外頁巖氣先進“井工廠”作業模式相比，瑪湖油田在鉆井平臺井數和鉆井提速技術方面仍有較大提升空間。

3）瑪18 井區采取鉆井壓裂一體化開發模式，與西南頁巖氣區塊相比，在推進作業現場標準技術方案、資源共享方面有共同點。但是，瑪湖油田所在的準噶爾盆地瑪湖凹陷構造帶斷塊發育，需要針對具體難題制定相應的對策。

4）針對區塊儲層壓力紊亂、邊緣井百口泉組泥巖夾層可鉆性差等問題，還需要進一步研究。

5）建議加強國外先進水平井鉆井技術引進和吸收，形成具有瑪湖礫巖致密油藏特點的成熟“工廠化”鉆井作業模板。