吉木薩爾頁巖油超長水平段水平井鉆井技術

萬教育，折扶蓉，閆華兵，張學德，顧宗茂，李俊勝

(1.西部鉆探定向井技術服務公司，新疆烏魯木齊830026；2.西部鉆探吐哈錄井工程公司，新疆烏魯木齊830026)

吉木薩爾頁巖油儲量豐富，是新疆油田公司“十三五”后三年規模上產和中石油推進新疆地區5000×104t油氣當量上產工程的重要支撐。但目的層蘆草溝組油層厚度薄，內部微幅構造發育，開發難度大。目前采用2000m 左右水平段水平井開發雖然取得了較好的效果，但為一步動用潛在儲量，在前期開發經驗基礎上，決定采用3000m以上水平段水平井開發。

1 區域地層特點

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起。目的層蘆草溝組全凹陷均勻分布，面積1278km2，厚度200～350m；發育上、下兩個甜點體。蘆草溝組坍塌壓力低，井眼穩定性好，井徑規則。兩套儲層主要為以云質粉細砂巖、砂屑云巖為主，整體粘土礦物含量較低；孔隙度5%～15%，平均10.47%；滲透率在0.01～0.4mD 之間，平均0.11mD。由于儲層滲透率低，用常規技術和方法進行勘探開發難度大，費用高，而超長水平段水平井開發可增加壓裂改造段數、提高致密油藏開發效率而被應用。

2 超長水平段水平井鉆井技術難點

2.1 軌跡控制難度大

（1）裸眼段長且鉆遇多個層系，鉆遇地層巖石可鉆性差，軌跡控制難。

（2）造斜段鉆遇層位韭菜園組、梧桐溝組和二疊系的蘆草溝組，地層主要以泥巖為主，巖石可鉆性差，機械鉆速低。

（3）水平段長超過3000m，斜井段易形成巖屑床，摩阻扭矩大，定向滑動鉆進中，鉆具貼緊下井壁，鉆井施工過程中摩阻升高，鉆井施工難度增大，井眼軌跡控制難度大。

（4）三維繞障，摩阻扭矩大，軌跡控制難。吉木薩爾頁巖油采用工廠化作業，存在三維繞障，水平段超過3000m 后，長水平段三維水平井因位垂比大、裸眼段長，且消除偏移距后易形成井眼軌跡拐點，造成定向鉆進中滑動摩阻扭矩急劇增加，井眼軌跡控制難度大。

（5）水平段后期鉆具摩阻大、接單根困難、鉆頭處難以有效傳遞鉆壓、鉆具極易發生屈曲，導致鉆具疲勞損壞。滑動鉆進時，托壓嚴重，鉆壓難以有效傳遞到鉆頭上，工具面失穩，滑動機械鉆速低，井眼軌跡控制難度大。

2.2 長裸眼段井壁不穩定

長裸眼存在鉆井周期長、祼眼段浸泡時間長、井壁失穩、噴漏同存等諸多技術瓶頸，對鉆井液提出了更高的要求，必須增強鉆井液的抑制封堵防塌、潤滑防卡及攜砂性能。

3 超長水平段定向井技術

3.1 井身剖面優化

針對三維水平井，通過井眼軌跡優化，三維轉二維，在上部井眼以小井斜將方位扭至接近或達到設計要求，打出側向偏移距，然后全力增斜，直到著陸入靶。通過軌跡優化減少后期造斜段施工中扭方位井段長度及方位調整幅度，優化造斜段狗腿度。

3.2 3100m水平段延伸能力可行性及鉆柱摩阻扭矩分析

（1）計算條件。水平段鉆具組合：?215.9mm 鉆頭+旋轉導向+地質導向+?127mm 無磁鉆鋋1 根+?127mm加重鉆桿3根+?127mm斜坡鉆桿。

井眼軌道設計：采用優化后軌道設計。

井身結構設計：二開?244.5mm 技術套管下至A點，三開專打水平段。

鉆井液設計：三開水平段采用油基鉆井液體系，鉆井液設計密度1.55g/cm3。

摩阻系數：上層套管段摩阻系數0.2，裸眼段摩阻系數0.3/0.4。

計算軟件：Sunny軟件。

（2）計算結果。

①鉆柱抗扭強度、抗拉強度及三軸應力均滿足現場施工要求；

②鉆具屈曲計算：鉆柱在滑動鉆進和下鉆兩種工況下均有屈曲變形，旋轉鉆進沒有屈曲。裸眼段摩阻系數取0.3 時，螺旋和正弦屈曲屈曲井段1700～2700m（見圖1）；裸眼段摩阻系數取0.4時：螺旋和正弦屈曲井段1300～3000m（見圖2）。因此滑動鉆進方式無法實現長水平段的延伸鉆進，而旋轉鉆井均無屈曲發生。因此，如果采用旋轉導向實現旋轉鉆進，變滑動摩阻為滾動摩阻，可有效減少鉆柱摩阻，保證軌跡控制的最大延伸長度。

圖1 摩阻系數0.3軸向力計算結果

圖2 摩阻系數0.4向力計算結果

3.3 鉆頭及鉆具組合優選

3.3.1 造斜段鉆頭優選

造斜段韭菜園組巖性主要為泥巖和含礫泥巖。梧桐溝組巖性主要為泥巖，硬度大，因此優選尖、圓混合布齒的牙輪鉆頭，提高攻擊能力和抗沖擊性。也可以選擇攻擊能力和抗沖擊性較強的PDC鉆頭。

3.3.2 水平段鉆頭優選

水平段蘆草溝組地層巖石可鉆性較梧桐溝組地層相對較好，根據前期完鉆井經驗，選用應用效果較好的史密斯MDi516鉆頭。該鉆頭增大了排屑槽，更適應快速鉆進的需要；調整了復合片減震結構，提高鉆頭在低鉆壓狀態下的吃入深度；優化了肩部布齒，若發生大段劃眼時可有效降低鉆頭損壞風險。

3.3.3 導向工具優選

由于旋轉導向可以在定向過程實現鉆柱旋轉；通過井下控制系統、偏置裝置來改變鉆頭位置及側向力方向；具有更高的井眼延伸能力；具有更強的井眼清潔能力強，提速效果好。根據鉆具屈曲計算結果，旋轉鉆進可確保水平段的延伸能力，因此首選旋轉導向作為導向工具。

但因旋轉導向數量不足，因此將常規螺桿導向與降摩阻工具配合使用，實現降摩減阻，可在造斜段應用。

3.3.4 水力振蕩器的應用

水力振蕩器能在泥漿脈沖的連續作用下，產生高頻的軸向振動，帶動井下工具產生振動，將靜摩擦轉換為動摩擦，且成本低，施工方便，因此選擇水力振蕩器作為降摩阻工具，并配合螺桿使用。

3.3.5 不同井段鉆具組合

造斜段：牙輪鉆頭+螺桿+水力振蕩器；

水平段：PDC（MDi516）+旋轉導向。

3.4 軌跡控制技術措施

3.4.1 造斜段

（1）確定合理的造斜點。選擇巖性穩定、可鉆性較好、機械鉆速較快的地層造斜，再計算摩阻扭矩，最終確定最佳造斜點位置。造斜段為216mm井眼，井眼尺寸相對較大，側鉆難度較高，使用牙輪鉆頭和1.75o單彎螺桿保證側鉆成功率。注意及時開復合，避免大狗腿出現。大井眼施工，因調整方位比較費時費力，應盡量在側鉆階段將方位對準設計方位，減少后期施工難度。

（2）按優化設計控制造斜率，根據地層可鉆性和定向施工鉆時情況，充分利用鉆具組合的復合增斜規律進行軌跡控制。依據鄰井鉆井情況和錄井資料，在預判到的夾層、蓋層等難鉆井段提前做好待鉆軌跡設計，選擇復合鉆進，利用鉆時快的層段進行滑動定向增斜，提高作業效率。

（3）造斜段后期入靶前可能會有軌跡調整，要求儀器工作穩定，著陸井段以LWD 結合錄井地質導向為準，確保準確著陸和入靶。

3.4.2 水平段

（1）水平段使用旋轉導向，充分利用旋轉導向自身的導向優勢，提高水平段鉆進效率，減少儲層浸泡時間。

（2）強化水力參數，增加排量，從而提高井眼清潔能力。

（3）水平段延伸鉆進中存在鉆壓的傳遞和攜屑困難等問題，施工中應根據井眼狀況，提高轉速、加強短提、分段旋轉洗井、通井等工程措施，確保井眼清潔和井下安全。

（4）水平段選擇地層識別精度較高的地質導向工具，配合旋轉導向工具，強化待鉆井眼軌跡預測和實鉆井眼軌跡走向預判，提高井眼軌跡控制效率和精度，確保井眼軌跡在最佳油層中穿行。

3.5 使用油基鉆井液，提高井壁穩定性、降低摩阻扭矩

針對長裸眼段浸泡時間長、井壁失穩、噴漏同存等諸多技術難題，推薦使用抑制性強、潤滑性好的油基鉆井液，降低長水平段水平井鉆進過程中的摩阻扭矩。確定合理的鉆井液密度，確保井壁穩定。優選合理的流變參數，確保鉆井液流動性的同時提高其懸浮攜帶能力；強化鉆井參數，增大排量，控制環空返速，提高鉆井液的攜巖能力，保證井眼清潔。

4 JHW00421井的現場應用

4.1 優化井眼軌跡

根據實鉆地層情況對原設計進行了軌跡優化。優化時考慮地質要求、巖性變化及機械鉆速，造斜在巖性穩定、可鉆性好的井段造斜，同時充分考慮軌跡摩阻扭矩，將造斜點提前30m，同時降低第一圓弧段狗腿度，將第一圓弧段狗腿度由5.81?/30m 降到4.91?/30m，第二圓弧段狗腿度由5.5?/30m降到4.82?/30m，從而降低摩阻扭矩，增大水平段延伸能力。原剖面設計見表1。優化設計剖面見表2。

井眼軌跡優化后進行摩阻扭矩分析，計算結果表明，最大摩阻23.66t，地面最大扭矩22.32kN·m。抗拉、抗扭、三軸應力均通過，滑動鉆進至2150m附近正弦屈曲產生，但斜井段均采用旋轉鉆進，不會產生屈曲。因此優化的軌跡和優選的鉆具組合均滿足現場施工要求。

表1 原剖面設計表

表2 優化設計剖面

4.2 地質導向技術

根據伽馬、電阻率、巖性等，擬合計算地層傾角，確定當前軌跡位置，指導井斜控制，確保軌跡在最佳油層中穿行。

4.3 現場應用效果

旋轉導向與地質導向相結合，2趟鉆完成3100m水平段，水平段平均機械鉆速達14.19m/h，油層鉆遇率96.0 %。

此外，在JHW00422井應用，水平段旋轉導向與地質導向相結合，6 趟鉆完成3500m 水平段，水平段平均機械鉆速達12.8m/h，油層鉆遇率98.0%。水平段長創中石油集團公司非常規油藏水平段最長記錄。

5 結論與認識

（1）根據實鉆資料，造斜前進行軌跡優化及鉆柱摩阻扭矩分析，可確保3000m 及以上水平段水平井延伸長度。

（2）利用油基鉆井液良好的潤滑性，使用旋轉導向，可有效降低了長水平段摩阻扭矩，大大提高水平段延伸長度，實現了3500m水平段的成功完鉆。

（3）造斜段牙輪鉆頭+水力振蕩器，機械鉆速較低，建議進行PDC鉆頭選型并結合旋轉導向，提高造斜段機械鉆速。