長慶油田小井眼超長水平段水平井鉆井技術

王忠良，周 揚，文曉峰，龍 斌，丁 凡，陳邵維

（中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西西安710200）

近年來，隨著長慶油田勘探開發的持續發展，在鄂爾多斯盆地部署開發的水平井越來越多，水平段越來越長。超長水平段水平井同城設計采用三開小井眼井身結構，水平段采用φ152.4 mm小井眼鉆井施工方案。小井眼超長水平段水平井鉆井過程中存在摩阻扭矩大、機械鉆速低、井眼軌跡控制難度大、小鉆具磨損嚴重和鉆遇率低等問題，制約了長慶油田超長水平段水平井的規?；咝ч_發。

隨著井眼軌道優化、鉆機和鉆井液性能的提升，小井眼水平井的水平段長度逐漸增大，施工周期逐漸縮短，但受隨鉆工具選型差異性大、技術方案與措施不統一的制約，水平段施工長度受限、儲層鉆遇率較低，且鉆井提速不明顯。為此，筆者在前人研究的基礎上，借鑒國內油氣田水平井“工廠化”開發的經驗[1-5]，通過應用旋轉導向智能井眼軌跡控制技術、近鉆頭方位伽馬成像技術、優化鉆頭選型和應用納米成膜封堵水基鉆井液技術，形成了長慶油田小井眼超長水平井鉆井技術，并在9口井進行了應用，機械鉆速明顯提高，儲層鉆遇率大幅提升，水平段長度進一步增大。

1 小井眼超長水平段鉆井技術難點

鄂爾多斯盆地水平井自上而下鉆遇地層包括新生界第四系，白堊系環河組、華池組和洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組和富縣組，中生界三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組和劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組和山西組，上古生界石炭系本溪組和太原組，下古生界奧陶系馬家溝組。小井眼超長水平井目的層一般為盒8段，巖性以巖屑石英砂巖、石英砂巖為主，其次為巖屑砂巖，石英砂巖硬度相對較強，孔隙度和滲透率較低。在該儲層進行小井眼超長水平段施工時，存在以下技術難點：

1）井眼軌跡控制難度大，工程風險高。在超長水平井中后段施工中，使用常規的單彎螺桿鉆具會形成嚴重托壓，滑動鉆進困難，不能精準控制井眼軌跡[6]，且摩阻、扭矩大，鉆具下放摩阻可達400～450 kN，扭矩達22～25 kN·m，極易出現鉆具傷扣。水平段后期泵壓升高，可達30～35 MPa，鉆井液管匯和鉆具有刺漏風險。

2）儲層鉆遇率低。超長水平段水平井鉆井施工時，由于井眼軌跡控制難度大，且常規的隨鉆儀器很難準確判斷井眼軌跡與地層的鉆遇情況，導致鉆遇率低。因此，利用隨鉆儀器及時監測地層變化，使鉆頭最大程度地在儲層中的最佳位置鉆進，提高儲層鉆遇率，對油氣藏開發具有重要作用。

3）小井眼水平井施工困難。井徑小，鉆具柔性大，加鉆壓后使得鉆具發生屈曲變形大，傳壓困難，控制井眼軌跡相對較難。鉆具強度低，易扭斷或折斷鉆具。小井眼環空允許排量低，鉆井液返速低，影響巖屑的懸浮和攜帶，容易形成巖屑床[7]。小井眼鉆井對鉆井液的性能要求較高[8]。

4）井眼失穩及井漏問題頻發。隨著水平段增長，鉆遇泥巖的長度也隨之增大，且水平井施工周期長，裸眼段受鉆井液浸泡時間較長，泥巖強度降低，極易吸水分散，吸水后泥巖層間產生較大的膨脹壓力，井壁上出現剝落現象，井眼失穩風險極大。雖然通過提高鉆井液的密度可以達到穩定井壁的目的，但鉆井液密度過高容易造成砂巖裸眼段或油氣藏裂縫發育地層發生井漏，也會導致濾液在壓差的作用下加速向地層滲入，從而導致井壁吸水膨脹后垮塌。因此，超長水平井的施工難點是維持井眼穩定和預防井漏。

2 鉆井關鍵技術研究

2.1 旋轉導向智能井眼軌跡控制技術

小井眼超長水平段中后期摩阻、扭矩大[9]，使用常規的單彎螺桿定向技術時存在擺放工具面不到位、滑動困難等問題，不能精準控制井眼軌跡，是超長水平段施工的主要難題[10]。

為了解決在小井眼超長水平段不能精準控制井眼軌跡的問題，研究采用旋轉導向智能井眼軌跡控制技術。該技術應用推靠式原理的AutoTrak GT4-G旋轉導向系統[11-12]。該系統主要由AutoTrak導向裝置、X-Treme模塊馬達、OnTrak測量及主控短節、BCPM發電機及脈沖器短節和LithoTrak中子孔隙度/密度隨鉆測井短節等部分組成（見圖1）。

圖1 旋轉導向系統結構示意Fig.1 Mechanism of the rotary steering system

鉆頭前面的旋轉導向頭上有3個互成120°的推靠板，在整個鉆具高速旋轉過程中保持相對靜止，地面下發的指令準確傳達給井下工具，通過智能液壓系統對3個推靠板產生的合力精準控制井眼軌跡，全程復合鉆進，井眼軌跡平滑，能夠減小鉆具的摩阻和扭矩，降低施工風險，最大程度地延長水平段長度。

2.2 近鉆頭方位伽馬成像技術

超長水平井鉆井時，首先要考慮的問題是如何提高儲層鉆遇率，并保證最大程度地延伸水平段長度。AUTOTRAK GT4-G旋轉導向系統的近鉆頭方位伽馬成像技術先進，使用雙伽馬探測器結合磁力計系統，實現井筒不同方位自然伽馬數據測量，并采用旋轉掃描式8扇區360°成像，成像圖的中部對應儀器底部，兩側對應儀器頂部，高伽馬顯示為深色，低伽馬顯示為亮色。當儀器相對向下鉆遇泥巖時，成像圖的中部顏色先開始變深，隨著儀器上部也進入泥巖段，圖像兩側的顏色也隨之變深；儀器相對向上鉆遇泥巖層時的圖像與之相反，在成像圖中響應出經典的“哭臉”或“笑臉”形狀（見圖2）。

圖2 近鉆頭方位伽馬成像示意Fig.2 Near-bit azimuthal gamma imaging

方位伽馬測量點距離鉆頭僅2.00 m，能夠及時判斷鉆頭與儲層邊界的位置關系，及時調整井眼軌跡，減少無效進尺，有效應對地層的不確定性，實鉆軌跡進層和出層時有明顯的相應特征，在地質導向方面起到了重要作用[13]。

2.3 工程參數監測技術

2.3.1 鉆具刺漏預警

小井眼超長水平段水平井施工時，由于鉆具直徑小、水平段長、泵壓高，存在鉆具刺漏的風險。實時監測泵壓曲線變化是防止因鉆具刺漏發生鉆具落井事故的有效手段之一。目前，水平井鉆井過程中使用鋼級較高的S135鉆桿，通過旋轉導向系統泵壓曲線可明顯觀察到泵壓持續下降，首先排除地面管匯無刺漏，然后起鉆檢查鉆具，發現鉆具刺漏，更換并剔除。

2.3.2 井漏識別

井漏是由于鉆井液液柱壓力大于地層壓力產生正壓差、導致鉆井液直接進入地層中孔隙、裂縫或溶洞等的一種井下復雜情況，是超長水平段水平井鉆井過程中必須要解決的一個難題。當發生井漏時，鉆井液液柱高度、泵壓均會有變化，會導致環空壓力發生明顯的變化，進而導致當量循環密度迅速降低。井漏處會伴生大井眼，同時會導致電磁波電阻率設備探測范圍內鉆井液增多，電阻率值較正常井段低。因此，通過旋轉導向系統實時監測當量循環密度并結合電磁波電阻率的變化，可以實現井漏預警。

2.4 鉆井配套技術

2.4.1 鉆頭優選

解決水平段后期機械鉆速慢是高效實現超長水平段水平井施工的關鍵之一[14]，因此選用什么類型的鉆頭進行超長水平段施工尤為重要。

目前，水平井鉆井施工時普遍使用PDC鉆頭，PDC鉆頭的刀翼數量、切削齒形狀等因素影響著鉆頭的機械鉆速[15]。應用旋轉導向技術可以實現全程復合鉆進，不需要考慮滑動鉆進時工具面是否穩定，因此選用刀翼數量較少、攻擊性較強的五刀翼PDC鉆頭，更有利于提高機械鉆速。

采用楔形齒PDC鉆頭鉆井時，楔形齒與巖石的接觸面積相對更小，受力更集中，從理論上講對堅硬巖石的破碎能力會更強，但實際施工效果卻恰恰相反。分析認為，目的層為較軟的石盒子組砂巖，楔形齒在較軟地層上刻出的一道道凹槽并不能使巖石立即破裂，反而因接觸面積小影響切削效率，而圓形齒有更大的接觸面，破巖效率更高。因此，要根據地層的實際情況選取鉆頭類型。

2.4.2 納米成膜封堵水基鉆井液技術

長慶油田盒8段地層垂向節理及裂縫發育，巖性以砂泥巖為主，鉆遇泥巖時井壁極易垮塌和發生井漏，隨著水平段不斷增長，鉆遇泥巖段也隨之增長，為了控制水平段泥巖垮塌和預防井漏，需要采用固相含量低、抑制性強、封堵性強的鉆井液。針對油基鉆井液成本高、回收處理環保難度大的問題，優選與油基鉆井液性能接近的納米成膜封堵水基鉆井液技術[16]。通過配方優化試驗，確定納米成膜封堵鉆井液的配方為：0.2%NaOH+0.2%PHPA+1.5%成膜封堵劑G314+0.3%PAC-H+0.3%PACSL+0.5%動切力提高劑G310+2.5%封堵劑G309+1.5%液體潤滑劑G303+6.0%KCl+重晶石粉。

納米成膜封堵水基鉆井液的抑制性強，泥巖膨脹降低率與潤滑性能突出，形成的濾餅致密堅韌，可有效封堵孔隙和微裂縫，減少孔隙壓力傳遞，降低摩阻。

3 現場試驗

2020年，長慶油田蘇里格地區部署了一口設計水平段長達4400 m的超長水平井桃XX井。該井目的層為石盒子組盒8下1段，巖性以巖屑石英砂巖、石英砂巖為主，其次為巖屑砂巖。該井應用旋轉導向技術，水平段鉆進4000 m后仍能實現井眼軌跡的精準控制，最高純機械鉆速可達10.40 m/h，較同區塊水平井提高8.9%。該井地質工程應用效果較好，順利完成水平段4466 m（井深8008 m），儲層鉆遇率96.6%，較同區塊水平井提高11.2百分點。

桃XX井近鉆頭方位伽馬成像結果如圖3所示。從圖3可以看出，伽馬值從5 105 m處開始由60 API升至190 API左右，井斜角為89°，氣測值由17.5%降至1.3%，巖屑中泥質含量明顯增大，伽馬成像圖呈現下切跡象，分析軌跡下切進入泥質夾層，迅速增斜至89.7°，井深5 133 m處的伽馬值由190 API降至50 API左右，氣測值在5 139 m處突升至51.4%，表明井眼軌跡上穿泥質夾層回到儲層內。

圖3 桃xx井近鉆頭方位伽馬成像圖Fig.3 Near-bit azimuthal gamma imaging result of Well Tao XX

鉆至井深5 168 m處，電磁波電阻率從40Ω·m迅速下降至5Ω·m，接近鉆井液電阻率，井底當量循環密度從1.45 kg/L降至1.39 kg/L，表現出明顯的井漏響應特征（見圖4）。因此，現場及時預警施工人員進行處理，約1 h后監測到鉆井液罐液面下降。

圖4 井漏處當量循環密度和電磁波電阻率示意Fig.4 Equivalent circulating density and electromagnetic resistivity at circulation loss

桃XX井在鉆壓、頂驅轉速和排量等工程參數不變的情況下，水平段第一趟鉆采用五刀翼雙排楔形齒PDC鉆頭，鉆進井段5 076～5 884 m，平均機械鉆速為7.40 m/h；第二趟鉆采用五刀翼單排齒圓形齒PDC鉆頭，鉆進井段5 884～7 026 m，平均機械鉆速提高至12.80 m/h，提速效果明顯。

4 結論與建議

1）通過應用旋轉導向智能井眼軌跡控制技術，能在超長水平段水平井施工中精準控制井眼軌跡，最大程度地延伸水平段長度。

2）近鉆頭方位伽馬成像技術和工程參數監測技術不僅能夠提高儲層鉆遇率，而且能夠實現安全快速鉆井。

3）納米成膜封堵水基鉆井液技術和PDC鉆頭優選，是小井眼超長水平段水平井鉆井的重要配套技術，對國內其他油田超長水平段水平井的施工具有借鑒作用。

4）與國外超長水平段水平井地質導向技術相比，長慶油田水平井地質導向技術仍有優化空間，建議繼續研究優化工程地質一體化技術。