渤海某油田淺層大位移井鉆井關鍵技術及其應用

邱小華，席江軍，柳海嘯，劉海龍，楊元超

1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司（天津 300452）

2.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司（天津 300452）

隨著渤海油田勘探開發的不斷深入，新建開發項目中“低、邊、稠”占比較大，伴隨著用海矛盾問題的突出，國防、航道、漁業、環保等因素的制約，平臺選址受限，大位移井遠程開發成為解決受限區域勘探開發的重要手段[1]。大位移井是定向鉆進目的層與井口位置之間具有較大水平距離的井，常規大位移井是指水垂比大于或等于2 且測深大于3 000 m的井或水平位移超過3 000 m 的井[2]。渤海某油田主力油層發育于新近系明化鎮組下段和館陶組，儲層埋深淺[3-4]。通過對該油田淺層大位移井鉆井作業技術與實踐的總結，以期為該油田后續進行同類型井提供借鑒。

1 X35井作業難點及技術挑戰

1.1 井身結構設計

X35 井為該油田的一口淺層大位移生產井，根據該油田前期作業經驗，該井設計井身結構如圖1所示。

圖1 X35井設計井身結構圖

1.2 井眼軌道設計

在綜合考慮施工難度、避開斷層、井壁穩定等因素后，通過對摩阻扭矩模擬，鉆具優選后最終優選出定向井軌跡設計（表1）。

表1 X35井設計軌跡

1.3 技術難點及挑戰

1）Φ406.4 mm 井段井斜大，井深795 m 井斜增至73°，井斜大后造斜段滑動困難，穩斜段旋轉鉆進穩斜難度大。Φ914.4 mm 導管采用錘入法下入，導管鞋處較為薄弱，存在壓漏和過度沖刷的問題。近年來作業的一些井，由于導管鞋處被過度沖刷或被壓漏導致一開作業時井口沒有返出，容易引發井下復雜情況。

2）穩斜段長，Φ311.1 mm 井段井斜均在73°以上，巖屑容易在井眼低邊形成巖屑床，井眼清潔困難[5]。

3）摩阻扭矩大，存在設備超負荷、套管下入困難的問題[6]。長穩斜段延伸井眼摩阻扭矩大，依靠管柱自重往往難以下放，容易導致各種復雜情況的發生。

4）該油田經過多年開發，注采關系復雜，可能存在超壓或虧空層，虧空層地層薄弱，一旦發生溢流，容易引發“又溢又漏”復雜情況的發生。

2 主要技術措施及應用效果

2.1 表層深鉆技術

為減少二開作業壓力，降低二開井眼扭矩摩阻，縮短作業工期，本井Φ406.4 mm 井眼實際鉆進至1 091 m。優選等壁厚馬達，降低了定子滯漲，能輸出更高扭矩[7]。鉆具組合如下：Φ406.4 mm Cone Bit+Φ244.5 mm Mud Motor(1.5°) +Φ355.6 mm STB+Φ203.2 mm HOC+Φ203.2 mm Screen Sub+Φ203.2 mm F/V+Φ203.2 mm UBHO+Φ203.2 mm Drilling Jar+Φ203.2 mm X/O+Φ139.7 mm HWDP×14Joints +Φ 139.7 mm DP。上部井段使用海水膨潤土漿鉆進，以釋放機械鉆速[8]。在860 m轉化為海水聚合物體系，以減少導管鞋處沖刷，同時重點關注鉆井液密度及固相含量。Φ406.4 mm 井段作業正常，Φ339.7 mm套管下入順暢。

2.2 軌跡控制技術

1）鉆頭優選。根據該油田多年作業經驗，Φ 311.1 mm 井眼優選川克PDC 鉆頭，選用鉆頭水眼TFA 為1 122.58 mm2（1.74 in2），可滿足旋轉導向工作要求。鉆頭水眼選取偏小，會造成較大的水眼壓力損耗；選取偏大，影響鉆頭水力破巖效果，進而影響PDC鉆頭機械鉆速。

2）負脈沖MWD儀器優選。二開作業前進行水力參數模擬，模擬使用正脈沖MWD 儀器鉆進至完鉆井深3 672 m，排量4 000 L/min 時泵壓21.8 MPa，而使用負脈沖MWD 儀器時，排量4 000 L/min 泵壓為18.8 MPa（模擬結果見表2）。平臺管匯等設備壓力上限為20.6 MPa，使用負脈沖MWD 能夠明顯降低泵壓，有利于開大排量清潔井眼。本井選用負脈沖MWD 儀器，鉆達完鉆井深3 672 m 時，排量4 000 L/min，泵壓為19.0 MPa。負脈沖MWD儀器的使用，保證了井眼清潔，為后續順利下套管打下了良好基礎。

表2 負脈沖MWD井底泵壓模擬

3）微偏心擴眼器工具優選。為改善指向式旋轉導向工具Geo-Pilot 鉆進后的井眼倒劃眼困難問題，在鉆具組合上增加了微偏心擴眼器（圖2），可以實現隨鉆微擴眼。工具有上、下兩組螺旋擴眼刀翼，下刀翼組負責鉆進期間的隨鉆擴眼，上刀翼組負責起鉆過程中的倒劃眼，可有效清除定向井中巖屑床，提高倒劃眼時效。工具參數為：工具總長1 420 mm，工具內徑85 mm，理論擴眼直徑326 mm，本體外徑178 mm，最大外徑311 mm，PDC 齒直徑13.4 mm。

圖2 鉆柱式隨鉆微擴眼工具

選用旋轉導向配合微擴眼工具，一趟鉆具組合鉆進至完鉆井深，相比于上部使用馬達，下部更換旋轉導向，時效性更高，且指向式旋轉導向，有利于提高井身質量及軌跡平滑度。二開鉆具組合：Φ 311.1 mm PDC+Φ243.8 mm Geo-Pilot+Φ203.2 mm PM+Φ203.2 mm ILS+Φ203.2 mm M5+Φ203.2 mm Jet Pulse+Φ203.2 mm Screen Sub+Φ203.2 mm F/V+Φ 203.2 mm Drilling Jar+X/O+Φ139.7 mm HWDP×8Joints+Φ139.7 mm DP+X/O+Reamer+X/O+Φ139.7 mm DP。

2.3 井眼清潔與井壁穩定技術

1）“適度抑制＋加強封堵+活度平衡”的鉆井液技術。大位移井需要鉆井液能較好的清潔井眼以及穩定井壁、降低井眼摩阻扭矩。該油田主要使用強抑制性PEM鉆井液體系，而館陶組部分松散層位以及一些虧壓層較為薄弱，倒劃眼期間容易憋壓進而導致井漏。通過對傳統PEM 鉆井液體系進行優化改進，形成了“適度抑制+加強封堵+活度平衡”的鉆井液技術，該技術在X35 大位移井作業中發揮了重要作用。

針對明化鎮及館陶組地層巖性特點，優化體系中封堵材料配比，使用1.0%PF-SZDL+1.0%HTC+1.0%PF-LSF+1.0%PF-LPF的封堵材料加量，可有效改善泥餅質量，提高封堵承壓能力，減少倒劃眼期間可能發生的井漏等復雜情況。早期的PEM 鉆井液中沒有引入NaCl，鉆井液中K+含量高了抑制性太強，會使近井地帶井壁硬化[9]，含量低了又不能有效控制鉆井液性能、井壁質量也不夠好，KCl的加量不控制好進而就會導致倒劃眼困難的問題。室內研究表明12%的NaCl 的抑制性與1.5%KCl 抑制性相當，此外NaCl 可降低鉆井液水相活度，減少濾液侵入地層，提高了體系的固相容量限，也可有效實現減排。室內研究表明，10%～15%的NaCl 加量最適合該油田的地層活度[10]，可達到適度抑制與活度平衡的效果。此外在PEM 鉆井液體系中引入了抗鹽提切降濾失劑PF-JHVIS，與PF-VIF、PF-XC H進行復配，可有效提高切力，改善攜砂效果。優化后的PEM 鉆井液靜切力恢復快，動塑比高，具有很好攜砂與封堵能力。

在X35 井鉆進期間，需維持PEM 鉆井液中120 kg/m3的NaCl 含量，YP在13～15 Pa，Φ3/Φ6 不低于6/8。上部淺地層鉆進時，K+維持在較低水平，有利于提高機械鉆速。第一趟短起下后，通過膠液補充井漿K+含量至5 000 mg/L，有利于穩定井壁。完鉆后短起下鉆到底后，提高鉀離子含量至12 000～15 000 mg/L，在井眼“干凈”的前提下進一步穩定井壁，有利于下套管作業。裸眼段加入足量PF-GREEN LUBE、PF-BLA B、RT-101、PF-GRA，提高潤滑性、降低摩阻。

2）工程配套措施。上部井段使用海水膨潤土漿鉆進，以充分釋放機械鉆速。在垂深1 000 m 左右轉化鉆井液體系為PEM 鉆井液，鉆進至2 736 m進行一次短起下，清潔上部井眼。鉆進至3 625 m，因鉆進扭矩大，進行第二次短起下，短起后扭矩改善明顯，然后鉆進至完鉆井深3 672 m。使用PEM鉆井液鉆進期間，排量始終維持4 000 L/min以上排量鉆進，以保證井眼清潔。頂驅轉速維持在100 r/min 左右，高轉速有利于井眼清潔[11]，而繼續提高轉速，井內定向工具信號傳輸受到干擾。合適的作業參數配合倒劃眼清潔井眼，起下鉆期間井眼順暢。

2.4 頂驅下套管與固井技術

頂驅下套管裝置可以提高下套管作業效率，相比于傳統下套管方式，可以在套管遇阻時及時循環鉆井液并旋轉套管[12]。頂驅下套管工具與頂驅相連，由頂驅提供旋轉動力，其本身自帶液壓站，為錨定套管提供動力，同時系統自帶密封系統，可以實現套管與頂驅下套管工具的密封（圖3）。目前使用的頂驅下套管工具可提供350 t以上拉力，最大扭矩可達67.7 kN·m，密封系統耐壓20.6 MPa。

圖3 海上油田頂驅下套管施工

為保證X35 井套管的順利到位，該井使用頂驅下套管技術，并下入CLS 高抗扭套管，套管下入順暢。Φ244.5 mm 套管性能參數為：公稱外徑244.5 mm，公稱內徑244.4 mm，磅級59.5 kg/m，最佳上扣扭矩17.6 kN·m，作業扭矩67.7 kN·m，屈服扭矩101.6kN·m。

為保證套管居中，扶正器加放為浮鞋至Φ339.7 mm套管鞋每根1個剛性扶正器，Φ339.7 mm套管內為3～5根1個扶正器。對下套管懸重進行模擬，模擬結果顯示，套管到位最終下放懸重31 t，上提懸重176 t，管柱未發生屈曲，本次不使用漂浮接箍（圖4）。該井最終下套管到位下放懸重33 t，與模擬基本一致，固井施工正常。

圖4 下套管懸重模擬圖

X35 井是該油區部署的一口淺層大位移井，通過多種技術的應用，該井順利完成，整井作業工期較設計提前26%，單井事故率為零。

3 結論

1）負脈沖MWD 儀器可顯著降低作業期間泵壓，有利于開大排量清潔井眼。大位移井作業選用負脈沖MWD，能提高鉆井作業期間排量，更好地清潔井眼，減少井下復雜情況的發生。

2）指向式旋轉導向加微擴眼工具的組合使用，可改善Geo-Pilot工具倒劃眼困難問題，有效提高倒劃眼時效，同時有助于井眼清潔。

3）通過對傳統PEM鉆井液性能進行優化改進，降低體系抑制性，提高封堵性，形成了適合該油田的“適度抑制+加強封堵+活度平衡”的鉆井液技術。

4）頂驅下套管技術能顯著降低大位移井的套管下入難度，有利于套管順利下放到位。