威HX-4井水平段鉆進技術研究與應用

施連海，李春吉

（中國石油長城鉆探工程公司，遼寧 盤錦 124010）

威HX-4井位于四川省內江市威遠縣龍會鎮窯灣村附近，威遠屬揚子陸臺四川分區西南部，出露有中生界和新生界地層。境內地質構造為榮威穹窿與新店子向斜。該井是一口水平井，設計井深5 413 m，設計水平段長1 500 m，水平井完鉆層位為志留系龍馬溪組。根據地質分析及鄰井信息，該區塊四開水平段鉆井速度慢，層薄、地層參數差異大，導向施工困難，存在氣侵、井漏、垮塌、井噴等諸多風險。為此，對威HX-4井四開水平段鉆井難點進行了分析，探索對應鉆井技術研究與應用，以期為降低復雜事故發生率、提高鉆井速度提供技術思路和解決路徑。

1 四開水平段鉆井難點分析

1.1 地層可鉆性差，機械鉆速低

該區塊地層埋深較深，圍壓強度大，地層可鉆性差。雷口坡組灰巖，茅口、棲霞組生物碎屑灰巖，抗壓強度較高，龍潭為代表的夾層頁巖塑性較強，鉆頭打滑、剪切地層困難，致使機械鉆速較慢。以威HX-2井為例，龍潭-棲霞組鉆時在30 min·m-1以上，龍潭組平均機械鉆速僅1.62 m·h-1。

1.2 目的層薄、水平段微構造存在不確定性，導向施工難度大

該區塊儲層埋深3 388～3 818 m，目標箱體位置為龍一11層中下部，層薄、厚約為6 m，地震資料處理精度不夠，地層參數預測誤差大，前期該區塊構造落實程度還不夠詳細，鄰井威 HX-3井施工至水平段600 m左右時，鉆遇小洼兜，井斜由91.23°降至86.42°，再增至95°后又降至91°，軌跡于五峰組中穿行66 m，威HX-4井施工時水平段可能同樣鉆遇該地層，地層存在不確定性，水平段軌跡調整頻繁，給導向施工軌跡跟蹤帶來較大難度。

1.3 井溫高、振動大，對儀器穩定性要求高

威HX-4井優質頁巖埋深在3 700 m左右，同平臺已經完鉆兩口井最后溫度超過130 ℃，要滿足順利施工，單串儀器循環時間將達到400~500 h左右，受高溫、振動和長時間使用等因數影響，儀器發生故障的風險增加[1]。

1.4 地層變化大，卡鉆、井漏、氣侵等井下風險多發

威HX-4井水平段長1 500 m，垂深約3 660 m，進入龍馬溪組。龍馬溪組頁巖礦物主要成分為石英，其次為方解石、菱鐵礦、白云石和黏土礦物[2]，還含有少量的長石和黃鐵礦，頁巖硬脆屬性特征明顯，在鉆井液的作用下，極易造成微裂縫開裂，從而發生剝落掉塊[3-5]，施工至水平段后期，可能會存在巖屑床堆積，增加了后期的扭矩摩阻，甚至造成卡鉆風險。

龍馬溪組頁巖具有明顯的硬脆屬性，巖層內部延展的微裂縫一旦與地層內部大裂縫相互貫通，便會引發井漏事故[6]。同平臺威HX-1井在施工時發生了氣侵和井漏現象，威 HX-4井施工時可能會發生同樣的風險，造成事故。

2 對策分析

針對前面提出的四開水平段鉆井難題，多家施工單位聯合開展了研究分析，逐一制定對策，初步形成威HX-4井四開“一趟鉆”技術模板。

2.1 優選鉆頭及鉆井參數

為滿足該區塊鉆井需要，鉆頭既要保證高機械鉆速，又要能夠配套旋轉導向鉆井系統實現高的造斜率，滿足復雜儲層有效追蹤需要，同時還要有高穩定性，降低鉆柱有害振動[7]。資料顯示，在威HX平臺史密斯鉆頭總體表現較好。因此，選用史密斯五刀翼MDI516鉆頭進行四開施工，儀器井底振動小，造斜率好，且機械鉆速快。

鉆井參數方面，通過軟件預測和實時計算不同井段的鉆井扭矩和摩阻，嚴格監控儀器參數，根據儀器振動大小與扭矩波動及時對鉆井參數進行調整，在確保井底儀器安全前提下，逐步加大鉆壓，釋放鉆井參數，提高機械鉆速。

2.2 優選旋導工具及鉆具組合

旋轉導向技術能夠自動靈活地調整井斜和方位，在鉆柱旋轉狀態下實現井眼軌跡控制，能有效降低坍塌及卡鉆等井下事故、使井筒質量更優[8]，大大提高鉆井速度和安全性，保證軌跡控制質量。威HX-4井選用貝克ATC旋導儀器，使用全新配件進行組裝，并對各部件進行探傷，切實保障儀器可靠性。

依鄰井資料可知，馬達對于本平臺鉆井提速效果不明顯，而且馬達壽命有限，施工后期泵壓過高導致排量受限，增加井下風險，綜合考慮鉆具組合中不下入馬達。同時，考慮長水平施工攜巖問題，在鉆具組合中加入旋流清砂器，提高攜巖率，保證井眼的清潔。確定的四開鉆具組合如下：

Φ215.9 mm PDC+Φ172 mm ATC儀器+Φ127 mm無磁承壓鉆桿+Φ127 mm加重鉆桿1根+Φ172 mm浮閥+Φ127 mm加重鉆桿2根+Φ165 mm史密斯隨鉆震擊器+Φ127 mm加重鉆桿6根+Φ127 mm鉆桿3柱+旋流清砂器+Φ127 mm鉆桿+411×520+Φ139.9 mm鉆桿。

鉆井施工過程中，結合鄰井威 HX-3井施工情況，提前預測水平段可能小洼兜發育井段，提前將軌跡進行調整，直接利用旋導的方位GR判斷地層上下切，更快速的做出反應，及時下達調整指令。上切過程中控制降斜幅度，避免井斜降至太低；下切過程中，先把井斜增起來，防止地層擠壓造成的局部變化過快而底出，進入五峰組。

2.3 降溫、減振，提高儀器穩定性

該區塊屬于深層頁巖氣，針對儀器高溫問題，根據井場條件，調整降溫裝置流程，使鉆井液經三級凈化后直接進入地面降溫裝置降溫，然后直接進入泥漿泵上水罐打入井筒，提升降溫效率。井底溫度達到120 ℃啟用地面降溫裝置，提前降低井底溫度，井底溫度超過125 ℃進行短起下時，采用開泵循環擴劃眼形式操作，避免儀器高溫。同時，嚴格泥漿凈化措施，加密對凈化設備檢查和使用、鉆井液采取水化處理、增加泥漿攜帶與懸浮能力，從而減少儀器摩擦生熱，通過減少水平段接立柱、更換頂驅配件等停泵時間，防止鉆井液靜止時間長后升溫對儀器造成影響。

減振方面，與地質導向、定向工程師建立緊密溝通，提前預測地層傾角變化，減少小層交界面的穿越。施工時依據儀器近鉆頭方位伽馬變化及時判斷層位變化，做出相應調整，減少來回穿層時儀器振動損壞。同時通過優選MDI516鉆頭配合旋導施工，提高鉆頭、旋導、地層三者匹配度，也能夠進一步降低施工中儀器粘滑振動

2.4 優選鉆井液及其處理技術

油基鉆井液具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕、利于井壁穩定、潤滑性好、對油氣層損害小等諸多優點，且由于頁巖儲層含有黏土礦物，鉆井過程中易吸水膨脹造成垮塌[9]，因此威 HX-4井四開鉆井施工中，優選使用油基鉆井液，選擇塑性粘度更低的柴油作為基礎油，并采取措施降低卡鉆、井漏、氣侵等井下風險。

針對卡鉆問題，嚴格控制鉆井液固相含量，提高攜巖能力。加強固控設備使用，控制鉆井液中低密度固相含量控制在8%以內，確保鉆井液清潔，保持良好的流變性，有效的沖刷對巖屑床的形成有抑制作用。升級循環系統，使用Φ130 mm陶瓷缸套及耐高壓泵配件，配合52 MPa高壓沖管，提高配件耐磨性、承壓性和密封性，實施高泵壓、大排量施工，及時有效清除巖屑床，確保施工安全。此外，下入旋流清砂器，配合短起下操作，能夠有效提高攜巖能力，減少巖屑床堆積，保證鉆進安全，防止卡鉆發生。

針對井漏問題，一方面優化鉆井液施工密度，在滿足井控要求前提下，密度走設計下限，降低井漏風險的同時提高機械鉆速和壓差卡鉆風險。另一方面調研引進先進堵漏材料，優化堵漏劑配方，提高堵漏成功率。另外，安裝旋轉防噴器，給降密度施工提供有利條件。

針對氣侵問題，施工前提高地層壓力系數預測數值的準確性，同時根據鄰井進行密度曲線優化，有效預防氣侵等情況發生。施工中加強坐崗觀察，按照要求儲備好井控物資，重晶石和加重鉆井液，及時發現及時處理，降低處理難度。

3 現場應用及效果分析

威HX-4井完鉆井深5 450 m，四開施工段總長2 217 m，其中造斜段長717 m，水平段長1 500 m。利用“一趟鉆”技術指導鉆井施工，用時18.79 d一趟鉆打完2 217 m進尺，優質頁巖鉆遇率100%。與區塊2014-2017年18口完成井鉆進情況進行對比，結果如表1所示。威HX-4井完鉆井深同比多128.28 m，水平段長度同比多59.89 m，全井鉆井周期同比少8.81天，機械鉆速同比提高3.09 m·h-1。其中四開井段鉆井周期同比少 27.13 d，機械鉆速同比多5.17 m·h-1。

表1 技術指標對比

威HX-4井四開井段生產時效達到100%，純鉆時間占比46.23%，由于本井目的層垂深深，為了保障接立柱安全和旋導工具性能穩定，循環鉆井液用時較長，占比20.22%，如圖1所示。

與同區塊時效進行對比分析，威 HX-4井四開各項指標優勢均較明顯：純鉆進時間10.21 d,比區塊平均（16.38 d）少6.17 d；起下鉆時間2.68 d，比區塊平均（7.02 d）少4.34 d；循環、擴劃眼時間5.75 d，比區塊平均（13.78 d）少8.03 d；無事故復雜和其他時間，比區塊平均（6.88 d）少6.88 d；無修理和組織停工，比區塊平均（1.81 d）少1.81 d；完井時間8.67 d，比區塊平均（17.77 d）少9.1 d。

威 HX-4井四開鉆井施工全程無故障，無井下復雜情況發生，井下儀器、工具實現“等壽命”，初步驗證了“一趟鉆”技術的可行性。

4 成果及結論

1）威HX-4井四開水平段鉆井存在機械鉆速低、導向施工難度大、對儀器穩定性要求高及卡鉆、井漏、氣侵等井下風險多發等施工難題。

2）從地質條件、工具儀器、工程措施、鉆井液工藝等方面進行研究分析，通過技術集成與創新，初步形成以優選鉆頭及鉆井參數、優選旋導工具及鉆具組合、優選鉆井液及其處理技術等措施為核心的四開“一趟鉆”技術模板

3）以“一趟鉆”技術為指導，威HX-4井四開用時18.79 d，一趟鉆打完2 217 m進尺，一舉打破該區塊“鉆井周期最短”、“平均機械鉆速最快”等四項記錄，施工效果良好。

4）威HX-4井四開鉆井“一趟鉆”技術可為威遠頁巖氣井四開鉆井施工提供借鑒，但不具備普適性。建議在推廣應用過程中“因地制宜”，完成本地化適配與創新，形成針對施工井的“一趟鉆”技術，并在不斷摸索中逐漸完善總結，形成能夠廣泛應用的“一趟鉆”技術，對威遠地區頁巖氣井鉆井施工形成指導。