水平井優快鉆井技術研究與認識

王光宇, 張文寧

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院, 黑龍江大慶 163413）

水平井一直是勘探油氣資源的重要技術手段之一。近年來, 我國水平井鉆井技術發展迅速, 為難采儲層的開發提供了技術條件。大慶油田的難采儲層含有的油氣儲量占新增探明儲量的主要部分, 水平井在高效開發低品位儲層方面顯得尤為重要。但在一些復雜地層施工時, 鉆井液漏失、井壁塌陷、氣侵和井涌等成為鉆井過程中不得不面對的問題。復雜的地質情況導致機械鉆速大幅下降、鉆井作業成本迅速增加。本文對水平井的優快鉆井技術難點進行了分析, 從鉆井設計優化、工程技術措施配套和鉆井液體系優化三個方面給出了相關建議, 以期為水平井的優質高效施工提供技術支持。

1 水平井優快鉆井難點分析

與直井相比, 水平井不可控因素較多, 隨著水平段的增長, 相應的潤滑問題、井眼凈化問題和井壁穩定問題越突出[1-2]。

1.1 摩阻和扭矩

在水平井施工過程中常常會因為裸眼井段存在巖屑床、井壁穩定性差、泥餅質量不好和井眼不規則等原因造成摩阻和扭矩大, 嚴重的會造成卡鉆和埋鉆具事故[3-4]。

1.2 巖屑清潔

隨著水平段的逐步加深, 造斜段和水平段的鉆井液流動形態及環空返速均會產生變化, 井筒中巖屑清潔的效率是水平井能否順利完鉆的重要前提。已有的研究表明, 油基鉆井液和水基鉆井液在巖屑清潔方面的效果基本相同, 鉆井液的流變性是巖屑清潔能力的主要影響因素, 與鉆井液類別和組成關系不大。此外, 提高鉆井液的粘度和密度也有利于將巖屑攜帶出井筒。

1.3 井壁穩定

與常規直井相比, 水平井的裸眼井段所承受的應力以及巖石強度均有較大區別, 如水平段砂巖較多, 則相應的井壁穩定效果較好, 如水平段存在泥頁巖井段, 在地應力和鉆井液浸泡雙重作用下, 就會發生井壁失穩問題。水平井段的井壁失穩比直井更為嚴重, 處理起來也更為復雜, 因此要從多方位多角度來保障水平井的井壁穩定。

2 水平井優快鉆井關鍵技術

2.1 鉆井設計方面

井眼軌跡優化設計可以大幅度降低鉆井過程中的摩擦阻力和扭矩, 為了降低鉆具在井下的摩阻和扭矩, 目前已有懸鏈線、擺線弧、等曲率曲線等多種井下曲線模型, 不同的井眼軌跡模型均有各自的優缺點, 通過對靶點進行分析并結合施工地層的地質特點, 可以找到一條使摩擦力和扭矩最小的曲線, 從而確定最佳的剖面設計[5]。

2.2 工程配套技術

為滿足水平井優快鉆井開發需求, 需要結合已有的地質資料和周邊已完鉆井的施工情況, 確定合適的鉆井參數、鉆具組合及配套鉆頭, 并通過現場試驗加以修正和改進。主要技術措施如下：

（1）不同尺寸井眼的排量控制。不同井眼鉆進時機械鉆速不同, 鉆井液流態也不同。為了更好的保障巖屑攜帶311mm尺寸井眼的鉆井液排量應該控制在44L/s以上, 215mm尺寸井眼的排量要達到28L/s以上。在中淺部地層鉆水平井時, 要重點考慮該類地層的地層巖性, 如果屬于易坍塌地層則應在推薦排量基礎上適當增加排量, 從而提高鉆井液的環空返速, 保證井眼清潔；如地層成巖性較好, 則可以適當地降低鉆井液排量。

（2）水平段劃眼和短起下。已有的研究和現場實驗均表明, 定期劃眼措施可以幫助清潔裸眼井壁, 減少巖屑床的形成, 同時有助于降低鉆井液含砂量, 定期的短起下措施, 有助于修整井壁和觀察后效, 能降低井下復雜事故的發生率。為了提高水平井的鉆進效率, 建議使用頂驅施工, 每鉆進一個立柱劃眼1～2次, 每鉆進200m左右進行一次短起下劃眼作業。但在鉆遇青山口等硬脆性泥頁巖地層時, 因該類地層的井壁會由于鉆具反復刮擦造成剝落掉塊、鉆頭泥包等復雜事故, 應該減少劃眼和短起下的頻率, 快速鉆穿該類層位。

（3）當井下摩阻和扭矩較大、托壓情況嚴重時, 應該調整鉆井液技術方案, 適當增加潤滑劑的用量, 從而減小井下鉆具和井壁之間的摩擦阻力, 保證鉆進施工的順利進行。

（4）完鉆測井和后續的下套管作業過程中, 也應補充潤滑劑, 提高鉆井液潤滑性, 確保其他鉆井施工工序的順利完成。

2.3 鉆井液體系方面

（1）鉆井液體系選擇。近年來受環保壓力和成本壓力的影響, 油基鉆井液的使用受到了一定程度的限制。但是長水平段水平井、魚骨井、多分支井和深層水平井等特殊工藝水平井施工過程中, 油基鉆井液仍然是最佳選擇。國內外比較成熟的水基水平井體系有：高性能鉆井液、氯化鉀/聚合物鉆井液、硅酸鹽防塌鉆井液。大慶油田目前使用的高性能鉆井液具有良好的潤滑性, 現場施工較為順利。

（2）潤滑性能方面。與直井鉆進時鉆具所呈現的狀態不同, 水平井鉆進過程中, 鉆柱處于平躺狀態, 和井壁之間的接觸面積較大, 相應的會產生較大的摩擦, 因此鉆井液的潤滑性顯得至關重要。油基鉆井液的含油量通常在75%～85%之間, 并以油為外相, 所以油基鉆井液通常不存在潤滑性不足的問題。水基鉆井液以水為外相, 通過在其中添加潤滑劑來降低鉆具和井壁之間的摩阻系數和極壓系數。石墨、塑料微珠等固體潤滑劑可以起到“滾珠”的作用, 改變鉆具和井壁之間的接觸狀態。液體潤滑劑可以在鉆具和井壁表面分別形成油膜, 從而對其進行潤滑保護, 也可以降低摩阻。所以水基鉆井液的潤滑性主要依靠優良的潤滑劑來實現。

（3）流變性控制方面。水平井鉆井過程中, 井眼內部存在著移動層、流動層和沉積層等多種鉆井液流動形態, 循環介質的流變性較為復雜, 不同井段鉆井液非均質性強。因此需要對井眼凈化能力進行單獨研究。當井斜角大于30°時, 鉆井液中的鉆屑就會受重力影響沉降在井壁下部, 因此要求鉆井液必須具有良好的懸浮穩定性, 否則鉆屑在短時間內發生沉積并形成巖屑床后, 就難以再被鉆井液攜帶出井筒。隨著井斜角的繼續增加, 鉆具組合受重力作用會緊緊貼靠在井壁下部, 使下部的環空空間變小, 更不利于巖屑的攜帶。鉆井過程中產生的大量巖屑需要通過鉆井液攜帶出井筒, 因此, 鉆井液的流變性是巖屑攜帶的重要技術指標之一。紊流狀態的鉆井液攜巖效果最好, 但受井深、排量、水平段長度等的影響, 在實際工況下, 很難在水平段實現鉆井液的紊流流型。水平段鉆井液呈現尖峰型層流狀態時也有利于巖屑攜帶, 因此需要控制合適的動塑比, 較高的動塑比有利于形成尖峰型層流, 但動塑比過高會對泵壓產生較大影響。動塑比的控制主要是通過增加或減少相應的流型調節劑來實現。除了鉆井液自身使用的處理劑外, 鉆井液中的固相含量也是影響流變性的主要原因, 一般而言, 可以通過固控設備的使用來盡量減少鉆井液中的有害固相。

3 結論和認識

（1）與直井相比, 水平井不可控因素較多, 隨著水平段的增長, 相應的潤滑問題、井眼凈化問題和井壁穩定問題越突出, 發生井下事故的概率更高, 處理復雜所花費的成本也更大。

（2）水平井鉆井過程中主要的工程控制手段有：根據不同尺寸的井眼進行鉆井液排量控制、嚴格執行劃眼和短起下技術措施、根據現場實際情況適當調整潤滑劑加量。

（3）良好的鉆井液性能是實現水平井優快鉆井的關鍵環節之一, 需要重點考慮鉆井液的潤滑性和流變性。