長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析及對(duì)策研究

羅子淇

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院, 黑龍江大慶 163413）

隨著大慶油田的開發(fā)進(jìn)入三次采油階段, 一些難采儲(chǔ)層也成為開發(fā)的重點(diǎn)。長(zhǎng)水平段接觸的儲(chǔ)層面積更大, 在提高難采儲(chǔ)層的采收率方面具有更突出的優(yōu)勢(shì)。但隨著水平井裸眼井段的增加, 井壁穩(wěn)定、巖屑攜帶、潤(rùn)滑性等矛盾會(huì)更為突出, 給鉆井設(shè)計(jì)人員和施工人員提出了更多的挑戰(zhàn)[1]。隨著近年來國(guó)內(nèi)外大型油服和高校的不斷研究, 長(zhǎng)水平段水平井的研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。從各個(gè)施工環(huán)節(jié)對(duì)長(zhǎng)水平段水平井進(jìn)行深入研究, 也已經(jīng)成為鉆井行業(yè)的研究重點(diǎn)。

1 長(zhǎng)水平段水平井的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來國(guó)際油價(jià)經(jīng)常出現(xiàn)大幅度的波動(dòng), 給油服企業(yè)的成本控制帶來了很大的壓力, 而長(zhǎng)水平段水平井為降低開發(fā)成本提供了新的選擇。2014～2018年隨著頁巖氣開采的逐步增加, 國(guó)外大部分水平井的水平段從以往的1500m左右提高到了2500m以上, 2018年以后, 國(guó)外40%以上水平井的水平段長(zhǎng)度超過了3000m。隨著水平段的增長(zhǎng), 單井油氣產(chǎn)量也得到了大幅度增長(zhǎng), 其中最值得注意的是：長(zhǎng)水平段水平井的開采技術(shù)使美國(guó)的二疊紀(jì)盆地產(chǎn)量迅速增加, 2019年該區(qū)塊的產(chǎn)量已經(jīng)接近美國(guó)全境產(chǎn)量的45%, 預(yù)計(jì)在2024年可達(dá)到48%, 增產(chǎn)效果十分明顯[2-3]。

國(guó)外目前已有多口水平位移超過10000m的長(zhǎng)水平段水平井：英國(guó)的M11井、挪威的GULtop井等。近年來國(guó)內(nèi)也大力開展了長(zhǎng)水平段水平井的研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用, 其中勝利油田的高平1井水平段達(dá)到3462m；大慶油田的垣平1井水平段達(dá)到2660m；蘇里格氣田的蘇5-15井, 水平段達(dá)到4466m；長(zhǎng)寧示范區(qū)也有多口井的水平段超過3000m；隴東地區(qū)的華H90-3井水平段長(zhǎng)度超過5000m[4-5]。但國(guó)內(nèi)在長(zhǎng)水平段水平井的研究和應(yīng)用方面還相對(duì)落后, 核心的鉆完井工具與國(guó)外大型油服企業(yè)還有很大差距。

2 長(zhǎng)水平井段水平井技術(shù)難點(diǎn)

與普通水平井相比, 長(zhǎng)水平段水平井在軌跡控制、井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑減阻、巖屑攜帶等方面面臨著更大的挑戰(zhàn), 因此有必要逐一進(jìn)行分析, 從而給出更好的解決方案。

2.1 摩阻和扭矩大

隨著水平段的不斷加長(zhǎng), 鉆具組合和裸眼地層之間可以直接接觸的表面積也成比例增長(zhǎng), 導(dǎo)致井下摩阻和扭矩不斷增高, 實(shí)際施工過程中為了更好地發(fā)現(xiàn)油藏, 往往還要扭方位鉆進(jìn), 使井下鉆具的實(shí)際受力狀態(tài)變得更為復(fù)雜多變, 嚴(yán)重的還會(huì)造成鉆具變形, 進(jìn)一步影響鉆井施工[6]。

2.2 井眼軌跡控制難度大

目前旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)成為長(zhǎng)水平段水平井施工的第一選擇。但在進(jìn)入水平段后, 為了提高控制精度和滿足造斜率等井眼軌跡控制需要, 往往是滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)交替進(jìn)行, 但這樣的鉆進(jìn)方式會(huì)影響井眼的規(guī)則性, 并產(chǎn)生臺(tái)肩。此外, 在薄差儲(chǔ)層鉆進(jìn)過程中, 為了進(jìn)一步提高儲(chǔ)層鉆遇率, 往往會(huì)頻繁調(diào)整井眼軌跡, 在增大控制難度的同時(shí)還給下一步的通井和下套管作業(yè)留下了隱患。

2.3 井眼清潔難度大

在重力作用下, 巖屑容易在下井壁處發(fā)生沉降而堆積, 而隨著水平井的水平段增加, 以及井眼不規(guī)則情況的加劇, 巖屑更加不易被鉆井液攜帶出去。大量的巖屑堆積在井壁不規(guī)則處和井壁下方形成巖屑床, 會(huì)使鉆具組合的摩阻進(jìn)一步增大, 沉砂卡鉆等事故的發(fā)生將嚴(yán)重影響鉆井施工效率。

2.4 井壁穩(wěn)定問題突出

鉆頭鉆出井眼后, 地層原有應(yīng)力被破壞, 導(dǎo)致井壁受力狀態(tài)發(fā)生大幅度變化。由于長(zhǎng)水平段水平井的鉆井施工時(shí)間比較長(zhǎng), 隨著裸眼井壁在鉆井液中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng), 這種井壁失穩(wěn)現(xiàn)象會(huì)越來越嚴(yán)重。此外, 由于施工周期長(zhǎng), 鉆井作業(yè)過程中短起下、更換鉆具、處理復(fù)雜等工況出現(xiàn)的頻率也會(huì)相應(yīng)增加, 也會(huì)對(duì)井壁造成一定的影響, 嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生剝落掉塊等復(fù)雜事故。

3 長(zhǎng)水平段水平井的鉆井施工關(guān)鍵技術(shù)

為了解決長(zhǎng)水平段水平井帶來的摩阻和扭矩大、井眼軌跡控制難度大和井壁穩(wěn)定問題突出等問題, 需要從鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化、鉆井工藝優(yōu)化和鉆井液性能優(yōu)化等多個(gè)方面進(jìn)行著手, 多部門協(xié)同配合。

3.1 鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化

從鉆井設(shè)計(jì)方面對(duì)井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化, 對(duì)降低施工過程中的摩阻和扭矩具有非常明顯的幫助。在設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí), 應(yīng)該使鉆具組合的造斜能力、力學(xué)強(qiáng)度與地層實(shí)際情況相匹配, 設(shè)計(jì)造斜率和靶前距時(shí)要充分考慮相應(yīng)的的扭矩和摩阻。

3.2 井眼軌跡控制技術(shù)

①選擇巖性較為穩(wěn)定的層位作為造斜點(diǎn)并優(yōu)先選用圓弧形剖面, 從而保障井壁穩(wěn)定性, 避免在造斜處發(fā)生井壁失穩(wěn)問題；②長(zhǎng)水平段水平井施工應(yīng)優(yōu)先選擇旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng), 從而提高鉆井效率, 減少井下摩阻；③水平段鉆進(jìn)過程中盡量減少滑動(dòng)鉆進(jìn), 多采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn), 從而保障井壁的規(guī)則性, 為有效降低后續(xù)深部井段鉆進(jìn)時(shí)的摩阻和扭矩打下基礎(chǔ)；④為了在提高井眼軌跡控制精度的同時(shí)更有效的發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層, 應(yīng)優(yōu)先使用近鉆頭隨鉆測(cè)量系統(tǒng), 從而根據(jù)地層情況及時(shí)進(jìn)行軌跡調(diào)整。

3.3 減阻降摩技術(shù)

在鉆井工具方面采取的措施主要是使用巖屑清除工具和水力振蕩器等機(jī)械工具, 前者可以通過破壞井眼中已經(jīng)形成的巖屑床來提高井壁的光滑性, 從而降低鉆柱和井壁之間的摩擦力, 而后者則通過自身的震動(dòng)作用來降低鉆具和井壁之間產(chǎn)生的直接摩擦力, 從而達(dá)到減阻降摩的效果。

3.4 鉆井液技術(shù)

長(zhǎng)水平段水平井安全高效鉆進(jìn)的核心技術(shù)之一是鉆井液技術(shù)。鉆井液優(yōu)異的潤(rùn)滑防卡能力、出色的巖屑攜帶能力和高效的井壁穩(wěn)定能力, 是保障長(zhǎng)水平段水平井安全高效施工的關(guān)鍵。

由于該類井型的裸眼井段長(zhǎng), 保障井壁穩(wěn)定是最重要的前提條件, 首先要從力學(xué)穩(wěn)定方面設(shè)計(jì)合理的鉆井液密度, 從而保障裸眼井段不會(huì)因?yàn)橹尾蛔銓?dǎo)致坍塌。但過高的鉆井液密度還會(huì)壓漏地層, 所以在鉆遇裂縫和微裂縫發(fā)育的泥頁巖地層時(shí), 需要加強(qiáng)鉆井液的封堵能力。此外, 在鉆井施工過程中, 鉆井液方面還需要采取如下措施：①通過加入性能優(yōu)良的液體潤(rùn)滑劑和固態(tài)潤(rùn)滑劑, 在鉆具和泥餅表面形成潤(rùn)滑膜降低其摩阻系數(shù)；②加入瀝青類降濾失劑和封堵劑來提高泥餅質(zhì)量, 避免形成虛泥餅造成粘附卡鉆事故的發(fā)生；③根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整鉆井液密度, 從而保證鉆井液對(duì)地層井壁的支撐, 但鉆井液密度增大意味著固相含量增多, 過多的固相含量也會(huì)導(dǎo)致摩阻增大。

4結(jié)論和建議

（1）為了進(jìn)一步保障國(guó)家能源安全, 國(guó)內(nèi)非常規(guī)儲(chǔ)層的開采規(guī)模不斷增大, 鉆井施工企業(yè)面對(duì)的降本增效壓力也越來越大, 而長(zhǎng)水平段水平井的經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)逐步在全球的油氣資源開發(fā)中得到認(rèn)可。3000m左右的長(zhǎng)水平段水平井技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)比較成熟, 而國(guó)內(nèi)在這方面還有較大差距。

（2）長(zhǎng)水平段鉆井技術(shù)是一個(gè)需要多學(xué)科多部門共同配合的系統(tǒng)工程, 需要鉆井設(shè)計(jì)、定向施工、鉆井液、固井等多個(gè)部門的同步協(xié)調(diào)和完善, 最終實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程一體化應(yīng)用。

（3）目前國(guó)內(nèi)油服公司在水平段長(zhǎng)度、施工成本等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上距離國(guó)外公司還有較大差距, 下一步需要在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)研發(fā)、井下動(dòng)力系統(tǒng)研制、高效鉆頭開發(fā)以及高性能鉆井液體系研究等幾個(gè)方面繼續(xù)開展深入攻關(guān), 從而為非常規(guī)油氣資源的有效開發(fā)提供支持。