新疆吉木薩爾頁巖油水平井鉆井關鍵技術

郭 亮，鄒 榮，王維良，涂福洪，楊 靜，李 敏

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司，天津 300280）

隨著石油勘探開發的深入，我國開啟了頁巖油產能部署。2017 年中國石油天然氣股份有限公司評估認為頁巖油（含低成熟頁巖油資源）資源豐富，儲量超過700×108t，主要分布在準噶爾盆地、松遼平原、渤海灣區域、鄂爾多斯盆地等多個區域，部分地區初具開發規模[1-8]。新疆吉慶吉木薩爾頁巖油自2011 年勘探發現以來，歷經“勘探發現、提產試驗、技術突破和效益開發探索”階段，目前采用的是二開井身結構，采用大井叢工廠化鉆井模式施工，平均井深約5900m，水平段長1800～2200m，施工難度大。施工中面臨二開水平井裸眼段長、造斜點深、井眼軌跡控制難、易發生井漏井塌、定向鉆進托壓嚴重等難題，嚴重制約了鉆井速度[9-15]。為此，開展了吉木薩爾頁巖油水平井鉆井關鍵技術研究，形成了“表套深下+油基鉆井液”二開水平井開發技術方案，封隔淺部薄弱地層，采用化學抑制機理降低梧桐溝組坍塌風險，降低梧桐溝組鉆井液密度，增大安全密度窗口，有效解決了三開變二開后長裸眼段“上下漏、中間塌”等安全鉆井難題，縮短了鉆井周期，為加快新疆油田吉慶頁巖油勘探開發步伐提供了技術支撐。

1 鉆井技術難點

（1）地層可鉆性差。地層縱向夾層多、巖性變化大、可鉆性差，鉆井周期長，常規螺桿鉆具組合條件下機械鉆速低，鉆井提速工具和鉆頭選型困難。

（2）摩阻扭矩高。吉木薩爾頁巖油采用大井叢工廠化鉆井模式開發，設計均為二開井身結構井，平均井深5900m，造斜點深約3800m，水平段長1800～2200m，定向鉆進托壓嚴重。

（3）井眼軌跡控制難度大。二開裸眼段長，定向鉆進效率低，水平段長，上傾井井斜最大達到95°，造斜率5.5°～5.8°/30m，機械鉆速低。

（4）事故復雜防控困難。表層容易發生串槽到地表，韭菜園子組至梧桐溝組井段坍塌壓力高，井眼易垮塌埋鉆具。韭菜園子組和梧桐溝組裂縫發育，易井漏。地層浸泡時間長，極易發生井塌，影響鉆井時效。

2 鉆井關鍵技術

針對上述技術難點，開展鉆頭優化改進、鉆具組合優化與井眼清潔技術、井眼軌跡控制技術、長裸眼井壁穩定及防漏技術及現場施工工藝技術等研究，形成吉木薩爾頁巖油水平井鉆井關鍵技術。

2.1 鉆頭改進

前期試驗的五刀翼PDC 鉆頭，在造斜段碳酸鹽地層和水平段夾層對鉆頭磨損嚴重。從19口鄰井分析發現：8 口井造斜段能實現一趟鉆，機械鉆速范圍7～13.5m/h，一趟鉆鉆頭基本上肩部磨損達2～3。其他的井需使用2～3 只鉆頭，平均機械鉆速范圍6～10m/h，出井鉆頭部分切削齒有崩齒損傷。因此增大了排屑槽，更適應快速鉆進的需要；調整了復合片減震結構，提高鉆頭在低鉆壓狀態下的吃入深度；優化了肩部布齒，發生大段劃眼時可有效降低鉆頭損壞風險。改進后的五刀翼PDC 鉆頭（見圖1）在攻擊性提高4%，扭矩降低7%，還能減小鉆進過程中SS 粘滑震動發生風險，差值ΔMu由原來的0.23 降低到0.16。單趟進尺2861m，平均機械鉆速11.91m/h，單日最高進尺達341m。

同時針對可鉆性好的上部井段，為提高鉆頭攻擊性，四刀翼PDC鉆頭大幅度降低布齒密度，顯著提高塑性泥巖的鉆進效率。

2.2 鉆具組合優化與井眼清潔技術

（1）優化鉆具組合。通過管柱力學和水力學計算，將工程設計中加重鉆桿20 柱優化至6 柱，在保證鉆具強度、鉆壓傳遞的同時，降低摩阻、降低循環壓耗。

優化后鉆具組合：?215.9mm 鉆頭+旋轉導向+MWD+LWD+?127mm 無磁承壓鉆桿×1 根+?127mm斜坡加重鉆桿×6 根+?127mm 斜坡鉆桿×240 根+?127mm斜坡加重鉆桿×12根+?127mm鉆桿×若干。

（2）井眼清潔技術。通過井眼清潔器機械切削與旋流擾動的雙重作用，破壞、清除已有巖屑床，并預防新巖屑床的形成，起到清潔井眼的作用（見圖2）。優化清潔器加放位置。通過理論計算，在井斜30°至水平井段均勻覆蓋，有效提高了井眼清潔效率，進一步降低系統循環壓耗，減輕機泵負載。例如上傾井JHW60-110井在造斜及水平段應用井眼清潔器，通過巖屑稱重計量裝置監測井段從3300～5800m 結束采集數據，預警3次，理論返出巖屑體積79.13m3，實際返出巖屑體積69.08m3，巖屑返出率達87.3%，巖屑濃度從11.61%降到4.86%，巖屑床厚度由30mm 減少到17.7mm，井眼清潔效果顯著。

圖2 井眼清潔器

2.3 井眼軌跡控制技術

針對設計造斜率高，水平段長，馬達鉆進時效低。通過井眼軌跡控制技術研究，螺桿鉆具、導向工具及測量儲存儀器的優選，以達到提速提效，在初始造斜階段或者全部造斜井段使用PDC 鉆頭+旋導配合大角度低摩阻馬達使用，取得和很好的效果。優化軌道設計，從設計源頭降低長裸眼井段定向施工工作量，能夠進一步提高長裸眼井段的施工效果，同時通過對鉆具的調整，配合改進的井身結構，能夠更好的發揮軌道設計的優勢。

AutoTrak eXact 工具由旋轉導向頭、OnTrak MWD/LWD和雙向通訊發電短節組成。各工具短節都是模塊化設計，可隨時更換，有四大優勢：三維軌跡精確制導；理論最高造斜率10°/30m；水平段穩斜鉆進井斜變量0.18°，實現極薄目的層內的導向鉆進；模塊化連接，可根據測井要求加接不同工具。

2.4 水平井井壁穩定及防漏研究

（1）井壁失穩的地質特征及分析。西山窯組、八道灣組主要為煤線、泥巖段及砂泥巖薄互層段；克拉瑪依組至燒房溝組中部主要為褐色泥巖段；梧桐溝組中部及上部主要為灰色、褐色泥巖段。以上地層都是水敏性地層，吉木薩爾頁巖油區塊二開裸眼段長，地層浸泡時間長，如果使用水基泥漿極易發生垮塌等失穩現象，但是全油基鉆井液幾乎不產生水化效應；油包水乳化鉆井液在乳液穩定的情況下也基本不發生水化效應，因此油基鉆井液不會產生水化膨脹壓。

通過研究采用油基泥漿體系，防塌原理和措施：化學抑制。控制油水比80∶20以上，減少水相侵入地層，有效預防煤層和水敏性強地層遇水膨脹垮塌。物理封堵。在薄弱地層段提前加入BZ-OFL、細目鈣等封堵材料，提高地層承壓能力，預防井漏。力學支撐。密度控制在1.52g/cm3以上，進入造斜段緩慢逐步提密度至設計上限1.58g/cm3。

（2）井漏特征及原因分析：二開井段井漏主要發生在目的層蘆草溝組，目的層由于裂縫發育，易井漏是由于密度過高及受鄰井壓裂影響造成。工程方面防漏措施：進入易漏層前，保持BZ-OFL、細目鈣含量各3%；嚴格控制起下鉆速度，減少激動壓力；鉆進中控制密度，及時監測ECD值合理；施工前落實周邊生產井情況，及時關停。泥漿防漏技術：利用油基泥漿的強抑制能力，在薄弱地層段提前加入BZ-OFL、細目鈣等封堵材料，提高地層承壓能力，預防井漏。

3 現場試驗

3.1 總體應用情況

針對吉木薩爾頁巖油區塊鉆井技術難題，開展了三個階段的現場試驗，第一個階段確保了鉆井周期從50～60d 降低到40d 的轉變，在第二階段的基礎上逐步邁進了30d 以內。2021 年累計試驗13 口井，平均井深5909.62m，鉆機月速3567.03m/臺月，機械鉆速為14.31m/h，平均鉆井周期39.13d，事故復雜時間0.24%，同比2020年降低6.21%，達到了項目預期目標。

3.2 取得的成果

（1）優選出適合的高效鉆頭。史密斯215.9mm MDI516鉆頭和貝克旋轉導向工具、配合“激進”式參數鉆井，實現了一開一趟鉆、二開直井段一趟鉆、定向+水平井段一趟鉆實現了1+1+1鉆井模式。

（2）鉆具組合優化與井眼清潔技術優異。鉆具組合中加裝井眼清潔器保證了井眼攜砂效果，在二開直井段鉆進和造斜井段、水平井段減少了起下鉆時間，增加了純鉆進時效，相應提高了鉆機月速，完成的13口水平井平均鉆機月速3567.03m/臺月。

（3）掌握了井眼軌跡控制技術，合理確定鉆具組合在井叢場批鉆過程中不僅做好了防碰工作而且減少了直井段定向時間，增加了導向鉆進時間提高了機械鉆速。JHW59-14井、JHW59-13井、JHW60-19井直井段日進尺均突破800m 連續三口井創吉慶頁巖油區塊指標。

（4）摸索出適合的防塌和防漏泥漿體系，具備以下優點：電穩定性強：現場施工過程中，體系破乳電壓維持在600V以上，保證了鉆井過程中體系穩定性。攜砂性好：現場鉆井液水平段動切力8.5Pa，滿足長水平段攜砂要求。潤滑效果好：長水平段鉆井過程順利，起下鉆順暢，電測一次成功率100%。懸浮穩定性強：現場施工起下鉆過程中體系密度無變化，循環罐無重晶石沉降。井壁穩定效果好：施工井井徑規則，平均井徑擴大率4%以下。

（5）長裸眼井壁穩定及防漏技術可靠，一開、二開鉆井過程中隨鉆加入堵漏材料和細目碳酸鈣封住鉆進過程中形成的微裂縫，合理的確定鉆井液密度、動切力、破乳電壓有效的保護井壁做好了防塌、防漏工作。

（6）頁巖油白/柴油基鉆井液配方，主要性能指標如下：密度1.52～1.58g/cm3；粘度70～90s；動切力7～10Pa；ES600～1000V；油水比（80∶20）～（85∶15），有效的保證了“激進”鉆井在施工過程中的應用。

4 結論及認識

（1）通過管柱力學和水力學計算，將工程設計中加重鉆桿20柱優化至6柱，在保證鉆具強度、鉆壓傳遞的同時，降低摩阻、降低循環壓耗，為優化激進鉆井參數提供有利條件。

（2）油基鉆井液具有良好的抑制性、穩定性、潤滑性和油氣層保護效果，針對吉慶頁巖油開發中地層的分析，提出了強抑制、強封堵的油基鉆井液對策：加強對滲透性漏失、裂縫性漏失的封堵能力，合理控制鉆井液密度，防止壓裂地層，引起更大的漏失，較強的抑制性，對微裂縫有較強的封堵性。

（3）吉慶頁巖油區塊裸眼段長，地層浸泡時間長，極易發生井塌，根據井下地層承壓能力低的情況，主要采用密度防塌已經無法滿足鉆井的防塌需求，急需要采用化學防塌方式進行防塌。