吉木薩爾頁巖油水平井鉆井優(yōu)化技術(shù)

王 青，張 顥，韓基勝，段 江，甘 泉

（1.中國石油集團西部鉆探巴州分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

吉木薩爾頁巖油于2011 年發(fā)現(xiàn)蘆草溝組資源富集、油品良好，先后歷經(jīng)探索與發(fā)現(xiàn)、先導與提產(chǎn)試驗、技術(shù)與動用突破、規(guī)模試驗與建產(chǎn)4個階段，目前以水平井開發(fā)為主[1]。吉木薩爾蘆草溝組頁巖油形成于殘留海封閉后的陸緣近海咸化湖盆沉積，混合陸源碎屑與湖相碳酸鹽組分，源儲一體，是國內(nèi)重要資源接替區(qū)，是我國首個規(guī)模化開發(fā)的陸源碎屑沉積頁巖油藏[2]。吉木薩爾頁巖油水平井鉆井實踐表明，蘆草溝組屬于強塑性薄層理狀泥頁巖地層，微裂縫發(fā)育，頁巖水化分散作用明顯，井漏頻繁[3]，地層可鉆性差，井眼失穩(wěn)嚴重，水平段摩阻大，鉆具易托壓與屈曲，鉆壓傳遞與井眼清潔難度大[4]，水平段易形成“糖葫蘆”井眼，井控風險大，鉆井難度大[5]。吉木薩爾頁巖油地質(zhì)條件復雜，水平井鉆井提速難度大，技術(shù)性強，鉆井工期和成本難以降低，制約了吉木薩爾頁巖油效益開發(fā)[6]。本文借鑒國內(nèi)外水平井鉆井優(yōu)化的先進做法，并結(jié)合現(xiàn)場鉆井優(yōu)化實踐，在軌道設(shè)計、水力參數(shù)、提速工具與鉆頭、MSE 鉆井優(yōu)化方面開展研究，形成吉木薩爾頁巖油水平井鉆井優(yōu)化技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，有利于吉木薩爾頁巖油水平井鉆井提速并提高鉆井效率。

1 鉆井優(yōu)化技術(shù)難點

吉木薩爾頁巖油水平井鉆井優(yōu)化實踐起步晚，經(jīng)驗缺乏，主要面臨以下技術(shù)難題：

（1）吉木薩爾頁巖油超長水平段水平井定向鉆井過程中，摩阻扭矩大，定向滑動鉆進時，鉆具易托壓與屈曲，儲層厚度薄且?guī)r性復雜，井眼軌道設(shè)計與實鉆軌跡控制難度大[6]。

（2）斜井段、水平段易形成巖屑床，井眼清潔要求高、難度大，排量受限因素多[7]，實鉆過程中有效監(jiān)測摩阻扭矩和井眼清潔情況難度大，存在井塌、井漏甚至溢流問題，水力參數(shù)選擇困難[8]。

（3）吉木薩爾凹陷地層可鉆性差，鉆頭破巖效率低，提速需求大、成本高，鉆井周期長，機械鉆速低[9]。

（4）MSE鉆井優(yōu)化技術(shù)日趨成熟，但在吉木薩爾頁巖油水平井鉆井施工中應(yīng)用缺乏，鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)選擇困難，渦動、粘滑以及泥包等低效率事件識別與處理難度大，鉆井效率低。

2 井眼軌道設(shè)計與優(yōu)選

吉木薩爾頁巖油水平井井眼軌道設(shè)計有三種不同類型：①雙二維（記為T1型），②著陸前完成扭方位（記為T2型）[10]，③著陸后完成扭方位（記為T3型），如圖1a所示。水平井井眼軌道優(yōu)選時應(yīng)考慮摩阻扭矩等因素[11]。從圖1b～圖1e可以看出，T2型井眼軌道起鉆懸重小、摩阻低，鉆具發(fā)生螺旋屈曲最小臨界懸重大（即不易發(fā)生鉆具螺旋屈曲），鉆具抗彎曲能力強，鉆進和倒劃眼扭矩小，因此，三種井眼軌道設(shè)計類型中T2 型井眼軌道最優(yōu)[12]。

圖1 井眼軌道設(shè)計與優(yōu)選

3 水力參數(shù)分析與優(yōu)化

水力參數(shù)優(yōu)化主要涉及到鉆井液、排量、壓耗、井眼清潔等問題[13]，合理的水力參數(shù)要達到凈化井眼、提高機械鉆速的效果，目前頁巖油水平井相關(guān)優(yōu)化研究較少[14]。分析吉木薩爾頁巖油水平井水力參數(shù)內(nèi)在規(guī)律，有助于實鉆過程中結(jié)合具體情況調(diào)整優(yōu)化水力參數(shù)。數(shù)據(jù)分析表明，在同一井深下，排量、鉆井液密度、鉆井液動切力、鉆井液塑性粘度與泵壓、井底ECD呈正相關(guān)，即增大排量、鉆井液密度、鉆井液動切力、鉆井液塑性粘度會使泵壓、井底ECD增加，如表1所示。如圖2a所示，機械鉆速高于60m/h后，泵壓對機械鉆速的影響差異化才顯現(xiàn)出來，此時，在同一井深下，機械鉆速越快，泵壓越高。如圖2b所示，在同一井深下，機械鉆速越快，井底ECD 越高。現(xiàn)場可根據(jù)這些規(guī)律進行參數(shù)優(yōu)化，比如，根據(jù)地層壓力情況通過優(yōu)化水力參數(shù)調(diào)整井底ECD以減少井漏、溢流等事故復雜；在提速鉆進時通過調(diào)整水力參數(shù)優(yōu)化泵壓、井底ECD 保證優(yōu)快鉆井等。

表1 吉木薩爾頁巖油水平井鉆井水力參數(shù)相關(guān)性分析總結(jié)表

圖2 機械鉆速分析

排量、鉆井液密度與流變性、機械鉆速在影響井眼清洗的各因素中可操作性與影響力較大[13]，現(xiàn)場在通過調(diào)整這些參數(shù)實現(xiàn)井眼清潔的同時要考慮其對泵壓、井底ECD 的影響。并且，實鉆過程中及時了解井眼清潔程度十分必要，特別是對于水平井，容易在大斜度井段和水平井段形成巖屑床，對正常鉆井、固井、測井會產(chǎn)生不利影響[14]。吉木薩爾頁巖油水平井在井眼清潔評價方面，運用摩阻測試建模技術(shù)，通過實測數(shù)據(jù)擬合摩阻系數(shù)，結(jié)合摩阻系數(shù)變化趨勢判斷井眼凈化情況[1,15]。吉木薩爾頁巖油水平井JHW16-14 現(xiàn)場每鉆進3 柱進行一次摩阻測試，實時跟蹤評價井眼凈化情況，建議鉆井液6 轉(zhuǎn)讀數(shù)提至8，每班使用離心機，鉆進摩阻系數(shù)維持0.22，有效保持井眼清潔。

4 提速工具與鉆頭應(yīng)用優(yōu)化

4.1 提速工具

吉木薩爾頁巖油區(qū)塊提速主要用到旋導、螺桿+水力振蕩器工具。表2對比了吉木薩爾頁巖油區(qū)塊兩種提速方式及工具的機械鉆速與進尺情況，整體而言，無論是在造斜段還是水平段，旋導的提速效果均優(yōu)于螺桿+水力振蕩器。吉木薩爾頁巖油區(qū)塊提速首選旋導，但鑒于其成本和市場數(shù)量的限制以及實際提速需求量大，螺桿+水力振蕩器作為備用。吉木薩爾頁巖油區(qū)塊現(xiàn)場實踐表明，淺層二開水平井水平段使用螺桿+水力振蕩器提速可替代旋導，而深層三開水平段，螺桿+水力振蕩器與旋導相比有一定差距，主要是螺桿定向時需要頻繁擺工具面，降低了純鉆時間。

表2 吉木薩爾頁巖油區(qū)塊提速工具機械鉆速與進尺對比

4.2 鉆頭應(yīng)用評價與優(yōu)選

如圖3所示，統(tǒng)計出吉木薩爾頁巖油區(qū)塊相同地層使用鉆頭的機械鉆速和單只鉆頭進尺，基于地質(zhì)工程一體化理念采用黃金分割優(yōu)選方法建立圖版評價鉆頭使用效果，黃金分割線以上的鉆頭在本區(qū)塊相應(yīng)層位應(yīng)用較為理想，為鉆頭優(yōu)選提供參考和借鑒[16]。

圖3 吉木薩爾頁巖油區(qū)塊黃金分割法鉆頭應(yīng)用評價與優(yōu)選

5 MSE鉆井優(yōu)化

5.1 MSE相關(guān)理論

MSE（Mechical Specific Energy，即機械比能）定義為鉆進單位體積巖石所用的能量，將旋轉(zhuǎn)做功與軸向做功之和同巖石體積做比，公式（1）給出地表MSE的模型公式[17]。鉆井過程MSE 值相對較小且平穩(wěn)時，鉆頭破巖效率高，鉆井效率高。由公式（1）知，鉆頭破巖時，可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速、鉆壓以及排量鉆井參數(shù)使MSE 值相對較小且平穩(wěn)[18]。圖4 說明MSE 鉆井參數(shù)優(yōu)化分步測試的流程。國內(nèi)外學者結(jié)合現(xiàn)場鉆井實踐經(jīng)驗研究表明，實測鉆壓與機械鉆速分布曲線低于理想鉆進曲線時，井下會發(fā)生低效事件（井底泥包、渦動、剛性界面、鉆頭泥包以及粘滑），此時MSE 值會增加并呈現(xiàn)一定的實時形態(tài)，可據(jù)此診斷井下低效事件并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施[19]。吉木薩爾頁巖油水平井基于MSE鉆井理論，綜合測錄井參數(shù)，實時建立地表MSE 曲線，優(yōu)化鉆井參數(shù)，識別與處理井下低效事件，及時減小限制機械鉆速的主控因素，有效提高鉆井效率，降低鉆井成本[18]。

圖4 MSE鉆井參數(shù)優(yōu)化分步測試流程圖

式中：MSE——地表機械比能，MPa；

T——地面扭矩，kN·m；

N——地面轉(zhuǎn)速，r/min；

f——螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速流量比，r/L；

Q——排量，L/s；

D——鉆頭直徑，mm；

ROP——機械鉆速，m/h；

WOB——鉆壓，kN。

5.2 MSE鉆井優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

運用MSE鉆井優(yōu)化技術(shù)可以對轉(zhuǎn)速、鉆壓、排量等鉆井參數(shù)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)MSE值最優(yōu)，達到提高破巖效率和機械鉆速的目的。如圖5a 所示，吉木薩爾頁巖油水平井JHW16-13 在進行鉆壓分步測試優(yōu)選時，固定轉(zhuǎn)速100r/min 不變（此轉(zhuǎn)速值已事先經(jīng)過分步測試優(yōu)化），鉆壓依次由90kN 調(diào)整為100kN、110kN，地表MSE 基準值依次由79ksi（544.71MPa）變?yōu)?1ksi（489.55MPa）、85ksi（586.08MPa），扭矩依次由5～15kN·m 變?yōu)?～15.5kN·m、4.5～17.5kN·m，機械鉆速依次由18.69m/h 變?yōu)?0.39m/h、18.51m/h，對比發(fā)現(xiàn)，鉆壓100kN時地表MSE較低且波幅小，鉆頭破巖效率高，扭矩與之前無明顯變化，鉆時最低，機械鉆速最高且穩(wěn)定，因此最推薦鉆壓100kN。

圖5 JHW16-13井鉆壓分步測試（a）與鉆頭粘滑低效事件（b1優(yōu)化前，b2優(yōu)化后）

運用MSE鉆井優(yōu)化技術(shù)可以對井底泥包、渦動、剛性界面、鉆頭泥包以及粘滑鉆井低效事件進行識別，并及時采取優(yōu)化調(diào)整措施，排除鉆井低效事件的不利影響，恢復及提高機械鉆速。如圖5b1所示，吉木薩爾頁巖油水平井JHW16-13 在鉆至井深4948.06m 時，地表MSE 和扭矩周期性波動，鉆時較大，機械鉆速較低，判斷鉆頭發(fā)生粘滑低效事件，于是調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速后鉆進，地表MSE和扭矩變得相對平穩(wěn)，有效消除鉆頭粘滑不利因素，提高機械鉆速，如圖5b2所示。

6 鉆井優(yōu)化效果評價

統(tǒng)計吉木薩爾頁巖油水平井實施鉆井優(yōu)化的井的鉆井周期發(fā)現(xiàn)，實施優(yōu)化的井鉆井周期較平均鉆井周期最高縮短38.54%，實施優(yōu)化的井的平均機速較年平均機速最高提高12.2%，并且實施鉆井優(yōu)化的井較設(shè)計周期最高縮短23%，明顯提高了鉆井效率，鉆井優(yōu)化技術(shù)在吉木薩爾頁巖油水平井鉆井取得良好的應(yīng)用效果。表3給出了吉木薩爾頁巖油水平井鉆井優(yōu)化部分應(yīng)用指標。

表3 吉木薩爾頁巖油水平井鉆井優(yōu)化部分應(yīng)用指標統(tǒng)計

7 結(jié)論與認識

（1）吉木薩爾頁巖油水平井井眼軌道設(shè)計時著陸前完成扭方位，摩阻較低，起鉆懸重相對較小，螺旋屈曲最小臨界懸重大，鉆具抗彎曲能力強，鉆進和倒劃眼扭矩較小。

（2）吉木薩爾頁巖油水平井鉆井水力參數(shù)存在內(nèi)在聯(lián)系，增大排量、鉆井液密度、鉆井液動切力、鉆井液塑性粘度會使泵壓、井底ECD增加，通過優(yōu)化水力參數(shù)保障鉆井提速和井眼清潔要考慮其對泵壓、井底ECD的影響。

（3）吉木薩爾頁巖油水平井鉆井應(yīng)用MSE 鉆井優(yōu)化技術(shù)，在分布測試優(yōu)選鉆井參數(shù)，識別與處理井下低效事件，及時減小限制機械鉆速的主控因素方面起到一定的作用。