勝利油田頁巖油叢式井提速提效鉆井技術

田啟忠 戴榮東 王繼強 李成龍 黃豪彩

1.浙江大學海洋學院；2.中石化勝利油田分公司石油工程技術研究院；3.中石化勝利油田分公司安全環保質量管理部

0 引言

勝利油田濟陽坳陷屬陸相斷陷盆地，發育多套優質烴源巖，厚度大、分布范圍廣［1］，達7 300 km2，儲量規模大，首批上報預測石油地質儲量4.58×108t，成為我國東部增儲建產新的接替領域，但頁巖沉積相變快，儲層非均質性強，熱演化程度低，頁巖中原油膠質、瀝青質含量高，流動性差，開采難度比較大。隨著地質理論認識的不斷深化和技術創新，頁巖油勘探開發實現了重大突破，濟陽坳陷油氣資源總量因頁巖油勘探開發戰略突破增長40%以上，已具備全面勘探開發條件，目前已啟動國家級陸相頁巖油示范區建設，預計到“十四五”末，新增頁巖油探明地質儲量1×108t，新建產能100×104t，將成為原油穩產的戰略性接替能源，攻關突破高效鉆井技術實現頁巖油效益開發對油田長遠發展具有重要意義［2］。

牛莊洼陷中心處于深湖-半深湖沉積環境，南部斷層發育，地層傾角大，北部寬緩，斷層少，有利于油頁巖沉積。牛斜XX 井區位于牛莊洼陷東北部，主要目的層為沙四上純上亞段，埋藏深度3 400～4 000 m，以富有機質紋層狀隱晶泥質灰頁巖、富有機質紋層狀隱晶灰質泥頁巖巖相為主［3］，2019 年以來，先后有牛斜XX 井、官斜XX 井等在沙四上頁巖油段見到良好油氣顯示，其中基質型頁巖油直斜井多段壓裂試油產能實現突破，截至2022 年12 月，牛斜XX 井累計產油3 672 t，累計產氣18.7×104m3，峰值日產油69.6 t/d，該井區地層平緩，斷層少，油頁巖分布廣泛，開發潛力大。

國內外頁巖油普遍采用水平井井工廠井網模式開發，綜合考慮水平段產能、經濟極限累計產油、鉆完井施工能力及施工風險等因素，本區水平段長度確定為1 500～2 000 m。該井區前期完鉆10 口井，平均鉆井周期97.3 d，平均機械鉆速8.43 m/h。有6 口井出現井漏，3 口井鉆井循環過程發生油氣侵。前期地質研究和鉆井實踐表明，鉆井工程主要存在以下技術難點：(1)上部砂巖地層承壓能力低，目的層地層孔隙壓力系數高，且裂縫發育，一旦鉆遇斷層和裂縫，安全作業窗口窄，易發生井涌、井漏并存的復雜情況，給正常壓井、鉆井帶來很大困難；(2)油頁巖黏土含量高，易水化膨脹，裂縫發育易坍塌，加之水平段長，油氣泄流面積大，易油氣侵，加劇了井壁不穩定性，摩阻扭矩較大，鉆井提速困難。

為探索形成濟陽頁巖油優快鉆井技術，開展了頁巖油試驗井組建設。針對鉆井地質環境復雜、井壁穩定性差和鉆頭選型難度大等技術難題，攻關形成了以合成基鉆井液為核心的井筒保護技術，并配套了組合鉆進提速工具。針對埋藏深、可鉆性差、井眼軌跡控制效率低等問題，研制了高效PDC 鉆頭、水力振蕩器、變徑穩定器、扭力沖擊器等輔助提速工具，引進了旋轉導向工具，配套形成“千米水平段一趟鉆”技術；通過井組整體布局優化和施工模式優化，實現資源共享和材料重復利用；鉆遇裂縫嘗試使用控壓鉆井技術，采用較低密度鉆井液鉆進，通過靈活控制井口壓力，確保井底壓力處于密度窗口內，實現安全鉆進和油層保護。該系列頁巖油提速提效鉆井技術在勝利濟陽頁巖油國家級示范區“牛頁一區試驗井組”進行了應用并取得了顯著效果。

1 井組整體設計優化

1.1 井場布局優化

基于“一隊多機”大平臺設計，井場布局體現集約和共享，見圖1。鉆井液泵和循環系統位置固定，整拖時不移動，節約鉆機整拖時間；提前預埋鉆井液管線，實現全井場倒漿；加重儲備共享，材料房共用，物料集中存儲、統一管理。

圖1 鉆機擺放與井口間距示意圖Fig.1 Rig location and distance to wellhead

1.2 井口與靶點的匹配優化設計

試驗井組采用平行井網、多層立體開發模式，共設計20 口井，見圖2?；谌S立體防碰理念，前排鉆機打淺層，后排鉆機打深層，為軌跡垂深上空間錯開奠定基礎；左排鉆機打左側，右排鉆機打右側，為軌跡方位上空間錯開奠定基礎。

圖2 叢式井組縱向布井圖Fig.2 Vertical deployment of cluster well

基于現有井網設計和鉆井技術，為保證最終井網的實現，根據油藏地質確定了三開水平段采用“先中間后兩邊，先下層后上層”的施工順序，見圖3。

圖3 槽口匹配和鉆井順序示意圖Fig.3 Slot matching and drilling sequence

1.3 施工模式優化設計

井組采用工廠化施工模式，考慮建井周期，設計4 部鉆機同時施工，每部鉆機各實施5 口井，首先采用4 部40 型鉆機統一實施一開作業，一開作業完成后采用4 部70 型鉆機實施二開、三開作業，先采用聚合物鉆井液依次完成5 口井二開作業，二開完鉆后，掃塞結束時在套管內替換成合成基鉆井液進行三開作業，回拖鉆機依次完成5 口井三開作業。該施工模式的優勢是不同開次匹配相應能力的鉆機，節約鉆機日費；同開次統一施工使用相同型號鉆具，節省倒鉆具時間，有利于鉆井液的重復利用，同時有利于技術經驗的總結提升，縮短鉆井周期。

2 井眼軌道優化及控制技術

2.1 井眼軌道優化設計

根據軟件模擬計算，造斜率一定(3.6 (°)/30 m)的情況下，隨造斜點變深，穩斜段井斜角度增大，鉆具扭矩減小，同時定向造斜段長度減小，下鉆過程中鉤載增加，表示井眼摩阻減小，因此，設計造斜點下移，減少定向造斜段長度以降低摩阻和扭矩，見圖4。

圖4 旋轉工況下不同穩斜角扭矩曲線Fig.4 Torque curves with different stable angles under the rotating conditions

造斜點一定情況下，隨造斜率增大，鉆井總進尺減小，鉆具扭矩增大，同時下鉆過程中鉤載減小，表示井眼摩阻增大，因此設計減小造斜率以降低摩阻和扭矩，見圖5。

圖5 旋轉工況下不同造斜率扭矩曲線Fig.5 Torque curves with different slope rates under the rotating conditions

根據牛頁井區鉆井地質情況，優化井身結構，技術套管封過沙三中承壓能力低的砂巖層，并且二開套管鞋處位于穩斜井段，因此優化造斜點為2 400～2 500 m、造斜率3.6 (°)/30 m。

2.2 井眼軌跡控制技術

傳統的導向式滑動鉆井工具應用于大位移井存在著很多局限性，主要表現有：滑動鉆進時鉆柱不能旋轉，鉆具摩阻增大，鉆頭鉆壓施加困難，極大限制了機械鉆速和鉆井深度［4-6］；滑動鉆井時巖屑攜帶困難，導致井眼凈化不良，容易引起井下故障；馬達鉆進時工具面控制困難，測斜測方位時間較長；旋轉過程中不能調整井眼軌跡。

旋轉導向鉆具根據導向方式可以劃分為推靠式和指向式2 種［7］。推靠式旋轉導向鉆具是在鉆頭附近直接給鉆頭提供側向力，通過該力推靠鉆頭來改變鉆頭井斜和方位。指向式旋轉導向鉆具是預先定向給鉆頭一個角位移，為鉆頭提供一個與井眼軸線不一致的傾角，并通過該傾角使鉆頭指向井眼軌跡控制方向。指向式旋轉導向工具相比推靠式旋轉導向工具優勢更加明顯，主要體現：整個導向工具連同上部鉆柱都可以旋轉，能克服摩阻有效傳遞鉆壓，提高破巖效率；避免井底巖屑堆積形成巖屑床，有利于井眼清潔；在極軟地層鉆進時造斜能力也有了較大提高，造斜率可達10～15 (°)/30 m［8］。

針對頁巖油水平井滑動鉆進軌跡調整鉆速慢、時效低等問題，試驗井區在定向段采用旋轉導向鉆具，提高軌跡調整效率，同時為追層打下基礎。

3 鉆具結構優化及鉆具優選

一開一趟鉆采用“PDC 鉆頭+塔式鉆具”，施工過程采用大排量(55 L/s)、高泵壓(＞15 MPa)，以水力破巖為主，利用塔式結構防斜打直。

二開直井段一趟鉆采用“PDC 鉆頭+高效螺桿”，為提高機械鉆速，東營組中部以上地層鉆井液性能調整為低黏、低切、低固相、高失水，充分釋放機械鉆速［9］；下部地層采用高清潔鹽水體系，低黏、低切，提高PDC 鉆頭水力破巖效率、提高螺桿水馬力。螺桿鉆具選用大扭矩等壁厚螺桿，進一步提高軟～中地層破巖效率，PDC 鉆頭優選抗沖擊屋脊復合片結構，能夠有效抵抗礫石沖擊［10］，配合復合穩斜鉆具結構，小鉆壓低轉速穿越含礫地層［11］。

二開定向段選用“混合型鉆頭+大扭矩螺桿”，鉆頭采用副刀翼前置設計，提高鉆頭排屑能力，設計正反螺旋刀翼結構，提高定向響應，能夠解決定向難、造斜率低的問題，見圖6。

圖6 ?311 mm 混合型鉆頭Fig.6 ?311 mm hybrid bit

三開采用旋轉導向鉆井技術，隨鉆測量自然伽馬跟蹤油層，確定目的層頂界深度，跟蹤調整井眼軌跡；若井底溫度過高，無法使用旋轉導向，水平段中后段采用“螺桿鉆具+水力振蕩器”的旋轉導向替代方案，同時配套使用潤滑性好的合成基鉆井液體系，有效降低泥頁巖坍塌風險。為克服大井斜井段對鉆頭的側向磨損，高效實現硬地層定向和找油，選用背齒加強型PDC 鉆頭，見圖7。

圖7 ?215.9mm 背齒加強型PDC 鉆頭Fig.7 ?215.9 mm back-cutter reinforced PDC bit

4 提速配套技術

4.1 雙向扭轉控制系統

深層定向井、大位移井、長水平段水平井滑動定向鉆進托壓問題突出，鉆柱雙向扭轉控制系統可以準確實現正反轉、扭矩設定，應用該系統能夠縮短靜摩擦區、降低鉆具摩阻，使鉆壓有效傳遞至鉆頭，提高定向鉆進速度［12］，見圖8、圖9。

圖8 鉆柱雙向扭轉控制系統Fig.8 String bidirectional torsion control system

圖9 鉆柱雙向扭轉控制系統工作示意圖Fig.9 Working process of the string bidirectional torsion control system

4.2 水力振蕩器

水平段中后段采用“螺桿鉆具+水力振蕩器+近鉆頭地質導向”替代旋轉導向鉆具，利用水力振蕩器上、下閥盤過流面積的變化產生壓力脈沖，形成軸向振動，把井壁與鉆具的靜摩擦變為動摩擦，可以將鉆壓有效傳遞至鉆頭，并提高定向工具面控制精度，解決深層下部井段托壓問題，同時還能提高鉆井液攜巖能力，延長鉆頭使用壽命，最終提高整體機械鉆速［13］。

4.3 鉆井參數強化技術

采用70 型網電鉆機配套頂驅，三開配備52 MPa 以上的鉆井泵、地面管匯、水龍帶，同時采用?139.7 mm 大通徑鉆桿，為鉆井提速提供水力基礎，在裝備配套升級的前提下，強化“激進”鉆進參數，設計排量不小于30 L/s，泵壓32～35 MPa，提高水力破巖能力和巖屑上返效率［14］，有效提高機械鉆速。

5 精細控壓鉆井技術

裂縫發育儲層易鉆遇涌漏同層，傳統施工“見漏就堵、見涌就壓”，導致施工周期長。應用控壓鉆井技術，采用較低密度鉆井液鉆進，通過靈活控制井口壓力，確保井底壓力處于密度窗口內，實現安全鉆進和油層保護，見圖10。

圖10 控壓鉆井流程Fig.10 MPD process

(1)不控壓鉆進流程：鉆井泵→立管→鉆具內→環空→旋轉控制頭→旁通閥→高架槽→振動篩→循環池→鉆井泵；(2)控壓鉆進流程：鉆井泵→立管→鉆具內→環空→旋轉控制頭→控壓專用節流管匯→高架槽→振動篩→循環池→鉆井泵；(3)溢流排氣循環流程：鉆井泵→立管→鉆具內→環空→旋轉控制頭→控壓專用節流管匯→液氣分離器→高架槽→振動篩→循環池→鉆井泵。

6 應用效果分析

試驗井組目前已完鉆12 口井，其中牛頁XX 井鉆井周期53 d，二開初期鉆井液保持低黏切低固相性能，配合高排量，日進尺突破千米，平均機械鉆速22.3 m/h，比前期頁巖油試驗井提速47.3%；三開采用“NOV 鉆頭+旋轉導向+導向馬達+水力振蕩器”鉆具組合鉆進，定向井段使用旋轉導向鉆具，配合高泵壓排量，機械鉆速達到13.04 m/h，水平段前期繼續采用旋轉導向定向鉆進，水平段中后期采用“抗高溫動力鉆具+雙水力振蕩器”鉆具組合定向復合鉆進，三開平均機械鉆速10.9 m/h，同時采用近鉆頭地質導向，可以迅速感知地層變化，及時調整軌跡，滿足油氣層穿透率，實踐證明該鉆具組合能夠大幅度降低鉆井成本。

7 結論與建議

(1)叢式井組采用批鉆作業模式，小鉆機打表層，大鉆機打二開、三開，能夠充分利用現有鉆機配套資源，同開次的鉆井液可重復利用，有利于技術經驗的總結提升，提高鉆井速度，但實踐證明，大、小鉆機的搬遷必須銜接緊密，否則會增加鉆井成本。

(2)鉆機裝備采用“網電鉆機+頂驅”，鉆井效率高，節能環保，52 MPa 鉆井泵能提高鉆頭水射流沖擊力，水力破巖能力強，建議普通開發井也從鉆井設計源頭強化水力參數設計，倒逼鉆井設備升級，進一步促進鉆井提速提效。

(3)目前的旋轉導向鉆具耐高溫性能還不能滿足要求，深井、高溫井還需要配套使用地面降溫系統，高溫、超高溫旋轉導向技術仍是下步的重點攻關方向。