中東某碳酸鹽巖油田3000m超長水平段優化設計

吳永川 劉軍波 李曉 鄭挺 白海鵬

1.中海油田服務股份有限公司 天津 300459

2.廣東南油服務有限公司天津分公司 天津 300450

盡管目前國內外石油勘探的重點逐步轉向深層油氣資源，但隨著技術的進步，水平井延伸極限不斷被突破，超長水平段逐漸成為國內外非常規油氣資源規模效益開發的重要手段[1]。美國在2016年5月鉆出了目前世界水平長度最長的頁巖氣井Purple Hayes 1H，水平段長達5652.2m[2]；中國長慶油田在2021年6月鉆出亞洲水平段最長紀錄的H90-3井，水平段長達5060米[3]。由于超長水平段水平井技術能大幅提高單井產量和最終采收率[4]，因此該類井型就成為開發中淺部油氣藏的可選手段之一。

相比直井和常規水平井，超長水平段更加有利于油氣資源的高效開發，但它同時也給后期鉆井施工帶來了諸多技術難點。如何在裝備和工具資源受限的前提下，在白堊系灰巖儲層段完成3000m水平段就成為鉆井技術人員需要思考的問題。本文擬通過調研和軟件模擬，從軌跡優化、鉆柱優選、參數優化和完井管柱下入等方面進行分析比對，為中東某油田碳酸鹽巖儲層試鉆3000m水平段制定優化方案。

1 基本情況簡介

目標油田處于弱伸展構造環境，其淺部構造形成了一系列NW-SE走向的斷層和長軸背斜。該油田近期沿最大水平主應力方向鉆多口水平井，水平段未發生井壁失穩。

目標井設計為四開次井身結構，其中二開直井段以黏土為主，含細粉砂巖，局部石膏含量高達90%以上，易坍塌和縮徑；三開造斜段，巖性復雜，含鈣質白云巖、泥晶、鮞粒狀灰巖、泥質石灰巖夾雜頁巖，部分井段為脆性頁巖，易坍塌、掉塊，已鉆井局部頁巖曾發生周期性坍塌；四開水平段鉆白堊系碳酸鹽巖。選擇本井為試驗井，設計延長水平段至3000m，最大程度增加邊部單井控制儲量，由構造高部向低部延伸。

初步設計造斜點KOP @ 1900m，造斜段采用“增-穩-增”的軌跡方案，控制狗腿度小于4°/30m；在2699m以88.33°傾角著陸；水平段方位116.85°，段長3000m，靶前位移424m，水平段呈89°下傾，水平段控制狗腿度小于2°/30m。為提高井眼清潔和防止鉆具螺旋屈曲，設計水平段為8-1/2”井眼，使用旋導工具，配合錐形齒或異形齒PDC鉆頭鉆進，具備一趟完鉆的條件，設計5"加重鉆桿加放在造斜段。

2 鉆井難點

超長水平段鉆進難題包括：1）小尺寸鉆柱通過超長水平段容易屈曲；2）井眼摩阻扭矩大，鉆柱易發生螺旋屈曲；3）低排量循環和停泵接鉆具期間，水平段及大井斜段鉆桿接頭處容易發生巖屑堆積而形成巖屑床，增大摩阻[5]；4）碳酸鹽巖強度高，長水平井段有效鉆壓和扭矩施加難，破巖效率低；5）采取大排量清潔井眼，則導致井底ECD過高，在裂縫地層鉆進易井漏；6）完井管柱下入易屈曲。

如果按初始方案，盡管水平段采用了較大井眼及選用旋導鉆井方式，在3000m水平段鉆進過程中仍將面臨以下問題：1）下鉆、滑動鉆進時鉆柱屈曲現象嚴重；2）泵壓高達30MPa；3）水平段存在巖屑床；4）完井管柱可能無法下到位。大量實例和研究表明，水平段長3000m的井，在同等條件下，使用油基泥漿比水基鉆井液扭矩減少12kN·m[6-7]，但當地環保政策不允許使用油基泥漿。為降低作業難度，本文利用專業軟件，摩阻扭矩計算采用柔性管柱計算模型，流體水力計算采用賓漢模式，模擬對比不同軌跡、鉆具組合下的鉆柱受力和井眼清潔情況來優選鉆井方案。

3 技術對策

3.1 軌跡優化調整

分析國內超長水平井實鉆案例，發現減少靶前位移將有利于增加超長水平段段長[5]。調整造斜點KOP @ 1100m，方位296.46°，增斜至10.96°穩斜鉆600m后增斜扭至方位116.68°并鉆至著陸點；靶前位移減至300m，水平段狗腿度小于1.5°/30m。在相同參數下，模擬兩種井眼軌跡多工況下的摩阻扭矩、應力、水力參數和井眼清潔，結果如圖1～圖4所示：

圖1 原軌跡下鉆工況下的有效應力模擬

圖1顯示原軌跡下鉆時鉆柱發生螺旋和正弦屈曲；圖2顯示優化軌跡下鉆時鉆柱未發生屈曲。圖3顯示原軌跡下的滑動鉆進時鉆柱發生螺旋和正弦屈曲；圖4顯示優化軌跡滑動鉆進鉆柱僅發生正弦屈曲。

圖2 優化軌跡后下鉆工況的有效應力模擬

圖3 原軌跡滑動鉆進工況有效應力模擬

圖4 優化軌跡后滑動鉆進工況有效應力模擬

模擬計算發現：①原軌跡上提下放摩阻和最大扭矩比優化軌跡小。②原軌跡在滑動鉆進中可能發生螺旋屈曲。③兩種井眼軌跡均能滿足井眼清潔的需求，但優化軌跡后的套管鞋處ECD要比原軌跡稍小。

3.2 鉆具組合優化

通過倒裝，將鉆鋌或加重鉆桿等單位重量大的鉆具放在小井斜段，原5"鉆桿和加重鉆桿改為5-1/2"鉆桿和加重鉆桿，可增加鉆壓和降低ECD，地面泵壓和井眼清潔均滿足要求。

3.3 鉆井液性能優化

在排量受限或接鉆具期間，鉆井液在環空呈層流或滯留狀態，巖屑在大斜度和水平段將發生沉降并形成巖屑床，因此，優化鉆井液性能是超長水平段是否成功的關鍵因素之一。本井采用水基鉆井液，其優化措施包括：①定期短起下修整井壁，及時泵入高懸浮性稠塞清除巖屑床。②調整鉆井液性能，加入3%左右的極壓潤滑劑，控制泥餅的摩阻系數在0.08以下。③利用離心機清除低密度固相，最大程度降低鉆進期間摩阻。④起鉆前泵入高潤滑封閉液，1%石墨和2%塑料小球，以降低下完井管串的摩阻。

3.4 完井管柱下入

通過計算完井管柱受力，當裸眼摩阻系數小于0.33情況下時，完井管柱才能順利下到位。因此鉆進期間，應減少軌跡大幅度調整，以保障井眼光滑。完鉆后，應考慮用通井校正摩阻系數并調整鉆井液性能。如果摩阻系數過大，則需考慮旋轉下管柱或在管柱上加裝扶正器，以改善其與井壁的接觸方式。

4 認識和建議

通過上述對比，建議目標井超長水平段作業主要措施如下：

采用優化軌跡將有利于多個工況作業，但鉆進中扭矩偏大，推薦使用高抗扭鉆桿。

在合適井段加裝倒裝鉆具和使用大尺寸鉆桿，有利于施加鉆壓和井眼清潔。

推薦定向段和水平段全程使用旋轉導向組合，保證軌跡平滑，最大程度的降低摩阻。

鉆井液中加入性能優良的極壓潤滑劑及封堵材料，可降低摩阻和提高井壁承壓。

下完井管柱前應進行摩擦系數校正，必要時在管柱安放半剛性扶正器模塊及旋轉引鞋。