三维水平井YP－3X井钻井难点与对策

周文军，巨满成，王彦博 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室

段志锋，张燕娜 （ 中石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西 西安710021）

鄂尔多斯盆地致密油资源丰富，约占盆地总资源量的15%以上，是长庆油田实现5000×104t“上得去、稳得住、可持续”战略的重要保障［1］。但其储层物性差、压力低，根据评价投入产出结果，不能实现其经济有效开发。丛式水平井开发有利于提高单井产量、有效节约土地资源、便于后期的集输与管理，可有效降低综合开发成本，但长庆油田致密油藏主要分布于山大沟深、沟壑纵横的黄土塬地区，由于井场受限以及井眼水平段方向需垂直最大主应力方向，导致井组部分水平井偏移距较大，井眼轨迹由二维演变为三维。为实现致密油藏经济有效开发，针对三维水平井钻完井的一系列瓶颈技术展开攻关，并在YP－3X井开展试验，旨在有效解决井身结构优化、剖面轨迹控制、PDC钻头设计、泥页岩防塌等难题，探索致密油藏丛式水平井钻完井技术，实现致密油资源的快速高效开发。

1 概况

为扩大三维水平井试验，探索致密油藏长水平段丛式水平井钻完井技术，2012年9月在长庆油田部署了一口偏移距超过300m、水平段超过1500m的三维油井水平井YP－3X井，该井位于陇东区块西2EA井区，设计方位345°，偏移方位75°，井深3720m，目的层位于上三叠统延长组长M油层。设计采用三开井身结构，如图1所示，套管固井完井。该井2012年9月11日开钻，10月5日完钻，钻井周期25d，平均机械钻速13．98m／h。

图1 YP－3X井井身结构设计示意图

2 钻井难点分析

阳字井组井场为典型的黄土高原地貌，沟壑纵横，梁峁相间。YP－3X井钻遇地层较多且地质条件复杂多变，该井设计斜井段位于三维施工段，与二维井段相比，钻井难度大。

2．1 工程设计难度大

阳字井组是长庆油田第1个油井丛式水平井组，YP－3X井是该井组的一口三维水平井。方案要求水平段长度超过1500m，是长庆油田油井水平段平均长度的2倍，钻遇地层漏失、坍塌风险大，套管下入层数、下深均要求执行低成本投资战略。此外，井眼轨迹需在造斜点处偏离水平段方位，沿地层最大主应力方向消除300m偏移距，扭回设计方位增井斜到90°左右入窗。长庆油田在三维轨迹设计领域还处于技术空白，无相关经验可以借鉴，工程设计难度大。

2．2 轨迹控制困难

YP－3X井造斜点井深200m，使用311．2mm钻头配合1．25°单弯228mm螺杆定向消除偏移距，311．2mm钻头反扭较大，工具面难以控制到位，且大井眼斜井段容易形成岩屑床，造成滑动定向时脱压严重，定向效率低。与二维水平井相比，YP－3X井需调整偏移方位至水平段延伸方位，这样就大幅增加了滑动定向井段，使井眼轨迹控制困难。

2．3 钻井速度慢

该井斜井段既要调整方位，同时还要增井斜，大幅增加了钻井进尺与滑动定向井段进尺，在一定程度上延长了钻井周期，且井眼尺寸结构为444．5mm＋311．2mm＋215．9mm，大钻头钻进与滑动定向机械钻速较低，导致整体钻井速度慢，不仅增加了施工成本，而且不利于井下安全，因此提速提效是关系到该井试验能否成功的关键。

2．4 泥页岩坍塌严重

根据周边邻井钻井资料显示，井区钻遇地层中生界中侏罗统直罗组、下侏罗统延安组，上三叠统延长组地层都存在大量极易水化膨胀的棕色与棕红色泥页岩，钻井过程中，钻井液浸泡引起泥岩吸水膨胀，造成井壁失稳、掉块、垮塌，导致发生井眼 “缩径”、“大肚子”等井下复杂，严重可引起卡钻、套管难以下入难题，从而给企业造成重大经济损失。

2．5 水平段摩阻、扭矩大

YP－3X井设计二开技术套管下深1450m，井斜25°左右，剩余770m斜井段与超过1500m的水平段均位于井眼尺寸为215．9mm的同一裸眼段内，不小于2270m的大井斜裸眼井段摩阻与扭矩较大。此外，井底岩屑上返至技术套管脚处由于上部井眼尺寸变大导致环空返速突然降低引起砂沉，岩屑床厚度增加以及上部存在三维扭方位井段，也导致了施工过程中摩阻与扭矩过大。因此，钻井液要具备良好的降摩减阻能力，否则容易导致水平段长度无法完成，严重时还可引起完井后生产套管无法下入等难题。

3 钻井技术对策与实施

3．1 井身剖面优化设计

YP－3X井设计采用表层套管封固上部黄土层、流沙层，二开技术套管封固易漏、易塌层，为降低斜井段摩阻、扭矩并考虑节约成本，技术套管下入至消除偏移距后扭至设计方位井段位置，封固整个三维井段。考虑完井压裂需求，三开生产套管下至井底，固井完井［2］。鉴于该井定向时需提前消除偏移距后扭正方位，因此为降低施工难度，保证井眼轨迹平滑，针对该井斜井段进行剖面优化，上提造斜点至井深200m，大幅延长消除偏移距井段，有效降低井段狗腿度，确保套管下入顺利［3］。根据优化设计思路结合地质设计，YP－3X井剖面轨迹设计如表1所示。轨迹剖面如图2所示。

表1 YP－3X井井身剖面优化设计数据

3．2 井眼轨迹控制技术

3．2．1 斜井段轨迹控制技术

增井斜施工中为保证增斜率，起钻更换牙轮钻头定向，保证实钻造斜率略大于设计造斜率，采用80kN钻压，80r／min转速复合，滑动钻进工具面控制在345～15°范围内，钻压100kN，提高排量至34L／s；中部稳斜段更换PDC钻头提高机械钻速，复合微增斜，降低下部井段定向增斜压力，同时避免消耗靶前距；入窗井段根据地质需求小幅调整靶前距与中靶垂深，以4．4°／30m的增斜率增井斜至85°稳斜探入油层上部入窗［4］。

斜井段施工顺利，全井段复合率75%，全角变化率控制在6°／30m以内，井眼轨迹平滑，实钻中摩阻控制在220kN以内，未发生任何井下复杂事故。

3．2．2 水平段轨迹控制技术

YP－3X井水平段设计采用215．9mm钻头钻进，设计井斜88～90°，油层厚度较薄，且根据后期改造要求井眼沿油层中上部穿行，轨迹控制难度较大。针对水平段岩屑床导致钻头加压滑动定向困难及轨迹走向要求，该井水平段采用更加主动的钻具组合。

图2 YP－3X井井身剖面图

水平段实钻1530m，最大狗腿度3°／30m，大部分井段控制在1°／30m以内，平均机械钻速14．58m／h，井眼轨迹平滑，起下钻无遇阻遇卡，套管下入顺利。

3．3 钻井液技术

3．3．1 斜井段钻井液体系

通过对直罗组、延安组、延长组地层坍塌机理的研究，从物理防塌、化学防塌和力学平衡三方面进行攻关［5］，采用屏蔽封堵防塌技术，抑制泥岩膨胀，提高裂隙破碎地层的完整性和钻井液的防塌性，研制出强抑制无土相复合盐钻井液体系。体系配方基础为：0．05%PAM＋3%FTJ－1（胺基聚合物防塌降失水剂）＋0．3%PAC＋1．5%G303－WYR （无荧光生物油润滑剂）＋2%SMP－2（磺甲基酚醛树脂降滤失剂）＋0．05%NaOH＋12%～16%KCl（配方中液体以体积分数表示，固体以质量分数表示）。该体系密度1．07～1．32g／cm3，pH值8．5～10，塑性黏度15～20mPa·s，失水量3～5ml，动切力8～13Pa，静切力 （2～6）／ （5～14）Pa，润滑系数0．026～0．07，含砂质量分数0．1%～0．5%，固相质量分数4%～8%。体系具有良好的抑制防塌性能、较好的井眼净化能力以及优异的润滑减阻效果。

该体系在YP－3X井应用后，振动筛返出的岩屑棱角分明、形状规整，捻碎返出的岩屑内部呈现干态，可以看出，体系有效控制了岩石坍塌压力的上升趋势，减少了泥页岩的进一步吸水膨胀，充分发挥出了优良的防塌抑制性能；此外，该体系还具有较强的携岩能力，克服了由岩屑床引起摩阻、扭矩大的难题，可在油井丛式水平井中推广应用。

3．3．2 水平段钻井液体系

长庆油田常规水平段钻井液一般具有固相含量高、坂土含量高、含砂量高、失水高、动塑比低的缺点，为提高钻井液体系屏蔽暂堵率，降低储层伤害，同时提高钻井液体系润滑性能，针对长水平段降摩减阻性能分析并在储层伤害评价的基础上，对暂堵微裂缝、减少滤液侵入、提高润滑与携屑能力、降低岩屑床厚度等进行研究［6］，优化形成了强抑制高效屏蔽暂堵保护储层钻井液体系，体系配方基础为：0．3%PAC－HV＋0．8%PAC－LV ＋3%G314－FDJ （复合堵漏剂）＋0．3%XCD （增黏剂）＋7%KCl＋4%NaCOOH （配方中液体以体积分数表示，固体以质量分数表示）。

该体系在YP－3X井试验应用取得了良好的效果，完钻水平段1530m，裸眼段长2300m，摩阻、扭矩未超出钻机安全荷载，起下钻无阻卡现象，室内评价与应用效果显示，该体系具有抑制性强 （一次回收率达到94%，二次回收率82．6%）、润滑性好、抗温可达120℃、性能稳定性好、屏蔽暂堵效果好（封堵率超过99%），低剪切速率下携屑能力强，具备了 “快速”、“浅层”、“高效”的特点，是一种适合于长庆油田丛式水平井长水平段施工的钻井液体系。

4 应用效果

YP－3X井作为致密油藏三维水平井钻井技术先导性试验井，取得了良好的应用效果。该井完钻井深3746m，水平段长1530m，垂深1957．8m，偏移距303m，偏移方位90°，电测顺利，施工中未发生井下复杂，技术套管下深1450．6m，生产套管下深3744m，钻井周期24d，建井周期36d，完井试油产量112．7m3纯油，是同区块水平井的2．5倍以上。该井的成功实施突破了丛式水平井瓶颈技术难题，形成了以井身结构优化、剖面轨迹控制、泥页岩防塌等技术集成配套的三维水平井钻井技术，为长庆油田规模开发致密油藏奠定了一定的技术基础。

5 结论

1）YP－3X井采用井身剖面优化、三维水平井轨迹控制、PDC钻头个性化设计、复合盐钻井液等技术，试验完成了一口偏移角90°、偏移距超过300m的油井三维水平井，为探索丛式水平井组开发致密油藏积累了宝贵的经验。

2）井身剖面优化设计结合轨迹控制技术突破了丛式水平井瓶颈技术难题，实现了低成本水平井井眼轨迹空间三维调整，填补了长庆油田三维水平井设计技术空白。

3）应用抑制无土相复合盐钻井液体系有效解决了斜井段泥岩坍塌、滑动定向脱压等难题；强抑制高效屏蔽暂堵保护储层钻井液体系在一定程度上降低了储层伤害，并大幅降低了施工摩阻与扭矩，完成了三维油井1530m长水平段。

［1］杨华，李士祥，刘显阳 ．鄂尔多斯盆地致密油、页岩油特征及资源潜力 ［J］．石油学报，2013，34（1）：1～11．

［2］曾勇，郑双进，吴俊成，等 ．井身结构优化设计研究 ［J］．长江大学学报 （自然科学版），2005，8（9）：60～62．

［3］钱伟懿，冯恩民，韦艳华 ．三维水平井随钻修正设计的优化方法及应用 ［J］．大连理工大学学报，2004，44（4）：610～614．

［4］Hummes O，Bond P，Jones A，et al．Using advanced drilling technology to enable well factory concept in the marcellus shale ［J］．SPE151466－MS，2012．

［5］王京光，张小平，王勇强，等 ．复合钾盐聚合物钻井液的研制及应用 ［J］．石油钻采工艺，2012，34（6）：33～35．

［6］刘兆利，李晓明，张建卿，等 ．无土相复合盐水钻井液的研究与应用 ［J］．钻井液与完井液，2011，27（6）：34～37．