苏南水平井钻井技术实践与认识

郁燕飞，李堆军，柳耀泉，王 志

（渤海钻探第三钻井工程公司，天津300280）

苏南水平井钻井技术实践与认识

郁燕飞*，李堆军，柳耀泉，王 志

（渤海钻探第三钻井工程公司，天津300280）

苏南区块储层埋藏深，水平井设计平均井深5000m，垂深3550m，水平段长度1000m左右,摩阻及扭矩大、井眼清洁、井壁稳定等技术难点。针对上述技术难点，研究形成了以优化井身结构、优化井眼轨迹与控制、泥浆性能的控制、钻头优选等一系列水平井钻井技术，对今后苏里格气田以及类似地区施工的水平井提供了借鉴。

水平井；斜井段；关键技术；钻头优选：井眼轨迹优化

苏南区块位于内蒙古自治区鄂托克前旗南部地区，与苏南区块相对大苏里格储层埋藏深，水平井二开裸眼段长300～800m，施工难度相对增加，二开斜段的优快钻井和事故复杂的预防成为制约苏南水平井钻井提速的关键影响因素。

苏南水平井设计通常采用Ø241.3mm井眼的直井段井身结构，造斜段至入窗采用Ø215.9mm井身结构，下入Ø177.8mm套管固井，三开采用Ø152.4mm钻头钻完水平段，然后下裸眼封隔器分段压裂完井。造斜段剖面为双增稳剖面设计，增—稳—增—82°稳斜探层—入窗的剖面设计（图1）。

图1 苏南水平井井身结构示意图

1 苏南水平井难点

（1）双增剖面设计有相对较小的曲率半径和较大的造斜率，滑动比例增加，轨迹中稳斜段设计增加了井眼轨迹控制难度。

（2）二开造斜段，定向时托压问题的影响。在滑动钻进过程中，托压是影响钻进速度的关键问题，一旦托压严重，导致没有进尺，钻具长时间静止状态，容易发生卡钻，需要频繁活动钻具，影响造斜效果，增加滑动时间，造成恶性循环，且加剧钻头磨损，增加钻头数量。

（3）二叠系石千峰、石盒子地层塑性泥岩造浆严重，有害固相增加，极易粘附在钻头和扶正器上，造成泥包。

（4）目的层石盒子地层泥岩段，处于70°左右的井斜的井段极易发生井壁垮塌，对泥浆失水控制要求严格。

（5）在Ø215.9mm井眼内下入Ø177.8mm技术套管，环空间隙小，下套管、固井施工风险大。

2 苏南区块水平井钻井技术

2.1 二开斜段钻具组合优选

为了保证斜井段钻进时能给钻头施加有效的钻压,减小托压。钻具组合采用一次倒装钻具组合。加重钻杆位置分为2部分,确保钻具中和点的位置在下部加重钻杆部分,上部加重钻杆位于直井段或井斜30°以内的井段。

钻具组合：Ø 215.9mmPDC+Ø 172mm马达（1.5°）+Ø165mm浮阀+Ø165mmLWD+Ø165mm无磁钻铤+Ø177.8mmMWD+Ø165mm防磨接头+ Ø127mm加重钻杆×6根+Ø127mm钻杆+Ø127mm加重钻杆×13根+Ø127mm钻杆若干。

钻井参数：马达转速，钻压60～160kN，排量34L/s，泵压16～21MPa。

表1 2013年完成的4口水平井设计轨迹

2.2 井眼轨迹优化及效果分析

2.2.1 优化井眼轨迹

将设计“增—稳—增—82°入窗”的双增稳剖面优化为悬链线剖面。建设方对入窗前的井眼轨迹允许重新设计，这对轨迹优化提供了便利。重新优化井眼轨迹，本着操作性强，有利于优快钻进为原则。悬链线剖面轨道可以降低摩阻，改善钻柱的受力状况；使井眼曲率半径更为科学，造斜率更低，有利于井眼轨迹平滑延伸，提高机械钻速和固井质量[1]。井眼轨迹优化见数据见表1。

续表1 2013年完成井优化后的轨迹

从表1数据可以看出，优化后的剖面有较小的造斜率。根据现场实钻数据，合理分配滑动比例，坚持“少滑动、多旋转、微调勤调”原则，使井眼轨迹平滑延伸，实钻数据见表2。

设计双增剖面轨迹，在45°井斜处有一段稳斜调整井段，长度200m左右，导向钻具组合结构在钻进过程中自然增斜，稳斜困难，在井斜增大的情况下，需要反抠降斜作业，浪费工作量。采用悬链线结构轨迹剖面，在井斜50°以下的井段，利用导向钻进自然增斜率[一般为（1.5°～3°）/30m]，导向增斜，只要进行微调就能达到设计的造斜率，这就大大减少了滑动比例，提高了机械钻速。

表2 斜井段实钻数据

2.2.2 优化后摩阻和扭矩分析

随着井深的延伸和井斜的增大，钻具与井眼低边的接触面积增大，钻具与井眼低边形成的岩屑床相互作用,钻井液固相含量高导致润滑效果下降等[2]原因，钻具与井壁之间的摩擦阻力随着井深、井斜的增加而不断增大。根据现场施工获得的扭矩、摩阻数据分析见图2、图3,通过优化井眼轨迹,有效降低了摩阻系数，提高了施工效率。

图2 斜井段实际摩阻跟踪图

图3 斜井段实际扭矩跟踪图

实钻数据复合钻进时最大扭矩10～15kN·m，滑动钻进时,工具面调整较为容易，井斜大时滑动钻进阻力一般在160kN左右,活动钻具上提拉力100～120kN，下放阻力40～60kN。

使用计算机对SN0024-04H的载荷模拟结果显示，在井斜60°之前，随着井深和井斜的不断增加，摩阻和扭矩呈线性变化。当井斜超过60°之后，摩阻和扭矩的增幅变缓。这个结果与现场的实际数据基本吻合，模拟结果见表3。

表3 载荷及扭矩模拟结果表

2.3 钻井液技术

二开钻穿刘家沟地层以后井段，是水平井的一个节点，开始定向，常规三开水平井改型为聚磺钻井液体系。

造斜段穿越的地层为石千峰和石盒子组，简称“双石层”，该地层泥岩易出现吸水膨胀，剥落，形成大肚子井眼。随着井斜的增加，地层原来的应力平衡发生改变，导致井壁周围岩石的应力重新分布，如果重新分布的应力超过岩石所能承受的最大载荷，井壁失稳就会发生[3]，特别是在60°～75°井斜井段，极易发生井壁垮塌。因此选择合理的钻井液密度和失水控制十分重要。选用聚磺体系泥浆具有较强的抑制性，良好的造壁性、封堵性、流变性，以及热稳定性，基本能够满足三开水平井施工，关键抓好失水与密度控制。

2.4 井壁稳定技术

2.4.1 变流洗井技术

由于二开裸眼段长，钻速快，有部分岩屑粘附于井壁，随着浸泡时间的延长，部分井壁发生周期性剥落，特别是在45°以后的井段，极易形成岩屑床，容易发生起下钻阻卡。在短起下、划眼，及长时间循环不能有效携砂的情况下，采用变流技术来洗井携砂。在环空流速确定的情况下，适宜的泥浆流变参数是携带岩屑清洗井眼的关键[4]。变流洗井技术主要做法为：稀泥浆加稠泥浆塞交替洗井，稀塞紊流冲洗掉附着在井壁上的岩屑，再利用紧跟的稠泥浆带出。

2.4.2 不开泵划眼技术

对于发生垮塌严重的井段，井径扩大率较大，一般发生在70°左右石盒子泥岩井段，通井困难，无法进行下套管作业。一贯的做法是开泵划眼，但划眼效率极低。开泵的情况下划眼，大直径掉块在水力的作用下被挤进井径较大的井眼位置，钻头、扶正器可以通过，但是停泵后，掉块又回到原来的位置，造成上提遇卡，下放遇阻。另一方面，在井塌井段长时间开泵划眼，在水力和机械撞击的作用下会产生新的掉块，加重了划眼难度。

通过近几年的实践，采用不开泵划眼技术可有效解决该问题。钻具组合中在近钻头位置放置一Ø210mm～Ø212mm扶正器；在遇阻位置，转动钻具，采用10～20kN钻压划眼，不开泵，避免把掉块挤进井径较大的井眼位置，利用钻头和扶正器把直径较大的掉块破碎，再开泵循环尽可能携砂，部分不能带出地面的岩屑采用滴流泥浆进行封闭，利用封闭泥浆的高切力支撑，形成假井壁，通过短起下验证，无阻卡后下技术套管。

2.5 钻头优选

造斜段使用的钻头有迪普DM665D,迪普钢体钻头 DS665D 和 中 成 MD6633ZC、MD6536ZC、MD6636ZC。在使用过程中中成钻头表现为初始机械钻速高，但是钻头抗磨性和抗冲击能力较差；迪普钻头表现为钻时均匀，有较好的抗磨性和抗冲击能力；就平均机械钻速而言，中成钻头略高于迪普钻头；单只钻头使用时间和进尺，迪普钻头高于中成钻头。

迪普DS665D钢体钻头，该型号钻头刀翼薄、流道宽等高效水力设计防止钻头泥包，提高钻头的切削效率。综合防震设计提高钻头钻进工作的平稳性，防止钻头切削齿的非预期损坏；与迪普胎体钻头比较，同井段平均机械钻速同比提高30%～50%。钻头使用效果见表4。

表4 造斜段钻头使用情况

3 几点认识

（1）造斜段采用单增剖面，曲率半径更大，通过计算机模拟结果显示，优化后的井身结构和井眼轨迹，在钻进、起下钻、下套管时，摩阻和扭矩相对较小，有利于优快钻井。

（2）通过钻头的优选，减少了二开斜井段钻头数量，提高了行程钻速

（3）变流洗井技术、不开泵划眼技术维护苏南水平井井壁稳定的实践经验。

（4）二开斜井段钻井速度是影响苏南地区水平井提速的关键井段，应重点研究和制定此井段的优快钻井技术。

[1]刘修善.悬链线轨道设计方法研究[J].天然气工业，2007，27 (7)：73-75.

[2]石崇东，杨碧学，何辉，等.苏5-15-17AH井超3000m水平段的钻井技术[J].天然气工业，2013，33（8）：70-76.

[3]刘之的.不同地应力条件下定向井地层坍塌压力变化规律分析[J].天然气地球科学，2010（1）：107-111.

[4]李晓峰，李庆铎.长店油田大斜度定向井钻井技术[J].西部探矿工程，2005，17（5）:86-87.

TE243

B

1004-5716(2015)03-0095-06

2014-03-31

2014-04-20

郁燕飞（1977-），男（汉族），江苏启东人，工程师，现从事钻井技术管理工作。