工厂化水平井优快钻井技术研究

陈春雷

（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆163411）

工厂化水平井优快钻井技术研究

陈春雷*

（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江大庆163411）

东部油田外围区块非常规油气资源（致密油），采用水平井钻井方式进行开发，但此类资源储层具有地层压力低、渗透率低、产能低等特点，采用常规水平井钻井方式无法实现该类储层的安全、高效、规模、效益开发，为了有效开发此类储层，主要应用工厂化水平井钻井模式，通过对井眼轨迹优化、工具及参数的优选、提速技术与事故复杂预防以及批量钻井的研究，来保证工厂化水平井得以优快施工。

工厂化水平井；批量钻井；轨迹优化；井眼防碰；“一趟钻”钻井

近几年油田在外围非常规油气资源储层区块，大量的布置工厂化水平井，以高台子、扶杨为目的层，水平段长度一般都超过1500m，有的甚至达到2000多米，施工中主要存在以下难点：①机械钻速低，钻井周期长，制约勘探开发效率。②油层薄，整体物性连通性差，找油层过程中频繁调整井眼轨迹；钻进中摩阻扭矩大，井壁失稳，井下事故复杂频出；影响钻井效率和效益。现有的技术、工具及装备还不能完全满足工厂化作业的要求，批量钻井技术及井眼轨迹控制技术关键技术仍需要进一步攻关，施工流程需要经进一步优化，一些模式和规范需在试验中制定和完善，为了经济有效勘探开发此类油气藏，缩短钻井周期，降低钻井成本，通过以下几个方面的研究与试验，形成一套工厂化水平井优快钻井配套技术，为工厂化水平井优快钻井提供重要的技术保障。

1　工厂化水平井井眼轨迹优化及控制技术研究

1.1工厂化水平井井眼轨迹优化技术

在实现地质目的的前提下，统筹考虑占地、平台布井、井眼剖面之间的关系，确定井网方式及平台井组布局，本着地面服从地下和综合优化的原则，尽量减少三维井眼，降低施工难度和避免扭方位施工。

（1）造斜点距A点垂深在500～700m以内；探油顶段长度控制在50～100m，曲率保持在2°/30m左右，为预防储层提前、及时增斜精确入靶创造条件。优化水平段长度，综合考虑储层特性、产量、施工难度及经济性的影响。

（2）应坚持做好平台井的整体设计，要兼顾防碰绕障、减摩降阻、井眼平滑、套管安全下入、工序优化等问题，对所有井的轨道同时进行优化。

1.2工厂化水平井井眼轨迹渐近控制技术

利用井眼轨迹控制软件计算出直井段轨迹的参数，计算出井底水平位移、垂深、闭合方位、视位移、视垂距等参数。对靶点重新进行修正设计，计算出各段的造斜率大小。

在定向造斜过程中，摸索出螺杆的实际造斜率大小，计算好滑动钻进与复合钻进的比例，尽可能使实钻轨迹逼近设计轨道。根据视位移大小、正负、井斜角大小以及井底闭合方位与设计方位的偏差，确定采用复合钻进、扭方位或定向钻进来进行施工。

由于无线随钻测量仪器测点长度的限制以及螺杆造斜率在不同地层造斜能力的不确定性，开始定向钻进时一般采用连续定向2个单根，以确定螺杆在该地层的实际造斜率。若已知螺杆的实际造斜率K实，设计造斜率K设，单根长度为L，则可计算出每个单根需要定向长度L定：

上式仅当K实＞K设时，可以继续使用该螺杆定向施工；若K实＜K设，则应立即起钻更换弯角较大的螺杆，所以所选螺杆的理论造斜率应高于设计造斜率10%～20%，提高复合钻进的比例，有利于井眼清洁，减少卡钻事故。

1.3井底井斜方位预测技术

井底预测技术是实现井眼轨迹定量预测与控制的基础，如果预测不准井底处井斜方位，则易造成大的施工误差，因此对水平井而言，井底预测显得更为重要。井底预测的方法很多，可分为2大类，一类是力学法，力学法比较准确，但较复杂，现场施工已较少采用。另一类是几何方法，井底预测的几何方法主要是依据各种曲率的变化规律进行选择，并且需要紧密结合钻井过程的实际工况。使用时，应根据实际的钻井工况，进行分析判断和预测。

从根本上讲，要提高井底预测的精度，应从以下2个方面入手：一是在工艺技术条件允许的前提下，尽可能缩短测点至井底的距离；二是提高测斜资料的精度。

1.4待钻井眼轨迹修正设计

在进行待钻设计时，必须考虑所钻地层对造斜工具造斜能力的影响。应考虑地层倾向、走向及各向异性对井眼轨迹的影响，以保证设计出的待钻井眼能充分利用地层的井斜方位作用。在进行待钻设计时，应首先考虑目前已有的井下工具实际造斜能力，并为施工留有余地。

在实际施工中从造斜点开始直到完钻的施工中，每钻完一个单根，用单弧剖面进行一次待钻井眼设计，选择合适钻进参数，并以此作为下趟钻选择钻具组合的重要依据。在造斜过程中，每次都以入靶点“软着陆”为目标，应用可变曲率井眼轨迹设计技术优化待钻井眼设计。进入水平段以后，则根据地质要求，以期望纵向偏差、横向偏差为目标进行待钻井眼设计。

2　工厂化水平井提速技术研究

2.1钻头与螺杆钻具优选

2.1.1钻头优选

破岩效率是钻头选型的主要考虑因素，PDC钻头可适应于地层岩石可钻性级值不超过5.5级的均质非研磨性地层中。大庆长垣泉三段（包括泉三段）以上地层使用PDC钻头均可获得较高的机械钻速。

根据大庆地层与钻头匹配关系表，重点考虑工厂化水平井施工特性，对于直井段、造斜段及水平段的钻头选型进行重点优选，优选结果如表1所示。

表1　直井段、造斜段及水平段钻头优选结果

2.1.2螺杆钻具优选

对螺杆钻具进行选型与配套，使螺杆实钻造斜能力与设计造斜率符合程度高，减少起下钻次数，缩短钻井周期，成为水平井螺杆钻具选配的主要内容。

螺杆钻具的选型与配套主要考虑以下几个方面因素：①井眼尺寸大小；②设计造斜率大小；③钻进应用介质类型；④应用地层的井底温度；⑤钻进时排量的大小。

对于工厂化水平井，考虑钻头类型、钻井液类型、地温梯度大小等因素，要使用低转速、大扭矩、耐油、抗高温的五级螺杆。综合考虑几个方面，确定螺杆如表2所示。

表2　螺杆钻具的选型与配套

2.2工厂化水平井批量钻井工艺技术研究

工厂化水平井批量钻井技术是基于丛式井（水平井）的开发的理念，工厂化批量井筒作业已成为工厂化水平井较好的施工方案。

批量钻井工艺技术是基于2个方面：

一是平台与井场布局。

二是钻井施工流程。

批量布井：一个井场或一个钻井平台布多口水平井。

批量钻井：按不同规格井眼钻井顺序，以钻井液体系转换为界面依次分批进行多口平台井同一规格井眼施工。

2.2.1改造钻机底座钻机快速平移

钻机底座增加滑动轨道，采用地面棘爪式轨道液缸推动方式移动钻机。钻机整体移动创新了电动钻机加长电缆替代了移动动力系统；加长出口管线代替了移动循环罐系统；增长高压地面管线替代了移动钻井泵。通过应用钻机滑轨系统，实现快速平移。10m井口距离2h内可平移到位，比拆卸搬安缩短了5d左右时间。

2.2.2改造配套钻井装备

钻机配备顶部驱动系统，适应不拆甩钻具作业。应用同一套钻具组合直接进行下一口井的施工。配备3台泥浆泵、4级固控设备，提高钻井液净化效率，为钻井液重复利用奠定基础。同一套钻井液体系直接进行下一口井的施工，降低了钻井成本。地面循环管线进行35MPa压力改造，满足大排量、高泵压快速钻进施工需求要求。

2.2.3批量钻井流程优化

一开（技套）和二开（油层）均由一套钻机批量施工。

平台井技套先施工，然后依次施工油层。相同井段使用一套钻具组合，减少钻具拆甩及组合次数，每口井节约周期1.5d。

平台井表层钻进重复使用一套水基钻井液体系；油层重复使用一套油基钻井液体系；即减少了钻井液转运次数，又减少了钻井液用量，节省了钻井成本。

2.2.4安全环保并降低劳动强度

实施批量钻井，减少地面土地的占用，井场与泥浆排污坑的面积都得到有效控制，减少钻井液及药品的使用，实现安全环保，同批量钻井施工，钻机平移，减少钻机的拆搬及钻具的甩配，大大降低了工人的劳动强度，增加施工效率。

2.3工厂化水平井优快钻进“一趟钻”钻井技术研究

针对工厂化水平井施工效率偏低的问题。通过优选井下工具、优化钻具组合，在工厂化水平井推行“造、探”+“水”2段分别实现“一趟钻”施工，提高作业效率。

为实现“一趟钻”推广应用6项配套技术措施：

（1）优化钻具组合，造斜段直接采用倒装钻具；

（2）优选高效螺杆，螺杆使用寿命120h以上；

（3）优选LWD仪器，提高仪器稳定性，使用时间120h以上；

（4）优化钻进参数，加大钻井液排量，提高井底返砂效率；

（5）优选五刀翼PDC钻头，提高倒装钻具组合工具面稳定性；

（6）优化实钻轨迹，采用“上急下缓”模式，为探油顶施工预留调整余地。

3　工厂化水平井井下事故复杂预防技术研究

3.1工厂化水平井安全隐患分析

3.1.1工厂化平台水平井直井段防碰

工厂化平台水平井类似于丛式定向井，但因工厂化水平井直井段较长，防碰风险及要求较定丛井更高。

3.1.2钻具贴井壁，受力状况发生变化

（1）从造斜段开始，钻具受力状况相对直井发生了根本的变化。

（2）斜井段：由于钻具自重，钻具“躺在”下井壁，对井壁侧压力的增大，带来了起下钻摩阻和旋钻扭距的增大。

（3）钻头的受力变化出现侧向分力，当使用增斜钻具结构时，由于近钻头扶正器的支点作用而产生向高边的侧向力。

3.1.3偏心环空和岩屑床

（1）偏心环空中，大环空处流速大，小环空中流速小，促使岩屑床产生。

（2）岩屑床的厚度随流速的减小和井眼斜度的增加而增大，但倾角大于一定值后，其岩屑床的厚度基本保持不变。

（3）当井眼倾角处于临界倾角范围内时，由于岩屑床的形成及滑移，岩屑势必下滑堆积，容易造成钻具的阻卡。

3.2工厂化水平井安全施工措施

3.2.1工厂化水平井井眼防碰技术

（1）严格按设计要求测斜，两井有防碰要求时加密测点，并及时根据测斜数据变化调整参数

（2）防碰井段必须要及时输入计算机，同时绘制防碰图，观察分析轨迹趋势，坚持做到测一点、计算一点、防碰图绘制一点。

（3）井队必须至少有2套测斜仪器。仪器及时校验，确保测量数据的准确。

（4）防碰工作要从井组的第一口井做起。提前做出防碰预算，保证前拖距离满足防碰要求，并上报技术服务分公司。

（5）防碰时要有井组整体防碰意识，如果有防碰趋势或轨迹发展将影响下口井的施工，都要及时绕障采取措施。绕障施工宜早不宜迟，上部较下部施工效率高、更安全；绕障施工时要根据工作量和难度，合理选择钻头、螺杆。

3.2.2井眼清洁技术

水平井钻进过程总岩屑在自重作用下向下井壁沉积形成岩屑床。岩屑上返过程中路程很长，岩屑被磨得很细，很难从钻井液中清除，钻进过程中随时监测循环当量密度（ECD）值，采取有力技术措施携带岩屑，清除岩屑床。

（1）足够排量和钻井液良好流变性携带岩屑。排量保持在34L/s以上，保证环空上返速度在1.5m/s左右，实现紊流携岩。

（2）高转速旋转破坏岩屑床。钻进中保证尽量多的高转速时间，有辅助携岩及清除岩屑床的作用，将下井壁岩屑带向井眼中心，随即被上返的钻井液向上运移。

（3）高效固相控制设备清除岩屑。采用4级固控设备，及时清除钻井液中有害固相含量，保证井眼净化。

3.2.3减磨降扭技术

（1）调整泥浆性能，降低钻柱与井壁之间的摩擦系数，降低泥浆失水，降低泥饼厚度，从而降低了摩阻扭矩。

（2）净化井眼，破坏岩屑床，可降低钻柱与井壁之间的摩擦系数，从而大幅度地降低扭矩和摩擦阻力。

3.2.3井壁稳定技术

控制失水量小于4mL，使井壁形成薄而坚韧的泥饼，严格控制起下钻速度。

4　现场试验应用情况

4.12014年现场试验应用的5口工厂化水平井与2013年周期对比

2014年试验2组平台5口工厂化水平井，平均钻速10.76m/h，平均钻井周期27.18d，对比2013年钻速提高12.55%，周期缩短16.83d，完成预期目标。参见表3。

表3　2组平台5口井钻速及周期情况

重复使用第一口井的阳离子聚合物水基泥浆260m3，因一次打完整个平台一开未更换泥浆体系节约泥浆约520m3，二开使用油包水钻井液，节省了一开钻井液的从新配置，及二开的油基钻井液的倒运。因施工所用钻机的配套设备可带钻具整拖所以无甩钻具时间，一开完井可节约甩钻具及配钻具时间约24h。

4.2工厂化水平井“一趟钻”情况（表4）

表4　工厂化水平井“一趟钻”情况

通过优选井下工具、优化钻具组合，试验的5口井在“造、探”+“水”2段分别实现“一趟钻”施工，提高作业效率。

5　结论

推广应用工厂化批量钻井，3口井重复使用第一口井的水基钻井液，节省了一开钻井液的从新配置，及二开的油基钻井液的倒运。

（1）优化井眼轨迹，提高钻速，采用变曲率渐近井眼轨迹控制技术，使井眼轨迹得到精确控制。

（2）改进钻井模式，实施批量钻井，井场与泥浆排污坑的面积都得到有效控制，减少钻井液及药品的使用，实现安全环保；应用批量钻井施工，钻机平移，减少钻机的拆搬及钻具的甩配，增加施工效率。

（3）通过优选螺杆和个性化PDC钻头，能够提高机械钻速。

（4）通过优选井下工具、优化钻具组合及钻井参数，在致密油工厂化水平井推行“造、探”+“水”2段分别实现“一趟钻”施工，提高作业效率，缩短钻井周期。

［1］徐小峰.冀东油田水平井井身结构优化设计［J］.石油钻采工艺，2002.

［2］葛云华.丛式水平井钻井平台规划［J］.石油勘探与开发，2005，32（5）.

［3］雷群，王红岩，赵群，等.国内外非常规油气资源勘探开发现状及建议［J］.天然气工业，2008，28（12）.

TE243

A

1004-5716（2016）01-0061-05

2015-09-14

2015-09-14

陈春雷（1982-），男（汉族），吉林梨树人，工程师，现从事定向井井眼轨迹控制及定向井水平井管理工作。