胜利油田济阳坳陷樊154区块小井眼长水平段水平井钻井技术

吴明波.

(中石化胜利石油工程公司钻井工艺研究院，山东东营　257017)

随着勘探开发技术的进步和勘探程度的提高，胜利油田低渗透油田地质储量在新增探明地质储量中所占的比重越来越大，低渗透油田已成为储量接替和新区产能建设的重要阵地。近几年来，非常规连续型油气聚集理论的创新及致密储层中纳米级孔隙的发现，推动了中国非常规致密砂岩油气快速发展[1]。然而利用直井、定向井开发非常规油气藏，单井产量约为0.1～3 t，无法实现工业化经济开发。从国内外致密砂岩和页岩油气的开发技术来看，长水平段水平井钻井技术和多级分段压裂技术是一种有效的开发手段。胜利油田在这方面也进行了有益的技术探索。胜利油田自2007年开始在长水平段水平井钻井技术方面开展了持续技术研究和现场应用，目前已初步形成了长水平段水平井钻井关键技术，包括以井眼轨道优化设计为核心的工程设计技术、以底部钻具组合优化设计为基础的长水平段优快钻井技术。樊154-平1井完成了1200 m水平段长，进行了12段分级压裂改造，初期日产油量50～70 t，稳产后日产油量20～30 t，是周围邻井的4～5倍，增产效果显著[2-3]。

1　地质工程概况

樊154区块位于胜利油田济阳坳陷东营凹陷金家—樊家鼻状构造带东翼樊154断块，主力含油层系为沙三中，储层平均厚度为8 m，含油面积为12 km2。区块构造较为简单，其北界为一条贯穿东西的近东西向、北倾、落差30 m以上的断层，南高北低，地层倾角为3°～6°，整体构造形态呈被断层切割的向斜构造。沙三中砂体沉积类型为三角洲—滑塌浊积扇主力砂层，厚度超过10 m，向四周逐渐减薄。储层为高压异常系统稀油构造-岩性油藏，岩性以细砂岩为主，平均孔隙度为14.9%，平均渗透率为1.1 mD，为低孔特低渗透储层，采用常规开发模式产能低、经济效益差。

大位移水平井的突出特点是水平位移大，裸眼井段长，钻井施工中钻柱和套管柱在井眼内的摩阻、扭矩大[4]。为了封隔产层以上不稳定泥岩地层，同时降低斜井段摩阻扭矩，有利于水平位移延伸，保障长水平段安全钻进和完井压裂管柱的顺利下入，根据樊154-平2井地质特点和完井工艺要求，该井采用三开井身结构(表1)，井眼剖面类型采用“直—增—平”三段制，具体设计参数见表2。

表1　樊154-平2井设计井身结构Table 1　Casing program design of well Fan154-ping2

表2　樊154-平2井设计轨道Table 2　Design trajectory data of well Fan154-ping2

2　主要技术难点

(2)由于井身质量要求高，设计靶框2 m×10 m，井径扩大率不超过5%。为了保证电测、下套管、分段压裂等后期工序的顺利进行，斜井段造斜率不超过20°/100 m、水平段不超过10°/100 m，轨迹控制难度增加。

(3)钻井液性能要求高。水平段使用聚合物润滑钻井液体系，随着水平位移的增大，钻井液的携砂能力减弱，致使摩阻系数增大，钻进过程中摩阻扭矩高，常规导向钻具滑动钻进时钻压传递十分困难，滑动钻进困难；设计水平段长达2000 m，水平段钻进的后期，特别是水平段超过1200 m以后，摩阻、扭矩会变大，滑动钻进钻时慢、效率低、时效差[5]，进一步增加轨迹控制难度。

(4)随着水平段的延伸，携岩能力逐渐减弱，不能达到完全净化井眼的目的，在井眼低边容易形成岩屑床，给钻进和井下安全造成很大困难。若砂体疏松，快速钻进时岩屑不能被及时带离井底，加之井眼环空小，容易造成卡钻的风险，有效清洗井眼面临很大困难。

3　关键技术

3.1　轨迹控制技术

3.1.1直井段(0～2314 m)

直井段采用“塔式钻具”结构，钻进时注意“防斜打直”，及时进行单点测斜；若井斜有超标的趋势，采用小钻压吊打，尽量减小井底井斜角和井底闭合距。钻进至2314 m时投影位移仅为-4.46 m，为后续水平井施工打下良好的基础。

3.1.2增斜段(2314～2901 m)

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3.1.3水平段(2901～4916 m)

长水平段水平井井眼轨迹控制技术的核心是如何克服或降低井下摩阻，提高水平井段的延伸能力。目前，水平段延伸钻进的主要技术手段有两种：一种是以复合钻进和滑动钻进为基础的连续导向钻井技术，另一种是旋转导向钻井技术[7]。由于旋转导向费用昂贵，因此目前在长水平段钻井中很少采用。

使用动力钻具调整井斜角和方位角，使实钻轨迹线在靶框中穿行，提高了油层的钻遇率。随着水平位移的延伸，后期定向过程中摩阻增大，滑动钻进困难，及时混入原油和进行短程起下钻作业，有效减小了水平段钻进摩阻，确保了安全、高效钻进。水平段钻进共进行了10趟钻，其中常规稳斜钻具钻进6趟，螺杆钻具钻进4趟。采用常规钻具钻进时，尽量通过调整钻井参数控制井斜角和方位角，以减少螺杆钻具滑动钻进时的工作量。但由于地层中存在灰质夹层和地层倾角的变化，在常规钻具通过调整钻进参数无法控制井眼轨迹时，起钻下入螺杆钻具进行定向调整。该井常规稳斜钻具和螺杆钻具交替使用，实钻轨迹圆滑，且在设计轨道中平稳延伸，钻井速度提高，钻井周期缩短，达到勘探开发的目的。

水平段钻进时为了确保安全钻进，主要采取以下措施：

(1)为防止水平段钻具黏卡，实现安全快速钻井，每个单根钻完后转动转盘划眼1～2次再进行测斜和接立柱。同时，加强短起下钻措施，根据施工情况每钻进100～150 m进行1次短起下钻，及时消除岩屑床，确保安全钻进。

(2)水平段起钻时速度控制在8～10柱/h，起下钻过程中遇阻不得超过正常摩阻50 kN，否则上下活动钻具，必要时采取接顶驱循环或划眼等有效措施。下钻遇阻不能硬砸硬放，采用“一冲、二通、三划眼”的原则，操作平稳，防止卡钻。

(3)减少钻杆与套管之间的旋转摩擦接触或降低摩擦系数，防止套管磨损。钻进过程中，钻具在自重的作用下贴靠在下井壁，钻杆接头易对套管造成严重磨损，同时增大钻进摩阻扭矩。通过优选防磨接头、优化接头安放位置、变旋转接触为非旋转接触，有效保护套管，适当降低复合钻进时钻具的扭矩[8]。

樊154-2HF井水平段井斜变化规律如图1所示。由图1可知，井斜变化率波峰高值少，井斜变化平缓，井身轨迹圆滑度高。

井斜变化与碳酸岩含量对比如图2所示。由图2可知，碳酸岩含量高的地层，井斜呈降斜状态。

图1　樊154-2HF井水平段井斜变化率示意Fig.1　Horizontal section drift rate of well Fan154-ping2

图2　樊154-2HF井水平段井斜变化与碳酸岩含量对比示意Fig.2　Horizontal section deviation change compared with content of carbonate rock of well Fan154-ping2

3.2　钻井液技术

一开钻井液要有较强的携带和悬浮能力，满足大井眼钻进需要。

二开钻井液的主要作用是抑制地层黏土造浆及满足快速钻进的需要，选用聚合物钻井液体系。直井段钻遇明化镇组、馆陶组，地层岩性差，钻井液主要以抑制地层造浆、携带岩屑，防止泥岩缩径，确保安全钻进为目的；造斜段严格控制膨润土含量，以8%～10%的加量均匀混入原油并充分乳化，配合加入固体润滑剂，使钻井液具有良好的润滑防卡性能，确保定向钻进时钻压的有效传递。

三开水平段使用抑制防塌性能较强的聚合物(铝胺基)润滑防塌钻井液体系，体系配方：2.0%～2.5%防塌降黏降失水剂+2.5%～3.0%改性沥青防塌降失水剂+2%～3%磺化酚醛树脂+2%～3%抗高温抗盐防塌降失水剂+0.3%～0.5% PAM+2%～3%磺化沥青乳液+ 2%～3%有机胺页岩抑制剂+0.5%～1.0%铝基聚合物。钻井液性能：密度为1.18～1.25 g/cm3，黏度为60～80 s，pH值为8～9，含砂量为0.3%，滤失量为4 mL，泥饼厚度为0.5 mm，塑性黏度为15～30 mPa·s，初切力为4～8 Pa，动切力为8～12 Pa。

施工中加足各种处理剂，及时混入原油，满足长水平段的润滑问题，同时保证钻井液充分携砂、防塌、防卡。振动筛、除砂器、除泥器等与钻井泵同步运转。实践证明，铝胺抑制防塌钻井液抑制性强，封堵性能好，不但能够抑制泥页岩的水化膨胀分散，而且能够封堵地层层理、微裂缝和破碎带，钻进过程中井壁稳定，定向过程中传压顺畅，无拖压现象，有效预防复杂情况的发生，确保井壁稳定、井眼规则、井下安全[9]。

3.3　钻头选型

为了杜绝钻头事故，减少起下钻次数，实现安全优快钻井目的，针对樊154区块的地层特点，设计个性化PDC钻头。该区块东营组—沙三组岩性主要以泥岩夹砂岩互层为主，地层可钻性相对较好。但是在定向段存在的夹层会给钻头定向钻井时的稳定性带来一定的挑战性，需加强钻头的稳定性设计。同时该区块水平井靶前距普遍较短，一般为300 m以内，要求定向段必须有较高的增斜率，因此定向段PDC钻头的设计要求具有较高的造斜率。

根据以上分析，确定定向段PDC钻头冠部轮廓为浅内锥、短外锥的剖面，同样的目的是为了提高钻头的侧向切削能力，从而满足高造斜率的要求。采用螺旋刀翼布齿方式的目的是加强钻头在钻进地层时切削齿逐个吃入地层，提高钻头的稳定性。由于地层岩石抗压强度中等，保证钻头寿命的同时可以具有较高的机械钻速。采用复合切削结构，在主切削齿后增加后备齿，目的是提高钻头穿越夹层时的稳定性和滑动钻进时的工具面稳定性。采用15°螺旋保径结构，可以提高钻头的稳定性和保径强度。增斜段和水平段全部采用5刀翼PDC钻头。根据该区块的地层特点，结合PDC钻头适用性分析，斜井段使用P5362-MJ5型号钻头。该钻头在定向钻进时具有保径短、定向工具面稳定、侧向能力强的优点，复合钻进时具有切削能力强、扭矩小、钻速快的优点。水平段使用P5235MJH型钻头。该钻头采用抛物线冠部胎体、优质复合片为主切削元件、双排切削结构、中高密度布齿、中排泄槽水力结构和倒划眼切削结构，适应在水平段中钻进，适用于研磨性较强的软到中硬地层。

3.4　随钻测量技术

二开造斜段采用地质导向仪器，利用感应电阻率仪器并结合地质录井岩性和气测值曲线顺利进入目的层，为三开水平段钻进打好基础。针对三开水平段长、测量井段深、仪器性能要求高等特点，选用斯伦贝谢公司的Slimpulse仪器。该仪器采用连续波信号传送方式，可使用井底最高温度达到177 ℃，具有测斜精度高(井斜±0.1°，方位±1°)、稳定性好、速率快、信号强、防卡功能优等特点，可实时提供伽马测量，及时进行地层对比，精确测量井斜和方位，为井眼轨迹控制提供保障。

4　施工效果

(1)选用的5刀翼PDC钻头大大减少了樊154-平2井的起下钻时间，提高了钻井效率，证明该钻头的高效应用有助于提高机械钻速，缩短建井周期。

(3)成功运用“双稳定器+钻铤”和螺杆导向钻具组合。其中常规钻具总进尺1081.56 m，平均机械钻速7.08 m/h；导向钻具进尺933.44 m，平均机械钻速5.64 m/h；滑动钻进总进尺12 m，占水平段总进尺的6%，油层钻遇率为100%；水平段纯钻时间仅13.26 d，全井平均机械钻速达到了6.33 m/h。

5　结论

(1)樊154-2HF井是中石化6″小井眼水平段最长的一口水平井，也是国内首口实施20段分级压裂工艺的水平井，其成功实施为樊154区块致密砂岩的高效开发积累了宝贵经验。

(2)依靠传统的常规钻具和螺杆钻具组合完全可以完成水平段长2000 m以内的小井眼水平井。

(3)优化设计井眼轨道、优选钻具结构、优化井身结构和钻井参数、选用合理的钻进方式，是保证长水平段水平井井下安全、缩短钻井周期、实现顺利施工的必要条件。

(4)建议下一步开展非均质地层钻具组合造斜能力的研究，以便增强常规钻具组合和导向螺杆钻具组合对井眼轨迹的控制能力。

[1]覃毅,高飞,刘振通,等.古潜山致密砂岩水平井钻完井技术[J].非常规油气,2015,2(6):72-73.

[2]马凤清,牛洪波,崔海林.胜利油田长水平段水平井钻井技术现状与认识[J].中外能源,2013,18(5):51-52.

[3]崔海林,陈建隆,牛洪波,等.胜利油田首口小井眼长水平段水平井钻井技术[J].石油钻探技术,2011,39(5):14-15.

[4]倪攀,张鸿妍,夏志华,等.古巴SEB-20大位移水平井钻井设计与施工[J].非常规油气,2015,2(4):64-65.

[5]葛磊.樊家地区致密砂岩油气藏钻井关键技术[J].石油钻采工艺,2014,36(3):28-29.

[6]崔海林,曹树生,杨春旭,等.DP19小井眼欠平衡水平井井眼轨迹控制技术[J].石油钻采工艺,2010,32(3):20-22.

[7]闫振来,牛洪波,唐志军.低孔低渗气田长水平段水平井钻井技术[J].特种油气藏,2010,17(2):105-106.

[8]唐洪林,唐志军,闫振来,等.金平1井浅层长水平段水平井钻井技术[J].石油钻采工艺,2008,30(6):14-15.

[9]邱春阳,赵红香,张海青.樊154区块水平井钻井液技术[J].盐城工学院学报(自然科学版),2014,27(3):69-70.