长水平段水平井高效钻井关键技术研究

王建龙，齐昌利，陈 鹏，于志强，高学生，孙曜广，贾利纳

(1.中石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津 300450；2.中石油集团渤海钻探第一钻井公司，天津 300280)

长水平段水平井钻井技术是致密油气开发的重要技术保障，具有最大限度地提高产量和采收率的技术优势[1-4]。因此，国内外各油气田广泛地部署长水平段水平井，以提高对致密油气田的勘探开发效益[5，6]。然而，长水平段水平井在钻进过程中，水平段长给钻井带来了诸多技术难题，比如设备与钻具的选型、井眼轨迹控制、钻井提速等[7-10]。

大港油田实施的G1701H井，创造了大港油田5 000 m以上水平井钻井周期最短、机械钻速最高、钻机月速最高、水平段最长“四个之最”的记录。因此，本文将以G1701H井为例，分析长水平段水平井钻井技术难点，并钻前预测和实钻分析与优化两个5段提出关键技术对策，为后续实施长水平段水平井提供理论指导和技术支持。

1 基本概况

G1701H井是2017年大港油田实施的一口预探评价井长，属于水平段水平井，设计井深5 524 m，造斜点3 100 m，水平位移2 046 m，水平段长1 513 m(见图1)。该井为三开井身结构，一开444.5 mm井眼，设计井深801 m；二开311.1 mm井眼，设计井深3 060 m；三开215.9 mm井眼，设计井深5 524 m。

2 钻前预测与技术优选

G1701H井井眼深、造斜点深、水平段长，另外，该井拟采用大钻压、高转速钻进，导致钻进过程中摩阻、扭矩大，对钻机、钻具的要求高；为了提高井眼清洁和机械钻速，本井拟采用大排量、小钻头水眼钻井，对钻井泵的要求高。因此，如何在钻前利用软件对摩阻、扭矩、水力参数进行准确预测，为钻机、钻具、钻井泵等优选提供可靠的依据，显得尤为重要。

2.1 摩阻、扭矩预测关键技术

摩阻、扭矩随着井深的增加不断增加，因此该井的摩阻、扭矩最大值在三开完钻井深5 524 m处。实钻数据表明，利用旋转导向系统完成的定向井，裸眼段摩阻系数一般在0.25～0.30；利用螺杆钻具完成的定向井，裸眼段摩阻系数一般在0.35～0.40。对G1701H井同区块实施的邻井进行摩阻、扭矩反演，确定该区块的合理摩阻系数为套管内0.23/裸眼段0.28。考虑到设计钻井液性能与实钻性能的差距，预测四种不同钻井液性能条件下的摩阻、扭矩值，具体(见表1)。

图1 G1701H井设计井眼轨道垂直投影图

表1 G1701H井摩阻、扭矩预测结果

预测结果显示，G1701H井钻井过程中最大扭矩25.4 kN·m，最大起钻载荷1 660.5 kN，所以设计该井选择DQ70BSD型顶部驱动装置，转速范围0 r/min～200 r/min，连续输出扭矩60 kN·m；采用139.7 mm(S137)+127 mm(G105)组合钻杆，为后续施工处理井下复杂留有一定的安全余量；预测最大摩阻316.85 kN，大量的实钻数据显示当摩阻达到180 kN以上，采用水力振荡器+螺杆钻具的方式进行滑动钻进是非常困难的，所示设计该井采用旋转导向系统进行井眼轨迹的控制。

表2 G1701H井水力参数预测结果

2.2 水力参数预测关键技术

G1701H井三开215.9 mm井眼，拟采用排量35 L/s、小钻头水眼(7.94 mm×7或 7.94 mm×5+8.73 mm×2)高效钻井，最终结果是导致系统循环压耗高，对钻井泵提出了更高的要求。为了降低循环系统压耗，设计该井采用大水眼的非标钻杆，NC52扣型127 mm钻杆。同样，考虑到设计钻井液性能与实钻性能的差距，预测四种不同钻井液性能条件下的水力参数，具体(见表2)。

预测结果显示，G1701H井钻进过程中可能达到的最大系统循环压耗为32.78 MPa。因此，设计该井采用F-2200HL高压钻井泵，输出功率1 640 kW，最大额定工作压力52 MPa；初步设计采用7个7.94 mm的钻头水眼，钻头压降最大达到9.47 MPa，钻头喷射速度达到100.98 m/h，喷射冲击力达到4.9 kN。

3 实钻分析与技术优化

3.1 井眼轨道控制技术

一开444.5 mm井眼为直井段，采用PDC钻头+1.25°螺杆+MWD钻具组合进行井眼轨迹控制，防斜打直效果一般，最大井斜0.9°，后期通过定向调整井斜。建议后续钻井中使用PDC钻头+直螺杆+大钟摆钻具控制大井眼轨迹。

二开311.1 mm井眼为直井段，801 m～1 702 m和1 758 m～3 055 m 采用 PDC 钻头+1.25°～1.5°螺杆+MWD进行井眼轨迹控制；1 742 m～1 758 m井段为馆陶段，采用牙轮钻头+大钟摆钻具进行井眼轨迹控制。该井段实钻过程中，通过调整钻井参数垂直钻进，尽量保持复合钻进，缩短定向进尺。实钻过程中全井段最大井斜2.54°，其余均在2°以内，井眼轨迹控制良好。

三开215.9 mm井眼为造斜段、稳定段、增斜段和水平段，是整口井井眼轨迹控制的重点，采用了PDC钻头+LWD+旋转导向系统进行井眼轨迹控制，实钻过程中旋转导向钻进造斜率3°/30 m～9°/30 m，稳斜模式下钻进井斜稳定。该井段旋转导向系统配合LWD使用，即可实现精确的井眼轨迹控制，避免了传统螺杆钻具滑动钻具所带来的一系列井下风险，大大缩短了施工周期，达到预期目的。为了降低钻井成本，建议后续作业中，可以在摩阻小于150 kN、入窗之前，采用PDC钻头+MWD+水力振荡器控制井眼轨迹。

3.2 钻井液控制技术

长水平段水平井能够高效顺利完钻，最关键的就是钻井液选型和后续的性能维护。G1701H井一开采用聚合物钻井液体系，抑制地层造浆和防塌能力强；二开采用硅基防塌钻井液体系，抑制泥页岩水化和防塌能力强；三开采用钾盐聚合物钻井液体系，抗高温性能稳定、易维护，润滑性强。

其中，三开维护好钾盐聚合物钻井液的性能是该井成功的关键，钻进期间及时监测KCl含量，确保含盐量在5%～7%，并及时补充包被剂和抑制剂，维持钻井液的抑制性能。使用BZ-JLS-I、SMP-1等控制中压滤失量，孔一段控制在3 mL左右，进入孔二段中压失水控制在2 mL以内，用大分子和携砂粉等控制动切力，孔一段(下部)控制动切力在8 Pa～12 Pa；孔二段控制动切力在 12 Pa～16 Pa。

3.3 “两高、一大、一小”提速技术

为了保证井眼清洁，提高机械钻速，实现储层段安全快速钻进，减少钻井液对储层的浸泡时间，G1701H井三开5段采用“两高、一大、一小”的钻井提速技术，即高钻压、高转速、大排量、小钻头水眼，钻压达到100 kN～140 kN，转速 120 r/min～130 r/min，排量 32 L/s～35 L/s。实钻结果显示，大排量、高转速施工，确保了井眼净化；大钻压、高转速施工，提速效果明显；小钻头水眼，压降高达8 MPa～10 MPa，钻头射流冲击破岩效果明显，极大地提高了机械钻速。

4 结论及建议

(1)钻前摩阻、扭矩、水力参数预测技术是长水平段水平井钻机、钻井泵等设备和钻具优选的重要依据，预测准确度直接关系到优选结果，需要综合考虑摩阻系数、泥浆性能、钻井参数等多方面的因素，尽量提高预测的符合率。

(2)对于长水平段水平井，建议摩阻小于150 kN之前，采用水力振荡器+螺杆钻具控制轨迹；摩阻大于150 kN后，采用旋转导向控制轨迹。

(3)泥浆性能的稳定性是长水平段水平井成功的关键，特别是钾盐聚合物钻井液体系，要密切关注含盐量和失水量变化，严格控制含盐量和高温高压失水在设计范围内。

(4)“高钻压、高转速、大排量、小钻头水眼”提速技术，提速和保证井眼清洁效果明显，建议在设备允许的条件下，在同类型井中进行推广应用。

参考文献：

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