水平井优快钻井技术研究与认识

王光宇, 张文宁

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院, 黑龙江大庆 163413）

水平井一直是勘探油气资源的重要技术手段之一。近年来, 我国水平井钻井技术发展迅速, 为难采储层的开发提供了技术条件。大庆油田的难采储层含有的油气储量占新增探明储量的主要部分, 水平井在高效开发低品位储层方面显得尤为重要。但在一些复杂地层施工时, 钻井液漏失、井壁塌陷、气侵和井涌等成为钻井过程中不得不面对的问题。复杂的地质情况导致机械钻速大幅下降、钻井作业成本迅速增加。本文对水平井的优快钻井技术难点进行了分析, 从钻井设计优化、工程技术措施配套和钻井液体系优化三个方面给出了相关建议, 以期为水平井的优质高效施工提供技术支持。

1 水平井优快钻井难点分析

与直井相比, 水平井不可控因素较多, 随着水平段的增长, 相应的润滑问题、井眼净化问题和井壁稳定问题越突出[1-2]。

1.1 摩阻和扭矩

在水平井施工过程中常常会因为裸眼井段存在岩屑床、井壁稳定性差、泥饼质量不好和井眼不规则等原因造成摩阻和扭矩大, 严重的会造成卡钻和埋钻具事故[3-4]。

1.2 岩屑清洁

随着水平段的逐步加深, 造斜段和水平段的钻井液流动形态及环空返速均会产生变化, 井筒中岩屑清洁的效率是水平井能否顺利完钻的重要前提。已有的研究表明, 油基钻井液和水基钻井液在岩屑清洁方面的效果基本相同, 钻井液的流变性是岩屑清洁能力的主要影响因素, 与钻井液类别和组成关系不大。此外, 提高钻井液的粘度和密度也有利于将岩屑携带出井筒。

1.3 井壁稳定

与常规直井相比, 水平井的裸眼井段所承受的应力以及岩石强度均有较大区别, 如水平段砂岩较多, 则相应的井壁稳定效果较好, 如水平段存在泥页岩井段, 在地应力和钻井液浸泡双重作用下, 就会发生井壁失稳问题。水平井段的井壁失稳比直井更为严重, 处理起来也更为复杂, 因此要从多方位多角度来保障水平井的井壁稳定。

2 水平井优快钻井关键技术

2.1 钻井设计方面

井眼轨迹优化设计可以大幅度降低钻井过程中的摩擦阻力和扭矩, 为了降低钻具在井下的摩阻和扭矩, 目前已有悬链线、摆线弧、等曲率曲线等多种井下曲线模型, 不同的井眼轨迹模型均有各自的优缺点, 通过对靶点进行分析并结合施工地层的地质特点, 可以找到一条使摩擦力和扭矩最小的曲线, 从而确定最佳的剖面设计[5]。

2.2 工程配套技术

为满足水平井优快钻井开发需求, 需要结合已有的地质资料和周边已完钻井的施工情况, 确定合适的钻井参数、钻具组合及配套钻头, 并通过现场试验加以修正和改进。主要技术措施如下：

（1）不同尺寸井眼的排量控制。不同井眼钻进时机械钻速不同, 钻井液流态也不同。为了更好的保障岩屑携带311mm尺寸井眼的钻井液排量应该控制在44L/s以上, 215mm尺寸井眼的排量要达到28L/s以上。在中浅部地层钻水平井时, 要重点考虑该类地层的地层岩性, 如果属于易坍塌地层则应在推荐排量基础上适当增加排量, 从而提高钻井液的环空返速, 保证井眼清洁；如地层成岩性较好, 则可以适当地降低钻井液排量。

（2）水平段划眼和短起下。已有的研究和现场实验均表明, 定期划眼措施可以帮助清洁裸眼井壁, 减少岩屑床的形成, 同时有助于降低钻井液含砂量, 定期的短起下措施, 有助于修整井壁和观察后效, 能降低井下复杂事故的发生率。为了提高水平井的钻进效率, 建议使用顶驱施工, 每钻进一个立柱划眼1～2次, 每钻进200m左右进行一次短起下划眼作业。但在钻遇青山口等硬脆性泥页岩地层时, 因该类地层的井壁会由于钻具反复刮擦造成剥落掉块、钻头泥包等复杂事故, 应该减少划眼和短起下的频率, 快速钻穿该类层位。

（3）当井下摩阻和扭矩较大、托压情况严重时, 应该调整钻井液技术方案, 适当增加润滑剂的用量, 从而减小井下钻具和井壁之间的摩擦阻力, 保证钻进施工的顺利进行。

（4）完钻测井和后续的下套管作业过程中, 也应补充润滑剂, 提高钻井液润滑性, 确保其他钻井施工工序的顺利完成。

2.3 钻井液体系方面

（1）钻井液体系选择。近年来受环保压力和成本压力的影响, 油基钻井液的使用受到了一定程度的限制。但是长水平段水平井、鱼骨井、多分支井和深层水平井等特殊工艺水平井施工过程中, 油基钻井液仍然是最佳选择。国内外比较成熟的水基水平井体系有：高性能钻井液、氯化钾/聚合物钻井液、硅酸盐防塌钻井液。大庆油田目前使用的高性能钻井液具有良好的润滑性, 现场施工较为顺利。

（2）润滑性能方面。与直井钻进时钻具所呈现的状态不同, 水平井钻进过程中, 钻柱处于平躺状态, 和井壁之间的接触面积较大, 相应的会产生较大的摩擦, 因此钻井液的润滑性显得至关重要。油基钻井液的含油量通常在75%～85%之间, 并以油为外相, 所以油基钻井液通常不存在润滑性不足的问题。水基钻井液以水为外相, 通过在其中添加润滑剂来降低钻具和井壁之间的摩阻系数和极压系数。石墨、塑料微珠等固体润滑剂可以起到“滚珠”的作用, 改变钻具和井壁之间的接触状态。液体润滑剂可以在钻具和井壁表面分别形成油膜, 从而对其进行润滑保护, 也可以降低摩阻。所以水基钻井液的润滑性主要依靠优良的润滑剂来实现。

（3）流变性控制方面。水平井钻井过程中, 井眼内部存在着移动层、流动层和沉积层等多种钻井液流动形态, 循环介质的流变性较为复杂, 不同井段钻井液非均质性强。因此需要对井眼净化能力进行单独研究。当井斜角大于30°时, 钻井液中的钻屑就会受重力影响沉降在井壁下部, 因此要求钻井液必须具有良好的悬浮稳定性, 否则钻屑在短时间内发生沉积并形成岩屑床后, 就难以再被钻井液携带出井筒。随着井斜角的继续增加, 钻具组合受重力作用会紧紧贴靠在井壁下部, 使下部的环空空间变小, 更不利于岩屑的携带。钻井过程中产生的大量岩屑需要通过钻井液携带出井筒, 因此, 钻井液的流变性是岩屑携带的重要技术指标之一。紊流状态的钻井液携岩效果最好, 但受井深、排量、水平段长度等的影响, 在实际工况下, 很难在水平段实现钻井液的紊流流型。水平段钻井液呈现尖峰型层流状态时也有利于岩屑携带, 因此需要控制合适的动塑比, 较高的动塑比有利于形成尖峰型层流, 但动塑比过高会对泵压产生较大影响。动塑比的控制主要是通过增加或减少相应的流型调节剂来实现。除了钻井液自身使用的处理剂外, 钻井液中的固相含量也是影响流变性的主要原因, 一般而言, 可以通过固控设备的使用来尽量减少钻井液中的有害固相。

3 结论和认识

（1）与直井相比, 水平井不可控因素较多, 随着水平段的增长, 相应的润滑问题、井眼净化问题和井壁稳定问题越突出, 发生井下事故的概率更高, 处理复杂所花费的成本也更大。

（2）水平井钻井过程中主要的工程控制手段有：根据不同尺寸的井眼进行钻井液排量控制、严格执行划眼和短起下技术措施、根据现场实际情况适当调整润滑剂加量。

（3）良好的钻井液性能是实现水平井优快钻井的关键环节之一, 需要重点考虑钻井液的润滑性和流变性。