长水平段水平井钻井技术难点分析及对策研究

罗子淇

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院, 黑龙江大庆 163413）

随着大庆油田的开发进入三次采油阶段, 一些难采储层也成为开发的重点。长水平段接触的储层面积更大, 在提高难采储层的采收率方面具有更突出的优势。但随着水平井裸眼井段的增加, 井壁稳定、岩屑携带、润滑性等矛盾会更为突出, 给钻井设计人员和施工人员提出了更多的挑战[1]。随着近年来国内外大型油服和高校的不断研究, 长水平段水平井的研究与现场应用取得了长足的进展。从各个施工环节对长水平段水平井进行深入研究, 也已经成为钻井行业的研究重点。

1 长水平段水平井的发展现状

近年来国际油价经常出现大幅度的波动, 给油服企业的成本控制带来了很大的压力, 而长水平段水平井为降低开发成本提供了新的选择。2014～2018年随着页岩气开采的逐步增加, 国外大部分水平井的水平段从以往的1500m左右提高到了2500m以上, 2018年以后, 国外40%以上水平井的水平段长度超过了3000m。随着水平段的增长, 单井油气产量也得到了大幅度增长, 其中最值得注意的是：长水平段水平井的开采技术使美国的二叠纪盆地产量迅速增加, 2019年该区块的产量已经接近美国全境产量的45%, 预计在2024年可达到48%, 增产效果十分明显[2-3]。

国外目前已有多口水平位移超过10000m的长水平段水平井：英国的M11井、挪威的GULtop井等。近年来国内也大力开展了长水平段水平井的研究与现场应用, 其中胜利油田的高平1井水平段达到3462m；大庆油田的垣平1井水平段达到2660m；苏里格气田的苏5-15井, 水平段达到4466m；长宁示范区也有多口井的水平段超过3000m；陇东地区的华H90-3井水平段长度超过5000m[4-5]。但国内在长水平段水平井的研究和应用方面还相对落后, 核心的钻完井工具与国外大型油服企业还有很大差距。

2 长水平井段水平井技术难点

与普通水平井相比, 长水平段水平井在轨迹控制、井壁稳定、润滑减阻、岩屑携带等方面面临着更大的挑战, 因此有必要逐一进行分析, 从而给出更好的解决方案。

2.1 摩阻和扭矩大

随着水平段的不断加长, 钻具组合和裸眼地层之间可以直接接触的表面积也成比例增长, 导致井下摩阻和扭矩不断增高, 实际施工过程中为了更好地发现油藏, 往往还要扭方位钻进, 使井下钻具的实际受力状态变得更为复杂多变, 严重的还会造成钻具变形, 进一步影响钻井施工[6]。

2.2 井眼轨迹控制难度大

目前旋转导向系统已经成为长水平段水平井施工的第一选择。但在进入水平段后, 为了提高控制精度和满足造斜率等井眼轨迹控制需要, 往往是滑动钻进和复合钻进交替进行, 但这样的钻进方式会影响井眼的规则性, 并产生台肩。此外, 在薄差储层钻进过程中, 为了进一步提高储层钻遇率, 往往会频繁调整井眼轨迹, 在增大控制难度的同时还给下一步的通井和下套管作业留下了隐患。

2.3 井眼清洁难度大

在重力作用下, 岩屑容易在下井壁处发生沉降而堆积, 而随着水平井的水平段增加, 以及井眼不规则情况的加剧, 岩屑更加不易被钻井液携带出去。大量的岩屑堆积在井壁不规则处和井壁下方形成岩屑床, 会使钻具组合的摩阻进一步增大, 沉砂卡钻等事故的发生将严重影响钻井施工效率。

2.4 井壁稳定问题突出

钻头钻出井眼后, 地层原有应力被破坏, 导致井壁受力状态发生大幅度变化。由于长水平段水平井的钻井施工时间比较长, 随着裸眼井壁在钻井液中浸泡时间的延长, 这种井壁失稳现象会越来越严重。此外, 由于施工周期长, 钻井作业过程中短起下、更换钻具、处理复杂等工况出现的频率也会相应增加, 也会对井壁造成一定的影响, 严重的会发生剥落掉块等复杂事故。

3 长水平段水平井的钻井施工关键技术

为了解决长水平段水平井带来的摩阻和扭矩大、井眼轨迹控制难度大和井壁稳定问题突出等问题, 需要从钻井设计优化、钻井工艺优化和钻井液性能优化等多个方面进行着手, 多部门协同配合。

3.1 钻井设计优化

从钻井设计方面对井眼轨迹进行优化, 对降低施工过程中的摩阻和扭矩具有非常明显的帮助。在设计井眼轨道时, 应该使钻具组合的造斜能力、力学强度与地层实际情况相匹配, 设计造斜率和靶前距时要充分考虑相应的的扭矩和摩阻。

3.2 井眼轨迹控制技术

①选择岩性较为稳定的层位作为造斜点并优先选用圆弧形剖面, 从而保障井壁稳定性, 避免在造斜处发生井壁失稳问题；②长水平段水平井施工应优先选择旋转导向系统, 从而提高钻井效率, 减少井下摩阻；③水平段钻进过程中尽量减少滑动钻进, 多采用旋转导向钻进, 从而保障井壁的规则性, 为有效降低后续深部井段钻进时的摩阻和扭矩打下基础；④为了在提高井眼轨迹控制精度的同时更有效的发现储层, 应优先使用近钻头随钻测量系统, 从而根据地层情况及时进行轨迹调整。

3.3 减阻降摩技术

在钻井工具方面采取的措施主要是使用岩屑清除工具和水力振荡器等机械工具, 前者可以通过破坏井眼中已经形成的岩屑床来提高井壁的光滑性, 从而降低钻柱和井壁之间的摩擦力, 而后者则通过自身的震动作用来降低钻具和井壁之间产生的直接摩擦力, 从而达到减阻降摩的效果。

3.4 钻井液技术

长水平段水平井安全高效钻进的核心技术之一是钻井液技术。钻井液优异的润滑防卡能力、出色的岩屑携带能力和高效的井壁稳定能力, 是保障长水平段水平井安全高效施工的关键。

由于该类井型的裸眼井段长, 保障井壁稳定是最重要的前提条件, 首先要从力学稳定方面设计合理的钻井液密度, 从而保障裸眼井段不会因为支撑不足导致坍塌。但过高的钻井液密度还会压漏地层, 所以在钻遇裂缝和微裂缝发育的泥页岩地层时, 需要加强钻井液的封堵能力。此外, 在钻井施工过程中, 钻井液方面还需要采取如下措施：①通过加入性能优良的液体润滑剂和固态润滑剂, 在钻具和泥饼表面形成润滑膜降低其摩阻系数；②加入沥青类降滤失剂和封堵剂来提高泥饼质量, 避免形成虚泥饼造成粘附卡钻事故的发生；③根据地层情况及时调整钻井液密度, 从而保证钻井液对地层井壁的支撑, 但钻井液密度增大意味着固相含量增多, 过多的固相含量也会导致摩阻增大。

4结论和建议

（1）为了进一步保障国家能源安全, 国内非常规储层的开采规模不断增大, 钻井施工企业面对的降本增效压力也越来越大, 而长水平段水平井的经济效益已经逐步在全球的油气资源开发中得到认可。3000m左右的长水平段水平井技术在国外已经比较成熟, 而国内在这方面还有较大差距。

（2）长水平段钻井技术是一个需要多学科多部门共同配合的系统工程, 需要钻井设计、定向施工、钻井液、固井等多个部门的同步协调和完善, 最终实现地质工程一体化应用。

（3）目前国内油服公司在水平段长度、施工成本等关键技术指标上距离国外公司还有较大差距, 下一步需要在旋转导向系统研发、井下动力系统研制、高效钻头开发以及高性能钻井液体系研究等几个方面继续开展深入攻关, 从而为非常规油气资源的有效开发提供支持。