吉木萨尔页岩油水平井钻井优化技术

王 青，张 颢，韩基胜，段 江，甘 泉

（1.中国石油集团西部钻探巴州分公司，新疆 库尔勒 841000；2.中国石油集团西部钻探工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；3.中国石油集团西部钻探工程有限公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000）

吉木萨尔页岩油于2011 年发现芦草沟组资源富集、油品良好，先后历经探索与发现、先导与提产试验、技术与动用突破、规模试验与建产4个阶段，目前以水平井开发为主[1]。吉木萨尔芦草沟组页岩油形成于残留海封闭后的陆缘近海咸化湖盆沉积，混合陆源碎屑与湖相碳酸盐组分，源储一体，是国内重要资源接替区，是我国首个规模化开发的陆源碎屑沉积页岩油藏[2]。吉木萨尔页岩油水平井钻井实践表明，芦草沟组属于强塑性薄层理状泥页岩地层，微裂缝发育，页岩水化分散作用明显，井漏频繁[3]，地层可钻性差，井眼失稳严重，水平段摩阻大，钻具易托压与屈曲，钻压传递与井眼清洁难度大[4]，水平段易形成“糖葫芦”井眼，井控风险大，钻井难度大[5]。吉木萨尔页岩油地质条件复杂，水平井钻井提速难度大，技术性强，钻井工期和成本难以降低，制约了吉木萨尔页岩油效益开发[6]。本文借鉴国内外水平井钻井优化的先进做法，并结合现场钻井优化实践，在轨道设计、水力参数、提速工具与钻头、MSE 钻井优化方面开展研究，形成吉木萨尔页岩油水平井钻井优化技术，现场应用效果良好，有利于吉木萨尔页岩油水平井钻井提速并提高钻井效率。

1 钻井优化技术难点

吉木萨尔页岩油水平井钻井优化实践起步晚，经验缺乏，主要面临以下技术难题：

（1）吉木萨尔页岩油超长水平段水平井定向钻井过程中，摩阻扭矩大，定向滑动钻进时，钻具易托压与屈曲，储层厚度薄且岩性复杂，井眼轨道设计与实钻轨迹控制难度大[6]。

（2）斜井段、水平段易形成岩屑床，井眼清洁要求高、难度大，排量受限因素多[7]，实钻过程中有效监测摩阻扭矩和井眼清洁情况难度大，存在井塌、井漏甚至溢流问题，水力参数选择困难[8]。

（3）吉木萨尔凹陷地层可钻性差，钻头破岩效率低，提速需求大、成本高，钻井周期长，机械钻速低[9]。

（4）MSE钻井优化技术日趋成熟，但在吉木萨尔页岩油水平井钻井施工中应用缺乏，钻压、转速等钻井参数选择困难，涡动、粘滑以及泥包等低效率事件识别与处理难度大，钻井效率低。

2 井眼轨道设计与优选

吉木萨尔页岩油水平井井眼轨道设计有三种不同类型：①双二维（记为T1型），②着陆前完成扭方位（记为T2型）[10]，③着陆后完成扭方位（记为T3型），如图1a所示。水平井井眼轨道优选时应考虑摩阻扭矩等因素[11]。从图1b～图1e可以看出，T2型井眼轨道起钻悬重小、摩阻低，钻具发生螺旋屈曲最小临界悬重大（即不易发生钻具螺旋屈曲），钻具抗弯曲能力强，钻进和倒划眼扭矩小，因此，三种井眼轨道设计类型中T2 型井眼轨道最优[12]。

图1 井眼轨道设计与优选

3 水力参数分析与优化

水力参数优化主要涉及到钻井液、排量、压耗、井眼清洁等问题[13]，合理的水力参数要达到净化井眼、提高机械钻速的效果，目前页岩油水平井相关优化研究较少[14]。分析吉木萨尔页岩油水平井水力参数内在规律，有助于实钻过程中结合具体情况调整优化水力参数。数据分析表明，在同一井深下，排量、钻井液密度、钻井液动切力、钻井液塑性粘度与泵压、井底ECD呈正相关，即增大排量、钻井液密度、钻井液动切力、钻井液塑性粘度会使泵压、井底ECD增加，如表1所示。如图2a所示，机械钻速高于60m/h后，泵压对机械钻速的影响差异化才显现出来，此时，在同一井深下，机械钻速越快，泵压越高。如图2b所示，在同一井深下，机械钻速越快，井底ECD 越高。现场可根据这些规律进行参数优化，比如，根据地层压力情况通过优化水力参数调整井底ECD以减少井漏、溢流等事故复杂；在提速钻进时通过调整水力参数优化泵压、井底ECD 保证优快钻井等。

表1 吉木萨尔页岩油水平井钻井水力参数相关性分析总结表

图2 机械钻速分析

排量、钻井液密度与流变性、机械钻速在影响井眼清洗的各因素中可操作性与影响力较大[13]，现场在通过调整这些参数实现井眼清洁的同时要考虑其对泵压、井底ECD 的影响。并且，实钻过程中及时了解井眼清洁程度十分必要，特别是对于水平井，容易在大斜度井段和水平井段形成岩屑床，对正常钻井、固井、测井会产生不利影响[14]。吉木萨尔页岩油水平井在井眼清洁评价方面，运用摩阻测试建模技术，通过实测数据拟合摩阻系数，结合摩阻系数变化趋势判断井眼净化情况[1,15]。吉木萨尔页岩油水平井JHW16-14 现场每钻进3 柱进行一次摩阻测试，实时跟踪评价井眼净化情况，建议钻井液6 转读数提至8，每班使用离心机，钻进摩阻系数维持0.22，有效保持井眼清洁。

4 提速工具与钻头应用优化

4.1 提速工具

吉木萨尔页岩油区块提速主要用到旋导、螺杆+水力振荡器工具。表2对比了吉木萨尔页岩油区块两种提速方式及工具的机械钻速与进尺情况，整体而言，无论是在造斜段还是水平段，旋导的提速效果均优于螺杆+水力振荡器。吉木萨尔页岩油区块提速首选旋导，但鉴于其成本和市场数量的限制以及实际提速需求量大，螺杆+水力振荡器作为备用。吉木萨尔页岩油区块现场实践表明，浅层二开水平井水平段使用螺杆+水力振荡器提速可替代旋导，而深层三开水平段，螺杆+水力振荡器与旋导相比有一定差距，主要是螺杆定向时需要频繁摆工具面，降低了纯钻时间。

表2 吉木萨尔页岩油区块提速工具机械钻速与进尺对比

4.2 钻头应用评价与优选

如图3所示，统计出吉木萨尔页岩油区块相同地层使用钻头的机械钻速和单只钻头进尺，基于地质工程一体化理念采用黄金分割优选方法建立图版评价钻头使用效果，黄金分割线以上的钻头在本区块相应层位应用较为理想，为钻头优选提供参考和借鉴[16]。

图3 吉木萨尔页岩油区块黄金分割法钻头应用评价与优选

5 MSE钻井优化

5.1 MSE相关理论

MSE（Mechical Specific Energy，即机械比能）定义为钻进单位体积岩石所用的能量，将旋转做功与轴向做功之和同岩石体积做比，公式（1）给出地表MSE的模型公式[17]。钻井过程MSE 值相对较小且平稳时，钻头破岩效率高，钻井效率高。由公式（1）知，钻头破岩时，可以通过调整转速、钻压以及排量钻井参数使MSE 值相对较小且平稳[18]。图4 说明MSE 钻井参数优化分步测试的流程。国内外学者结合现场钻井实践经验研究表明，实测钻压与机械钻速分布曲线低于理想钻进曲线时，井下会发生低效事件（井底泥包、涡动、刚性界面、钻头泥包以及粘滑），此时MSE 值会增加并呈现一定的实时形态，可据此诊断井下低效事件并采取相应的优化措施[19]。吉木萨尔页岩油水平井基于MSE钻井理论，综合测录井参数，实时建立地表MSE 曲线，优化钻井参数，识别与处理井下低效事件，及时减小限制机械钻速的主控因素，有效提高钻井效率，降低钻井成本[18]。

图4 MSE钻井参数优化分步测试流程图

式中：MSE——地表机械比能，MPa；

T——地面扭矩，kN·m；

N——地面转速，r/min；

f——螺杆钻具的转速流量比，r/L；

Q——排量，L/s；

D——钻头直径，mm；

ROP——机械钻速，m/h；

WOB——钻压，kN。

5.2 MSE钻井优化技术应用

运用MSE钻井优化技术可以对转速、钻压、排量等钻井参数进行优化，以实现MSE值最优，达到提高破岩效率和机械钻速的目的。如图5a 所示，吉木萨尔页岩油水平井JHW16-13 在进行钻压分步测试优选时，固定转速100r/min 不变（此转速值已事先经过分步测试优化），钻压依次由90kN 调整为100kN、110kN，地表MSE 基准值依次由79ksi（544.71MPa）变为71ksi（489.55MPa）、85ksi（586.08MPa），扭矩依次由5～15kN·m 变为6～15.5kN·m、4.5～17.5kN·m，机械钻速依次由18.69m/h 变为20.39m/h、18.51m/h，对比发现，钻压100kN时地表MSE较低且波幅小，钻头破岩效率高，扭矩与之前无明显变化，钻时最低，机械钻速最高且稳定，因此最推荐钻压100kN。

图5 JHW16-13井钻压分步测试（a）与钻头粘滑低效事件（b1优化前，b2优化后）

运用MSE钻井优化技术可以对井底泥包、涡动、刚性界面、钻头泥包以及粘滑钻井低效事件进行识别，并及时采取优化调整措施，排除钻井低效事件的不利影响，恢复及提高机械钻速。如图5b1所示，吉木萨尔页岩油水平井JHW16-13 在钻至井深4948.06m 时，地表MSE 和扭矩周期性波动，钻时较大，机械钻速较低，判断钻头发生粘滑低效事件，于是调整钻压、转速后钻进，地表MSE和扭矩变得相对平稳，有效消除钻头粘滑不利因素，提高机械钻速，如图5b2所示。

6 钻井优化效果评价

统计吉木萨尔页岩油水平井实施钻井优化的井的钻井周期发现，实施优化的井钻井周期较平均钻井周期最高缩短38.54%，实施优化的井的平均机速较年平均机速最高提高12.2%，并且实施钻井优化的井较设计周期最高缩短23%，明显提高了钻井效率，钻井优化技术在吉木萨尔页岩油水平井钻井取得良好的应用效果。表3给出了吉木萨尔页岩油水平井钻井优化部分应用指标。

表3 吉木萨尔页岩油水平井钻井优化部分应用指标统计

7 结论与认识

（1）吉木萨尔页岩油水平井井眼轨道设计时着陆前完成扭方位，摩阻较低，起钻悬重相对较小，螺旋屈曲最小临界悬重大，钻具抗弯曲能力强，钻进和倒划眼扭矩较小。

（2）吉木萨尔页岩油水平井钻井水力参数存在内在联系，增大排量、钻井液密度、钻井液动切力、钻井液塑性粘度会使泵压、井底ECD增加，通过优化水力参数保障钻井提速和井眼清洁要考虑其对泵压、井底ECD的影响。

（3）吉木萨尔页岩油水平井钻井应用MSE 钻井优化技术，在分布测试优选钻井参数，识别与处理井下低效事件，及时减小限制机械钻速的主控因素方面起到一定的作用。