中东某碳酸盐岩油田3000m超长水平段优化设计

吴永川 刘军波 李晓 郑挺 白海鹏

1.中海油田服务股份有限公司 天津 300459

2.广东南油服务有限公司天津分公司 天津 300450

尽管目前国内外石油勘探的重点逐步转向深层油气资源，但随着技术的进步，水平井延伸极限不断被突破，超长水平段逐渐成为国内外非常规油气资源规模效益开发的重要手段[1]。美国在2016年5月钻出了目前世界水平长度最长的页岩气井Purple Hayes 1H，水平段长达5652.2m[2]；中国长庆油田在2021年6月钻出亚洲水平段最长纪录的H90-3井，水平段长达5060米[3]。由于超长水平段水平井技术能大幅提高单井产量和最终采收率[4]，因此该类井型就成为开发中浅部油气藏的可选手段之一。

相比直井和常规水平井，超长水平段更加有利于油气资源的高效开发，但它同时也给后期钻井施工带来了诸多技术难点。如何在装备和工具资源受限的前提下，在白垩系灰岩储层段完成3000m水平段就成为钻井技术人员需要思考的问题。本文拟通过调研和软件模拟，从轨迹优化、钻柱优选、参数优化和完井管柱下入等方面进行分析比对，为中东某油田碳酸盐岩储层试钻3000m水平段制定优化方案。

1 基本情况简介

目标油田处于弱伸展构造环境，其浅部构造形成了一系列NW-SE走向的断层和长轴背斜。该油田近期沿最大水平主应力方向钻多口水平井，水平段未发生井壁失稳。

目标井设计为四开次井身结构，其中二开直井段以黏土为主，含细粉砂岩，局部石膏含量高达90%以上，易坍塌和缩径；三开造斜段，岩性复杂，含钙质白云岩、泥晶、鲕粒状灰岩、泥质石灰岩夹杂页岩，部分井段为脆性页岩，易坍塌、掉块，已钻井局部页岩曾发生周期性坍塌；四开水平段钻白垩系碳酸盐岩。选择本井为试验井，设计延长水平段至3000m，最大程度增加边部单井控制储量，由构造高部向低部延伸。

初步设计造斜点KOP @ 1900m，造斜段采用“增-稳-增”的轨迹方案，控制狗腿度小于4°/30m；在2699m以88.33°倾角着陆；水平段方位116.85°，段长3000m，靶前位移424m，水平段呈89°下倾，水平段控制狗腿度小于2°/30m。为提高井眼清洁和防止钻具螺旋屈曲，设计水平段为8-1/2”井眼，使用旋导工具，配合锥形齿或异形齿PDC钻头钻进，具备一趟完钻的条件，设计5"加重钻杆加放在造斜段。

2 钻井难点

超长水平段钻进难题包括：1）小尺寸钻柱通过超长水平段容易屈曲；2）井眼摩阻扭矩大，钻柱易发生螺旋屈曲；3）低排量循环和停泵接钻具期间，水平段及大井斜段钻杆接头处容易发生岩屑堆积而形成岩屑床，增大摩阻[5]；4）碳酸盐岩强度高，长水平井段有效钻压和扭矩施加难，破岩效率低；5）采取大排量清洁井眼，则导致井底ECD过高，在裂缝地层钻进易井漏；6）完井管柱下入易屈曲。

如果按初始方案，尽管水平段采用了较大井眼及选用旋导钻井方式，在3000m水平段钻进过程中仍将面临以下问题：1）下钻、滑动钻进时钻柱屈曲现象严重；2）泵压高达30MPa；3）水平段存在岩屑床；4）完井管柱可能无法下到位。大量实例和研究表明，水平段长3000m的井，在同等条件下，使用油基泥浆比水基钻井液扭矩减少12kN·m[6-7]，但当地环保政策不允许使用油基泥浆。为降低作业难度，本文利用专业软件，摩阻扭矩计算采用柔性管柱计算模型，流体水力计算采用宾汉模式，模拟对比不同轨迹、钻具组合下的钻柱受力和井眼清洁情况来优选钻井方案。

3 技术对策

3.1 轨迹优化调整

分析国内超长水平井实钻案例，发现减少靶前位移将有利于增加超长水平段段长[5]。调整造斜点KOP @ 1100m，方位296.46°，增斜至10.96°稳斜钻600m后增斜扭至方位116.68°并钻至着陆点；靶前位移减至300m，水平段狗腿度小于1.5°/30m。在相同参数下，模拟两种井眼轨迹多工况下的摩阻扭矩、应力、水力参数和井眼清洁，结果如图1～图4所示：

图1 原轨迹下钻工况下的有效应力模拟

图1显示原轨迹下钻时钻柱发生螺旋和正弦屈曲；图2显示优化轨迹下钻时钻柱未发生屈曲。图3显示原轨迹下的滑动钻进时钻柱发生螺旋和正弦屈曲；图4显示优化轨迹滑动钻进钻柱仅发生正弦屈曲。

图2 优化轨迹后下钻工况的有效应力模拟

图3 原轨迹滑动钻进工况有效应力模拟

图4 优化轨迹后滑动钻进工况有效应力模拟

模拟计算发现：①原轨迹上提下放摩阻和最大扭矩比优化轨迹小。②原轨迹在滑动钻进中可能发生螺旋屈曲。③两种井眼轨迹均能满足井眼清洁的需求，但优化轨迹后的套管鞋处ECD要比原轨迹稍小。

3.2 钻具组合优化

通过倒装，将钻铤或加重钻杆等单位重量大的钻具放在小井斜段，原5"钻杆和加重钻杆改为5-1/2"钻杆和加重钻杆，可增加钻压和降低ECD，地面泵压和井眼清洁均满足要求。

3.3 钻井液性能优化

在排量受限或接钻具期间，钻井液在环空呈层流或滞留状态，岩屑在大斜度和水平段将发生沉降并形成岩屑床，因此，优化钻井液性能是超长水平段是否成功的关键因素之一。本井采用水基钻井液，其优化措施包括：①定期短起下修整井壁，及时泵入高悬浮性稠塞清除岩屑床。②调整钻井液性能，加入3%左右的极压润滑剂，控制泥饼的摩阻系数在0.08以下。③利用离心机清除低密度固相，最大程度降低钻进期间摩阻。④起钻前泵入高润滑封闭液，1%石墨和2%塑料小球，以降低下完井管串的摩阻。

3.4 完井管柱下入

通过计算完井管柱受力，当裸眼摩阻系数小于0.33情况下时，完井管柱才能顺利下到位。因此钻进期间，应减少轨迹大幅度调整，以保障井眼光滑。完钻后，应考虑用通井校正摩阻系数并调整钻井液性能。如果摩阻系数过大，则需考虑旋转下管柱或在管柱上加装扶正器，以改善其与井壁的接触方式。

4 认识和建议

通过上述对比，建议目标井超长水平段作业主要措施如下：

采用优化轨迹将有利于多个工况作业，但钻进中扭矩偏大，推荐使用高抗扭钻杆。

在合适井段加装倒装钻具和使用大尺寸钻杆，有利于施加钻压和井眼清洁。

推荐定向段和水平段全程使用旋转导向组合，保证轨迹平滑，最大程度的降低摩阻。

钻井液中加入性能优良的极压润滑剂及封堵材料，可降低摩阻和提高井壁承压。

下完井管柱前应进行摩擦系数校正，必要时在管柱安放半刚性扶正器模块及旋转引鞋。