三塘湖致密油长水平段水平井钻井技术.pdf

第 36 卷 第 6 期 2014 年 11 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Exploration Company of Tuha Oilfi eld Company, Shanshan 838202, China;3. Engineering and Technology Research Institute of Tuha Oilfi eld Company, Shanshan 838202, China） Abstract Tight oil exploration in Santanghu Basin enjoys a broad prospect, and horizontal well technology is an important means for effective development of this region. This paper started with analysis of difficulties in horizontal well drilling in Santanghu tight oil ation and carried out research on key techniques such as wellbore configuration optimization and profile design, specific drilling selection, low-cost and high-efficient trajectory control, increasing the encountering rate of reservoirs by horizontal section and quality, and effective drilling fluid, etc. The paper has also developed supporting technique series suitable for optimized fast drilling of tight oil horizontal wells in Santanghu Basin, which has been successfully used in five wells like Well Lu 101 and realized remarkable increase in drilling rate. Key words tight oil; long horizontal section; horizontal well; optimized fast drilling; Santanghu 作者简介钱峰， 1970 年生。1993 年毕业于江汉石油学院石油开发系钻井工程专业， 2010 年长江大学攻读博士学位， 高级工程师。电话 0995-8371633。E-mail qianfeng168。 三塘湖盆地位于新疆东北部， 面积 2.3104 km2。 该盆地自上而下主要发育第四、 第三系、 侏罗系、 三 叠系、 二叠系及石炭系， 其中马朗、 条湖凹陷二叠系 条湖组致密油藏获得了商业突破， 有利储层分布区 面积达 486 km2。条湖组致密油藏为“高孔隙度、 高 含油饱和度、 特低渗透” 凝灰岩储层， 前期完钻 38 口 探井， 17 口见油， 受储层致密影响， 常规直井产量普 遍较低， 为大幅提高难动用储量的勘探开发效果， 开 展了水平井 大规模体积压裂开发的攻关试验， 取 得了显著效果， 水平井产量达到邻近直井的 20 倍。 因此转变致密油开发模式， 大力发展水平井钻完井 技术， 是实现三塘湖致密油有效开发的重要途径。 1 水平井钻井技术难点分析 1.1 地层分布复杂， 安全钻井难度大 马朗凹陷上部直井段第三、 第四系以固结较差 的砾石、 砂砾岩为主， 砾石胶结差易垮塌， 砂砾岩发 育易漏失， 进一步导致井壁垮塌；造斜段侏罗系西 山窑组及三叠系小泉沟地层以灰色厚泥岩、 黑色碳 质泥岩为主夹煤层， 厚泥岩及碳质泥岩易缩径、 剥落 21钱 峰等三塘湖致密油长水平段水平井钻井技术 及垮塌， 煤层易发生垮塌卡钻及漏失现象， 区内马 52 井钻遇该地层， 累计 5 次发生井壁坍塌复杂， 复杂时 效达到 11.51；水平段二叠系凝灰岩、 硬脆性玄武 岩、 碳质泥岩及凝灰质砂岩发育， 坍塌应力高、 井壁 稳定性差、 易垮塌。区内直井 ML1 井， 2 3403 800 m 井段反复发生井壁坍塌掉块， 形成多处大肚子井 眼， 给钻井及后续测井造成巨大阻碍， 严重影响钻井 周期。 1.2 地层可钻性差， 钻井周期长 第三系、 第四系砾石发育， 跳钻严重， 参数强化 困难。三叠系底部及以下地层岩性致密， 硬度大， 可 钻性差， 导致整体机械钻速偏低。小泉沟底部发育 厚砂砾岩， PDC 钻头平均单只进尺 103 m， 机械钻速 仅 2.69 m/h。条湖及芦草沟组地层均质性差， 泥岩、 碳质泥岩、 玄武岩、 凝灰质砂岩软硬交错， PDC 钻头 可钻性极值达到 6 级， 常规 PDC 钻头适应性差， 前 期直井 PDC 钻头平均机械钻速仅 1.98 m/h， 制约了 钻井提速。 1.3 长水平段摩阻扭矩大， 井眼轨迹控制、 清洁及井 壁稳定问题突出 三塘湖致密油区块前期开发主要以直井为主， 仅 2009 年完钻一口水平井马 50P， 结合目前勘探开 发部署， 该区实施水平井规模开发， 水平段长度平均 800 m 左右， 较长的水平段导致在滑动钻进中摩阻扭 矩增大， 钻进时托压严重， 钻速低， 井眼轨迹控制难 度大， 同时由于水平段岩性复杂、 井壁稳定性差， 常 规钻井液很难满足安全快速钻井需求。 2 井身结构与井眼轨道剖面设计 2.1 井身结构设计 综合考虑地层特点、 地层压力情况， 以及后期多 级分段压裂改造的需要， 该区水平井井身结构优选 二层套管井身结构， 375 mm 钻头一开， 下入 273 mm 表层套管；二开 216 mm 钻头钻完水平段、 下 入 139.7 mm 油层套管固井完井。 2.2 井眼轨道剖面设计 三塘湖致密油藏储层横纵向变化大， 邻井可比 性差， 在轨迹设计时应给予足够的施工余地， 利用软 件建立三维井眼钻柱轴向力、 扭矩的计算模型， 根据 设计轨道反演校正摩阻扭矩， 优选“直增稳 增稳” 的变曲率切线剖面， 造斜率控制在 6 （ ）/30 m 左右， 保证精确中靶的前提下降低摩阻扭矩， 利于 水平段延伸。马 59H 井自造斜点增斜至 81.16 稳 斜探出油层 A 点后， 利用钻具自身造斜能力， 复合增 斜至 86.33 后稳斜钻至 B 点， 井眼轨道剖面设计见 表 1。 表 1 马 59H 水平井井身剖面设计 描述测深 /m井斜 /（） 网格方位 /（） 垂深 /m北坐标 /m 东坐标 /m 视平移 /m狗腿度 /（） （30 m）–1 造斜点1 985.000.00317.611 985.000.000.000.000.00 造斜节点 12 379.8581.16317.612 260.45174.23–159.04235.906.17 水平段 A 点2 409.8681.86317.552 264.88196.14–179.06265.580.71 造斜节点 22 454.5386.33317.552 269.47228.92–209.04310.003.00 水平段 B 点3 226.7986.33317.552 318.88797.59–729.201 080.690.00 3 个性化钻头设计与优选 定向段西山窑至小泉沟组地层胶结致密， 可钻 性差、 研磨性强， 常规牙轮钻头配合高转速单弯螺 杆， 轴承部磨损严重， 定向施工具有一定难度， 为确 保造斜率满足设计要求， 同时提高机械钻速， 优选江 钻 SMD517X 型超高速马达牙轮钻头， 该钻头具有 工作寿命长、 抗研磨能力强、 稳定性高、 破岩效率高 的优点。试验表明 SMD517X 牙轮钻头与常规牙轮 钻头相比机械钻速提高 57， 单只进尺提高 198， 整体行程钻速得到大幅提高。 水平段条湖组至芦草沟组凝灰岩、 玄武岩发 育， 条湖组地层的 PDC 可钻性在 56 级之间， 研 磨性强， 常规 PDC 钻头钻进效率低， 为此设计优选 MD6645A 耐磨导向 PDC 钻头， 该钻头为六刀翼、 16 mm 切屑齿的 PDC 钻头， 包括 2 个主刀翼， 4 个 副刀翼， 刀翼流道设计为螺旋状；采用双排齿设计， 主切削齿复合片规格为 16 mm， 复齿和保径齿规格 为 13 mm， 有 6 个可换式水眼， 通过优化倒划眼齿、 修边齿以及钻头喷嘴的喷射方向设计、 优选金刚石 复合片脱钴处理工艺， 提高了钻头抗冲击、 抗研磨及 井底工作稳定性， 实现了该区块长水平段一趟钻。 4 全井段钻具组合复配技术 直井段坚持防斜打快的思路， 采用 “单 2 扶正 器”钟摆钻具216 mm 钻头＋ 7LZ172 （0.751 ） 单弯螺杆 159 mm 无磁钻铤 1 根 214 mm 扶 正器＋ 159 mm 钻铤 17 根＋ 127 mm 钻杆， 石油钻采工艺 2014 年 11 月（第 36 卷） 第 6 期22 充分解放了钻井参数， 机械钻速由 5.09 m/h 提高至 12.4 m/h。 造斜段采用“单扶” 钻具， 单弯螺杆自带了 1 个 上扶正器， 既有利于定向施工中工具面的稳定， 又有 利于井眼轨迹的控制。 长水平段钻具组合首要考虑的就是稳斜性， 为 此优选具有特殊尺寸的“01 扶正器”钻具结构 216 mm 钻头＋ 172 mm 单弯双扶螺杆 172 mm 电阻率短节 159 mm 无磁钻铤（MWD 伽马） 悬挂接头＋ 127 mm 加重钻杆 3 根＋ 127 mm 斜坡钻杆 （30111） 根＋ 127 mm 加重钻杆 30 根＋ 127 mm 钻杆， 通过优化螺杆扶正器尺寸 及 2 个扶正器之间的间距， 保证水平段复合稳斜效 果， 单根井斜变化小于 0.2 ， 平均水平段复合钻进比 例大于 92， 减少井眼轨迹调整， 实现了低成本高比 例旋转复合钻进。 5 长水平段工程地质导向技术 马朗区块致密油藏储层横纵向变化大， 邻井可 比性差， 即使利用直导眼或斜导眼准确卡层， 在井眼 水平着陆时， 仍然会存在预计目的储层与实钻相差 的情况， 造成水平段轨迹调整频繁， 后期摩阻大， 定 向传压困难， 施工难度大。 通过运用“双（多） 探底” 技术， 即结合前期探 井（导眼井） 取心或测井解释油层厚度、 地层倾角， 在 油层顶部着陆后， 继续着陆油层底部 2 次或多次， 及 时动态的精确修正油层倾角， 建立长水平段动态油 顶底靶盒模型， 更体现出水平井目的层“宁底勿顶、 中部穿行” 的安全钻井模式（图 1） 。 图 1 双（多） 探底技术示意图 针对马朗区块条湖组致密油藏地层倾角变化幅 度较大（变缓、 变陡） ， 通过多次探底（顶） ， 将长水平 段微分化， 形成多个连续的“双探底” 模型段， 从垂 向整体上看， 即将连续稳定的地层微分为多个矩形 靶盒， 实现动态油顶底靶盒模拟， 为后续长水平段钻 进提供保障（图 2） 。 图 2 动态靶盒模拟模型示意图 确定好油层动态靶盒后， 结合上部井段入井钻 具结构的滑动钻进与复合钻进的造斜能力， 根据井 斜方位实际测量点结果， 预判断钻头处井斜方位数 据， 进行模拟计算， 实时预算钻头处于动态靶盒的位 置， 每测量出一个点数据后实时更新钻头处数据， 确 保钻头位置围绕动态靶盒中心线处优势油层上下波 动幅度较小。 水平段通过工程地质导向技术， 利用随钻电阻 率、 随钻伽马资料， 综合地质、 工程、 录井资料建立地 质导向动态模型， 及时发现地层和储层的变化， 实时 调整井眼轨迹， 成功应用 5 口水平井， 平均水平段长 794 m， 储层钻遇率均达到 90 以上， 大幅提高长水 平段致密油储层钻遇率。 6 弱凝胶钻井液体系 针对三塘湖致密油长水平段安全快速钻井的要 求， 从钻井液的井壁稳定、 井眼净化、 防卡润滑等性 能入手， 自主研发新型弱凝胶钻井液体系， 优选出具 有优良流变性、 抑制性及携砂、 封堵能力强的弱凝胶 主剂与辅剂， 弱凝胶钻井液体系的配方如下清水 0.2NaOH0.12Na2CO30.2 增黏抑制剂 0.5 NaPAN0.2 提切剂 2.5 封堵防塌剂 2 降滤失 剂 0.5 弱凝胶主剂 2 弱凝胶辅剂。与常规钻 井液体系相比， 该体系各项性能都有了大的提高， 润 滑系数由 0.069 降至 0.042， 滚动回收率由 77.68 增强至 82.7， 滤液对岩心膨胀率由 23 降低至 13.8， 钻井液抑制性有了较大的提高， 剪切稀释性 系数由 0.78 降至 0.46， 动塑比基本上大于 0.70， 钻井 液的动态携砂和静态悬砂性能较好， 岩心渗透率恢 复值由 63.6 提高至 86.7。该体系应用井井壁稳 定， 均无复杂事故发生。 7 现场应用 在马朗区块完成5口井致密油长水平段水平井， 与前期完钻马 50P 相比， 在平均水平段长增加 493 m 的前提下， 钻井周期由 61.2 d 缩短至 42.45 d， 缩短 30.6， 机械钻速由 4.57 m/h 提高至 5.27 m/h， 提高 13.3， 钻头用量由 12 只减少至 7 只， 减少 41.7， 提速效果明显。 其中芦101H井水平段长达1 100 m， 创吐哈水平井周期最短、 水平段最长等多项记录（见 表 2） 。 8 结论与认识 （1） 形成了以复杂地层长水平段水平井轨迹设计 优化、 双扶螺杆 LWD 工程地质导向、 全井段安全高 23钱 峰等三塘湖致密油长水平段水平井钻井技术 效个性化钻头序列为核心等三塘湖致密油水平井配 套钻井技术系列。 （2） 打破火山岩地层不适应 PDC 钻头的常规观 念， 成功设计试验耐磨型导向 PDC 钻头。 （3） 自主研发的新型弱凝胶钻井液体系， 以其优 良的流变性、 抑制性及携砂封堵能力， 成功实现了复 杂地层水平井的安全高效钻进。 （4）通过“长水平段水平井 固井完井速钻桥 塞分段压裂” 的技术模式， 实现了三塘湖盆地条湖组 致密油藏的经济有效开发， 为国内致密油勘探开发 提供了可借鉴的宝贵经验。 参考文献 ［1］ 韩来聚， 牛洪波， 窦玉玲 . 胜利低渗长水平段水平井钻 井关键技术［J］. 石油钻探技术， 2012， 40 （3） 7-11. ［2］ 唐志军 . 水平井钻井技术在大牛地气田的应用［J］. 石油钻采工艺， 2009， 31 （6） 40-43. ［3］ 祁宏军， 闫振来 . 金平 1 井长水平段水平井的设计与施 工［J］. 中外能源， 2010， 15 （1） 56-59. ［4］ 牛洪波 . 大牛地气田长水平段井眼轨迹控制方法［J］. 天然气工业， 2011， 31 （10） 64-67. ［5］ 吴爽， 李骥， 张炎 . 大位移井技术研究的现状分析［J］. 石油钻探技术， 2002， 30 （5） 17-19. ［6］ 葛磊 . 樊家地区致密砂岩油气藏钻井关键技术［J］. 石油钻采工艺， 2014， 36 （3） 27-32. ［7］ 黄鸿， 李俞静， 陈松平， 等 . 吉木萨尔地区致密油藏水平 井优快钻井技术［J］. 石油钻采工艺， 2014， 36 （4） 10- 12. （修改稿收到日期 2014-10-18） 〔编辑 薛改珍〕 表 2 马朗区块致密油水平井钻井指标统计 类别井号完钻井深 /m钻井周期 /d机械钻速 /m h–1水平段长 /m复杂事故时效 /钻头用量 / 只 老井马 50P237061.204.57301012 新井 马 58H307940.005.1980406 马 59H257842.004.9379208 马 56-3H263339.004.88509011 马 56-5H293934.806.6376903 芦 101H371256.465.02110007 平均298842.455.2779407 欢迎订阅 2015 年石油钻采工艺 石油钻采工艺 创刊于 1979 年， 是由中国石油天 然气集团公司主管、 华北油田分公司和华北石油管理 局主办的科技期刊， 是中文核心期刊、 中国科技核心期 刊， 由中国科学引文数据库（CSCD） 、 中国期刊全文数 据库 （CJFD） 、 俄罗斯 文摘杂志（AJ） 、 美国 化学文摘 （CA） 、 美国剑桥科学文摘 （CSA） 等国内外著名检索 机构收录， 多次荣获中国石油天然气集团公司和河北 省优秀期刊称号。 本刊设有钻井完井、 油气开采、 新能源开发、 交流 园地、 探讨争鸣、 要闻简讯等栏目。主要报道国内石油 钻井、 采油的新工艺、 新技术、 科研成果和先进的生产 管理经验， 并适当介绍与其有关的国外发展水平、 综述 和动态。 本刊为双月刊， 大 16 开， 公开发行。国际标准连 续出版物号 ISSN 1000-7393， 国内统一连续出版物 号CN 13-1072/TE， 邮发代号18-121， 每期每册定价 30.00 元， 全年 180.00 元。欢迎广大读者订阅。联系人 张冬梅， 电话0317-2723370。E-mailsyzcvip.163. com。 汇款方式 1. 银行电汇收款单位中国石油天然气股份有限 公司华北油田分公司；开户行工商银行华北石油支 行；账号040 800 400 922 100 9311；电汇单上请注 明“订 2015 年石油钻采工艺 ” 。 2. 邮局汇款地址河北省任丘市华北油田公司采 研院；邮政编码 062552；收款人石油钻采工艺 杂志社；汇款单附言请注明“订 2015 年石油钻采 工艺 ” 。