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第 36 卷 第 6 期 2014 年 11 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Research Institute of Petroleum Engineering, SINOPEC, Beijing 100101, China） Abstract Due to high cost of unconventional oil/gas fields development like tight gas, it is in urgent need to study optimized fast drilling in order to reduce drilling costs. The development of unconventional oil and gas needs to place long horizontal sectionin in the reservoir. In view of the technical challenges like difficulty in control of wellbore trajectory in long horizontal section and low penetra- tion rate, the mechanical properties of bottomhole assembly was analyzed and optimized through computation, and the compound drill- ing rate in the horizontal section was improved, all of which reduced the number of trips in combination with bit selection. The drillstring oscillator was used to improve wob transferring efficiency; oil-based drilling fluid was specially prepared for horizontal section, which greatly reduced the friction factor and effectively inhibited wellbore instability. The application of optimized fast drilling technology in Daylight Unconventional Oil/Gas Field Canada shows that this technology significantly reduces drilling period and drilling costs, and provides useful reference for high-efficient development of domestic unconventional oil/gas fields. Key words unconventional oil/gas field; long horizontal section; trajectory control; penetration rate; oil-based drilling fluid; Canada 作者简介 侯立中， 1971 年生。1994 年毕业于江汉石油学院， 现从事钻井技术及管理工作。电话010-69165308。E-maillzhou.sipc 。 中国石化收购的加拿大日光能源公司， 主要开 发非常规深盆致密气和凝析油。由于开发非常规 油气藏， 尽量扩大井眼与储层的接触面积， 因此需 要储层内钻成较长的水平段， 2013 年 5 月份完钻的 Pembina 区 12-2 井， 目的层是 Cardium 组致密砂岩 油， 水平段长达 2 973 m， 采用 40 级压裂。超长水平 段有利于非常规油气藏的开发， 但同时给钻井工程 带来了技术上的挑战和居高不下的成本， 因此需要 研究形成一套针对非常规油气藏超长水平段的优快 钻井技术［1-2］。 1 钻井难点分析 长水平段水平井配合分段压裂技术可以显著提 高油气泄流面积， 是提高非常规油气井单井产量的 25侯立中等加拿大非常规油气田优快钻井技术 有效开发手段之一。长水平段水平井钻进技术的难 点是如何克服或降低井下摩阻， 提高水平井段的机 械钻速降低钻井成本， 并在常规导向技术条件下尽 量延伸水平段的长度［3］。 长水平段钻进时， 常规的井眼轨迹控制是利用 单弯螺杆的滑动导向钻进和复合钻进交替进行来实 现的。由于长水平段钻柱与井壁间的摩阻很大， 滑 动钻进时摩擦力阻碍钻压传递致使机械钻速低［4］。 复合钻进时绝大部分摩擦力被转盘的扭矩克服， 钻 压传递顺利、 机械钻速较高， 因此要研究在保证井眼 轨迹控制能力的条件下， 尽可能提高导向钻具复合 钻进与导向钻进的比例［5］；因此需要分别研究不同 单弯螺杆钻具组合在滑动导向钻井和复合钻进时的 造斜率， 导向钻进时的造斜率目前研究的已经相对 成熟， 苏义脑、 高德利等人提出了一系列造斜预测模 型已经基本满足工程需要［6-8］。单弯螺杆钻具组合 复合钻进时的造斜率则研究的相对较少， 钻井实践 表明， 复合钻进造斜率除与底部钻具组合有关外， 地 层岩石力学性质也是重要的因素［9］。 采用新工具提高钻压传递能力也是一项重要的 手段， 但是需要对适应性进行评价。 长水平段钻进周期长， 钻井液长期浸泡储层会 导致井壁失稳和储层伤害［10-11］， 钻井液体系的润滑 性能也是影响钻柱摩阻扭矩的重要因素， 因此长水 平井段钻井液体系需要优化设计。 2 优快钻井措施 2.1 导向钻具组合的优化 导向钻具优化的原则是在保证水平段井眼轨 迹控制能力的条件下， 尽可能提高复合钻进与滑动 导向钻进的比例， 其核心技术是单弯螺杆钻具组合 在复合钻进时的造斜率预测研究。从理论上上讲， 单弯螺杆钻具复合钻进时的造斜率为 0 时为最优， 这时就可以完全复合钻进直至完成水平段。但实际 上， 造斜率与底部钻具组合复合钻进时的力学特性 以及地层的岩石力学性质相关， 因此随着稳定器磨 损或者地层岩石力学性质变化， 其造斜率随之变化， 井眼轨迹偏离设计轨道， 就需要滑动导向钻进进行 纠正。 单弯螺杆钻具组合复合钻进时， 相对滑动钻进 时有两大特点一是受到重力对底部钻具组合弹性 变形的影响， 单弯螺杆产生的侧向力随着钻柱的旋 转而变化， 因此其旋转一周的合力并不为 0， 这就意 味着复合钻进时将同样具备一定的造斜能力；二是 单弯螺杆产生的侧向力随着钻柱的旋转施加于井壁 四周， 而不是滑动钻进时的一个方向， 这就可能带来 井径扩大。 导向钻具组合在钻头处产生的侧向力是评价钻 具组合造斜性能的重要参数， 获取侧向力的重要方 法是利用纵横弯曲连续梁理论公式进行计算［6］， 该 方法已经非常成熟。下列为常用的钻具组合配置 215.9 mm 钻头 1.25172 mm 单弯螺杆（自带 215 mm 稳定器） 普通稳定器（或没有）165 mm 无磁钻铤 1 根 MWD 定向接头 127 mm 加 重钻杆 127 mm 钻杆。 图 1 是计算出的导向钻具工具面在井底旋转 360 产生的各个角度的井斜力 Fx和方位力 Ff， 所有 侧向力的合力 Fh可以作为判断导向钻具组合造斜 特性的参数［12］。 图 1 旋转一周产生的井斜力、 方位力 通过计算单弯螺杆钻具组合的合力为 1 kN 左 右， 方向垂直向下（即降斜力） ， 由于重力的方向是垂 直方向的， 只影响井斜力， 当旋转 1 周时， 方位力合 力为 0。 根据纵横弯曲连续梁理论和大量钻井实践， 稳 定器与井眼之间的间隙对于侧向力的影响很大。对 于单弯螺杆钻具组合， 可以选择的是上稳定器， 通过 选择不同的直径或调节稳定器的位置， 可以改变钻 具组合的的造斜能力。 图 2 的计算结果显示， 复合钻进时钻具组合 的合力远小于滑动钻进时的侧向力， 这就是意味着 旋转复合钻进时， 造斜率要比滑动钻进时小；复合 钻进时侧向力合力不为 0， 随着上稳定器直径的变 小， 合力在增大。图 3 显示， 上稳定器与螺杆自带 的稳定器之间的距离对于侧向力合力影响大， 随着 两稳定的变大， 合力由负值变为正值， 并逐渐增大， 因此复合钻进时有可能是增斜钻进也可能是降斜 钻进。 单弯螺杆钻具组合复合钻进时， 较大的侧向力 不断切削井壁四周， 造成井眼扩大， 地层越疏松扩径 越严重， 井径扩大后底部钻具组合力学特性会发生 变化。 石油钻采工艺 2014 年 11 月（第 36 卷） 第 6 期26 图 2 上稳定器直径对两模式侧向力的影响 图 3 上稳定器的位置对侧向力的影响 地层可钻性是岩石重要的力学性质， 牛洪波等 人统计了水平井段岩石可钻性与底部钻具组合的造 斜率的关系［10］可钻性级值越高， 复合钻进造斜率 越高， 验证了图 4 的计算结果。 图 4 井眼扩大对侧向力的影响 通过对单弯螺杆导向钻具组合稳定器位置、 直 径以及所钻地层等因素对于造斜率的影响， 优化了 长水平段导向钻具组合上稳定器直径设计为 214 mm， 保持两稳定器距离为 78 m， 复合钻进时， 其理 论造斜率接近于 0， 同时导向钻进时具有较高的控制 能力， 达到尽量增大复合钻进比例的目标。 导向钻具组合造斜率受众多因素影响， 很多给 出准确的计算公式， 上述结论虽然没有直接给出造 斜率的预测公式， 但是给出了各因素对于造斜率的 影响趋势， 假设某一钻具组合在某地区经过应用， 基 本摸清了其造斜率， 就可以根据上述结论对其进行 调节配置， 从而获得不同造斜率的钻具组合。 2.2 油基钻井液体系配置 增强钻井液的润滑性能， 可提高水平段延伸能 力， 日光公司油田区域内泥岩水敏性强， 油田开发初 期使用水基钻井液时井壁失稳严重。因此综合考虑 采用油基钻井液， 有效保证井壁稳定和井眼润滑性 能， 提高长水平段钻井效率。水平井段油水比设计 为 95∶5， 以减小水平段作业时的摩阻， 有利于更长 水平段的延伸；基油选择矿物油， 黏度设计为 4565 s；使用 INVERMUL 、 EZ MUL， 保持破乳电压高于 800 V， 现场实际控制在 1 1001 200 V；同时随钻加 入 BaroLube 提高润滑性能， 加入 Torque-LESS 降低 水平段摩阻。低固相含量， 低于 8；降摩减阻剂加 量不少于 3 L/m3。 2.3 其他配套措施 （1）AGITATOR 震荡器。AGITATOR 类似于可 以随钻连续工作的震击器， 利用水力能量转换为震 动机械能， 通过对 BHA 施加震荡， 克服部分摩阻， 提 高钻压传递效果。震荡器接在钻头以上 500600 m 位置。 工具的使用一定程度上提高了钻压传递效率， 可以但由于工具压降通常在 6 MPa 左右， 限制了工 具的应用范围。 （2） 钻头选型。从地层岩性、 岩石强度着手， 参考 对邻区、 邻井钻头使用情况综合优选 PDC 类型及施 工参数。结合钻头公司， 通过阿尔伯达能源资源局 网站得到不同区块、 不同厂家钻头使用情况及原始 测井资料， 进行专门的开放性的分析研究。利用黑 匣子（Blackbox） 技术来测量井下黏滑震动数据， 以 此优化设计新型钻头（见表 1） ， 防止早期损坏。 表 1 各井段优选的钻头 地区井段钻头型号厂家 Warburg 279 mm 表层段FX65RHalliburton 二开 159 mm 井段FXD64Halliburton Brazeau 279 mm 表层段FX65RHalliburton 171.5 mm 垂直和造斜段 FXD64Halliburton 159 mm 水平段 SKH613E-A1C SKH413-A2G REED 经过定制的 FX 系列钻头在 Warburg 地区可以 一趟钻完成了直井段（套管鞋 造斜点） ， 定向段（造 斜段 A 点）以及水平段钻。该地区二开平均段长 2 620 m， 平均机械钻速达到 31.4 m/h。 2010 年， 该地区二开钻进一般需要 23 趟钻完 成， 起钻的主要原因为更换导向钻具组合和钻头。 至 2012 年， 通过导向钻具组合优化技术和钻头选型 2 项技术的结合， Warburg 地区能够实现一趟钻打完 二开井段。 27侯立中等加拿大非常规油气田优快钻井技术 3 现场应用 优快钻井技术在 Daylight 公司的 Warburg 地区 和 Brazeau 地区进行了应用， 钻井周期和成本都得到 了改善。以 Warburg 地区的的平均井深为 3 000 m 的井为例， 2010和2011年的平均钻井周期为18 d， 而 2012 年则为 8 d， 降低了 48。钻井成本， 2012 年 Warburg 钻井成本 585 美元 /m， 比 2011 年的 765 美 元 /m 降低了 24；Brazeau 地区更深一些， 成本降 低了 32。 4 结论与认识 （1） 日光油田通过理论研究及实践， 优化导向钻 井技术， 采用 AGITATOR 震荡器等新技术， 并结合 钻头选型、 油基钻井液等技术， 提高了钻井效率、 降 低了钻井成本。 因此优化挖掘常规钻井技术的潜力， 适当采用新技术， 强化配套技术是非常规油气田降 本增效的有效手段。 （2） “井工厂” 作业模式是另一种开发非常规油 田的高效手段， 在日光公司尚未全面铺开， 建议进一 步加强技术研究和实践， 这种作业模式依靠组织协 调和不同作业间的有效衔接， 这对于提速提效具有 更为迫切的现实意义。 参考文献 ［1］ 韩来聚， 周延军， 唐志军 . 胜利油田非常规油气优快钻 井技术［J］. 石油钻采工艺， 2012， 34 （3） 11-15. ［2］ 辛俊和， 吴广义， 张华北 . 加拿大致密气藏长水平段工 厂化钻完井技术 ［J］ . 石油钻采工艺， 2014， 36 （2） 7-11. ［3］ 韩来聚， 牛洪波， 窦玉玲 . 胜利低渗油田长水平段水平 井钻井关键技术 ［J］ . 石油钻探技术， 2012， 40 （3） 7-13. ［4］ 李梦刚， 楚广川， 张涛， 等 . 塔河油田优快钻井技术实践 与认识［J］. 石油钻探技术， 2008， 36 （4） 18-21. ［5］ 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） 64-69. ［6］ 苏义脑 . 钻井力学与井眼轨道控制文集［M］ ．北京 石油工业出版社， 2008126-128. ［7］ 苏义脑 . 水平井井眼轨道控制［M］. 北京石油工业 出版社， 200078-79. ［8］ 周全兴 . 中曲率水平井钻井技术［M］. 北京科学出 版社， 2000174-175. ［9］ 甲方手册编写组 . 甲方手册（上册） ［M］. 北京石油 工业出版社， 1990. ［10］ 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