长庆气田水平井优快钻井配套技术.pdf

第 37 卷 第 5 期 2015 年 9 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. No.1 Drilling Engineering Company, Bohai Drilling Engineering Co. Ltd., Tianjin 300280, China） Abstract Drilling of horizontal wells in Changqing Gasfield is characterized by complex ation conditions and poor rock drillability. To explore the matching technology for speeding up the horizontal well drilling in this area, the compound drilling technology, mud properties, prevention of backing pressure and preventing of complex conditions and accidents were applied in field drilling practices. The practices indicated that high efficiency polycrystalline diamond compact PDC bit and screw compound drilling can improve rate of penetration significantly and reduce well construction period. By controlling mud properties, the bentonite, polymer and sulphonated polymer drilling fluid systems can prevent the ation leakage and collapse at different intervals and can satisfy the lubrication requirement of drill string. of inverted drill string and application of hydraulic thruster can decrease frictional resistance of the drill string so as to mitigate backing pressure and improve ROP of slide drilling. Besides, plans to prevent complex conditions and accidents should be developed and cuted strictly during drilling. This matching technology provides a reference for the horizontal well drilling with similar well structures in Changqing area, which is of great significance to improvement of exploration and development benefit. Key words horizontal well; compound drilling; backing pressure; complex conditions and accident 作者简介解经宇， 1991 年生。中国地质大学（武汉） 在读硕士， 主要从事石油钻井及页岩气压裂等方面的研究。电话18771062560。 E-mail954226758。 长庆油气田主要目的层石盒子组和山西组， 以 砂泥岩互层为主， 夹含砾粗砂岩和不等粒砂岩， 岩石 可钻性差［1］。因油气储层总沉积厚度仅约 100 m， 多采用水平井提高单井产量。在水平井井身结构设 计中， 造斜和增斜段分别集中在石千峰组和石盒子 组， 而该段地层主要以硬脆性泥岩为主， 施工过程中 易发生井壁失稳和坍塌掉块现象［2］， 甚至可能导致 下钻遇阻划眼及砂桥卡钻。在洛河组、 安定组、 和尚 31解经宇等长庆气田水平井优快钻井配套技术 沟组和刘家沟组地层钻进时易出现地层漏失， 需要 对钻井液体系及其性能进行优选， 从而减少泥页岩 的浸泡时间［3-4］。井眼上部的安定组和直罗组地层 倾角大， 容易使井斜超标， 需选择有防斜效果的钻头 和钻具结构配合小钻压钻进， 并加强井斜监控。 鉴于长庆地区水平井施工存在的提速难题， 根 据现场钻井实践， 通过应用“高效 PDC 钻头 螺杆 马达” 复合钻井技术、 优选钻井液体系并控制钻井液 性能， 采用防托压钻具提高造斜效果， 并提前做好预 防“双沟组” 地层漏失和“双石组” 坍塌的技术措施， 实现了在该地区水平井年进尺突破 30 000 m。该配 套工艺对于提高长庆地区水平井机械钻速、 缩短建 井周期和提高勘探开发效益具有显著意义。 1 高效 PDC 螺杆复合钻井技术 1.1 螺杆优选 长庆地区水平井井身结构以三开三段制为主， 二开段井深为 2 4003 100 m， 造斜率一般在 5 （） /30 m 左右， 前期采用 1.5 常规单弯螺杆， 由于造斜率大， 造斜井段定向时间长， 通常井眼轨迹不平滑， 通过钻 井现场实践， 二开段选用 1.5 的短直棱扶正器单弯 螺杆， 其钻具复合造斜能力强， 可极大减少滑动钻进 工作量， 选择短直棱扶正器可减小钻进过程中的滑 动阻力， 如在苏 20-12-7H 井配合水力加压器使用过 程中， 滑动钻进工作量仅占该井段进尺的 18.96； 三开井深在 3 1003 500 m， 水平段长 1 2002 000 m， 采用 1 的双扶正器螺杆， 主要是为增强井底钻具 的稳定性， 减小导向钻进时对井斜的影响， 并且在水 平段寻找气层时可以满足定向要求及时调整井斜， 从而提高钻进速度。 1.2 钻头及钻井参数优选 为缩短建井周期， 全井采用高效 PDC 钻头。对 苏 20-12-7H 等 8 口已钻井进行统计， 获得该地区不 同井段的钻井参数和钻头使用效果见表 1。 表 1 长庆地区水平井钻井工艺参数与钻头使用效果分析 井段 钻井参数 总进尺 / m 钻头使用效果 钻压 /kN 转速 /r min-1排量 /L s-1泵压 /MPa总纯钻时间 /h 最高钻速 /m h-1平均钻速 /m h-1 二开直井段5012075603538121716 043567.039.0228.29 二开斜井段5020045 螺杆323317214 851762.510.686.36 三开水平段3018045 螺杆151617225 991653.014.449.17 如表 1 所示， 二开直井段因上部地层可钻性好， 宜选用大直径切削齿和中等密度布齿的高效 PDC 钻头， 并配合圆柱聚晶金刚石保径和深宽水槽等结 构特征， 实现上部地层提速和防斜。为提高钻头使 用寿命， 在统计的 8 口井施工中全部选用大港中成 钻头厂生产的 19.05 mm 进口标准 PDC 齿的 5 刀 翼碳化钨胎体钻头， 且均用一只钻头即完成直井段 钻进。直井段总进尺 16 043 m， 单只钻头最高机械 钻速达 39.02 m/h， 所有施工井的平均钻速达 28.29 m/h， 钻头使用后的实物照片如图 1 （a） 所示。 二开斜井段主要为石千峰组至石盒子组砂泥岩 地层， 其中泥岩具有硬脆性、 易掉块的特点， 而砂岩 则具有石英含量高和含砾石的特点， 地层可钻性较 差。同时， 考虑到钻孔变曲率剖面的特点， 在井斜小 于 50 时井段造斜率较高， 而定向钻进易托压， 因此 高效 PDC 钻头选型时应注重钻头的抗冲击性能和 强定向能力。现场主要采用哈里伯顿和成都迪普生 产的六螺旋刀翼 - 双排布齿钻头提高造斜工具面的 稳定性， 并采用 13 mm 和 16 mm 复合片混合布 齿增加钻头的抗冲击和抗研磨性能力。二开斜井段 共计进尺 4 851 m， 单只钻头最高机械钻速为 10.68 m/h， 平均钻速为 6.36 m/h， 较上一年钻速提高 41。 如图 1 （b） 为使用后的哈里伯顿 FXD65DS 钻头。 三开水平段钻进主要为石盒子组和山西组地 层， 岩性为灰白色砂岩夹灰色泥岩、 砂砾岩。其中砂 a215.9 mm MD9535ZC b215.9 mm FXD65DS c152.4 mm FX55D 图 1 钻头使用后的照片 石油钻采工艺 2015 年 9 月（第 37 卷） 第 5 期32 表 2 长庆地区钻井液性能参数 参数一开 二开 三开水平段 直井段45以前65以前至入窗 钻井液膨润土聚合物KCl 聚磺KCl 聚磺KCl 聚磺KCl 聚磺 密度 / g cm-31.051.101.101.121.141.161.161.181.181.201.18 （泥岩≥1.20） 黏度 /s356040455060556055605565 API 失水 / mL810≤4.5≤3.5≤3.0≤3.0 摩阻因数≤0.15≤0.10≤0.08≤0.06≤0.06 固相含量 /7101112≤8 （提密度后 12） 二开直井段地层主要为侏罗系安定组至三叠系 刘家沟组地层， 需要重点预防安定组和双沟组地层 漏失， 应保证钻井液具有较低的滤失量并形成较高 质量的滤饼。双沟组地层属区域裂缝型漏失层， 在 靠近鄂尔多斯盆地伊盟隆起和伊陕斜坡构造东北部 地区（苏 25 和苏 76 区块） 尤其严重， 有时钻井液只 进不出。施工过程中采用聚合物钻井液体系， 提前 加入 23 单封、 低渗封堵剂 BZ-DFT 等进行预 防堵漏。穿漏层时控制密度在设计低限， 一般控制 ≤1.08 g/cm3。 二开造斜 / 增斜段与三开水平段主要为三叠系 刘家沟组至二叠系石盒子组地层， 重点是防止双石 组地层垮塌。双石组地层泥岩水敏性强， 水化作用 使泥页岩逐渐分散成碎片， 且水化速度和膨胀程度 不一致， 会次生出多级裂隙， 导致岩石剥蚀、 崩塌、 掉 块。施工过程中采用防塌抑制性更强的 BZ-KSM （KCl 聚磺） 钻井液体系， 并严格按井斜角分段控制好 密度、 失水等关键性能。长庆地区钻井液关键性能 参数见表 2。 2.2 固相含量控制 施工中推广使用顶驱钻机、 高频高目振动筛和 剪切配药罐等配套设备， 有效降低钻井液固相含量， 满足安全快速施工需要。二开钻进时振动筛为 160 目， 而水平段钻进时振动筛目数则高达 180200 目， 尽快降低泥砂含量， 减少设备修理时间， 并对预防卡 钻起到积极作用。配套使用 20 m3的剪切配药罐， 可显著提高钻井液处理效率， 使钻井液能在１个循 环周期内达到预计效果。 采用 89 mm 钻杆钻进时， 受机泵条件限制， 存 在施工泵压高、 排量小（1213 L/s） 等缺点。为解决 三开 152.4 mm 井眼水平段携砂效果差、 托压严重、 螺杆输出功率不足和机械钻速低的问题， 应用能克 钻具公司提供的 101.6 mm 双台肩钻具（其中钻杆 495 根， 加重钻杆 27 根） 。该钻具本体和接头通径大， 最大使用排量 16 L/s， 最高泵压 23 MPa。在相同泵 压条件下， 同比使用 89 mm 钻杆排量提高 33， 裸 眼平均环空返速提高 51 左右， 从而缩短岩屑上返 时间， 有利于水平段携砂并减缓岩屑床的形成条件、 减小井下摩阻扭矩。此外， 采用 101.6 mm 钻具还 可增大螺杆钻具输出功率， 使之配合 PDC 钻头提高 机械钻速。水平段平均机械钻速 9.17 m/h， 同比 89 mm 钻杆时机械钻速提高了 126。 3 减托压方法和工具 水平井施工过程中， 除了钻井液润滑性差会引 起钻进托压现象外， 由于重力的影响使钻柱与井壁 的摩阻增大也会产生托压现象。通过倒装钻具组合 减轻下部钻柱重量和采用井下辅助破岩工具来减缓 托压。钻井实践中采用的倒装钻具组合分别如下。 斜井段215.9 mmPDC 165 mm 1.5 单弯螺 杆 LWD 短节 177.8 mmNMDC 1 根 411/410 岩的石英含量高， 硬度大， 可钻性级别 6 级， 研磨性 强， 可钻性差。选择钻头型号时， 主要考虑增加钻头 的抗研磨性、 强攻击性和钻进平稳性， 减少钻头扭矩 和托压现象， 从而方便控制井眼轨迹， 增加单只钻头 进尺和提高机械钻速。水平井段主要采用的是哈里 伯顿和中成钻头厂的 5 螺旋刀翼 - 双排中密度混合 布齿钻头。该类钻头具有较长抛物线型冠部结构， 并采用 13 mm 和 16 mm 复合片混合布齿， 以及 倒划眼齿和减震齿同时提高钻头的稳定性和抗研磨 性强度。水平段总进尺 5 991 m， 单只钻头最高机械 钻速 14.44 m/h， 平均钻速 9.17 m/h， 较上一年提高 22。图 1 （c） 为使用后的哈里伯顿 FX55D 型钻头。 2 钻井液性能控制 2.1 钻井液体系和性能控制［5-8］ 一开主要为第四系黄土层和白垩系安定组地 层， 地层松软， 渗透性强， 为预防垮塌和漏失， 可采用 膨润土浆钻进。 钻进过程中维持钻井液密度1.051.0 g/cm3， 黏度 3560 s， 防止井口垮塌。 33解经宇等长庆气田水平井优快钻井配套技术 防磨接头 （或 SJ-165 水力加压器 ） 127 mmDP （根据井深倒装至直井段） 127 mmHWDP 8 柱 127 mmDP； 水平段152.4 mmPDC 127 mm 1 双稳定 器螺杆 120 mm 浮阀 120 mmNWDC 1 根 LWD 120 mmNWDP 1 根 101.6 mmHWDP 1 柱 101.6 mmDP （ 根据井深倒装至直井段 ） 101.6 mmHWDP 7 柱 101.6 mmDP。 在苏 20-12-7H 井中， 试验应用了 SJ-165 水力加 压器。试验井段 3 0003 417 m， 平均机械钻速 6.5 m/h。配合 1.5 单弯螺杆使用时， 实现了滑动钻进机 械钻速 2.86 m/h， 滑动进尺比例 18.96， 表明水力加 压器能够改善传压效果， 减轻托压现象。 4 井下事故复杂预防 4.1 起下钻防卡 井眼清洁状况、 钻井液性能和井眼狗腿度是造 成起下钻遇阻遇卡的关键因素。为减少起下钻事故 复杂， 在钻进过程中采用下述措施保证正常起下钻 （1） 确保排量满足快速钻井携砂需求， 使钻井液上返 速度大于 1.25 m/s；（2）加强固控设备的使用， 确保 含砂量小于≤0.3， 总固相含量控制在 10 左右； （3） 加强通划眼工作和短起下作业， 破坏和清除岩屑 床， 并充分利用顶驱钻机的优势， 采取倒划眼起钻携 砂；（4） 出现托压时及时活动钻具 45 m， 必要时停钻 循环钻井液或进行短起下作业；（5） 漏斗黏度控制在 6575 s， 动塑比控制在 0.50.7， 并及时向钻井液中 补充润滑剂， 使摩阻≤0.06；（6） 严格控制狗腿度值。 4.2 防漏与防塌 双沟组（和尚沟组和刘家沟组） 钻进过程中如果 出现漏失现象， 为提高深部双石组（石千峰组和石 盒子组） 防塌地层的承压能力， 需要先进行堵漏再实 施下部钻进。现场钻进实践表明， 在漏速小于 5 m3/ h 时可先强行钻穿该层位， 然后再打堵漏钻井液进行 静止堵漏， 而当漏速大于 5 m3/h 甚至出现失返（钻 井液只进不出） 时， 则需要采用水泥浆堵漏以后才能 正常钻进。漏失层钻进时应适当减小钻井液排量， 并在刘家沟组地层定向钻进之前注入堵漏钻井液进 行憋压堵漏。此外， 在起下钻和下套管过程中需要 严格控制钻具上提下放速度， 避免因激动压力而憋 漏地层。 双石组地层防塌主要通过化学防塌、 物理防塌 和减少地层浸泡时间来实现。化学防塌是采用具有 强抑制性的 BZ-KSM 钻井液体系， 快速形成致密低 渗透的滤饼， 严格控制防塌层位钻进时的钻井液失 水量。物理防塌是及时调整钻井液密度， 如在防塌 层注入预先配置好的重浆， 并在起钻时及时往钻柱 内灌注钻井液， 实现井壁力学稳定。减少地层浸泡 时间主要通过强化生产组织， 实现各工序无缝衔接， 并应用配套提速工具和工艺， 提高机械钻速来实现。 此外， 起下钻具和开泵过程中， 同样需要避免因操作 不当而产生过大的激动压力和抽吸压力。 5 结论 （1） 通过优选高效 PDC 钻头和螺杆马达， 实现了 长庆地区水平井提速目标， 钻头和螺杆类型应根据 井身结构和钻遇地层的特点进行选择。 （2） 根据井眼剖面结构， 分别采用了膨润土、 聚合 物和 KCl 聚磺钻井液体系， 各钻井液体系对双沟组 地层防漏、 双石组地层防塌， 以及造斜 / 增斜和水平 段钻进防托压起到较好效果。 （3） 除保证钻井液润滑性防托压之外， 倒装钻具 组合和应用水力加压器也能对减少水平段托压起到 显著效果， 从而改善传压效果， 提高滑动钻进速度。 （4） 分别对起下钻防卡、 双沟组地层防漏和双石 组地层防塌等井下事故复杂进行了技术备案， 钻遇 复杂地层时要严格按照技术预案执行， 从而保证钻 井顺利进行。 参考文献 ［1］ 董建辉 . 苏里格地层划分与对比研究［J］. 科学技术 与工程， 2012， 12 （14） 3443-3445. ［2］ 韩伟超， 徐晓磊， 赵鹏， 等 . 苏里格气田水平井造斜增 斜段井壁稳定控制［J］. 长江大学学报自然科学版， 2013， 10 （14） 50-53. ［3］ 韩伟超 . 苏里格地区水平井事故复杂的预防处理［D］. 武汉长江大学， 2013-05. ［4］ 武宇伟 . 苏里格气田钻井复杂处理技术探索［J］. 石 油科技论坛， 2013 （2） 11-14. ［5］ 夏林， 何卫滨， 戴万海， 等 . 苏里格气田苏 20-17-15H 井水平井钻井液技术［J］. 钻井液与完井液， 2010， 27 （3） 89-90， 94. ［6］ 李文明， 向刚， 王安泰， 等 . 苏里格气田大位移水平井 钻井液技术［J］. 石油钻采工艺， 2012， 34 （3） 33-35. ［7］ 王中华 . 复杂漏失地层堵漏技术现状及发展方向［J］. 中外能源， 2014， 19 （1） 39-48. ［8］ 蒋明， 罗树祥， 王先洲， 等 . 低含量 KCl 钻井液在苏里 格气田的应用［J］. 石油钻采工艺， 2014， 36 （4） 54- 56. （修改稿收到日期 2015-08-18） 〔编辑 薛改珍〕