G0-7三维水平井井组工厂化钻井工艺.pdf

第 37 卷 第 2 期 2015 年 3 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Changqing Downhole Service Company, Chuanqing Drilling Engineering Corporation, CNPC, XianYang 712000, China） Abstract The G0-7 3D horizontal well group is planned in the southeast part of Sulige Gasfield of Changqing Oilfield, composed by 1 straight well, 2 directional wells, 2 conventional horizontal wells and 4 3D horizontal wells. The factory drilling operation was adopted – three rigs started drilling at the same time and each drilled one conventional well and two horizontal wells. In view of difficulties in drilling of cluster well group, a series of measures were ulated in terms of anti-collision and avoiding barriers, wellbore profile optimization, wellbore trajectory control, reducing friction and drag, and special techniques were developed like ‘pre- split’ anti-collision and avoiding barriers, 3D well profile optimization, 3D well wellbore trajectory control and CQ-SP2 drilling fluid system, etc. The penetration rate of this cluster well group was 9.68 m/h in average, up by 18.19 on year-on-year basis, and average drilling period was 55.67 d, shortened by 8.82 compared with the original drilling mode. The successful factory drilling operation of this well group provides a strong technical support for factory drilling operation of 3D horizontal wells planned by Changqing Oilfield. Key words factory drilling operation; 3D horizontal well; cluster well group; anti-collision and avoiding barriers technique; profile design; Sulige Gasfield 基金项目中国石油集团公司科学研究与技术开发项目“致密气藏钻完井技术研究” （编号2010E-2303） 。 作者简介王万庆， 1964 年生。2005 年毕业于西安石油大学石油工程专业， 现从事定向井、 水平井技术方面的研究工作， 高级工程师。 电话029-86592615。E-mailshicd_0。 工厂化作业主要基于丛式井开发模式， 采用系 统的管理思路， 集中配置人力、 物资、 工具等要素， 合理布井、 规模施工、 统一管理、 批量钻井， 缩短井 场准备、 钻机搬迁、 设备调试等作业时间， 提高钻完 井各个环节的作业效率， 实现“规范、 高效、 快速” 钻井作业， 从而缩短建井周期、 降低综合开发成本［1］。 G0-7 丛式井组是由直井、 定向井、 二维水平井、 三维 水平井多种井型组成的混合型丛式井组， 该开发模 式在提高生产效率、 降低开发成本方面可发挥巨大 的作用。 石油钻采工艺 2015 年 3 月（第 37 卷） 第 2 期28 1 工厂化作业钻井施工难点 （1） 混合井型丛式井组布井， 防碰难度大。G0-7 工厂化丛式井组共布井 9 口， 由 1 口直井、 2 口定向 井、 2 口二维水平井和 4 口三维水平井组成， 其中 6 口水平井水平段呈“山” 字型排布（见图 1） 。井口 呈一字型布局。整个井组由 3 部钻机同时施工， 每 部钻机施工 3 口井。整个井组在方案论证前期做了 井组防碰， 施工过程中， 既存在表层防碰， 又存在斜 井段防碰， 增加了井眼轨迹防碰难度［2］。 图 1 三维井眼轨迹 （2） 三维水平井斜井段存在增斜和扭方位， 摩阻 扭矩大。该井组 4 口三维水平井设计的偏移距均为 600 m、 靶前距 500 m， 为了尽快消除偏移距， 定向方 位与设计方位相差 90， 在井斜增到一定角度， 偏移 距消除后， 将方位扭到设计方位［3］。全角变化率相 对较大， 水平段施工中摩阻扭矩大。 （3） 靶体要求精度高， 井眼轨迹控制难度大。该 区块储层埋藏垂深在 3 000 m 以下， 入窗垂深调整范 围大（靖 60-24H2 井入靶垂深上调 12 m） ， 造成入窗 进靶井段曲率大幅度增大；同时水平段靶体纵向误 差控制在 0.5 m， 横向摆动幅度控制在 20 m 以 内， 增加了矢量入窗井段轨迹控制难度。 （4） 地层多变， 预防井下复杂难度大。延安组、 延 长组地层中上部大段砂泥岩混层易发生吸水膨胀， 造成缩径；延长组、 刘家沟组承压能力低易发生漏 失；石千峰、 石盒子组地层大段泥岩易坍塌， 井壁稳 定性较弱。 （5）该井组有 3 口水平井水平段设计 2 000 m， 其中 2 口为三维水平井， 水平段钻具刚性弱， 钻具易 形成屈曲， 滑动钻进过程中， 钻头上无法施加有效钻 压， 工具面调整困难， 井眼轨迹控制难度增大［4-5］。 （6） 储层连续性差， 立体开发多个层位， 垂深变化 大， 泥岩钻遇率较高， 频繁调整轨迹， 复合钻进过程 中扭矩大。 2 井场布局 该工厂化井组井场规格 360 m70 m， 共 9 口井 （见图 2） 。由 3 部钻机同时施工， 每部钻机施工 3 口 井， 井口间距为 20 m。钻机呈“一” 字型排布， 大门 方向均为 221 ， 施工过程中钻机间距 110 m。井场 材料供应区及设备维修区统一使用， 减少用地面积。 图 2 G0-7 井组平面布局示意图 3 井眼防碰绕障技术 应用“预分法” 井眼防碰绕障技术， 即在每口井 表层开钻时使井眼轨迹在保证井身质量的前提下向 有利于防碰的方位钻进， 做到主动防碰。通过预分 可以减少表层井眼轨迹失控的风险， 同时也减轻了 后期防碰施工的工作量。每部钻机施工 3 口井， 常 规井部署在中间。施工顺序为先施工常规井、 向后 移动 20 m 施工第 1 口水平井、 向前移动 40 m 施工 第 2 口水平井， 根据每部钻机施工井顺序， 制定整体 井眼防碰技术方案和措施［6］， 见表 1。 表 1 井组施工顺序 钻机施工顺序 设计方位角 / （） 备注 1 号 靖 60-22279定向井， 设计位移 530 m 靖 60-22H1360 （三维） 水平井， 设计水平段长1 000 m 靖 60-22H2180 （三维） 水平井， 设计水平段长2 000 m 2 号 G0-7直井 靖 60-23H1360水平井， 设计水平段长1 000 m 靖 60-23H2180水平井， 设计水平段长2 000 m 3 号 靖 60-2499定向井， 设计位移 530 m 靖 60-24H1360 （三维） 水平井， 设计水平段长1 000 m 靖 60-24H2180 （三维） 水平井， 设计水平段长2 000 m 充分利用浅层钻进时 PDC 钻头滑动效果好、 导 向钻具组合工具面可控能力强的优势， 有效将井斜 控制在设计要求范围内实现井眼的分离；井间最小 距离按照误差模型， 分离系数不小于 1.5， MWD 井斜 测量误差不大于 0.2 ， 确保该井组的井身质量。 4 三维水平井剖面优化技术 运用 Navigator Drilling Studio 软件对水平井剖 面进行优化设计， 三维水平井井眼剖面优化为直井 段、 纠偏井段、 扭方位井段、 增斜井段、 进窗入靶井 29王万庆等G0-7 三维水平井井组工厂化钻井工艺 段、 水平井段的六段制剖面（表 2） 。针对三维水平 井的特点， 根据每口井的剖面设计运用摩阻扭矩软 件进行施工可行性分析 （见图 3） ［7］ 。根据分析结果， 合理选用钻头及螺杆， 优化增斜井段、 进窗入靶井段 全角变化率， 有效控制各井段全角变化率［8］， 降低施 工中摩阻与扭矩。 表 2 三维水平井井身剖面 井段 类型 井深 / m 最大井 斜角 / （） 最大全角变 化率 / （） 30 m-1 备注 直井段0650≤ 2≤ 2.1防斜打直 纠偏 井段 6502 620≤ 18≤ 4 方位角与靶 体方位夹角 （7589） 扭方位 井段 2 6202 820≤ 18≤ 4 稳斜 扭方位 增斜、 入窗井段 2 8203 350≤ 90≤ 6 稳斜 探气层顶 水平井 井段 3 350 完钻≤ 92≤ 2 轨迹 变化平缓 图 3 钻具侧向力分析 5 三维水平井井眼轨迹控制技术 5.1 直井段与纠偏段 钻 具 组 合241.3 mmPDC5LZ1977.0L 螺 杆 钻 具（1.25 ） 178 mm 钻 铤 3.0 m 237 mmSTAB178 mm MWD 接头 178 mm 无磁钻 铤 1 根 178 mm 钻铤 6 根 127 mm 加重钻 杆 42 根 127 mm 钻杆。 钻进参数钻压 80120 kN， 转速 50 r/min ＋螺 杆， 排量 45 L/s， 泵压 15.316.0 MPa。 纠偏井段采用“四合一” 钻具组合， 即单弯双稳 导向钻具组合。该井段分解为定向增斜井段和稳斜 钻进 2 段。为了尽快消除偏移距， 控制定向方位角 与水平段靶体方位角夹角在 8090 之间。考虑到 后期进行扭方位施工， 采用滑动钻井方式将井斜增 至13 左右， 该套钻具组合滑动增斜率为 （ 36 ） /30 m。 根据地层规律， 充分发挥该套钻具的特性， 复合钻进 过程中基本处于稳斜或微增状态， 有效提高纠偏井 段的施工效率（表 3） 。 表 3 纠偏段实际剖面参数 井号 增斜井段稳斜井段 方位角 / （） 增斜率 / （） 30m-1 最大井 斜 /（） 增斜率 / （） 30m-1 井斜 角 / （）靶体 纠偏 靖 60-22H15.5512.920.0917.58360 284 靖 60-22H22.5813.580.1313.58180 268 靖 60-24H12.6913.970.2415.1636087 靖 60-24H22.5713.580.1311.25180 269 5.2 扭方位井段 钻具组合215.9 mmPDC7LZ165 螺杆钻具 1.5 165 mm MWD 接头 165 mm 无磁钻铤 1 根 转化接头 461430127 mm 加重钻杆 42 根 127 mm 钻杆。 钻进参数钻压 6080 kN， 转速 50 r/min ＋螺 杆， 排量 32 L/s。 采用该套钻具进行扭方位作业， 重点控制井斜 角处于稳斜或微增斜状态［9］， 该套钻具组合滑动方 位变化率为（46） /30 m（见表 4） 。井斜变化率控 制在 2 /30 m 的范围内， 确保扭方位井段井眼光滑 （见图 4） 。 表 4 扭方位段实际剖面参数 井号 靶体 方位 角 / （） 井斜角 / （） 方位角 / （） 变化率 / （） 30m-1 施工前 施工后 施工前 施工后 井斜 方位 靖 60-22H1 36017.5824.352853490.62 5.89 靖 60-22H2 18011.2536.082702001.67 4.98 靖 60-24H1 36014.721.2773.73.31.20 5.19 靖 60-24H2 18015.7324.871041421.77 5.35 图 4 三维水平靖 60-22H1 井水平投影图 石油钻采工艺 2015 年 3 月（第 37 卷） 第 2 期30 5.3 增斜井段 钻具组合215.9 mm PDC 钻头 7LZ165 螺 杆钻具（1.5 ）165 mm 回压阀 165 mm MWD 接头 165 mm 无磁钻铤 1 根 127 mm 加重钻 杆 9 根 127 mm 钻杆 45 根 127 mm 加重 钻杆 36 根 127 mm 钻杆。 钻进参数钻压 6080 kN， 转速 50r/min ＋螺 杆， 排量 32 L/s。 斜井段采用单弯单稳导向钻具组合， 运用 MWD 无线随钻测量方式， 井眼轨迹控制采用复合钻进与 滑动钻进交替进行。坚持“少滑动、 多复合、 微调勤 调” 原则， 合理调整滑动钻进与复合钻进的比例， 保 证井眼规则（表 5） 。由于地层变化， 窗口垂深调整 范围较大， 如靖 60-24H2 井入窗垂深上调 12 m。为 了保证精确入靶， 现场根据邻井地质资料， 通过实时 岩屑、 伽马、 气测值判断储层标志层， 进一步优化剖 面［10］， 在入窗前 50 m 控制井斜角在 8586 进行稳 斜探顶钻进；当钻入储层顶部后， 按照“矢量进靶” 方式进行轨迹控制， 控制井斜角在 89 0.3 、 井眼 轨迹高于窗口中心 0.4 m 的范围内入窗进靶， 为水平 井段顺利施工提供有利条件和基础。 表 5 斜井段实际剖面参数 井号 靶体 方位 角 / （） 井斜角 / （） 方位角 / （） 变化率 / （） 30m-1 施工前 施工后 施工前施工后 井斜 方位 靖 60-22H136024.3586.2634913.91 0.69 靖 60-22H218036.0888.502001804.15 1.66 靖 60-24H136021.2789.53.33604.57 0.22 靖 60-24H218024.8790.71421803.34 1.95 5.4 水平段井眼轨迹控制 钻具组合152.4 mm PDC 钻头 127 mm 螺杆（1 ）146 mm 扶正器 回压阀 MWD 接 头 120 mm 无磁钻铤 转换接头（311HLSTB） 101.6 mm 加 重 钻 杆 9 根 101.6 mm 钻 杆 150 根 101.6 mm 加 重 钻 杆 36 根 101.6 mm 钻杆。 水平段采用单弯双稳导向钻具组合［11］。为了 保证水平段钻进时能给钻头施加有效的钻压， 钻具 组合采用倒装钻具。加重钻杆位置分为 2 部分， 确 保钻具中和点的位置在下部加重钻杆部分， 上部加 重钻杆位于扭方位井段上部。控制井眼轨迹处于纵 向上偏 0.4 m 左右， 以免突然降斜导致轨迹失控。该 组合复合增斜率 0.3 0.5 / 根， 随着水平段的不断 增长， 复合钻进时扭矩越来越大， 达 1417 kNm。 6 钻井液体系 稳斜段采用聚合物体系钻进， 对于延长组底部易 塌地层， 提高钻井液体系的抑制性,加大KCl的含量。 斜井段采用 CQ-SP2 钻井液体系， 采用化学防 塌 强封堵 物理防塌协同作用维护井壁稳定［12］。 加大工业盐和甲酸盐含量， 降低钻井液体系中水的 活度， 使地层水向井眼流动， 达到稳定井壁的目的。 井斜 60 时阳离子乳化沥青粉 SFT 含量由 2 提高 至 3， 超细碳酸钙 ZDS 加量达到 5 以上， 实现对 微裂缝的有效封堵。三维水平井摩阻整体高于二维 水平井（图 5、 6） ， 同时复配 1 聚合醇抑制剂 XCS- 3， 一方面起润滑作用， 另一方面其以乳滴形式吸附 于井壁上， 不仅可以形成一层隔水膜， 还可以再次对 井壁微裂缝进行胶结、 封堵， 并根据井斜逐步提高钻 井液密度。该体系抑制性强、 固相含量比较低， 性能 稳定， 可有效提高机械钻速。 图 5 上提摩阻对比 图 6 下提摩阻对比 水平段储层连续性差， 钻遇泥岩概率大， 主要通 过提高钻井液密度平衡地层应力， 但由于泥岩裂缝 发育， 在毛细管和正压差作用下， 钻井液中的自由水 容易进入微裂缝中， 导致泥岩水化膨胀， 造成井壁失 稳。 一方面通过提高钻井液密度平衡地层坍塌压力， 另一方面阳离子乳化沥青粉、 超细碳酸钙含量提高 至 5 以上， 高温高压滤失量最小（表 6） ， 滤饼光滑 致密（图 7） ， 且高温高压失水小于 8 mL， 从而有效提 31王万庆等G0-7 三维水平井井组工厂化钻井工艺 高了该体系的封堵性， 解决了长水平段井壁稳定性 差难题， 确保了水平段的顺利施工。 表 6 水平段钻遇泥岩时封堵性评价 序号配方 FLAPI/ mL 滤饼 / mm FLHTPT/ mL 滤饼 / mm 配方 1基浆32124 配方 2基浆 1SFT1.829.63 配方 3基浆 2SFT1.6283 配方 4 基浆 2SFT1ZDS1.427.23 配方 5 基浆 2SFT2ZDS1263 注基浆配方为清水 3SFT3 淀粉 GD-K0.2 聚 阴离子纤维素 PAC3 超细碳酸钙 ZDS15 工业盐 12 甲酸钠；高温高压滤失量实验条件为 3.5 MPa、 120 ℃。 图 7 滤饼照片 7 结论与建议 （1）G0-7 三维水平井井组工厂化作业采取一种 全新的作业方式， 即采用“一字型”布井方式， 3 部 钻机同时施工， 统一管理， 有效提高生产效率， 缩短 施工周期， 降低开发综合成本。 （2） 多部钻机同时施工， 关键在于做好丛式井组 整体防碰。应用“预分法” 防碰绕障技术确定钻机 移动方案、 施工井顺序， 为后期施工预留安全空间。 （3） G0-7 三维水平井井组有 4 口三维水平井偏 移距在 500 550 m， 偏移距越大， 施工过程中钻具易 形成屈曲现象， 钻头上不易施加钻压， 通过优化井眼 剖面， 优选钻具结构， 确保井眼轨迹平滑， 施工顺利。 （4） 通过运用 Navigator Drilling Studio 软件对该 井组三维水平井实钻轨迹进行分析， 建立摩阻、 扭矩 计算模型， 进一步优化三维水平井偏移距， 为最佳开 发方案确定提供技术支撑。 （5） 进一步改进 CQ-SP2 钻井液体系， 有效解决 长水平段钻进过程中摩阻过大、 滑动托压和工具面 不稳定的现象；持续进行水平段钻遇泥岩的防塌技 术攻关， 预防和降低泥岩垮塌造成的井下复杂和故 障。 （6） G0-7 三维水平井井组工厂化施工过程中存 在钻机施工进度不同步、 钻井液未得到共用等问题， 另外未建立远程监控中心、 纠偏段滑动效率低及水 平段泥岩段井壁稳定等难题还需进一步改进。 参考文献 ［1］ 刘社明， 张明禄， 陈志勇， 等 . 苏里格南合作区工厂化钻 完井作业实践［J］. 天然气工业， 2013， 33 （8） 64-69. ［2］ 向亮， 付建红， 杨志彬， 等 . 多分支三维水平井轨迹设计 ［J］. 石油钻采工艺， 2009， 31 （6） 23-26. ［3］ 刘乃震， 柳明 . 苏里格气田苏 53 区块工厂化作业实践 ［J］. 石油钻采工艺， 2014， 12 （6） 16-19. ［4］ 韩来聚， 牛洪波， 窦玉玲 . 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