蘇丹水平井鉆井技術研究

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蘇丹1/2/4區(qū)水平井原設計二開準311mm井眼在1050m左右造斜，鉆至1700m左右至著陸點(井斜在80°左右)，下技術套管，再水平鉆進300～800m完鉆。這樣的設計存在如下問題：大井眼井段過長，施工后期泵壓高，安全隱患較大；設備負荷重，維修時間多；大井眼機械鉆速慢，影響鉆井周期。針對存在問題，對井身結構進行了優(yōu)化：①以前設計造斜點有時會在Jimidi泥砂巖交互層，造斜效果差。根據(jù)地層實鉆資料及鄰井資料，將造斜點移至泥巖穩(wěn)定井段，提高了造斜效果。②技術套管從以前的1700m減少到1300m左右，在井斜60°前下入，減輕設備負荷，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本。③隨著老油區(qū)完鉆井的增加，防碰問題將越來越嚴重，但為了盡量避免繞障而帶來的施工難度，與地質人員和甲方協(xié)商，在滿足地質要求的情況下，調整了地質靶點，避開障礙。

在水平段及大斜度井段，傳統(tǒng)的鉆柱結構已不再適用[2]。采用帶欠尺寸扶正器的微增倒裝鉆具組合，將加重鉆桿放置在井斜和全角變化率較小的井段，這樣做減小了下部鉆具的剛性，有效傳遞鉆壓和扭矩；減輕了水平段和接近水平段鉆具向下井壁的壓力；避免了鉆桿臺肩吃入地層，摩擦阻力減小，避免了可能產生的卡鉆。井斜60°以后，使用加重鉆桿代替部分鉆鋌，簡化下部鉆具組合并降低了下部鉆具剛性，將加重鉆桿、震擊器等加在30°～60°井段，減輕下部鉆具重量，有利于鉆具彎曲，減小摩阻，使滑動鉆進加壓更順暢。確保井底獲得足夠的鉆壓，并減少黏卡的機會。鉆具組合為：準127mm鉆頭＋準127mm加重鉆桿×2柱+準127mm鉆桿×5柱+震擊器+準127mm鉆桿+準127mm加重鉆桿9柱+準127mm鉆桿。蘇丹老區(qū)塊內水平井目的層厚度大多在1.5～3m，應用LWD工具，將測得的數(shù)據(jù)與鄰井的電測數(shù)據(jù)對比，及時進行判斷，可以實時指導鉆進的方向。同時，采用近鉆頭測量工具，減少了儀器零長，測量數(shù)據(jù)更接近井底，減小了預測誤差和扭轉方位的次數(shù)，施工效率更高。下入的LWD測井儀器組合為：Pulser+PSA+SEA+GR+THE+CPR。在著陸層位YabusⅥ之前，Adar和Yabus兩層界面的測井曲線值有一明顯變化：上部泥巖為低電阻值(1～2Ω•m)和小密度(2.35g/cm3)，而下部大段泥巖為高電阻值(10Ω•m)和較大的密度值(2.45g/cm3)，保證了準確找到第一個主要標志層。在著陸前15～20m左右時，根據(jù)深淺電阻率的相對變化值指導導向鉆進，避免了在目標層里進行大的調整，保證了油層鉆遇率。

限制蘇丹水平井施工進度的主要問題是定向造斜段機械鉆速低，平均機械鉆速在5m/h左右，嚴重制約了全井的施工進度。影響施工進度的主要問題集中在兩點：一是普通PDC鉆頭易憋鉆，托壓現(xiàn)象嚴重，機械鉆速低；二是使用普通PDC鉆頭造斜時，工具面不易控制，定向效果差。筆者優(yōu)選了長壽命的專用定向PDC鉆頭。蘇丹石油工業(yè)處于起步階段，能夠提供定向PDC鉆頭的供應商只有SMITH、Varel、川克三家。通過對比分析，優(yōu)選了Varel公司VRP519GH鉆頭。該鉆頭扶正塊短，在切削齒后設計了支撐塊，不但能保護切削齒，延長鉆頭使用壽命，增加總進尺，而且能將切削齒吃入深度限定在一個固定的數(shù)值，防止鉆頭扭矩因切削刃吃入量變動而出現(xiàn)劇烈變化，工具面控制更容易。使用證明，VRP519GH鉆頭明顯減少定向時的托壓現(xiàn)象，工具面穩(wěn)定，定向造斜效果好。斜井段平均純鉆時間為74h，平均進尺為838m，平均機械鉆速為11.32m/h，提速效果明顯?？蓽p少起下鉆次數(shù)，提高鉆進時效，達到優(yōu)快鉆井的目的。直井段和水平段內的鉆頭采用現(xiàn)場鉆井資料選型法優(yōu)選鉆頭，該方法簡單實用，適合現(xiàn)場鉆井技術人員采用。首先對老井鉆頭使用指標進行統(tǒng)計，依據(jù)機械鉆速、進尺、鉆頭壽命、使用井段等條件進行綜合評定，去除機械鉆速在10m/h以下的鉆頭，初選出機械鉆速高、壽命長、耐磨損的PDC鉆頭。在3/7區(qū)，川克BD506鉆頭三開水平段機械鉆速達15.20m/h；在1/2/4區(qū)直井段和水平段，SmithM616LKBPX鉆頭機械鉆速達13.90m/h，均取得了預期效果。

在3/7區(qū)水平井施工初期，使用PDC鉆頭，在井斜超過75°滑動鉆進時扭矩變化大，影響LWD儀器傳輸信號，轉盤鉆進時井斜下降嚴重。由于位移、摩阻較大，鉆具托壓嚴重，工具面很容易跳動，難以控制。根據(jù)對地層情況和鉆進情況分析，在3/7區(qū)改用牙輪鉆頭，克服摩阻扭矩大、托壓嚴重等難題，LWD信號比較穩(wěn)定，穩(wěn)斜效果好，水平段基本可以保證80%以上的旋轉鉆進，確保了巖屑的攜帶。在1/2/4區(qū)，通過多口井的試用，發(fā)現(xiàn)準311mm井眼使用VAREL公司生產的定向PDC鉆頭，自造斜點至1900m使用效果較好；三開時使用Smith公司PDC鉆頭，也沒有出現(xiàn)嚴重托壓現(xiàn)象。在鉆進方式上，由單一滑動鉆進或轉動鉆進變?yōu)榛瑒优c復合交替鉆進，盡量多的采用轉盤鉆進，保持井眼軌跡光滑。通過對鉆井參數(shù)的合理配置和螺桿鉆具的合理選擇，如使用高一級角度(+0.25°)的螺桿，可以更快地調整軌跡，也能更多地采用鉆盤鉆進，整個井段旋轉鉆進率達到70%，這對于井下安全、提高鉆井速度等都會有所幫助。

在3/7區(qū)的PP-27H井，使用了美國NOV公司生產的AGITATORTOOL水力震蕩器進行加壓。使用井段為1320～1619m，鉆具組合如下：鉆頭+螺桿+扶正器+CPR+MWD+TRX+加重鉆桿1柱+鉆桿5柱+水力震蕩器+震擊器+鉆桿3柱+加重鉆桿9柱+鉆桿。使用效果見表1。由表1可以看出，使用震蕩器后，機械鉆速由原來的4.68m/h提高到10.26m/h，增幅達一倍以上。其產生的震動不會對鉆頭或其他鉆具產生破壞，造成的壓力脈沖對絕大多數(shù)MWD信號沒有干擾。實踐證明，水力震蕩器產生的軸向振動能有效減小鉆具與井壁間的摩擦力，減輕滑動鉆進時的摩阻托壓現(xiàn)象，大幅提高定向造斜速度。在長半徑水平井滑動鉆進時，對改善工具面的控制和增加機械鉆速效果十分顯著。

3/7區(qū)Palouge油田Aradieba地層(1277～2650m)為很厚的頁巖層，主要成分為伊利石和蒙脫石，裂縫發(fā)育，掉塊嚴重。1/2/4區(qū)Baraka-Ghazal、AbuGabra以及3/7區(qū)塊Adar地層主要為易水化、易造漿的泥巖與膠結性較差的砂巖互層；600～1900m的Aradieba組是造斜的主要層段，地層是以石英、蒙脫石及高嶺石為主的大段泥巖層，易吸水脫落，造成嚴重掉塊和垮塌，經常出現(xiàn)大段劃眼和卡鉆等情況。各井段的鉆井液配方見表2。硅酸鹽與KCl配伍性較好，對填補微裂縫、穩(wěn)固泥巖效果很好。硅酸鹽屏蔽物能形成高效滲透膜，降低鉆井液中水的活度，誘發(fā)頁巖中的流體從頁巖中滲出到鉆井液中，從而達到抑制二開井段頁巖水化，改善頁巖穩(wěn)定性的目的。Drilling-in鉆井液體系，重點是降摩、防卡。摩阻扭矩對水平井施工具有重要的影響[3]。處理措施是：首先滿足地質錄井低熒光鉆井液的要求，加大固、液態(tài)潤滑劑(RH2、RH3)用量，保證潤滑劑含量大于5%，具有良好的潤滑性；其次，加入XC調整流型，控制動塑比大于0.7，保證攜砂；第三，在能夠穩(wěn)定井壁情況下，完井時鉆井液密度保持在1.18g/cm3即可；第四，充分利用固控設備，及時去除有害固相，保證固相含量盡可能低。通過現(xiàn)場應用，具有強抑制性、強封堵性、流變性易控制的針對性鉆井液體系，成功解決了Aradie-ba和AbuGabra地層的井壁穩(wěn)定問題，造斜段的平均井徑擴大率由原來的20%以上降至8%左右，滿足了低熒光要求和懸浮攜砂能力，有效降低了超長大水平段摩阻，保障了鉆井作業(yè)的順利實施。

自2010年1月開始，逐步在蘇丹市場推廣水平井優(yōu)快鉆井配套技術，近一年多來，共在兩個區(qū)塊20口水平井成功實施，取得理想效果。平均鉆井周期從2010年前的44d縮短至23.67d，縮短了46.2%；平均建井周期為36.42d，比設計周期提前5～14d；機械鉆速從原先的平均10.81m/h提高到目前的12.41m/h，提高了14.8%；事故和復雜現(xiàn)象由原來的3.7%降至1.8%。

通過實施一系列針對性的措施，全面提升了蘇丹水平井鉆井及完井質量和速度，占據(jù)了海外市場優(yōu)勢，效益顯著。鉆頭優(yōu)選后，全面提升了鉆井速度，減少了井下復雜，為今后自主研發(fā)適應蘇丹市場的鉆頭進行了嘗試，取得寶貴經驗。KCl/硅酸鹽鉆井液體系、Drilling-in鉆井液體系有效保證了各項鉆井工序的順利實施，水平井施工中，在抑制頁巖坍塌、穩(wěn)定井壁、減少托壓等方面效果明顯。水力震蕩器的使用，可以解決長半徑水平井摩阻大、造斜慢、加壓困難的難題，建議做進一步研究并力爭實現(xiàn)自主研發(fā)。（本文作者：邱傳俊、藺剛 單位：中原石油勘探局鉆井一公司、中原石油勘探局鉆井管具處）