新场气田长水平段水平井钻井技术

2013-07-16唐洪林张晓明

石油钻采工艺 2013年1期

胥豪唐洪林张晓明

（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营 257017）

新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井组是部署在川西坳陷新场构造北翼的一个长水平段开发水平井组。目的层上沙溪庙组，埋深2 100～2 300 m，储层岩石以中—细粒长石岩屑砂岩及岩屑长石砂岩为主，部分井段夹有少量薄层棕红色泥岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩。储层孔隙度平均为9%，为中低孔隙度储层，储层渗透率平均为0.13 mD，属典型的致密气藏，采用常规方式开发效果不佳。随着长水平段水平井和大型加砂压裂技术的应用，其经济效益和工业效益得到显著提升。

1 井身结构和井眼轨道设计

新场气田以往水平井多采用三开井身结构设计，二开采用Ø311.2 mm钻头钻进，Ø244.5 mm技术套管下至A靶点；三开采用Ø215.9 mm钻头钻至完钻井深。采用此种设计方式有利于减少裸眼段长度，从而降低摩阻和扭矩，达到降低钻井施工难度的目的。但是由于二开钻头尺寸较大，机械钻速普遍较低，再加上中完作业，施工周期普遍较长。

二开井身结构水平井在相同的完钻井眼尺寸条件下，上部井眼尺寸缩小，可大大提高机械钻速，同时还减少了中完作业时间，并且节省了一定的套管和固井费用，具有明显优势。由于沙溪庙组以上地层压力梯度自上而下逐渐增加，属于正常压力体系，基本不存在工程必封点［1］，因此井组3口井均采用了二开井身结构设计，具体设计数据见表1。

表1 新沙21井组井身结构设计

为了增大气层裸露面积，配合大型加砂压裂技术提高单井产量，新沙21井组3口水平井均设计为长水平段水平井，采用“增—稳—增”剖面类型，轨道设计时加入一个20～30 m左右的稳斜段，一方面有利于避免造斜率异常，给井眼轨迹控制提供便利，另一方面也有利于目的层垂深出现较大误差时，可以及时进行轨迹调整。3口井的井眼轨道优化设计见表2，水平投影见图1。

表2 新沙21井组井眼轨道设计

图1 新沙21井组3口水平井水平投影

2 施工难点

（1）侏罗系蓬莱镇组、遂宁组地层以棕褐色泥岩、泥质粉砂岩为主，夹杂部分长石、石英、钙质，地层抗压强度大、可钻性差，钻头进尺低，起下钻频繁［2］，在高密度、高摩阻、高扭矩情况下易导致井下复杂或事故的发生。

（2）井身结构设计独特，二开裸眼段摩阻扭矩极大，使得井眼轨迹控制困难，水平段后期容易出现滑动钻进时效低，甚至于无法再进行滑动钻进［3］。

（3）钻井液性能要求高。井组所钻地层压力梯度为1.40～1.75 MPa/100 m，由于水平段长，泄流面积大，因此给予0.15 g/cm3安全密度附加值，造斜段及水平段钻井液密度多在1.60～1.90 g/cm3，部分邻井钻遇发育较好的地层，钻井液密度甚至高达2.10 g/cm3。高密度下钻井液润滑防卡、降摩减扭、防漏堵漏、稳定井壁的难度大，另外还容易导致信号传递困难，降低钻井效率。

（4）井身质量要求高。新沙21井组共部署3口水平井，井间距4.00 m，因此直井段防斜打直非常重要；另外本井组水平段靶框要求上下2.00 m，左右15.00 m，长水平段后期轨迹控制困难。

（5）井眼清洁困难。随着水平段的延伸，携岩越来越困难，容易在井眼低边形成岩屑床；井眼环空小，若砂体疏松，钻时较快，岩屑不能及时带离井底时还容易造成卡钻事故。

3 关键技术

3.1 直井段防碰技术

井眼轨迹防碰是丛式井组施工的重中之重，直井打直是丛式井防碰的最佳方式。采用Ø215.9 mm钻头+Ø203 mm钻铤+Ø214 mm扶正器+Ø177.8 mm钻铤+Ø165.1 mm钻铤的塔式加钟摆钻具组合，以40～80 kN的钻压和80～110 r/min的转速进行钻进，重点井段加密测斜，并及时预测井眼间距。井组3口井直井段井斜大多小于1.70°，而区块邻井直井段井斜多在3～5°，防斜效果良好。造斜点相互错开是丛式井防碰的主要措施之一［4］，新沙21-27H、28H、29H井实际造斜点分别为1 844.00 m、1 880.00 m、1 900.00 m，定向初始尽快使各井迅速分离，最终取得了防碰的成功。

3.2 斜井段及水平段井眼轨迹控制

长水平段水平井与一般的水平井不同，减少摩阻、扭矩是最关键的问题。实钻过程中应尽量控制好造斜率，避免因造斜率过高使得摩阻扭矩增大，增加后期施工难度［5］。在水平段应通过钻具组合和钻井参数的调整达到稳斜效果，避免过多调整井眼轨迹，从而提高钻井效率。根据井眼特点和轨迹控制需要，新沙21井组先后采用了单弯动力钻具+MWD和小角度单弯动力钻具+欠尺寸扶正器的单弯双稳钻具结构，前者主要用于增斜段，后者主要用于水平段。

（1）增斜段。增斜段采用Ø215.9 mm钻头+Ø172 mm 1.5°单弯钻具+MWD的钻具组合，采用复合钻进与滑动钻进交替进行，实钻轨迹满足设计，且轨迹圆滑。新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井增斜段最高造斜率分别为27.17°/100 m、26.83°/100 m、27.37°/100 m，取得了良好的控制效果。

（2）水平段。水平段采用Ø215.9 mm钻头+Ø172 mm 1.25°单弯钻具+Ø212 mm欠尺寸扶正器+MWD的单弯双稳钻具组合，由于Ø172 mm动力钻具自带外径212 mm扶正块，复合钻进时其效果类似于强增斜钻具。为了降低其增斜力，在动力钻具后接一个欠尺寸扶正器，形成单弯双稳钻具组合，结合区块邻井使用经验，优选扶正块20～30 cm的Ø212 mm扶正器，避免扶正块过长增大摩阻和扭矩。通过调整钻井参数进行井眼轨迹控制，根据钻具组合控制效果和PDC钻头特性，采用合理钻压配合高转盘转速（110～120 r/min）进行钻进，一方面有利于提高机械钻速，另一方面也可提高携岩效果。现场施工时60 kN钻压井斜基本稳定，钻压40 kN井斜微降，钻压80 kN井斜微增，水平段井斜基本趋于稳定（见图2），配合间断滑动钻进控制井斜，新沙21-27H、28H、29H井水平段滑动进尺占整个水平段长度的比值分别为5.2%、3.9%、5.7%，取得了非常好的效果。

图2 新沙21井组3口水平井水平段井斜变化率

3.3 水力振荡器的应用

水力振荡器可通过水力的作用产生沿钻具组合或者钻杆轴线方向上的振动，利用振动将静态摩阻转变为动态摩阻，从而大大减小钻进过程中的摩阻。水力振荡器的优势在于降低钻进时的摩阻和扭矩，使得钻压更容易传递，工具面更加容易控制，从而提高钻进时的机械效率；另一方面水力振荡器产生轴向高频振动，对钻头形成类似于冲击钻井的效果，也有利于提高机械钻速。在新沙21-28H井对Andergauge公司生产的水力振荡器进行了应用。

新沙21-28H井定向段共采用2趟钻完成，钻头性能一致，地层岩性相近。第1趟钻未使用水力振荡器，第2趟钻使用，根据对比效果，采用水力振荡器时定向钻进机械钻速提高45.16%，复合钻进机械钻速提高30.00%，取得了非常显著的效果。但是由于该工具存在约3 MPa的压差，现场受设备能力限制，施工排量较低，为了满足携岩需要，确保井下安全，未继续使用。

3.4 摩阻扭矩跟踪分析控制

长水平段水平井摩阻扭矩是最突出的问题，随着位移增加，摩阻和扭矩相应增加，如何对实钻摩阻扭矩水平进行监测和评估，以采取相应的技术措施，从而达到安全快速钻进的目的是施工的重点［6-8］。由于新沙21-27H是3口井水平段最长、位移最大的一口，因此重点对新沙21-27H井进行了摩阻扭矩计算和分析。利用Wellplan软件对上提下放摩阻以及扭矩值进行跟踪，并通过数据反算摩阻因数，从而指导现场施工，摩阻扭矩曲线见图3。

图3 新沙21-27H井斜井段摩阻扭矩曲线

从图3可看出，井深2 500 m以后摩阻呈现较快增加趋势，实钻扭矩与理论计算扭矩出现较大背离，根据计算摩阻因数达到0.4～0.5，定向钻进比较困难。因此现场调整钻井液性能，增加润滑剂含量，确保摩阻扭矩不再继续增加；钻进到3 090 m后进行短起下钻作业，畅通井眼，并加大钻井液排量，确保携岩，摩阻和扭矩水平得到改善。

3.5 钻头优选

PDC钻头具有在井下工作时间长、进尺高、起下钻次数少、可以大幅降低钻井综合成本等优点。根据该区块地层特点，结合PDC钻头适用性分析，优选短保径5刀翼PDC钻头，定向钻进时工具面稳定、造斜能力强，复合钻进时切削能力强、扭矩小、钻速快。新沙21-27H、新沙21-28H、新沙21-29H井二开斜井段均采用保瑞特ABS1605F钻头，平均钻速分别为 4.09 m/h、4.12 m/h、3.21 m/h，表明该类型钻头能够适应川西地区长水平段水平井钻进，有利于提高机械钻速，缩短钻井周期。

3.6 钻井液体系

新沙21井组3口水平井钻井液体系基本一致，二开均采用正电胶聚磺钻井液体系，直井段遂宁组地层确保钻井液具有较强的润滑性和抑制防塌能力，进入斜井段后逐步加入足量润滑剂增强钻井液的润滑防卡性能。基本配方为：上部基浆+2%～4%磺化酚醛树脂+2%～4%无铬磺化褐煤+1%～2%磺化丹宁+3%～4%沥青类防塌剂+3%～5%液体润滑剂+1%～2%极压润滑剂+0.1%～0.2%乳化剂；进入水平段后钻井液配方为：上部基浆+4%～6%液体润滑剂+1%～2%聚合醇+1%～2%极压润滑剂+0.1%～0.2%乳化剂，确保钻井液具备很强的抑制性、封堵性，并加强维护，确保钻井液性能稳定。水平段钻井液性能：密度1.89～1.95 g/cm3，漏斗黏度49～52 s，失水 3 mL，滤饼厚度 0.5 mm，pH 值 9，含沙量0.2%，塑性黏度32 mPa·s，动切力14.5 Pa，初切5 Pa，终切12 Pa，固相含量34%，膨润土含量28.6 g/L，油含5.6%。在摩阻扭矩较大井段和定向钻进困难井段加入CC40、RH220、RH102等润滑材料，进一步提高钻井液润滑性能；在钻井液循环系统方面采用四级净化系统，并通过工程措施，采取短起下钻、大幅度活动钻具、大排量循环等措施，确保携岩，避免岩屑床的形成和堆积。