加拿大非常规油气田优快钻井技术

侯立中郑德帅吴俊霞

（1.中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京 100029；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

加拿大非常规油气田优快钻井技术

侯立中1郑德帅2吴俊霞2

（1.中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京 100029；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

由于致密气等非常规油气田开发成本高，迫切需要进行优快钻井研究降低钻井成本。非常规油气开发需要在储层内布置长水平井段，针对长水平井段井眼轨迹控制困难、机械钻速低的技术难题，通过计算，分析了底部钻具组合力学特性，优化了底部钻具组合，提高水平段复合钻进比例，配合钻头选型，减少了起下钻次数；采用钻柱振荡器提高钻压传递效率，针对水平井段优化配置油基钻井液体系，大幅度降低了摩擦因数，又抑制了井壁失稳。加拿大daylight非常规油气田应用结果表明，应用优快钻井技术大幅度降低了钻井周期和成本，为国内非常规油气田高效开发提供了借鉴。

非常规油气田；长水平段；轨迹控制；机械钻速；油基钻井液；加拿大

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：Ø215.9 mm 钻头+1.25°Ø172 mm单弯螺杆（自带Ø215 mm稳定器）+普通稳定器（或没有）+Ø165 mm无磁钻铤1根+MWD 定向接头+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 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。

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7~8 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45~65 s；使用INVERMUL 、EZ MUL，保持破乳电压高于800 V，现场实际控制在1 100~1 200 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500~600 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

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2~3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。

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。

［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，2008：126-128.

［7］苏义脑.水平井井眼轨道控制［M］.北京：石油工业出版社，2000：78-79.

［8］周全兴.中曲率水平井钻井技术［M］.北京：科学出版社，2000：174-175.

［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］许孝顺.墨西哥epc区块优快钻井技术［J］.石油钻探技术，2011，39（5）：53-57 .

［11］闫振来， 牛洪波， 唐志军.低孔低渗气田长水平段水平井钻井技术［J］.特种油气藏，2010，17（2）：105-111.

［12］彭国荣，狄勤丰.滑动导向钻具组合复合钻井导向能力预测方法研究［J］.石油钻探技术，2000，28（6）：4-5.

（修改稿收到日期 2014-10-17）

〔编辑 薛改珍〕

Optimized fast drilling technology for unconventional oil/gas field in Canada

HOU Lizhong1, ZHENG Deshuai2, WU Junxia2
（1.International Petroleum Exploration and Production Corporation,SINOPEC,Beijing100029,China;2.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing100101,China）

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 penetration rate, the mechanical properties of bottomhole assembly was analyzed and optimized through computation, and the compound drilling 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.

unconventional oil/gas field;long horizontal section;trajectory control;penetration rate;oil-based drilling fluid;Canada

侯立中，郑德帅，吴俊霞.加拿大非常规油气田优快钻井技术［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：24-27.

TE242

：A

1000–7393（2014） 06–0024– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.006

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-mail：lzhou.sipc@ sinopec.com。