红河油田水平井钻井提速难点与技术对策

李克智, 闫吉曾

(1.中国石化华北分公司工程技术研究院，河南郑州 450006；2.西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500)

红河油田位于甘肃省镇原、泾川、崇信三县境内，处于鄂尔多斯盆地西缘天环向斜南段，主力含油层系为三叠系延长组长8、长9层段，埋深一般为2 000.00～2 400.00 m，探明储量4.53×108t，控制储量0.558×108t。目前，该油田共完钻水平井110口，平均井深3 340.86 m，平均水平段长948.67 m，平均机械钻速7.33 m/h，平均钻井周期52.42 d。从钻井指标分析，机械钻速较低，钻井周期偏长，严重影响了该油田的开发速度和效益，因此钻井提速成为重要任务之一。根据调研，国内外钻井提速措施主要是优选高效PDC钻头、优化钻具组合和简化井身结构[1-8]，部分区块采用高压喷射钻井和旋冲钻井等技术[1,9-15]，取得了较好的提速效果，但高压喷射钻井或旋冲钻井技术成本较高。为此，笔者根据红河油田现状，利用现有常规钻井装备，提出“四个一趟钻”综合钻井提速技术，即一开直井段、二开直井段、二开造斜段和三开水平段分别用一个钻头一趟钻完成施工，对其进行了深入研究并在红河油田现场进行了试验应用,并取得良好的提速效果。

1 地质特征

红河油田地层平缓西倾，构造南东高，北西低，单斜背景上发育低幅度的鼻状构造[6]，该油田钻遇地层自上而下主要有第四系、白垩系、侏罗系和三叠系地层。第四系地层岩性主要为灰黄色黏土层、底部为棕色砂砾层，黄土层垂直节理发育。白垩系地层砂岩粒度较粗，单层厚度大，地层疏松，易发生渗漏及裂隙性漏失。侏罗系地层岩性主要以灰色、深灰色中细粒、中粒长石岩屑及岩屑长石砂岩为主。三叠系延长组长8段为主要目的层。“五敏”试验结果表明，长8段敏感程度较弱，存在一定水锁伤害，伤害率10.8%～16.2%。其渗透率一般为0.40～1.98 mD，孔隙度为10.8%～13.2%。

红河油田主要位于辫状河三角洲扇裙上，为辫状河三角洲沉积体系，地层非均质性较强，具有较大的差异性，其中泥岩以非膨胀性黏土矿物为主，部分井段地层蒙脱石含量较高，表现为易水化膨胀、剥落掉块，井径易扩大。延安组地层含有较厚煤层，稳定性差，易发生掉块、卡钻等复杂情况，对钻井液性能要求较高。

2 钻井提速难点分析

2.1 地层研磨性强、稳定性差

泥岩地层易水化膨胀、剥落掉块，井径易扩大。根据岩屑录井可知，下部地层属于石英砂岩混层，石英平均含量为28%，长石平均含量为31%，研磨性达到三级，部分层段达到四级，研磨性强，钻井中蹩钻、跳钻频繁，不但造成钻具和钻头磨损严重，而且极易发生钻铤丝扣断裂、粘扣。

2.2 定向井段机械钻速低

定向井段主要钻遇直罗组、延安组和延长组上部地层，延安组地层存在较厚煤层，易发生井壁失稳。由于地层非均质性较强，在A靶点着陆过程中，地质调整较多。受靶前距限制，定向造斜井段多采用造斜率较高的三牙轮钻头，复合钻进进尺较短。以上因素导致该井段平均机械钻速较低，仅为3.64 m/h，与全井平均机械钻速7.33 m/h比相差较大。

2.3 起下钻频繁

钻头适应性差，每口井要用8～10只钻头，平均起下钻次数超过10次，最多的一口井用了29只钻头，起下钻37次。频繁起下钻导致钻井周期过长，制约了水平井钻井速度的提高。

3 “四个一趟钻”提速技术

通过对已完钻的110口水平井，尤其是钻井指标较好的水平井进行分析、总结、归纳，针对钻井提速难点，基于现有常规钻井装备，提出了“四个一趟钻”钻井提速技术。

3.1 “四个一趟钻”技术可行性分析

已完钻的110口水平井的分析结果表明：一开直井段平均长度354.42 m，基本是一趟钻完钻；二开直井段平均长度1 376.45 m，单只φ241.3 mm钻头的最大进尺1 766.88 m，多口井直井段单只φ241.3 mm钻头的进尺超过1 500.00 m，所以该井段一趟钻可以完钻；二开造斜段长度根据靶前距不同而存在差异，一般约550.00 m，单只φ215.9 mm钻头在造斜段最大进尺650.00 m，通过优化井身结构，选择合理的靶前距，优选合适的钻头，一趟钻可以完钻；三开水平段长度一般为800.00～1 200.00 m，单只φ152.4 mm钻头的最大进尺1 400.00 m，多口井单只φ152.4 mm钻头的进尺超过1 000.00 m，有40多口井三开一趟钻完钻，只要优选出合适的PDC钻头和高性能的螺杆钻具，一趟钻完钻是可行的。

3.2 井身结构优化

红河油田的井身结构优化经历了一个不断探索优化的过程。HH37P1井是该油田的第一口水平井，采用三开井身结构：一开，采用φ444.5 mm钻头钻进，下φ339.7 mm表层套管；二开，采用φ311.1 mm钻头钻进，下φ244.5 mm技术套管；三开水平段，采用φ215.9 mm钻头钻进，完钻电测后下入φ139.7 mm压裂管柱[16]。随着压裂工具的配套，将三开水平段优化为φ152.4 mm井眼与φ114.3 mm压裂管柱配合。随着红河油田开发的进一步展开，斜井段机械钻速较慢，制约了钻井的提速提效。为此，对井身结构进行了进一步优化：一开，采用φ374.7 mm钻头钻进，下φ273.1 mm表层套管；二开，直井段采用φ241.3 mm钻头钻至造斜点，造斜点至A靶点之间的定向井段采用φ215.9 mm钻头钻进，下φ177.8 mm技术套管；三开，采用φ152.4 mm钻头钻进，完钻电测后下入φ114.3 mm压裂管柱进行压裂改造。

3.3 井身剖面优化

3.3.1 优化靶前距

为了实现有效缩短钻遇泥岩、煤层井段的长度及稳定井壁的目的，根据红河油田二开采用φ215.9 mm钻头定向造斜，单弯单稳钻具组合复合钻进的增斜率基本在(2.6°～4.5°)/30m的情况，靶前距确定为300 m。但通过实践发现，水平段超过1 000 m时，后期压裂管柱下入比较困难。后经过软件模拟计算与钻井实践，靶前距设计为350 m比较合理。这样既能满足地质方面要求单井控制储量的要求，又能满足后期压裂管柱顺利下入的要求。

3.3.2 优化设计轨道类型

为了充分利用单弯单稳钻具组合复合钻进的增斜特性，提高复合钻进的进尺，达到提高钻井效率的目的，井身剖面从“直—增—稳”三段剖面优化为“直—增—稳—增—平”双增剖面[17-18]，水平段井眼方位沿最小水平主应力方向。优化后的井身剖面如图1所示。

3.4 钻井液优选及性能要求

图1 优化后的井身剖面Fig.1 Optimized well profile

性能参数一开二开直井段斜井段三开密度/(kg·L-1)<1.051.05～1.101.10～1.151.05～1.08漏斗黏度/s40～7040～6050～10045～60滤失量/mL10～12<10≤5≤5屈服值/Pa2～55～1210～15塑性黏度/(mPa·s)3～127～2015～20流性指数0.4～0.70.4～0.7

二开上部直井段主要钻遇白垩系及侏罗系上部的安定组和直罗组地层，选用钾基聚合物钻井液，钻进过程中补充KPAM和KPAN胶液，防止由于处理剂加量不足造成井径扩大与井壁失稳。钻遇砂岩地层时，可适当增大KPAM的加量以增加护壁能力，控制钻井液的密度不大于1.10 kg/L、滤失量小于10 mL、黏度在50 s左右。二开定向斜井段主要钻遇侏罗系延安组和三叠系延长组地层，选用钾基聚合物钻井液。为防止煤层垮塌和封堵煤层裂隙，控制钻井液密度为1.10～1.15 kg/L，加入2%单向封堵剂，严格控制滤失量小于5 mL。三开水平段钻遇三叠系延长组长8段地层，选用钾铵基钻井液，控制钻井液的密度不大于1.08 kg/L、滤失量不大于5 mL，以更好地保护储层。

3.5 “PDC钻头+螺杆+MWD”复合钻井

红河油田二开直井段主要钻遇白垩系、侏罗系地层，这一井段极易发生井斜，前期均采用牙轮钻头配合转盘钻进，每钻进100～150 m测斜一次，井斜角超标时采取轻压吊打纠斜，钻井速度较慢，二开直井段平均施工时间12.4 d，制约了水平井的提速提效。

根据上部地层多为砂岩地层的特点，经过论证与试验，采用“PDC钻头+螺杆+MWD”复合钻井模式[20-21]来提高钻速。“PDC钻头+螺杆+MWD”复合钻井模式采用低钻压高转速与钟摆钻具组合配合使用，防斜纠斜能力强，并且通过MWD随钻测量井斜角，发现其有超标趋势，及时纠斜。该钻井模式在HH37P8井二开直井段进行了试验，平均机械钻速高达55.28 m/h，最大井斜角1.62°，远低于设计(3°)要求，一趟钻完成，施工时间3 d。后又进行了20多口水平井的试验，平均机械钻速较常规钻井提高了105.28%，施工时间缩短了58.33%，提速提效非常显著，也为二开直井段“一趟钻”完成奠定了基础。

3.6 钻头选型

在红河油田的探井进行了地层微钻头可钻性试验，得到了该油田地层的可钻性级值(见表2)。根据地层可钻性级值，初步优选了PDC钻头，并且在实钻过程中建立了钻头数据库，通过对比单只钻头进尺和钻头寿命，最终优选出了适用于各井段的PDC钻头(见表3)。

表2 红河油田地层可钻性级值Table 2 Formation drillability of Honghe Oilfield

表3 各井段PDC钻头优选结果Table 3 Optimization of PDC bits in Honghe Oilfield

3.7 PDC钻头定向技术

红河油田储层埋深2 200.00 m左右，水平井造斜点1 500.00～1 800.00 m，一般钻遇侏罗系下部及三叠系上部地层，地层倾角一般小于1°。根据已完钻110口水平井的情况，PDC钻头配合1.5°单弯螺杆，滑动钻进时造斜率为(9.0°～9.6°)/30m，复合钻进时造斜率为(2.6°～4.5°)/30m。因此，一方面将靶前距设计为350 m提高复合钻进进尺，确保提速提效；另一方面将井身剖面设计为双增剖面，并采用MWD测量工具确保准确着陆中靶。定向造斜段普遍采用的钻具组合是φ215.9 mmPDC钻头+φ172.0 mm×1.5°单弯螺杆×8.50 m+411×4A10接头+φ158.8 mm无磁钻铤×9.00 m+MWD短节+4A11×410接头+φ127.0 mm无磁承压钻杆×9.60 m+φ127.0 mm斜坡钻杆+φ127.0 mm加重钻杆×200.00 m+φ127.0 mm斜坡钻杆。采用“PDC钻头+螺杆+MWD”钻井模式造斜段一趟钻完钻，机械钻速较以前平均水平大约提高了65%。表4为红河油田“PDC钻头+螺杆+MWD”复合钻井斜井段应用效果。从表4可看出，与设计A靶点的中靶精度(纵距1.50 m，横距10.00 m)相比，中靶精度明显提高。

表4 “PDC钻头+螺杆+MWD”复合钻井斜井段应用效果

Table4Applicationresultsof“PDCbits+PDM+MWD”ininclinedwellsection

井号进尺/m机械钻速/(m·h-1)A点纵距/mA点横距/mHH12P38500.005.880.612.92HH42P32554.004.740.030.80HH73P24615.006.410.561.85HH12P70483.009.470.892.13HH42P56549.007.630.040.44

4 应用效果

4.1 HH73P14井试验效果

“四个一趟钻”提速技术首先在HH73P14井进行了试验并取得成功。该井完钻井深3 709.00 m，实钻水平段长1 051.05 m，钻井周期41.33 d，全井机械钻速10.19 m/h。各开次实施情况见表5。

4.2 推广应用效果分析

“四个一趟钻”提速技术在HH73P14井试验获成功后，随后在红河油田HH12P38井、HH12P71井等8口井进行推广应用，4个钻头4趟钻就可钻成一口水平井，较已往水平井使用钻头数量和起下钻次数分别减少60%和67%，与应用“四个一趟钻”提速技术前相比，平均钻井周期缩短42.31%，机械钻速提高59.74%(见表6)，平均单井节约钻井成本大约160万元，钻井提速、钻井成本降低效果非常显著。

表5HH73P14井“四个一趟钻”提速技术试验结果

Table5Testingresultsfor“FourOne-TripDrilling”techniqueinWellHH73P14

序号钻头型号钻进井段/m进尺/m机械钻速/(m·h-1)1M19520～362.50362.5051.792M1625362.50～2 099.001 736.5021.793M16252 099.00～2 696.00597.005.024EDM16162 696.00～3 709.001 013.006.41

表6 “四个一趟钻”提速技术在推广应用情况Table 6 “Four One-Trip Drilling” technique applied in Honghe Oilfield

5 结论与建议

1) 针对红河油田钻井提速难点，利用现有钻井装备，提出“四个一趟钻”钻井提速技术。红河油田应用“四个一趟钻”钻井提速技术后，平均钻井周期缩短42.31%，机械钻速提高59.74%，钻井成本降低效果显著。

2) 高效PDC钻头的优选应用、复合钻井及钾铵基钻井液是“四个一趟钻”钻井提速技术应用成功的主要因素。“直—增—稳—增—平”双增剖面设计为“四个一趟钻”钻井提速技术的成功实施奠定了基础。

3) 建议进一步优化井身结构，探索试验二级井身结构，以进一步提高机械钻速，缩短钻井周期。

参考文献
References

[1] 李杉,云海涛.大庆海拉尔油田钻井提速难点与对策[J].石油钻探技术,2012,40(5)：59-62.

Li Shan,Yun Haitao.Difficulties and measures for improving ROP in Hailar Oilfield of Daqing[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(5):59-62.

[2] 赵国顺,郭宝玉,蒋金宝.巴麦地区钻井难点分析与提速关键技术[J].石油钻探技术,2011,39(6)：11-14.

Zhao Guoshun,Guo Baoyu,Jiang Jinbao.Drilling difficulty analysis and key technology for increasing penetration rate in Bamai Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):11-14.

[3] 万长根,林于栋,彭汉标.塔河油田沙3区块水平井钻井技术[J].石油钻探技术,2008,36(4)：26-29.

Wan Changgen,Lin Yudong,Peng Hanbiao.Horizontal well techniques in Sha-3 Block of Tahe Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques,2008,36(4):26-29.

[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.

Li Menggang,Chu Guangchuan,Zhang Tao,et al.Application of optimum drilling techniques in Tahe Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques,2008,36(4):18-21.

[5] 蒋祖军，肖国益，李群生.川西深井提高钻井速度配套技术[J].石油钻探技术，2010，38(4)：30-34.

Jiang Zujun,Xiao Guoyi,Li Qunsheng.Technology to increase deep well drilling speed in Western Sichuan[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(4):30-34.

[6] 张金成，张东清，张新军.元坝地区超深井钻井提速难点与技术对策[J].石油钻探技术，2011，39(6):6-10.

Zhang Jincheng,Zhang Dongqing,Zhang Xinjun.Difficulties of improving rate of penetration and its technical solutions in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):6-10.

[7] 葛鹏飞，马庆涛，张栋.元坝地区超深井井身结构优化及应用[J].石油钻探技术，2013，41(4)：83-86.

Ge Pengfei,Ma Qingtao,Zhang Dong.Optimization and application of ultra-deep well casing program in Yuanba Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(4):83-86.

[8] 巢贵业.松南地区火山岩水平井优快钻井技术[J].石油钻探技术，2013，41(6)：62-67.

Chao Guiye.Optimized horizontal well drilling technologies for volcanic formations in Songnan Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(6):62-67.

[9] 穆国臣,陈晓峰,王雪.松南地区深井钻井提速难点与对策[J].石油钻探技术,2011,39(6)：19-22.

Mu Guochen,Chen Xiaofeng,Wang Xue.Difficulties and applied technical strategy in deep well drilling in Songnan Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):19-22.

[10] 王甲昌，张金成，赵国顺，等.35 MPa高压喷射钻井技术实践[J].石油钻探技术，2012，40(6)：22-26.

Wang Jiachang,Zhang Jincheng,Zhao Guoshun,et al.Practice of 35 MPa high pressure jet drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(6):22-26.

[11] 古光平，周永建，卓云，等.川东天东区块侏罗系地层高压喷射钻井技术[J].石油钻探技术，2012，40(2)：51-54.

Gu Guangping,Zhou Yongjian,Zhuo Yun,et al.High-pressure jet drilling technology in Jurassic Formation in Eastern Sichuan[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(2):51-54.

[12] 刘天科.东营凹陷中央隆起带北部深层钻井技术难点与对策[J].石油钻探技术，2011，39(3)：77-80.

Liu Tianke.Difficulties and countermeasures of deep drilling technology in north central uplift of Dongying Sag[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(3):77-80.

[13] 雷鹏，倪红坚，王瑞和，等.自激振荡式旋冲工具在深井超深井中的试验应用[J].石油钻探技术，2013，41(6)：40-43.

Lei Peng,Ni Hongjian,Wang Ruihe,et al.Field test of self-excited vibration rotary percussion drilling tool in deep and ultra-deep wells[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(6):40-43.

[14] 秦晓庆，刘伟，李丽，等.旋冲钻井技术在川西硬地层的应用[J].断块油气田，2013，20(4)：505-507.

Qin Xiaoqing,Liu Wei,Li Li,et al.Application of rotary percussion drilling technology in hard formation of Western Sichuan[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2013,20(4):505-507.

[15] 索忠伟，王甲昌，张海平，等.旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用[J].石油钻采工艺，2013，35(4)：44-46.

Suo Zhongwei,Wang Jiachang,Zhang Haiping,et al.Application of rotary percussion drilling on the super deep section in Tahe Field[J].Oil Drilling & Production Technology,2013,35(4):44-46.

[16] 闫吉曾,罗懿.镇泾油田HH37P1水平井钻完井技术[J].探矿工程：岩土钻掘工程,2012,39(6)：31-34.

Yan Jizeng,Luo Yi.Drilling and completion technology used in horizontal well of Zhenjing Oilfield[J].Exploration Engineering:Rock & Soil Drilling and Tunneling,2012,39(6):31-34.

[17] 陈庭根,管志川.钻井工程理论与技术[M].东营：石油大学出版社,2000：251-256.

Chen Tinggen,Guan Zhichuan.Theories and techniques of drilling engineering[M].Dongying:Petroleum University Press,2000:251-256.

[18] 韩志勇.定向井设计与计算[M].北京：石油工业出版社,1989：118-135.

Han Zhiyong.Directional well design and calculation[M].Beijing:Petroleum Industry Press,1989:118-135.

[19] 鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营：石油大学出版社,2001：75-76.

Yan Jienian.Drilling fluids technology[M].Dongying:Petroleum University Press,2001:75-76.

[20] 易浩,白彬珍,赵志国,等.玉北地区深井快速钻井技术[J].石油钻探技术,2011,39(6)：27-30.

Yi Hao,Bai Binzhen,Zhao Zhiguo,et al.Faster drilling technology in Yubei Area[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(6):27-30.

[21] 王成岭,李作宾,蒋金宝,等.塔河油田12区超深井快速钻井技术[J].石油钻探技术,2010,38(3)：17-21.

Wang Chengling,Li Zuobin,Jiang Jinbao,et al.Fast drilling technology on ultra-deep wells in Block-12,Tahe Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(3):17-21.