吉木萨尔凹陷致密油大井丛“工厂化”水平井钻井技术

文乾彬，杨 虎，孙维国，陈伟峰，张 宁（中国石油新疆油田分公司.工程技术研究院；.重油开发公司，新疆克拉玛依834000）

吉木萨尔凹陷致密油大井丛“工厂化”水平井钻井技术

文乾彬a，杨 虎a，孙维国a，陈伟峰a，张 宁b
（中国石油新疆油田分公司a.工程技术研究院；b.重油开发公司，新疆克拉玛依834000）

国外致密油开发经验表明，适宜的工程技术与“工厂化”作业模式的有机结合是实现其经济高效开发的重要手段。针对准噶尔盆地吉木萨尔凹陷致密油特点，开展大井丛“工厂化”水平井钻井试验：一个钻井平台部署12口水平井，水平段延伸方向与最小主应力方向平行，相邻水平段间距300 m，水平段长1 300 m和1 800 m；采用批量化钻井作业模式，每部钻机实施3口井；采用五段制三维水平井轨迹设计方法，应用螺杆定向工具与旋转导向工具配合的轨迹控制方式，实现轨迹精细控制；优化井口间距，通过液压推动滑轨实现钻机井间快速搬迁；建立集中处理站，实现钻井液统一处理和集中维护，提高钻井液重复利用率。试验表明，“工厂化”钻井平均机械钻速达到9.19 m/h，较常规钻井提高5.87%；平均钻井工期64.88 d，较常规钻井缩短19.65%；钻井液重复利用率达到28%.降低成本增加效益成果显著。

准噶尔盆地；吉木萨尔凹陷；致密油；丛式水平井；“工厂化”钻井；低成本开发

2012年，准噶尔盆地吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组致密油勘探获得重大突破，这套油层在整个凹陷内均有分布，在地震剖面上呈现出上、下2个“甜点体”，其最大厚度达65 m，面积1 278 km2，井控资源量10.18×108t，具有巨大的勘探开发潜力[1-2]。上“甜点体”平均孔隙度10.99%，平均渗透率0.012 mD；下“甜点体”平均孔隙度11.62%，平均渗透率0.01 mD，均属于典型的致密油。国外成功开发经验表明，适宜的工程技术与“工厂化”作业模式的有机结合是实现致密油开发的有效手段。本文借鉴国外致密油成功开发经验，结合研究区致密油特点，提出了大井丛“工厂化”水平井开发模式，设计并试验了一个钻井平台钻12口水平井的“工厂化”批量钻井作业模式，技术经济效果显著，这对进一步提高我国致密油开发技术水平具有重要指导意义。

1 大井丛“工厂化”钻井模式及技术方案

所谓“工厂化”钻完井，是在同一个地区集中布置大批相似井，使用大量标准化装备或服务，以生产或装配流水线作业的方式进行钻井、完井的一种高效低成本作业模式，具有系统化、集成化、流程化、批量化、标准化、自动化以及效益最大化等基本特征[3-7]。针对“工厂化”钻井作业特点，从井网部署、平台和井口布置设计、井眼轨迹优化、钻机快速移动、批量钻井作业流程设计以及钻井液重复利用等方面进行技术攻关和方案研究[8]。

1.1 井网部署

通常致密油开发遵循储集层改造优先原则，采用逆向设计思路，即以储集层改造为中心，逆向设计钻完井方式、井身结构、井型以及井位部署。根据吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油特点，采用多级管外封隔分段大规模压裂建产模式，经数值模拟，以滑溜水为压裂液，中密度陶粒为支撑剂，当裂缝半长为140 m时，经济效益最优。因此，确定水平段间距300 m，水平井段延伸方向与最小水平主应力一致，同时“工厂化”作业模式要求集群式布井，井口分布便于集中管理和后期调整，综合分析认为，采用“排状正对”井网部署能形成复杂网状裂缝，满足油藏开发要求。

1.2 钻井平台与井口布置设计

钻井平台与井口布置设计需要充分考虑技术现状、环境保护和经济合理性，试验区地表为农田和公益林，是环境保护敏感地区，因此，设计原则是以当前钻井施工能力为基础，单个平台布置合理数量的井，降低征地费用，减少环境破坏，使得致密油开发总投资最少。

经过反复论证，确定试验平台部署井数12口（在上“甜点体”和下“甜点体”各钻6口井）。如图1所示，平台大小为190 m×180 m，井口“=”型双排布置，井距10 m，排距70 m.为了缩短平台建井周期，采用4部钻机同时作业，每部钻机实施3口井，保证每部钻机独立作业，设计相邻钻机安全距离不低于50 m.

图1 “工厂化”钻井平台与井场布置示意

1.3 三维井眼轨迹优化

根据井位部署和“工厂化”作业施工要求，一个“工厂化”平台部署12口水平井（图2），其中8口三维水平井，4口二维水平井，井口最大偏移距265 m，靶前位移350 m，水平段长度主体设计1 300 m，2口井水平段长1 800 m.由于井距小，井口偏移距大，为了降低井眼碰撞风险和轨迹控制难度，采用“直—增—稳—扭—增—水平”轨迹剖面设计方法，加入15~40 m左右的稳斜段，利于调整造斜点位置，便于小井斜角扭方位，同时也有利于实钻靶点与设计靶点出现较大误差时，给轨迹调整留有余地[9-10]。合理调整造斜点位置，相邻井造斜点错开距离30 m，相邻井水平井方向反向布置，以降低井眼碰撞风险。轨迹设计造斜率小于6°/30 m，减小轨迹控制难度，增加复合钻井进尺，降低摩阻扭矩，确保后期完井作业顺利进行。

图2 “工厂化”平台水平井三维轨迹水平投影

1.4 井身结构设计

针对前期探井水平井井身结构复杂，钻井周期长，投资高等问题，笔者开展井身结构优化研究和可行性论证[11]，形成了适合该区“工厂化”钻井的井身结构（表1）。试验平台采用三开井身结构；一开表层套管封固古近系疏松地层；二开采用复合井眼，首先用直径241.3 mm的钻头钻至造斜点，然后用直径215.9 mm的钻头造斜并钻至芦草沟组顶界，用直径177.8 mm技术套管封固芦草沟组以上地层，直井段大井眼可减缓侏罗系以上地层泥岩缩径风险；三开采用直径152.4 mm的钻头钻至完钻井深，最后下入裸眼分段压裂完井管柱，为保证小井眼长水平段安全钻进，应强化钻井液润滑性、携岩性和防塌性。同时为便于钻井液重复利用，各井段钻井液体系为统一的钾钙基聚合物钻完井液，定向段和水平段钻井液混入10%~15%白油，滤失量小于5 mL，为后期压裂提供优质井眼。

表1 试验区水平井身结构参数

1.5 钻机快速移动技术

为了实现钻机快速移动，缩短搬迁安装时间，配置ZJ50D液动棘爪式滑轨钻机。通过液缸推动实现钻机整体移动，钻具和井口设备随钻机同步移动。为减少外围设备搬迁，节约钻机搬迁时间，利用加长电缆替代动力系统移动，加长出口管线替代循环罐系统移动，增长高压地面管线替代钻井泵移动。

1.6 批量钻井作业程序设计

批量钻井作业按照各开次依次批量作业，缩短钻机等待时间，提高钻机整体效率。如图3所示，1号和2号钻机施工作业顺序为：1号钻机一开按1号井、2号井、3号井顺序施工，1号井一开结束后，不待固井候凝，钻机立即移至2号井钻井，依此类推至3号井一开完钻；3号井一开完钻后进行二开钻进，然后按3号井、2号井、1号井顺序完成二开作业，1号井二开中完后继续三开钻进，最后按1号井、2号井、3号井顺序完成三开施工。2号钻机与1号钻机为同排位置，作业顺序和移动方向一致，保证两部钻机同时作业时拥有足够安全距离。

图3 批量钻井作业顺序示意

1.7 钻井液重复利用技术

采用批量钻井作业模式，钻井液可实现多口井重复利用。为了提高钻井液重复利用率，应从钻井液体系选择和设备工艺配套两个方面开展研究。

首先，全井采用钾钙基聚合物钻井液体系，在不同井段，加入合适的处理剂调整钻井液参数和性能，体系简单，易于维护和转换，便于实现不同井段钻井液重复利用，降低钻井液处理费用。其次，在平台中部建立钻井液集中处理站，通过管线连接每部钻机循环系统，在不影响正常钻井的情况下，实现钻井液统一处理和性能调整。批量钻井作业时，仅有地面循环罐中钻井液可重复利用，因此，为及时补充钻井液的地层消耗和井筒余留量，在集中处理站配置一组储备罐，每口井中间完井之后，可将部分钻井液回收至储备罐内，经固控处理后重复使用。

2 现场试验

为降低试验风险，采取分步实施方式，首先实施上“甜点体”的6口井，依据其开采效果，再开展下步试验。试验平台选用2部钻机同时作业，1部钻机实施3口井，钻机同向布置。钻遇上“甜点体”的6口水平井组完钻信息情况如表2所示，钻井技术指标较前期探井大幅提升，通过弯螺杆定向工具和旋转导向工具配合使用，降低了定向服务成本，实现三维轨迹控制精细控制，最长水平段1 805 m.液缸推动方式实现了钻机整体移动，移动一次耗时约2 h，提高了钻机作业效率。通过钻井液集中处理和统一维护，6口井钻井液重复利用1 400 m3.编制了吉木萨尔凹陷致密油“工厂化”钻井作业指导书，制定了作业各环节控制管理方法，初步形成了一套“工厂化”钻井作业配套技术。

表2 “工厂化”平台6口水平井钻井技术指标

3 效果评价

3.1 钻井技术指标分析

“工厂化”6口水平井组钻井总进尺29 602 m，其中水平段总进尺8 705 m，平均完钻井深4 922.77 m（表3），“工厂化”钻井作业平均机械钻速9.19 m/h，较常规钻井提高了5.87%，“工厂化”钻井平均钻井工期64.88 d，较常规钻井缩短19.65%，在井深较大与水平段长度较长的情况下，“工厂化”钻井技术指标仍然优于常规钻井，体现了“工厂化”钻井作业的优越性。

表3 试验区常规钻井与“工厂化”平台钻井技术指标对比

旋转导向工具和随钻测量仪（MWD）+螺杆定向工具配合使用，实现了大井丛三维水平井轨迹精细控制，井口最大偏移距265 m，最大闭合距2 312 m，平均优质储集层钻遇率高达75.5%，实钻轨迹最大全角变化率9.7°/30 m，井眼轨迹光滑，无井下复杂事故，实现了完井管柱一次性顺利下入（表4）。

3.2 批量钻井效果分析

通过批量钻井作业模式，大幅度提高了钻机整体作业效率。如表5所示，1部钻机作业3口井，钻机共移动6次，减少2次井间拆装，节约了6开次固井候凝时间和接甩钻具时间，单部钻机累计节约工期24 d.

表4 “工厂化”平台6口水平井实钻轨迹控制指标

表5 “工厂化”试验平台单部钻机较常规钻机节约工期统计

6口井各开次依次作业，便于钻井液统一处理和维护，提高了钻井液重复利用率。试验平台6口井完井后重复利用钻井液量达1 400 m3，重复利用率高达28%.此外，常规钻井12口井井场面积要求8.1×104m2，而大井丛“工厂化”钻井平台面积3.42×104m2，相当于常规5口井的井场面积，同时降低了生活区占地面积和重复钻井液池挖掘工作量，极大地减小了对环境污染和破坏。

4 结论和认识

（1）根据试验区致密油储集层特点，从井网部署、平台和井口布置设计、井眼轨迹优化、井身结构设计、钻机快速移动、批量钻井作业流程设计以及钻井重复利用等方面开展大井丛“工厂化”钻井作业技术攻关，并通过6口水平井井组现场试验，获得重大突破，初步形成了大井丛“工厂化”钻井作业配套技术，为进一步扩大试验奠定了基础。

（2）“工厂化”钻井作业有效降低了钻井辅助及完井时间，最大限度减少钻机的非进尺工作时间，节约了设备动复原费用，提高了钻机整体作业效率和钻井液重复利用率，大幅度降低了钻井综合成本，是实现致密油开发的有效途径。

（3）吉木萨尔凹陷致密油大井丛“工厂化”钻井模式及配套技术尚不够完善，与国外同类型致密油开发相比，在标准化、信息化、自动化及流水线作业等方面还有较大差距，有待进一步试验攻关。

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Factory⁃Like Drilling Technology of Cluster Horizontal Wells for Tight Oil Development in Jimusaer Sag,Junggar Basin

WEN Qianbina,YANG Hua,SUN Weiguoa,CHEN Weifenga,ZHANG Ningb
(PetroChinaXinjiangOilfield Company,a.Research Institute of EngineeringTechnology;b.Heavy Oil Production Company,Karamay, Xinjiang834000,China)

The practical experiences of tight oil development abroad indicate that the combination of proper engineering technologies with factory⁃like operation pattern is an important tool for economic and efficient production of tight oils.Based on the characteristics of tight oil in Jimusar sag of Junggar basin,this paper recommended a factory⁃like drilling test of cluster horizontal wells as follows:1)12 wells in a drilling pad were arranged,the horizontal section extensions paralleled to the minimum principal stress orientation,and the distance be⁃tween adjacent sections was 300 m,with the horizontal⁃section lengths of 1 300 m and 1800 m;batching drilling operation pattern was ad⁃opted,with 3⁃well drilling for each of rig;2)five⁃section profile was used for three dimensional horizontal well in track design,realizing the fine track control by combination of screw rod directional tool with rotary steering drilling tool;3)the optimization of wellhead spacing is run by hydraulic drive slide rail for quick rig moving;4)constructing central treatment station to maintain or treat drilling fluid for in⁃crease of repeating utilization factor of drilling fluid.Case study shows that the average rate of penetration of factory⁃like drilling can reach 9.19 m/h,increased by 5.87%compared with conventional drilling;the average drilling cycle is 64.88 days,shortened by 19.65%;the re⁃peating utilization factor of drilling fluid reaches 28%.Hence using this drilling technology can effectively reduce the cost,improve effi⁃ciency and/or benefit.

Junggar basin;Jimusar sag;tight oil;cluster horizontal well;factory⁃like drilling;low⁃cost development

TE22

A

1001-3873（2015）03-0334-04

10.7657/XJPG20150317

2015-01-13

2015-03-10

中石油“新疆大庆”重大专项（2012E-31-13）

文乾彬（1981-），男，四川南充人，工程师，硕士，钻井工艺技术，（Tel）13899583105（E-mail）wenqianbin@petrochina.com.cn.