苏77-21-40H2水平井超长水平段钻井技术

2015-10-29涛冉照辉罗亮柯学孙亚平南

石油钻采工艺 2015年6期

陈涛冉照辉罗亮柯学孙亚平南鑫

（1.中国石油西部钻探钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000； 2.中国石油西部钻探苏里格气田项目经理部，内蒙古乌审旗 017300；3.中国石油新疆油田分公司开发公司，新疆克拉玛依 834000； 4.中国石油西部钻探工程有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）

陈涛1冉照辉2罗亮3柯学1孙亚平1南鑫4

引用格式：陈涛，冉照辉，罗亮，等. 苏77-21-40H2水平井超长水平段钻井技术［J］.石油钻采工艺，2015，37（6）：1-4.

随着水平井作为苏里格气田经济规模开发主体技术之一，进一步增加水平段施工长度用以更大限度提高单井产量的需求越来越迫切。针对苏里格气田苏77区块苏77-21-40H2井超长水平段突出的钻井难点：钻压传递困难、井眼清洁困难、井壁稳定难度大、完井大尺寸压裂工具下入困难等，通过采用优化井眼剖面、引入新型减摩降阻工具、优化钻具组合、MEG聚磺钻井液体系、加装顶驱设备、保障压裂工具下入及严格工程配套措施等多项技术对策，大幅度提高了该井水平段的延伸长度和机械钻速。该井顺利完钻时实际水平段长度2 303 m，为苏里格气田水平井的进一步开发提供了经验。

水平井；超长水平段；摩阻扭矩；水力振荡器

苏里格气田是国内产气量最大的整装气田，属于低孔、低渗、致密储层型岩性气藏，有效开发难度大，前期水平井技术的应用表明该手段可有效提高气藏暴露面积及单井产量。中石油在苏里格气田苏77区块开展了超长水平段的钻井试验，并由此部署了设计水平段长度为2 000 m的苏77-21-40H2水平井（实际钻成2 303m水平段），该井目的层为二叠系石盒子组盒8段，地层自上而下依次钻遇第四系，白垩系洛河组，侏罗系（安定组、直罗组、延安组），三叠系（延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组），二叠系（石千峰组、石盒子组）。

该水平井为三开次井身结构，一开用Ø346 mm钻头钻至井深504.81 m，下入Ø273.1 mm表层套管；二开为复合井眼（Ø241.3 mm钻头×2 700 m+Ø215.9 mm钻头×3 325 m），并下入Ø177.8 mm技术套管固井后中完；三开水平段用Ø152.4 mm钻头钻至井深5 628 m完钻后，下入大尺寸裸眼分段压裂工具完井。该井完钻时水平段长度达2 303 m。

1　钻井技术难点分析［1-2］

（1）水平段钻压传递困难。由于水平段超长，井内管柱与井壁的摩阻和扭矩大幅度增加，易使得钻柱发生屈曲变形，钻柱自锁导致无法有效传递钻压，导致水平段延伸钻进困难。

（2）井眼清洁困难。由于水平段极长，岩屑在井内滞留时间长、运移速度慢，岩屑易沉积在井眼低边，形成岩屑床；为满足长水平段小井眼水平井的井眼清洁要求，排量与泵压的选择成为突出的矛盾。同时，井眼岩屑床的存在也会增大钻具与井壁的摩阻。

（3）保障井壁稳定难度增加。整个水平段均在二叠系石盒子组中穿行，由于石盒子组地层水敏性强、裂缝发育，存在泥岩夹层，易发生水化分散、井壁垮塌而造成井下阻卡。超长水平段钻井周期长，增加了地层浸泡时间，增加了井壁稳定的难度。

（4）完井大尺寸压裂工具下入困难。Ø152.4 mm井眼的长水平段完井下入裸眼分段压裂工具，含20个Ø147.5 mm裸眼封隔器、15个Ø140 mm滑套，并由Ø114.3 mm油管连接组成。该工具管串外径与水平段井眼大小接近，工具下入难度较大，对井眼轨迹要求较高。

2　技术对策

2.1剖面优化

2.1.1靶前距和造斜率的选择靶前距和造斜率的选择是轨迹设计的关键。若靶前位移过大，则完钻位移也大，会使造斜段井眼长度增加，导致后期摩阻和扭矩增大；若靶前位移过小，则造斜率较高，钻具与井壁的接触力增大，容易发生屈曲和自锁，导致摩阻和扭矩增加［3-5］。

为减小摩阻及扭矩、保障滑动钻进顺利，需对靶前距和造斜率这2个关键指标进行优化。对于苏77-21-40H2水平井超长水平段，设定套管内摩阻因数为0.2、裸眼段摩阻因数为0.3，分别计算靶前距为300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、600 m、700 m时滑动钻进对应的滑动摩阻，据此优化井眼轨道可知，仅从钻井方面考虑，当靶前位移为500 m时，其对应的滑动摩阻值最小。但是，基于地质方对本区布井井距、地下井网排布等特殊要求，并考虑到靶前位移由350 m增至500 m时对应的滑动摩阻值实际降低并不大。综上所述，最终将靶前位移定为350 m，此时其对应的滑动摩阻较小及造斜率较低（3～5.8）（°）/30 m，可满足超长水平段减摩降阻及准确入靶窗等要求。

2.1.2井眼轨道类型优选由于苏里格区块水平井盒8储层非均质性强，垂深深度精确预测困难，常因出现地层变化而导致轨迹不得不突然降斜或增斜，增加了入靶的难度。因此，考虑到地质目标的不确定性及定向仪器误差，该井井眼轨道优化为 “直一增一稳一增一微增一水平”剖面，见表1。

表1　苏77-21-40H2井水平井井眼轨道设计

本设计剖面在两增斜段之间增加一段短稳斜调整段，有利于调整由于仪器误差等造成的轨迹偏离。同时，设计在石盒子组盒4～盒7重点易坍塌井段控制该稳斜段以约20°的井斜角穿过，以利于井壁稳定及控制钻井方位；该井剖面采用84°井斜微增剖面探气层顶部，若气层提前或推后，可用较短的垂深和位移变化将井斜角及时调整到约90°；同时，如果气层顶部和地质预测一致，则按设计轨迹钻进即可。

2.2水平段延伸工具及工艺

2.2.1水平段延伸能力分析苏77-21-40H2井设计采用倒装钻具组合并选用S135优质钻杆，钻具组合为：Ø152.4 mmPDC钻头+Ø127 mm螺杆（1°）+Ø（145～148） mm扶正器+钻具止回阀+MWD定向短节+Ø120 mm无磁承压+Ø101.6 mm加重钻杆（2～7根）+ Ø101.6 mm斜坡钻杆（16～19柱）+水力振荡器组合 + Ø101.6 mm斜坡钻杆（66～83柱）+Ø101.6加重钻杆（39～42根）+Ø101.6mm钻杆。

理论计算结果表明：水平段2 000 m长时，滑动钻进有300～400 m的屈曲变形段，下钻有100～150 m的屈曲变形段，表明水平段滑动钻进时发生屈曲变形的井段偏长。

因此，为实现超长水平段的顺利延伸，后续钻井应重点做好钻压的有效传递、提高工具面控制精度、保证钻井液润滑性、保障井眼清洁及多采用复合钻进等手段［6-8］。

2.2.2减摩降阻工具为实现苏77-21-40H2井超长水平段的顺利延伸，特引入Ø120 mm水力振荡器用以大幅度减摩降阻，该工具主要由动力部分、阀门与轴承系统、配套部分组成。通过自身产生的轴向振动（当工具的震荡阀不断运动时，改变过流面积，产生压力脉冲，再通过钻井液作用在震击工具的密封面上）来提高钻进过程中钻压传递的有效性和减少 BHA 与井眼之间的摩阻。水力振荡器的结构原理和工作原理如图1所示。

图1　水力振荡器结构原理和工作原理

水力振荡器主要技术参数为：工具尺寸120 mm，总长6.5 m，重量310 kg，流量范围9.5～17 L/s，温度＜160 ℃，工作频率16～17 Hz，工作产生压差4～5 MPa，可承受最大拉力1 156 kN。

2.3水力学参数优化

苏77-21-40H2井随着水平段的延伸，循环压力损耗不断增加，极易出现井漏复杂情况。考虑钻机设备承压能力的因素，本井泵压应控制在28 MPa以内。据此，结合井眼尺寸、钻井液性能、环空返速、喷嘴大小等条件计算泵压、压耗与排量关系，可知，水平段钻进时泵排量控制在11.5～13.5 L/s比较合适，其对应的泵压为23.5～27.5 MPa和环空返速为1.10～1.28 m/s。

2.4优化钻井液体系

邻井岩石理化实验结果表明：水平段石盒子组以黏土矿物为主，总含量大于50%；黏土矿物中主要成分为伊/蒙混层，且含量均大于50%；石盒子组为中等膨胀强分散地层；石盒子岩心易于水化分散且岩心有微裂缝。

依据岩石理化实验结果，本超长水平段钻井液技术应重点考虑如何抑制泥页岩水化膨胀分散及防止破碎垮塌。

因此，苏77-21-40H2井三开超长水平段采用聚磺MEG混油钻井液体系。主处理剂MEG是一种带有独特环状结构的四羟基多元醇，具有优良的高温稳定性和抑制防塌能力，能在岩屑表面形成油状半透膜，具有良好抑制润滑性和油层保护效果。同时，本体系针对超长水平段摩阻大的特点混入原油、进一步降低了井眼摩阻。

体系配方：（2～4）%澎润土+0.2%Na2CO3+（0.1～0.3）% NaOH+（0.3～0.5）%NH4HPAN+（0.3～0.5）%CMC-HV+（0.3～0.5）%KPAM+0.5%FA367+（0.3～0.5）%PAC+（1.5～2）%SMP-2+（2～4）% FT-1+（1～2）%SPNH+（0.1～0.2）%XC+（5～7）%MEG+2%XFQ-6+（1～2）%RH-2+（8～10）%原油+（0.3～0.5）%SP-80。

2.5事故预防技术对策

钻长水平段井需要提高旋转钻井井段的百分比，在长水平段井中起下钻时常常需要倒划眼才能上提，由于钻长水平段井要尽一切可能减少钻柱在井下静止时间以减少卡钻的危险等原因，因此苏77-21-40H2井超长水平段钻井采用顶驱系统进行钻进，以加强处理阻卡的能力。

2.6大尺寸压裂工具顺利下入技术

为保证压裂工具的顺利下入，首先利用原钻井液加入1%液体润滑剂、0.5 t塑料小球配置30 m3钻井液，并将其完全泵入水平裸眼段后再起钻，以提高超长水平段压裂工具下入时的良好润滑性。其次，采用外径150 mm单扶正器、双扶正器、三扶正器依次通井，如遇通井不顺畅，可增加一趟长提至套管内；扶正器提出后测量外径，如提出后外径小于148mm（磨损严重），则更换新扶正器重新通井。同时，在下入压裂工具管串过程中控制好下入速度，在套管内保持每隔约30 s下入1根，在裸眼段保持约50 s下入1根，且裸眼段管柱静止时间不得超过3 min。

3　现场施工

苏77-21-40H2水平井钻井施工较为顺利，全井钻井周期为104.67 d，平均机械钻速为6.2 m/h。水平段钻井周期为44.06d和平均机械钻速为5.25m/h。该井完钻井深5 628 m，水平段长度2 303 m。

3.1井眼轨迹控制

苏77-21-40H2井造斜段石盒子组盒8下1段较薄，实钻采用84°井斜微增和复合钻进方式探气层顶部，确保了后期水平段钻进轨迹控制的主动；水平段轨迹应用水力振荡器工具产生轴向振动延伸钻进，送钻加压顺利，实现了超长水平段的延伸钻进。

该井入靶A点井深3 325 m，垂深3 100.24 m，井斜87.09°，方位218.20°，视平移374 m；完钻点井深5 628 m，垂深3 124.15 m，井斜90.18°，方位217.56°，视平移2 677 m。

3.2钻具组合

苏77-21-40H2井实钻通过采用技术对策中设定的倒装钻具组合，微增斜和稳斜效果显著，同时利于轨迹控制，提高了旋转钻进的比例，进一步提高了机械钻速。

3.3水力振荡器使用前后钻速对比

苏77-21-40H2井在0～1 430 m水平段未使用水力振荡器时，平均机械钻速为5.7 m/h，且在水平段长度延伸至1 200 m后拖压现象严重，定向工具面调整困难，机械钻速迅速降低，无法继续有效实施水平段延伸钻井。因此，在 1 430～2 303 m水平段接入水力振荡器工具配合钻井，共计使用3趟钻，进尺为873 m，平均机械钻速提高到8.57 m/h，提速26.4%，并有效完成了水平段的后期延伸。但由于受钻机设备的限制，泵压需保持在28 MPa以下和排量需控制在12～13 L/s，泵排量不足影响了水力振荡器性能的充分发挥（水力振荡器最佳工作排量为15.8 L/s），这直接导致了滑动钻进时机械钻速提高不明显。

3.4钻井液

苏77-21-40H2井聚磺MEG混油钻井液体系具有良好的抑制、防塌、润滑、携砂、油层保护能力，水平段钻进过程中无坍塌掉块及阻卡现象；水平段返砂基本正常，起下钻开泵顺利；水平段摩阻因数控制在0.05以内，滤饼质量良好，无黏卡现象；水平段下入水力振荡器工具后施工正常，基本无托压现象。

实钻钻井液性能：密度1.10～1.20 g/cm3，漏斗黏度50～60 s，API失水3～4 mL，滤饼厚度0.3～0.4 mm，pH值11～12，含砂0.4%，HTHP失水9 mL，摩阻因数＜0.05，静切力2～3 Pa /7～15 Pa，塑性黏度18～23 mPa·s，动切力8～12 Pa。

3.5压裂工具

苏77-21-40H2井分段压裂工具实际管串结构为：Ø147.5 mm封隔器20个+Ø140 mm滑套15个（含液压滑套1个）+Ø150 mm悬挂器+Ø114.3 mm油管（壁厚6.45 mm×钢级N80）。该井分段压裂工具顺利下至井底，并成功实施投球丢手。

4　结论与建议

（1）针对苏77-21-40H2井超长水平段延伸钻进的突出钻井技术难点，通过采用优化井眼剖面、引入新型减摩降阻工具、优化钻具组合、优选钻井液体系、加装顶驱设备、下入压裂工具保障技术及严格工程配套措施等多项技术对策，保障了该井完钻时水平段长度顺利延伸至2 303 m。

（2）苏77-21-40H2井在1 430～2 303 m水平段使用Ø120 mm水力振荡器工具后，减摩降阻效果明显，工具面稳定，定向效果好及提速明显；同时，通过减少摆工具面时间和起下钻频率有效降低了钻井施工风险。

（3）应提升钻机设备的机泵能力，以满足水力振荡器工具对工作压降和排量的高要求，从而保障该工具工作性能的充分发挥，实现有效减摩降阻、明显钻速及水平段顺利延伸的效果。

［1］苏义脑，窦修荣.大位移井钻井概况、工艺难点和对工具仪器的要求［J］.石油钻采工艺，2003，25（1）：6-10.

［2］郭元恒，何世明，刘忠飞，等.长水平段水平井钻井技术难点分析及对策［J］.石油钻采工艺，2013，35（1）：14-18.

［3］李金平.小井眼长水平段水平井摩阻扭矩分析方法研究［J］.中外能源，2013，18（9）：58-62.

［4］胥豪，董志辉.长水平段水平井井眼轨道优化设计方法［J］.探矿工程：岩土钻掘工程，2013，40（3）：35-37.

［5］卢明辉，管志川.大位移井轨道设计中关键参数的确定［J］.石油钻探技术，2003，31（5）：70-71.

［6］相玉辉，屈展.大位移井钻井工程优化设计与应用［J］.石油机械，2006，34（10）：60-64.

［7］汪志明，郭晓乐.大位移井水力延伸极限研究［J］.钻采工艺，2008，31（4）：1-3.

［8］闫铁，张凤民，刘维凯，等.大位移井钻井极限延伸能力的研究［J］.钻采工艺，2010，33（1）：4-7.

（修改稿收到日期 2015-10-21）

〔编辑薛改珍〕

Drilling technology for ultra-long horizontal section of horizontal well Su 77-21-40H2

CHEN Tao1，RAN Zhaohui2，LUO Liang3，KE Xue1，SUN Yaping1，NAN Xin4
（1. Drilling Engineering and Technology Research Institute，Xibu Drilling Engineering Company Limited，CNPC，Karamay 834000，China；2. Sulige Gasfield Project Management Team，Xibu Drilling Engineering Company Limited， CNPC，Uxin Banner 017300，China；3. Deνelopment Company of Xinjiang Oilfield Company，CNPC，Kalamay 834000，China；4. Xibu Drilling Engineering Company Limited， CNPC，Urumqi 830011，China）

With the horizontal well technology adopted as one of main technologies used for economic-scale development of Sulige Gasfield，the trend to maximizing the production output per well by further increasing the operation length of horizontal section has become more and more imminent. Aiming at the drilling difficulties in ultra-long horizontal section of Well Su 77-21-40H2 in Sulige Gasfield（namely difficult transmission of drilling pressure，difficult cleaning of wellbore，poor wellbore stability and difficult lowering of large-size fracturing tool in completion operation），by taking several technical countermeasures such as optimizing the wellbore profile，introducing the new-type friction resistance reducing tools，optimizing the drilling tool combination and MEG polysulfonate drilling fluid system，installing the top drive equipment，ensuring the smooth lowering of fracturing tool and strictly implementing the supporting measures，the extension length and mechanical drilling speed of the horizontal section of such well have been greatly improved. When the drilling of this well was smoothly completed，the actual length of horizontal section was 2 303 m，which has provided the experience for further development of horizontal wells in Sulige Gasfield.

horizontal well； ultra-long horizontal section； friction torque； hydraulic oscillator

TE243

1000-7393（ 2015 ） 06-0001-04 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.001

陈涛，1975年生。1999年毕业于西安石油大学，现主要从事钻井工程方案及设计、钻井工艺类科研项目研究，高级工程师。电话：18699006889。E-mail：magici4@163.com。