水平井丛式井组优快钻井技术在盐227区块的应用

吴明波

(中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017)

水平井丛式井组优快钻井技术在盐227区块的应用

吴明波

(中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017)

摘要：胜利油田盐227区块为低孔特低渗致密砂砾岩油藏，前期采用常规直井压裂开发产量低、经济效益差。为了提高动用储量，改用集中钻井、集中压裂、集中投产的水平丛式井组方式开发，但井组第1口井-盐227——1HF井存在大井眼定向钻时慢、水平段重复划眼等问题，致使该井施工周期较长、钻井时效差、单井投资大。为此，在后续施工中，对井眼轨道、井身结构、钻头选型、钻井液等技术进行了优化，8口井平均单井钻井周期79.7 d，较盐227-1HF 井缩短 53.9 d，投产后日产量明显提高。

关键词：盐227区块；丛式井组；井身结构；轨迹控制；钻井液技术；致密砂岩

1地质工程概况

胜利油田盐227区块位于济阳坳陷东营凹陷北部陡坡构造带盐227砂砾岩体，主要目的层为沙四上亚段，油藏埋深3 170～3 950m，含油面积1.5km2，石油地质储量302×104t。构造呈北东-南西向展布的单斜形态，地层西南低、东北高，倾角20°，最大主应力方向为近东西向。沉积类型为扇三角洲沉积，纵向上看，底部以砾岩为主，向上岩性变细，上部为夹灰色泥质砂岩和深灰色泥岩；平面上看，垂直物源方向砂砾岩体岩性变化快，厚度变化大，靠近物源方向(北部)粒度粗，远离物源方向粒度细。据岩心分析资料，目的层孔隙度最大13.4%，最小1.4%，平均6.1%；渗透率最大45.6×10-3μm2，最小0.02×10-3μm2，平均1.6×10-3μm2。由于盐227区块属于低孔、特低渗砂砾岩油藏[1]，前期采用常规直井开发效果不佳(先期完钻3口井，仅1口井产量达到2t/d)，因此，改用水平井丛式井组开发方案。

丛式井组共设计9口井，每3口井为一个井组，每台钻机负责施工一组，呈“品”字形分布。每个井组共用1个钻井液池，部分钻井液循环使用，以实现集约化施工。9口井全部采用放射型布井方式[2]，井深4300～5 000m，设计井斜角66°～79°，水平井靶前距为400～500m，水平段长800～1100m。井身结构均采用三开型：一开φ440.5mm井眼×φ339.7mm套管；二开φ311.2mm井眼×φ244.5mm套管；三开φ215.9mm井眼×φ139.7mm套管。具体井组设计数据见表1。

2钻井技术难点

(1)设计同台各有3口井，造斜点深(深度2 800～3 000m)、直井段较长、地层倾角大，大井眼钻进直井段防斜难度大，同台井防碰难度大，井身质量要求高。

(2)设计水平井的斜井段和水平段长，随着水平位移的延伸，摩阻和扭矩逐渐增大，滑动钻进困难。同时，为了保证完井压裂管柱的安全顺利下入，要求井眼轨迹高度平滑，造斜段造斜率控制在20°/100m以内，水平段全角变化率不超过10°/100m，控制精度要求高、难度大。

(3)二开φ311.2mm上部泥岩井段易吸水膨胀，三开φ215.9mm长裸眼井段含有大段泥岩，长时间施工井壁易坍塌，造成井眼不畅通、起下钻困难，对钻井液性能提出了较高要求。

(4)砂砾岩地层可钻性差，钻头(PDC钻头适应性差，牙轮钻头有效使用时间较短)和扶正器易发生严重磨损，机械钻速低，钻井周期长。

3优快钻井技术

3.1井眼轨道优选

先期非常规油气井完井改造立足于裸眼压裂，而裸眼下入压裂管柱要求造斜段井眼曲率<20°/100m，水平段<10°/100m。本着安全的原则，井组井眼轨道剖面设计采用单增类型，一方面可保证井眼平滑，降低施工难度，另一方面有利于管柱的顺利下入，如盐227-1HF采用“直-增-平”三段制单增剖面，设计狗腿度10.5°/100m)。此外，近年来胜利油田开发的非常规油藏埋藏较深，单井机械钻速相对较慢。为提高水平井钻井速度，在满足完井管柱安全下入的前提下，轨道类型采用五段制，如盐227-2HF井，具体设计见表2。五段制设计主要考虑因素：满足完井压裂工艺要求，不影响完井管柱的下入和管材的抗弯能力；轨道中有大段稳斜井段，从理论上可增加转盘钻进的比例，进而有利于提高机械钻速。因此盐227区块后续(盐227-1HF除外)长水平段水平井全部都采用五段制剖面类型。

表2　盐227-2HF井井眼轨道设计方案

3.2井身结构优选

盐227区块长水平段水平井完钻井深在4 500～5 000m，井身结构均采用三开次。盐227-1HF井为区块内施工的第1口井，一开采用φ444.5mm钻头，下入φ339.7mm套管至350m，封住上部疏松易垮塌地层；二开采用φ311.2mm钻头，下入φ244.5mm技术套管至A点；三开采用φ215.9mm钻头，裸眼完钻后下入完井压裂管柱(表3)。由于二开定向段均在φ311.2mm井眼，地层可钻性差，PDC钻头不适应，牙轮钻头寿命短，盐227-1HF斜井段平均机械钻速仅1.23m/h，严重制约了钻井提速、提效。为了提高钻井速度，对后续施工井井身结构进行了优化设计，将φ244. 5mm技术套管优化为封过沙三中地层 ( 2 300m) ，这既封隔了沙三段易塌地层，又减少了裸眼段长度，减少了大井眼钻进井段[3]，提高了钻井速度。后期优化设计盐227-9HF的井身结构见表4。

表3　盐227-1HF井身结构数据

表4　盐227-9HF 井身结构数据

3.3轨迹控制技术

3.3.1 斜井段

斜井段采用的钻具结构：φ215.9mm牙轮钻头+φ172mm×1.5°螺杆+MWD+加重钻杆+钻杆。定向过程中，根据实钻造斜率合理分配定向段和复合钻进段比例，采取“少滑动、多复合”的技术措施，确保了井眼轨迹圆滑。盐227-1HF斜井段复合钻进增斜率最高达到15°/100m，高于设计造斜率，定向段施工过程中，可以根据实钻造斜率的变化，采用大井段复合钻进，以提高钻井效率。

3.3.2 水平段

由于盐227-1HF井在斜井段施工过程中机械钻速太低，三开水平段采用泡沫钻井方式，水平段最高机械钻速达到了13.08m/h，平均机械钻速达到了5.39m/h，是邻井的3～4倍。但泡沫钻井对钻头和扶正器的磨损异常严重，且投资过大，单口井投资超过7000万元，因此，在后续施工中弃用。水平段采用用常规泥浆钻进，采用的钻具组合为：φ215.9mm钻头+φ172mm×1.25°螺杆+φ212mm扶正器+MWD+钻杆+加重钻杆。选择小度数单弯螺杆，避免滑动钻进调整井斜时出现较高的狗腿度；对螺杆本体上的扶正块进行了优化，减少1～2mm，并搭配合适尺寸的欠尺寸扶正器，调整底部钻具组合造斜特性，以提高复合钻进的比例。通过调整钻进参数，复合钻进能基本达到稳斜或微增井斜的效果，减少了滑动钻进的次数和井段，利用复合钻进提高效率，实现“多复合，少滑动”。

3.4钻井液技术

盐227区块自上而下钻遇平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组沙二段至沙四段，缺失沙一段。沙河街组埋深较浅、易坍塌，加之裸眼段长，综合考虑井壁稳定、携岩、润滑、油气层保护和钻井综合成本等多项因素[4-5]，对不同井段采用了相应的钻井液体系。

3.4.1 一开

一开上部地层胶结疏松，易发生井壁坍塌，选用抑制性聚合物防塌钻井液体系，以抑制地层黏土造浆。钻井液主要性能：密度1.05～1.1g/cm3；黏度35～45s。

3.4.2 二开

针对直井段上部地层胶结疏松，易发生坍塌，选用抑制性聚合物防塌钻井液体系，以抑制地层黏土造浆。二开下部沙河街组易发生坍塌掉块，改用防塌性能较强的聚磺铝胺基润滑防塌钻井液体系，以保证钻井液具备很强的抑制性、封堵性和润滑性。施工中加强维护，钻进中及时补充质量分数为0.3%～0.5%的PAM聚合物胶液，严格控制造浆，严格控制钻井液中的劣质固相含量和低密度固相，维持钻井液膨润土含量30～45g/L，以确保钻井液性能稳定、技术套管地顺利下入。二开直井段钻井液性能：密度 1.05～1.20g/cm3；黏度30～50s；API滤失量≤5.0mL；静切力2～4/4～8Pa/Pa，pH值7.0～9.0。

3.4.3 三开

三开裸眼井段长、钻井施工周期长，后期摩阻扭矩增大，钻井液必须具有良好的润滑防卡性能，选用强抑制封堵性聚合物(润滑)防塌钻井液体系。在造斜点前200m加入乳化剂、原油和固体润滑剂，井斜角每增加 10°～15°混入一定比例的原油，以提高钻井液的润滑性，使之形成润滑性能良好的泥饼[6]，确保三开钻进过程中摩阻低、扭矩小和井下安全。水平段严格控制钻井液中的劣质固相含量，同时配合短起下作业，破坏岩屑床，及时清除井内钻屑。水平段钻井液主要性能：密度1.15～1.25g/cm3；黏度50～60s；API滤失量≤2.0mL；静切力5～8/10～16Pa/Pa；pH值8.0～8.5。

3.5钻头优选

该区快二开直井段地层主要以泥岩为主，选用P5363S型PDC钻头。该钻头具有切削能力强、扭矩小、钻速快的特点，有利于实现直井段的快速钻进，实现一趟钻钻完二开直井段。

三开下部地层岩性主要以砂砾岩为主，该地层以石英为主，存在菱铁矿，地层强度为中硬，地层可钻性级值较好，研磨性较强，地层钻头损坏主要以碎齿、断齿和磨损为主[7]。盐227-1HF井在斜井段尝试使用PDC钻头，但效果不好，存在定向工具面不稳、机械钻速慢、PDC钻头切屑齿磨损严重、经济性差。因次，在后续井三开施工时，斜井段优先选用HJT537GHL镶齿牙轮钻头，该类钻头具有掌背强化、金刚石保径、研磨性强的特点，斜井段平均机械钻速达到2.61m/h,能够实现单趟进尺100m。

水平段采用PDC钻头和牙轮钻头混合使用，牙轮钻头纯钻时间短，主要用于调整井斜角和方位角，待井斜角和方位角调整达到要求之后，再使用PDC钻头复合钻进，实现快速钻进，选用的PDC钻头型号为PK6256MJ型，该类钻头具有双排齿加强结构、球面齿保护保径和减少冲击伤害高抗研磨性等特点，以实现水平段的快速钻进。

4施工效果

(1)盐227-1HF井创中石化泡沫钻井最深井(4 591m)，垂深最深(3 619.54m)，井下施工温度最高(137 ℃)3项纪录。

(2)水平段优选的PK6256MJ型PDC钻头在盐227-6HF井单趟进尺达到270m，创造本区块砂砾岩体水平井最高进尺纪录。

(3)9口井建设产能3×104t，投产后动用储量270×104t，平均单井日产油15t，是周围邻井的6～10倍。

(4)盐227区块采用集中钻井、集中压裂、集中投产的一体化开发方式，3台钻机同时使用1条供电线路，单井节约搬迁费、动力费等300×104元，单井费用控制在5000×104元以内。

(5)后施工的8口井采用优快钻井技术，平均单井钻井周期79.69d，比盐227-1HF井缩短53.89d，钻井周期和成本明显降低。

5认识与建议

(1)盐227区块是胜利油田首次按照“井工厂”标准模式建设的开发区块，实现了集中钻井、集中压裂、集中投产的一体化方式。该模式的成功应用，节约了钻井成本，有利于提高非常规油气藏开发效果，具有良好的推广应用前景。

(2)PDC钻头在砂砾岩钻进时，适应性较差，建议进一步改进PDC切削齿结构及抗磨性能，研制适合砂砾岩地层钻进的PDC钻头，以提高钻井速度。

(3)井身结构的优化，减少了技术套管的下深，减少了大井眼钻进进尺，提高了机械钻速，缩短了钻井周期，减少了钻井成本。

参考文献

[1]赵明宸，徐赋海，姜亦栋，等．东辛油田盐227块致密砂砾岩油藏井工厂开发技术[J].油气地质与采收率，2014，21(1)：103-104.

[2]张金成，孙连忠， 王甲昌，等．“井工厂”技术在我国非常规油开发中的应用[J].石油钻探技术，2014，41(1)：24-25.

[3]黄志远，夏晔，岳书海．盐227单元大位移水平井钻井设计与施工[J].石油机械，2013，41(12)：24-25.

[4]邱春阳，赵红香，刘伟．盐227非常规区块水平井钻井液技术[J].湖南文理学院学报(自然科学版)，2014，26(4)：49-50.

[5]刘伟，郑志成．有机胺强抑制钻井液体系在盐 227-5HF井的应用[J].山东化工，2015，44(3)：100-101.

[6]邱维清，李秀灵，陈二丁，等．聚合物胶束钻井液在盐227-4HF井的应用[J].钻井液与完井液，2014，31(5)：41-42.

[7]朱海燕，邓金根，朱晓梅，等.砂砾岩地层的岩石力学特性及钻头优化方法[J].科技导报，2013，31(5-6)：79-80.

编辑：刘洪树

文章编号：1673-8217(2016)02-0112-04

收稿日期：2015-10-14

作者简介：吴明波,工程师，1980年生，2005年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，现从事特殊工艺井的技术服务工作。

中图分类号：TE243.2

文献标识码：A