桩西深层大位移水平井钻井技术

桩西深层大位移水平井钻井技术

桩西油田是胜利油田重要滩海油田，桩西深层大位移水平钻井技术在勘探开发中发挥着越来越重要的作用。近几年，在桩西滩海钻深层大位移水平井4口，桩西深层大位移井由于地质情况复杂、沙河街高阻段地层硬度不均、层理发育、存在断层或破碎带、地层应力失稳、井壁坍塌严重、坍塌周期短等钻井技术难点，又是长裸眼、大井斜稳斜和水平井段，岩屑掉块携带和破碎困难。本文论述大位移定向井施工中的井身轨迹控制、摩阻与扭矩、井壁稳定、井眼净化等问题，以及相应采取的技术措施，为今后推广应用大位移定向井钻井技术提供了一些宝贵的施工经验，同时为桩西深层大位移水平井的勘探开发提供了技术支撑。

桩西大位移水平井钻井难点

桩西深层井自上而下钻平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组（沙一段至沙四段）。东营组及上部地层浅灰色、灰黄色砂岩夹棕黄色泥岩、灰色粉砂岩、厚层状底砾岩；下部为灰色、深灰色泥岩、油泥岩夹砂岩。沙河街地层为灰色、浅灰色灰岩、灰质油泥岩间互层、油泥岩、灰色泥岩和页岩。桩西深层大位移水平井的工程地质难点主要体现在以下几个方面。

（1） 井眼失稳问题突出。桩西大位移水平井钻井的最大难题是在大井斜井段快速地钻过易坍塌的油泥岩、油页岩地层。水基钻井液对泥页岩地层浸泡，会产生剥蚀掉块，井眼不稳定，钻进过程中容易出现井眼复杂。桩西大位移水平井4口井中有3口井在泥岩段均出现井眼失稳，引起井下复杂划眼。

（2） 位移大、水平段长，摩阻扭矩大。由于水平位移大和大井斜稳斜段长：如实钻桩129-1HF井，稳斜段井斜角55.25°，稳斜段长1709.15m，水平位移3168.78m，水平段长883.12m；桩129-平10井，稳斜段井斜角70.6～77.5°，稳斜段长1076.85m，水平位移2410.71m，水平段长641.10m。大井斜的泥页岩层，易坍塌形成掉块，加剧了钻具与井壁的摩擦。

井身结构和井身轨迹的优化

井身结构的确定是根据地质钻探目的，一开套管下深以封隔平原组为原则，二开后定向，大井斜稳斜，水平位移尽量向滩海延伸，套管最深封隔馆陶组，为三开水平段创造条件；或为了满足三开油泥岩或页岩段的水平钻进，二开套管下至A靶点，如桩129-平10井井身结构和轨道参数设计如表1、2所示。

表1　桩129-平10井井身结构设计

桩129-平10井两次钻遇沙一段泥页岩地层，垂深3264～3339m，都使用的是强抑制不分散体系钻井液体系，两次钻至泥页岩都出现井壁失稳现象，尝试各种钻具组合划眼，如下所示：

（1） Φ215.9mm牙轮钻头+Φ209mm近钻头扶正器+Φ127mm钻铤2根+Φ127mm加重钻杆×30+Φ127mm钻杆，近钻头扶正器的钻具组合主要增加其刚性，推动掉块下行，将其赶至井底，将掉块磨碎后，将其携带出。

（2） Φ215.9mm牙轮钻头+Φ127mm加重钻杆×30+Φ127mm钻杆，常规钻具组合通井主要依靠牙轮钻头的研磨，将掉块磨碎，顺利通过遇阻点后，通过调整泥浆性能将掉块带出，恢复井壁稳定。

（3） Φ118mm铣锥+Φ127mm钻杆×2+Φ209mm扶正器+Φ127mm，领眼钻具组合通过较小尺寸工具通过遇阻点，依靠泥浆流动使堆积掉块分散，再通过后面的扶正器和钻具，通过转动将掉块破碎，将其带出。

每一种钻具组合在下钻至泥页岩地层遇阻，期间通过调整泥浆无论是增加钻井液粘切，提高钻井液携岩能力还是降低钻井液粘切，以提高钻井液对井壁冲刷效果，划眼无法通过，而且越处理井眼越复杂，遇阻点越浅，最后均填井侧钻，改油基钻井液体系。

表2　桩129-平10井轨道参数设计

表3　桩74-1HF井轨道参数设计

桩147-平1井和桩74-1HF井，两口井钻遇沙一段泥页岩地层，垂深分别为3264～3306m、3286～3619m，这两口井由于井斜角较少，划眼也经过长时间复杂处理后才正常，但是桩129-平10井，按原设计和填井侧后，由于开发油藏和水平井靶前位移的限制，井斜角在70.6～77.5°之间，钻遇沙一段泥页岩，泥页岩水化膨胀，形成剥蚀掉块，由于井斜大，携带出井眼困难，造成井眼复杂。如果桩129-平10井的井身轨迹如表3所示。

桩129-平10井如果在沙一段泥页岩地层井身轨迹进行优化，改成低于45°的井斜角钻过，井眼复杂问题可以避免，如果由于井位原因，井身轨迹优化不大，建议改井身结构，由于三开井身结构改为四开，优化的井身结构如表4所示，快速钻过沙一段至A点，下入Φ177.8mm套管（尾管）进行封隔。

表4　优化桩129-平10井井身结构

钻井方式优选

二开、三开选用高效PDC+螺杆复合钻井方式，PDC具有小钻压、高钻速的优势，具有转速较高、扭矩大的特性，钻具结构简单，选用PDC钻头配合1.25。螺杆，如：桩129-平10井使用井段为2621～3943m，进尺1322m，地层为东营组和沙一段，机械钻速6.18m/h，单只钻头进尺最高达到1169m；如桩129-1HF井使用井段为2744～3216m、3300～3802m、3811～4308m，进尺1471m，地层为东营组至沙三段，机械钻速5.84 m/h。在大位移水平井中使用PDC+螺杆复合钻井方式，不仅延长了钻头寿命，又减少了起下钻的次数、提高钻井速度。

定向钻具组合：Φ215.9 mm PDC钻头+Φ172mm单弯螺杆（1.25。）+回压阀+Φ127 mm无磁承压钻杆十Φ170 mm MWD悬挂短节+Φ127 mm斜坡钻杆+Φ127 mm加重钻杆×30柱 +Φ127mm钻杆。

稳斜段和水平段钻具组合：Φ215.9 mm PDC钻头+Φ172mm单弯螺杆（1.25。）+ Φ210 mm欠尺寸扶正器+回压阀+Φ170mm MWD悬挂短节+Φ127mm斜坡钻杆+Φ127mm加重钻杆30柱+Φ127mm钻杆。

如果是四开水平段（桩74-1HF）：钻具组合：Φ152.4mm PDC钻头+Φ127mm单弯螺杆（1.25。）+ Φ146 mm欠尺寸扶正器+回压阀+Φ120mm MWD悬挂短节+Φ101.6mm斜坡钻杆+Φ101.6mm加重钻杆8柱+Φ101.6mm钻杆。使用Φ101.6mm钻杆（接头311×310）代替Φ88.9mm钻杆，降低压耗，提高排量和机械钻速。

表5　桩西大位移水平井钻井数据表

图1　桩129-平10井井壁失稳形成的掉块

三开水平段钻井液技术

油基钻井液体系在桩129-平井复杂划眼后开始使用，三开长裸眼，又是大井斜的稳斜段和水平段，由于井壁稳定问题，改用油基钻井液体系，选择油基钻井液的原因：（1）油基钻井液应具有较高的电稳定性，确保乳化体系稳定。（2）使用的油基钻井液具有优良的流变性及悬浮性能，能及时将钻屑带出井底，保证井眼通畅。（3）使用的油基钻井液具有低的滤失量和良好的封堵性能，能够提高井壁稳定性。

桩129-平10井三开选用了无土相逆乳化油基钻井液，使用井段2594—4753 m，进尺2159 m，地层为东营组、沙一段、沙二段，平均机械钻速5.94 m/h。油基钻井液配方：〔（白油+CaCl2溶液）（油水比80：20）〕+3～4%有机土+2～3%主乳化剂+1～1.5%辅乳化剂+2～3%润湿剂+2%乳化封堵剂+2～3%降滤失剂+1～2%氧化沥青+2%碱度调节剂+辅助剂。

油基钻井液抑制了页岩水化膨胀产生掉块问题，在长达574 m的水平段没有发生井壁垮塌、掉块现象，三开平均井径扩大率仅为2.83%。

使用油基钻井液体系，钻具与井眼的摩擦力小，桩129-平10井摩阻保持在14～16t，而桩129-1HF、桩74-1HF和桩147-平1井的摩阻均在30t以上，

桩西深层大位移水平井的钻井实践

桩西深层大位移水平井4口井钻井过程如下数据表5。

4口井钻井目的层为沙河街地层，划眼井段的地层均为高阻的沙河街沙一段底部，沙一段底部为长段灰褐色油页岩和泥岩，地层易井壁失稳，如桩129-平10井，沙一段底部井壁失稳和划眼原因：一是泥页岩易吸水膨胀，水化剥蚀，水基钻井液极易导致井壁坍塌掉块（如图1所示）；二是地层极不稳定，存在周期性坍塌；三是复杂井段井斜角都达到70°以上，岩屑掉块携带和破碎困难。该井钻进过程中遇到该地层，三次井壁失稳划眼后，在大井斜井段划眼困难，从钻井液的体系入手，将聚合物强抑制润滑防塌钻井液体系改为油基钻井液体系，油基钻井液更适用于水敏性强，防止了易坍塌的泥页岩地层，顺利钻完该井。

结语与认识

（1） 优选钻井方式，稳斜段和水平段优选PDC+螺杆复合钻井方式，可以有效地提高钻井速度，保证了良好的井身质量。

（2） 桩西大位移水平井钻遇沙一段泥页岩时，应该优选使用油基钻井液，通过化学方法抑制泥页岩的水化膨胀，防止复杂情况的发生，而且大大地降低了大位移水平井的摩阻。

（3） 优化桩西大位移水平井的井身结构和井身轨迹，三开井身结构优化为四开井身结构，或二开、三开的稳斜段降低的稳斜段的井斜角，适当提高造斜点，既能达到大位移水平井向滩海延伸能力，又降低沙一段泥页岩地层的坍塌掉块造成的钻井风险。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.025