长垣、齐家地区致密油水平井钻井提速配套技术

2017-12-17常雷

石油地质与工程 2017年6期

关键词：长垣摩阻齐家

常雷

（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

长垣、齐家地区致密油水平井钻井提速配套技术

常雷

（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453）

针对大庆长垣、齐家地区致密油水平井水平段长、三维井机械钻速慢、钻井周期长、井壁失稳等问题，通过井眼轨道设计优化，降低了三维井施工难度；通过高效螺杆优选，提高了钻井施工效率；通过研制应用提速钻井工具，提高了造斜段和水平段机械钻速；通过研制高性能水基钻井液体系，实现了长水平段防塌。现场应用14口井，取得了显著的提速效果，平均机械钻速10.53 m/h，相比应用之前机械钻速提高了25.68%。

大庆油田；致密油；水平井；钻井技术；摩阻扭矩

大庆油田中浅层石油勘探开发由中低渗透层到低渗透层再到以致密油层为主，剩余资源整体变差，剩余致密油资源以扶余和高台子油层为主，主要分布在长垣、齐家等地区，是大庆油田今后增储上产的关键[1–3]。松辽盆地北部致密油储层单层厚度薄、纵向不集中、横向不连续、开发难度和成本比较大。在钻井上，针对长垣、齐家地区钻井施工难点，如何利用相关技术措施，形成一套提速配套技术、提高机械钻速、降低致密油钻井成本是致密油开发的关键。

1 钻井难点分析

1.1 三维井数多，扭方位角度大，摩阻扭矩大，影响造斜段施工效率

三维井影响施工效率主要体现在造斜段扭方位困难、托压现象比较严重，严重影响造斜段机械钻速[4]。由于地下储层连续性差，地面条件受限，实施平台井作业施工，长垣、齐家地区部署三维水平井数比例较高，占到76%。统计6口完钻的三维水平井平均方位变化 58.8°，其中最大扭方位角度达到95.6°。造斜段平均机械钻速仅为3.56 m/h ，施工效率较低。具体数据见表1。

1.2 水平段长，钻井施工难度大，钻井周期长

长垣、齐家地区储层物性较差，油层较薄。为了有效控制储层，水平井水平段长度一般在1 400 ～2 000 m。由于水平段较长，而且三维井扭方位较大，摩阻扭矩大，机械钻速较慢，平均机械钻速仅为8.2 m/h，严重影响钻井周期。

1.3 井壁容易失稳，易发生井下事故，对钻井液性能要求高

长垣、齐家地区致密油藏黏土矿物含量高，伊利石含量大于60%，伊蒙混层含量24%～39%。伊利石遇水易产生表面水化，伊蒙混层遇水易层间散裂，易导致井壁失稳。而且钻井周期长，极易因为井壁坍塌发生泥包钻具和井塌卡钻，严重影响水平井正常钻进施工，甚至会造成井眼报废。

表1 长垣、齐家地区三维水平井扭方位施工数据

2 钻井提速技术

2.1 三维井井眼轨道设计技术

三维井由于扭方位角较大、托压严重，造斜段机械钻速低。因此，井眼轨道优化设计应着重缩短偏移距，减小扭方位角度，降低井眼轨道摩阻扭矩，提高钻井施工效率[5–6]。采用“直井段－定向增斜段－扭方位增斜段－平面增斜段”井眼轨道设计模型。

首先，在靶区的垂直平面上提前定向造斜，造斜至井斜角25°左右，在保证井眼轨道光滑的前提下，扭方位之前尽可能缩短偏移距；然后，进行扭方位造斜，在井斜角75°左右完成扭方位造斜；最后，平面造斜至着陆点，进行水平段钻进。与常规三维井井眼轨道设计方法相比，该方法具有减少完钻井深、降低扭方位角度和摩阻扭矩、提高造斜段机械钻速的优点。

分别用常规和降低摩阻两种井眼轨道设计方法对5口井进行井眼轨道设计和摩阻扭矩计算，对设计井深、扭方位角变化、摩阻和扭矩等数据进行对比，对比数据见表2。通过对比，利用降低摩阻的方法得到的井眼轨道平均设计井深减少69.80 m，平均扭方位角度降低5.95°，平均摩阻降低13.53%，平均扭矩降低7.82%，能够起到减少设计井深，降低摩阻扭矩的作用。

2.2 优选高效螺杆

为了提高单只钻头钻进时效，避免因更换螺杆增加起、下钻次数，充分发挥钻井工具和钻头的提速潜力，通过螺杆钻具性能对比试验，优选了具有密封性更强、承压性更高、输出扭矩更大、使用寿命更长的等壁厚螺杆钻具。应用等壁厚螺杆钻具在 5口井开展现场试验，实现造斜段“一趟钻”，具体试验数据见表3。

表2 两种井眼轨道设计方法详细数据对比

表3 等壁厚高效螺杆现场试验具体数据

通过应用等壁厚高效螺杆，实现平均日进尺118.2 m，平均机械钻速8.27 m/h，造斜段周期4.37 d。同年未使用高效螺杆的井，造斜段平均日进尺90.2 m，平均机械钻速5.68 m/h。现场试验等壁厚高效螺杆的井与同年未使用高效螺杆的井相比，造斜段平均日进尺比提高 31.04%，平均机械钻速提高45.60%，提速效果比较明显。

2.3 研制提速钻井工具

三维水平井长水平段摩阻大，施加钻压困难，影响机械钻速。利用提速钻井工具降低摩阻、增加钻压是提高机械钻速的重要手段。

2.3.1 研制应用球形滚珠式扶正器

球形滚珠式扶正器是在扶正器外设计球形滚珠，使扶正器与井壁之间的摩擦变为滚动摩擦，与常规扶正器相比，具有降低摩阻的特点，更有利于给钻头施加钻压，提高机械钻速。

2.3.2 研制应用水力振荡器

针对长垣、齐家地区地质特征，优化设计高性能水力振荡器，起到降低压耗，实现高频脉冲稳定激发，提高冲击力和解决托压难题。改进水力振荡器叶轮设计参数，使工具压耗由2.5～3.5 MPa降至1.6～2.5 MPa；改进阀体机构，采用流道开关方式激发压力脉冲，实现在高转速动力的驱动下，高频率脉冲的稳定激发。优化阀体流道尺寸，使阀体压差由2.94 MPa增加至4.31 MPa，工具冲击提高45.8%；改进阀体结构，采用螺纹调节方式，总长由2.9 m缩短为1.88 m，更加有利于水平井井眼轨道控制。

2.3.3 现场试验效果

2014年，上述两种提速工具试验8口井，平均机械钻速8.53 m/h，平均摩阻4.4 t。邻井相同井段或同井未使用工具井段平均机械钻速7.11 m/h。使用上述两种提速工具，平均钻速提高20.24%，摩阻降低33.1% 。

2.4 研制应用高性能水基钻井液体系

长垣、齐家地区嫩江组为黑褐色油页岩、灰黑色泥岩、夹黑褐色油页岩薄层，地层胶结能力差；姚家组上部为灰黑、黑灰色泥岩，下部为紫红、灰绿色泥岩、灰色泥质粉砂岩，地层水敏性强，该层现注水开发，孔隙连通性好，易井漏；青山口组以黑色泥岩、灰色泥岩为主，长时间浸泡易出现井壁失稳。而且水平段比较长，三维井扭方位较大，摩阻扭矩大。因此，在钻井液体系优选方面，主要考虑具有良好的抑制性、封堵性和润滑性[7]，优选出高性能水基钻井液体系。

2.4.1 钻井液性能

聚胺通过强吸附和氢键作用压缩双电层，减小层间距，疏水膜使亲水变成疏水；聚合醇通过吸附、螯合和降滤失作用，压缩晶层、阻止水分子进入黏土层间；无机盐通过压缩使晶层致密，金属离子交换镶嵌层间，阻止液相进入，有效防止泥岩膨胀。通过聚胺、聚合醇和无机盐三者的“多元协同”作用，提高钻井液抑制性。

当井底温度大于浊点时，聚合醇相分离，析出胶体颗粒对缝隙再次进行化学封堵；刚性、填充、弹性三种颗粒经过合理级配，在裂缝端口处形成一层物理封堵层。通过物理和化学“双效封堵”作用，提高钻井液封堵效果。通过添加液体润滑剂和固体石墨改变摩擦界面润滑性和增加滚动摩擦双重作用，提高钻井液润滑效果。

2.4.2 室内评价

研制的高性能水基钻井液性能稳定、润滑性良好，与油基钻井液性能接近，室内评价数据见表4，可以取代以前使用的低黏高切油包水钻井液体系。