威204H14-1井四开“一趟钻”钻井技术难点及对策*

杨晓峰

(中国石油集团长城钻探工程有限公司 辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

2021年国际油价持续低迷，钻井总投资减少导致工作量萎缩，钻机等停造成的亏损风险加大。为全面落实集团公司加快川渝地区页岩气开发进度要求，加速泸203、阳101井区深层页岩气勘探开发，建立第二个“万亿方储量百亿方产量”目标区，完成威远204区块目标产量，长城公司科技处开展了2021年局级重点科研项目“川渝深层页岩气水平井钻完井技术集成与支持 ”。

该项目部分研究目标为开展对泸州、威远204区块地层的认识研究，通过优选安全、高效提速工具，实现提高机械钻速，提前预防井下复杂、事故与井控风险发生，降低井下故障率，优化钻头选型,提高单只钻头施工进尺，减少起下钻时间，缩短钻井周期。本文选取了威204平台的典型井威204H14-1井，通过研究四开215.9 mm井眼地质、工程、仪器的施工难点，有针对性地提出了各种技术措施，实现了“一趟钻”工程，达到了考核指标的要求。

1 油藏地质特征

威204H14平台位于四川省内江市威远县严陵镇建利村。威远县地势西北高、东南低，分为低山、丘陵两大地貌区。西北低山区山峦起伏，沟谷纵横，一般海拔 500～900 m，相对高差 200～300 m，新场镇鹞子岩海拔 901.9 m，为威远县最高点。东南丘陵区多方山、馒头山和漫岗岭脊，低山向丘陵过渡带有单斜丘陵，间有缓坡台地，一般海拔 300～400 m，相对高差 30～80 m，向义镇双河口海拔 277.6 m，为威远县最低点。

威204H14-1井位于威204H14平台，为该平台6口井施工的第一口上倾井。威204H14-1井整体位于北高南低的单斜构造上。该井采用四开井身结构，如图1所示。其中四开井眼尺寸为215.9 mm，造斜段为3 266～3 954 m,段长688 m，水平段3 954～5 454 m,段长1 500 m，共计2 188 m，采用旋转导向工具“一趟钻”完成四开全部井段[1]。

图1 威204H14-1井井身结构示意图

2 施工难点分析

2.1 地质靶区不确定，轨迹控制精度要求高

威204H14-1井作为该平台施工的第一口上倾井，导眼电测数据与威202、威204区块有所不同。该井目的层龙马溪组箱体位置根据威213、威214井的实钻及压裂成果资料确定，通过威213井、威214井储层测井综合评价：最优储层位于优质页岩的下部龙一11小层。威202、威204井区已投入开发的水平井龙一11小层钻遇率越高，产量也高。参考已经施工的威204区块井，同一平台不同井的可钻性和地层倾角变化不同，本井施工时可能存在钻时慢及憋停顶驱风险[2]。特别是实钻轨迹进入地质靶区A点的垂深不确定，在着陆期间，实钻轨迹易产生脱靶的风险。

2.2 水平段地层倾角多变，轨迹调整频繁

威204H14-1井整体位于北高南低的单斜构造上。根据地震资料及邻井资料预测，本井水平段地层以5°左右上倾，整体比较平滑，未见断层显示，可能发育局部微构造。地质交底时，风险提示水平段1 000 m处裂缝规模较大，500 m处小规模裂缝发育。1 500 m水平段一旦钻遇断层，轨迹一旦进入五峰，增加了卡钻风险，钻头穿层会加剧切削齿的磨损，导致钻时变慢，增加了“一趟钻”施工的难度[3]。

2.3 水平段后期岩屑携带困难，易产生卡钻风险

威204H14-1井水平段长1 500 m，且为上倾井，A点(图2)附近可能会存在岩屑床堆积，水平段会钻遇多个微构造地段，该地层稳定性差，可能形成掉块卡钻，同时，水平段轨迹调整频繁增加了后期的扭矩摩阻，加大了井底风险。

2.4 仪器高温工作时间长，故障率高

威204H14-1井优质页岩埋深在3 600～3 700 m，邻井施工至完钻温度均超过135 ℃，且要满足一趟钻施工，单串旋转导向工具循环时间将达到300～400 h左右，受高温、震动和长时间使用等因素影响，仪器发生故障的概率增加。

3 采取技术措施

3.1 仪器优选

为了实现“一趟钻”工程，旋转导向仪器须具有高造斜率、高稳定性、实时上传地质参数的功能。Auto Track Curve(以下简称ATC)旋转导向系统是贝克公司专为陆地设计的高造斜率推靠式旋转导向系统，连续均衡导向机理是其导向系统的根本，它控制着钻井沿预定轨迹钻进，使得井眼光滑、弯曲度小，导向系统上均匀分布着3个推力块，这3个推力块不像推靠式或指向式旋转导向系统时断时续，他们会一直保持工作状态，持续钻进直达目标层。它的优势如下：

1)该系统可以提高钻进速度，大幅缩短钻井周期，降低钻井成本。

2)该系统在导向过程中轨迹的改变是一个渐变的过程，因此钻头所受的摩擦阻力与摩擦阻力产生的扭矩较小，在起下钻过程中粘钻与卡钻事故就会减少，完井与下套管也变得容易，固井的质量也会得到提高。

3)该系统能监测近钻头方位伽马，对地层实现实时监测，能探测钻头处地层变化，及早探测地层边界，更早发现油气藏的准确位置，最大程度地确保在目标层中穿行，提高钻遇率。

4)该系统能进行近钻头动态井斜测量，可以在MWD测量之前预测出造斜率，精准控制水平段垂深，改善井眼质量，减少弯曲，降低水平段摩阻扭矩，有效提高井眼延伸能力。

5)该系统能测量近钻头附近震动情况，能监测井下震动，使工程师能够了解井下状况，快速识别钻头所处状态，降低钻井风险，在保证井下安全的前提下尽可能地提高机械钻速。

3.2 钻具组合优化

经查阅邻井资料可知，马达对于本平台钻井提速效果不明显，而且马达寿命有限，施工后期泵压过高导致排量受限，增加井下风险，且井温较高，综合考虑本井施工时钻具组合中不下入马达。同时，考虑长水平施工携岩问题，在钻具组合中加入旋流清砂器，提高携岩率，保证井眼的清洁，减少卡钻风险。ATC采用标准配置，包含LBLCP(脉冲)、LBMWD(MWD)、LBSU(导向头)三部分，采用集成化厂房组装测试，不需要现场拆卸维护，操作简便，总长11.48 m。本井四开旋导钻进钻具组合如下：

Φ215.9 mmPDC+Φ172 mmATC仪器+Φ127 mm无磁承压钻杆+Φ127 mm加重钻杆1根+Φ172 mm浮阀+Φ127 mm加重钻杆2根+Φ165 mm史密斯随钻震击器+Φ127 mm加重钻杆6根+Φ127 mm钻杆3柱+旋流清砂器+Φ127 mm钻杆+411×520+Φ139.9 mm钻杆。

3.3 钻头优选

在钻头的选择方面，旋导工具在钻头选取上既要保证高机械钻速，又要保证高造斜率，还应避免较大井下震动。通过对区块施工井史和地质资料开展广泛调研，优选适合该区块的双排齿短保径PDC钻头。参考邻井威204H21-4井，施工时选用史密斯SDI516钻头进行施工，仪器井底震动较小，造斜率较好，且机械钻速较快。但14平台相对于21平台地层差异性较大，在箱体内钻进时元素Si含量明显高于21平台，导致目标层位钻进时仪器震动超标，严重影响了仪器使用寿命。威204H21-4井第二趟更换为贝克DD505X双排齿钻头，仪器震动小，机械钻速更高，水平段平均ROP达到15 m/h。故威204H14-1井一趟钻施工考虑下入全新的贝克DD505X钻头[4]。

威204H14-1井选用DD505X钻头，造斜段平均ROP达到8.89 m/h，相比邻井提高6.6%。着陆时由于地层倾角急剧变陡，轨迹进入五峰组40 m，循环等元素需控时钻进，影响了机械钻速。水平段前500 m地层倾角变化较大，从下倾1°至上倾9°变化，钻头往返穿层2次，钻头受到了一定的磨损，水平段后期顺层钻进，水平段平均ROP为10.05 m/h。

3.4 摩阻扭矩分析技术

在钻井参数选择方面，威204H14-1井施工时，坚持模拟计算和实时监控相结合。首先，通过软件及时计算不同井段的钻井扭矩和摩阻。造斜段：(3 266～3 954 m)，钻压12～14 t，顶驱转速100～120 rpm，排量 34 L/s或35 MPa,通过计算钻压14 t时，地面扭矩16 kN·m，考虑地层不均质性，将顶驱扭矩设置25 kN·m，释放钻井参数；水平段前1 000 m：(3 954～4 954 m)，通过软件计算，井深4 400 m时，钻压14 t，地面扭矩18 kN·m；井深4 768 m时，钻压14 t，地面扭矩20～22 kN·m，适当调高顶驱扭矩上限，施工中根据施工扭矩调整钻井参数；水平段1 000～1 500 m：(4 954～5 454 m)，根据软件计算，施工至井深5 100 m时，钻压12 t，地面扭矩22～25 kN·m，根据钻井扭矩适当调整钻井参数。其次，严格监控仪器参数，根据仪器震动大小与扭矩波动及时对钻井参数进行调整，逐步加大钻压提高机械钻速。最后，本井施工根据实时返沙与倒划情况，依据摩阻扭矩分析计算结果，适当延长短起井段，间歇性打入稠塞清扫井底，确保了井下工况良好，井底干净，降低了卡钻风险。

3.5 精准轨迹控制着陆技术

威204H14-1井在着陆过程中钻遇构造变化，地层倾角突然变陡，经过与地质向导沟通及时调整井斜避免轨迹下切，实现平稳着陆。因箱体位于1小层中下部，着陆时按导向指令以低于设计井斜4°～5°的井斜进入1小层，并迅速下探；下探过程中，随着各伽马高尖依次出现，持续增斜，同时进一步复核地层倾角大致为上倾6°～7°左右，比设计值大1°～2°；以94.5度井斜钻至4、5号伽马高尖凹兜之间及目标箱体时，轨迹下切至箱体底部并迅速翻过5号伽马高尖，伽马降至160～170，根据元素分析轨迹进入五峰顶部，以3°/30 m曲率增斜至97.5°轨迹回切至5号尖上半坡伽马250-260 API位置，此处机械钻速快，仪器震动小，元素含量Si70-72、Ca3-5，此位置即为工程地质“甜点”位置[5]。

3.6 水平段顺层复合钻技术

威204H14-1井在水平段施工过程中，在箱体内优选仪器震动小机械钻速快的高硅低钙甜点层位，寻到工程地质“甜点”位置后，主动将旋导仪器肋板力调小到16%，让轨迹沿地层变化自然增降斜，而不是去主动干预，充分释放钻井参数，保障高机械钻速。同时，因层位未变，伽马与元素始终保持稳定，参见图2，地质导向依托旋导近钻头方位伽马优势，共下达了6条指令，虽然地层倾角从下倾1°到上倾9°剧烈变化，但地质上仍然保证实钻轨迹始终在工程地质“甜点”区域钻进。通过该项旋导顺层钻进技术，避免了轨迹频繁调整，提高了机械钻速的同时，保证了钻遇率，龙一1-1中下钻遇率97.4%。

图2 威204H14-1井实钻轨迹跟图

3.7 旋导工具一趟钻施工保障

为了确保“一趟钻”顺利完成威204H14-1井的四开井段，针对旋导工具的保障采取了以下措施。首先，旋导工具进行了重要部件的升级保养，入井前做好地面测试与井口测试，规范仪器的操作。其次，本井施工过程中，严格执行高温操作程序，当循环温度达到120 ℃时开始使用降温设备，超过125 ℃时启用高温作业程序，正常大排量循环划眼返沙正常后，单泵40冲，转速30 rpm，降温时间根据井下温度来定，一般来说，循环25 min可降温2～3 ℃，循环30 min可降温3～4 ℃；循环温度125～130 ℃每柱打完降温1次，130 ℃以上每半柱循环降温一次。最后，钻井过程中，根据震动的类型和等级进行优化钻井参数，让仪器处于震动可控的范围内安全钻进。通过以上措施，保障了旋导工具威204H14-1井“一趟钻”的顺利施工[6]。

威204H14-1井于2021年4月24日0∶00下入四开旋导工具，4月24日18∶00开始钻进，5月9日8∶00钻达井深5 450 m顺利完钻。其中，施工井段3 246～5 450 m，施工进尺2 204 m,平均机械钻速9.75 m/h，“一趟钻”完成全部造斜段和水平段施工，水平段长1 510 m，四开实际钻井周期14.58 d，与设计周期16.91 d相比缩短了2.33 d。

4 结 论

1)“一趟钻”工程，是钻头、钻具组合、摩阻分析、旋导工具、轨迹控制、施工层位的系统工程，缺一不可，只有逐一优化，才能提高造斜段和水平段“一趟钻”施工成功率。

2)水平段施工采用顺层复合钻技术，结合元素、平均伽马、方位伽马判断钻头位置，找到工程地质“甜点”位置，可以大大提高平均机械钻速，缩短钻井周期。